[发明专利]一种基于能量最优的机器人翻身控制方法

说明书

本发明公开了一种基于能量最优的机器人翻身控制方法，包括以下步骤：根据外界环境条件，基于能量最优原则选择翻身策略；做好翻身准备，根据选择翻身策略摆好姿态；按照已经选定的翻身策略步骤进行翻身；最后，完成翻身动作，机器人恢复到正常工作姿态。其中，机器人的翻身策略有重心翻身、支撑翻身和扭矩翻身三种。机器人可根据环境，基于能量最优的原则选择其中一种方式完成翻身。该方法有效克服了环境和空间的限制，机器人只需要增加一个尾巴即可在身体完全倒置的极端条件下利用多种策略完成翻身。本发明为陆地机器人的姿态调整提供了新方法。

技术领域

本发明属于智能机器人领域，具体涉及一种基于能量最优的机器人翻身控制方法。

背景技术

近年来针对仿生机器人的研究日益增多，涉及到的技术也越来越复杂。相关的研究主要以陆地生物作为对象，例如猎豹、袋鼠、壁虎等，研究奔跑、跳跃、攀爬等典型运动特征，设计具有相应功能的机器人。但是机器人在复杂环境完成各种形式的运动时，往往面临失稳跌倒的问题。因此设计姿态调节特性的机器人，适应恶劣的工作环境，可拓展陆地机器人的应用范围。

目前，现有的文献中记录的可进行姿态调节的机器人大都具有特定的功能，适用于特定的应用环境。中国专利(申请号201310016198.8)提出了一种具有姿态调节功能的仿蝗虫机器人，利用了蝗虫良好的跳跃能力，跳跃后在空中调整姿态并稳定转化为滑翔或扑翼飞行状态；中国专利(申请号201710878073.4)提出了一种可实现空中姿态调整的四足机器人，拥有主动调节姿态的能力；美国加州大学伯克利分校Robert Full在论文“Tail-assisted pitch control in lizards,robots and dinosaurs”中对壁虎利用尾巴在爬行、跳跃、飞行中进行姿态调整和保持平衡进行了研究，并设计出带有尾巴的自平衡小车。此外还有乌克兰国家科学院Leonid Frantsevich在论文“Righting kinematics inbeetles”中研究了甲壳虫的姿态调整动力学，为机器人姿态调整奠定了生物学基础。

但上述示例仅关于机器人的姿态调整做出研究，所得到的机器人姿态调整幅度有限，无法实现翻身；且机器人仅通过一种策略进行姿态调整，还需滑行、跳跃、腾空等附加动作，会受到环境因素的约束，此外这些动作会使机器人在进行姿态调整时消耗很多能量。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于能量最优的机器人翻身控制方法。本发明中所述机器人包含身体(躯干)和尾巴两个部分，本发明方法适用于陆地机器人，机器人包含身体(躯干)和尾巴两个部分，翻身过程中机器人躯干与地面无接触；尾巴部分是一个杆结构，包括如下步骤：

步骤1，判断环境状况，根据尾巴运动是否受限并基于能量最优的原则选择一种翻身策略；

步骤2，做好翻身准备，机器人躯干朝下，两肩关节连线与髋关节连线平行并处在同一平面；

步骤3，按照步骤1选定的翻身策略步骤进行翻身，翻身不成功则再次重复步骤1选取翻身方式，直到成功翻身；

步骤4，完成翻身动作后，机器人恢复到正常工作姿态，躯干朝上，尾巴与四肢动作无限制。

步骤1中，若机器人尾巴在地面以上三维空间内运动不受限，且尾巴能与地面接触，则选用支撑翻身方式；若尾巴在地面以上三维空间内运动不受限，但尾巴不能与地面接触，则选用扭矩翻身方式；若尾巴在地面以上三维空间内运动受限，则选用重心翻身方式；其中，若在机器人尾巴转动所涉及到的空间内有遮挡物，如墙壁，则判断为尾巴运动受限，反之不受限；若尾巴能够通过转动或平移触碰到身体放置的平面，则判断尾巴能够与地面接触；

机器人翻身动作消耗的能量E通过下式计算得出：