[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

说明书

本发明公开了一种高能效轻量化结构双足机器人的逆运动学求解方法，该方法采用旋量法建立机器人坐标系，并通过构造可表征姿态信息的矢量，构建出了可用于逆运动学求解的表达式方程，进而采用牛顿拉夫逊算法对机器人的逆运动学进行数值求解；该方法还进一步考虑了驱动连杆的存在，并采用解析方法计算出驱动电机实际需要转动的角度。本发明可用于机器人髋关节电机轴不相交的情形下进行逆运动学求解。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种具有高能效轻量化腿足结构双足机器人的逆运动学求解方法。

背景技术

双足机器人是具有多个自由度的高维非线性系统，对其进行步态规划与控制是一项非常具有挑战性的工作。如何实现快速的步态规划一直是国内外研究人员重点关注的问题，它关系到双足机器人的实时性与鲁棒性能。为实现高实时性的步态规划，国内外研究人员目前一般先基于简化模型规划出机器人的质心(或躯干)以及落脚点轨迹，然后再利用逆运动学求解出机器人腿足各驱动关节的轨迹。

目前，国内外研究人员在进行双足机器人结构设计时常使其髋关节的三个电机轴交于一点，包括硕士论文《仿人机器人结构设计与分析》所述的浙江大学的ZJUKong，以及最近的期刊论文《Contact Force/Torque Control Based on Viscoelastic Model forStable Bipedal Walking on Indefinite Uneven Terrain》所述的北京理工大学的BHR-6P。当双足机器人髋关节的电机轴交于一点时，其逆运动学可采用解析方法进行几何求解，如最近的硕士论文《GTX-Ⅲ型双足机器人样机研制与行走实验研究》以及专利《基于闭环控制的仿人机器人全向行走方法》(专利号CN201310060399.8)所述。随着双足机器人技术的发展，国内外研究人员从追求走稳向追求走好发展。为实现高效步行，提高续航能力，国内外研究人员开始考虑高能效轻量化腿足结构布局。在此类布局设计中，一般以减轻机器人腿足结构的转动惯量作为主要优化目标，机器人驱动电机会往躯干方向布置以尽量减轻腿足结构的质量，并采用平行连杆进行驱动。在此情形下，机器人髋关节的电机轴不一定交于一点，从而难以采用几何解析方法进行逆运动学求解。此外，由于加入了连杆，如何从机器人的关节角度计算出驱动电机实际需要转动的角度，也需要进一步考虑。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种高能效轻量化结构双足机器人的逆运动学求解方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高能效轻量化结构双足机器人的逆运动学求解方法，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。

进一步地，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：