[发明专利]弹跳机器人及其动量轮组件和姿态控制方法

权利要求书

1.一种动量轮组件，其特征在于：包括轮臂(1)，所述轮臂(1)上设有与其转动配合的轮轴(2)，所述轮轴(2)上设有与其同步转动的动量轮(3)，所述轮臂(1)上还设有用于驱动所述轮轴(2)转动的动量轮驱动机构。

2.根据权利要求1所述的动量轮组件，其特征在于：所述动量轮驱动机构包括伺服电机(4)，所述伺服电机(4)的输出轴与所述轮轴(2)之间设有传动机构。

3.根据权利要求2所述的动量轮组件，其特征在于：所述传动机构包括相互啮合的涡轮(5)和蜗杆(6)，所述涡轮(5)的转轴(7)与所述伺服电机(4)的输出轴之间传动连接，所述蜗杆(6)套设在所述轮轴(2)上并与所述轮轴(2)同步转动。

4.根据权利要求1-3任一项所述的动量轮组件，其特征在于：所述轮轴(2)的两端分别设有所述动量轮(3)。

5.一种弹跳机器人，包括机器人本体，所述机器人本体包括基座(10)，其特征在于：所述基座(10)上环形均布设有至少两个如权利要求1-4任一项所述的动量轮组件，所述轮臂(1)与所述基座(10)固定连接。

6.根据权利要求5所述的弹跳机器人，其特征在于：所述基座(10)上环形均布设有两个或三个所述的动量轮组件。

7.根据权利要求5或6任一项所述的弹跳机器人，其特征在于：所述基座(10)上设有弹跳腿(11)和用于执行动作的执行连杆。

8.一种适用于如权利要求5-7任一项所述弹跳机器人的姿态控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)以所述弹跳机器人的质心以及所述弹跳机器人各关节的旋转角构建广义坐标；

2)计算弹跳机器人的总动能E_k和总势能E_p，得到拉格朗日函数：L＝E_k-E_p；

3)根据拉格朗日函数得到弹跳机器人的动力学方程：

其中，τ_i是广义力；q_i是广义坐标；是广义速度；

将动力学方程改写为状态方程形式：

其中，表示弹跳机器人的状态方程；

X为系统状态变量，且：即X(t)∈R²ⁿ，R²ⁿ表示2n维实向量空间；x_c0,y_c0,z_c0分别表示弹跳机器人的质心坐标；表示质心速度；θ_j表示弹跳机器人各关节的旋转角；表示弹跳机器人各关节的旋转角速度；j＝0,1,…,n-3；

U是控制参数；且U(t)∈R^m，R^m表示m维实向量；m是驱动关节数，且m＜n；

t表示时间；

4)确定状态方程的初始条件和终端条件；当终端时刻固定时，自由终点的横截条件为：

5)定义性能指标：

其中，J是性能泛函；表示基座角速度，且为末值型性能指标，即对基座角速度的终端状态提出了要求，保证着陆时基座姿态尽可能为水平；t_f表示终端时刻，且为积分型性能指标，反映弹跳机器人驱动能量的消耗；

6)确定控制作用的容许范围，并以各关节最大驱动力为控制约束|τ_i|≤|τ_im|，以极小值原理求解最优控制，其中，τ_im表示第i个关节的驱动力上限值；

7)将求解得到的最优控制施加于用状态方程描述的弹跳机器人。