[发明专利]一种3D欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法。

背景技术

双足机器人是一种模仿人类结构特征的机器人，它的最终目标是实现与人类相似的运动行为，而行走运动与跳跃运动是人类最重要的两种运动形式。目前，国内外已经成功研发出了许多能够实现行走运动的双足机器人，如美国波士顿动力公司的ATLAS与Petman、日本AIST的HRP、日本本田公司的ASIMO、韩国AKIST的KHR、欧洲开源机器人iCub、我国哈尔滨工业大学的HIT与GoRoBoT、国防科技大学的KDW、北京理工大学的BHR、清华大学的THBIP等。尽管这些双足机器人都能实现稳定的行走运动，但目前还很少有双足机器人能够实现跳跃运动。相比进行行走运动的双足机器人，进行跳跃运动的双足机器人不仅需要更复杂的机械系统设计，其驱动控制技术也更复杂，特别是欠驱动双足机器人的驱动控制技术。

目前，为了实现欠驱动双足机器人的跳跃运动，大家主要采用以“Modeling,motion planning,and control of one-legged hopping robot actuated by two arms”为代表的一类文章所提出的弹性伸缩腿驱动控制模型，即机器人拥有可伸缩的弹簧腿，上面装有直线弹簧，当机器人与地面接触后，可伸缩弹簧腿上的直线弹簧释放能量，从而给机器人提供跳跃的动力。

基于弹性伸缩腿驱动控制模型的机器人虽然能够实现跳跃运动，但由于引入了弹射系统，机器人的机械系统设计变得很复杂，并且，在该驱动控制技术里，弹簧的伸缩控制需要与机器人的步态在整个跳跃运动过程中保持节奏协调一致，比如，当机器人落地时，弹簧要压缩到最短并恰好被释放，这就要求机器人系统的弹簧伸缩控制技术具有很高的协同控制精度，从而提高了机器人系统的控制难度。此外，跳跃机器人可伸缩腿的作用机制与人体跳跃的作用机制存在很大的差异性，因为人类的腿是不会发生长度伸缩变化的，因此这种跳跃机器人难以体现仿人的特点。

发明内容

为了克服上述问题，避免复杂的机械系统设计并简化控制过程，本发明希望从控制理论与算法上进行改进，提供一种3D欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法，该方法直接通过力矩驱动机器人，无需机器人系统专门设计有弹射系统，可以实现机器人的稳定跳跃运动，并可适用于双足机器人跑步运动的跳跃过程。

本发明的技术目的通过以下技术方案实现：

一种3D欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法，包含以下步骤：

步骤一：建立3D欠驱动双足机器人跳跃运动过程的动力学模型，即

其中D为惯性质量矩阵，C为离心力与科氏力向量，G为重力向量，B为常数矩阵，u＝[u₃,u₄,u₅,u₆,u₇,u₈]′为关节驱动力矩，向量q＝[θ,q₂,q₃,q₄,q₅,q₆,q₇,q₈]′为机器人关节坐标，其中，机器人运动状态参数θ＝(-q₁-0.5*q₃)。通过观察人类的跳跃实验，我们发现人类跳跃的力量主要来自于踝关节、膝关节以及髋关节的快速伸张。受此启发，我们将欠驱动双足机器人膝关节以及髋关节驱动力矩的控制模型确定为

其中u₃为支撑腿膝关节驱动力矩，k₃为支撑腿膝关节驱动力矩比例系数，q₃为支撑腿膝关节角度，q_3res为支撑腿膝关节驱动力矩为0时q₃的角度位置；而其中u₄为支撑腿髋关节驱动力矩，k₄为支撑腿髋关节驱动力矩比例系数，q₄为支撑腿膝髋关节关节角度，q_4res为支撑腿髋关节驱动力矩为0时q₄的角度位置。