[发明专利]一种高能效轻量化结构双足机器人的逆运动学求解方法

权利要求书

1.一种高能效轻量化结构双足机器人的逆运动学求解方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，采用旋量法建立机器人坐标系，并构造表征姿态信息的矢量，进而构建出用于逆运动学求解的表达式方程，根据期望的末端位置采用牛顿拉夫逊算法对机器人的逆运动学进行数值求解获得机器人各关节角度；

步骤二，基于步骤一得到的关节角度，采用几何方法计算出各关节驱动电机需要转动的角度；

所述步骤一具体为：

首先，利用旋量法建立机器人坐标系并获得机器人位姿的表达式；在初始状态下，各关节角度为0，各关节的局部坐标系与世界坐标系平行；机器人第i个关节角度q_i相对第i-1个关节角度q_i-1的齐次变换矩阵为：

其中，a_i为关节角度q_i的单位转轴向量，表示由a_i生成的斜对称矩阵，b_i表示关节角度q_i-1局部坐标系下q_i局部坐标系原点的位置矢量，的表达如下：

其中，E为单位矩阵；基于齐次转换矩阵机器人关节角度q_i的位姿矩阵为T_i：

其中，R_i为关节角度q_i的姿态矩阵，p_i为关节角度q_i的绝对位置矢量，R₀和p₀分别为机器人起始杆件的位姿矩阵和绝对位置矢量；基于位姿矩阵T_i，令第j个关节角度q_j为机器人的末端关节角度，则机器人末端的位姿矩阵T_j为：

然后，基于机器人末端的位姿矩阵T_j，构建机器人逆运动学求解的表达式方程：

f(q)＝f_ref

其中，q＝[q₁,…,q_j]^T为机器人关节角度组成的向量，p_ref为末端位置矢量的期望值，向量v_or构造如下：

v_or＝[M(1,1) M(2,2) M(3,3)]^T

其中，矩阵为机器人末端期望姿态矩阵R_ref的转置；

接着，利用牛顿拉夫逊算法对方程f(q)＝f_ref进行求解，方程求解的迭代方程如下：

X_k＝X_k-1-J^-1(f(X_k-1)-f_ref)

其中，X_k为向量q在第k次的迭代值；J^-1为J的逆，X₀为关节角度向量q的初始估计值；当向量f(X_k)-f_ref的欧几里得范数小于阈值λ时，迭代终止，最终得到关节角度向量q＝X_k。

2.如权利要求1所述高能效轻量化结构双足机器人的逆运动学求解方法，其特征在于，阈值λ＝10^-7。

3.如权利要求1所述高能效轻量化结构双足机器人的逆运动学求解方法，其特征在于，所述步骤二中，机器人踝关节驱动电机的输出曲柄、连杆以及起始杆件构成空间四边形，计算采用踝关节驱动电机需要转动的角度具体为：首先，找到该空间四边形中可基于局部坐标系表示的三个顶点，即连杆与起始杆件的连接点、电机输出曲柄与电机的连接点以及机器人起始杆件上的一个固定点，所述固定点位于电机输出曲柄的运动平面内，并在局部坐标系下对三个顶点进行表达；然后，将电机输出曲柄末端的位置表示为电机转动角度的函数，进而表示出连杆在局部坐标系下的位置向量；最后，根据连杆的长度，计算出踝关节驱动电机实际需要转动的角度。