[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

摘要

本发明涉及一种3D欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法，针对3D双足欠驱动双足机器人的跳跃驱动控制问题，提出了新的驱动控制模型，通过从控制理论与算法上进行改进,有效地实现了3D双足机器人的跳跃运动。本发明能够让双足机器人系统在没有柔性部件的情况下实现跳跃运动，大大简化了跳跃机器人的机械结构系统设计，具有很强的理论指导与应用价值。

主权项

一种3D欠驱动双足机器人跳跃运动的驱动控制方法，应用于3D欠驱动双足机器人，其特征在于：直接采用力矩对机器人的支撑腿髋关节、支撑腿膝关节以及摆动腿髋关节、摆动腿膝关节进行驱动控制；通过支撑腿膝关节以及支撑腿髋关节的迅速伸张，使得机器人的重心迅速上升，从而获得起跳的速度；具体包括以下步骤：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Dq··+Cq·+G=Bu]]>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)，q1与q2为机器人支撑腿踝关节角度，q3为机器人支撑腿膝关节角度，q4与q5为支撑腿髋关节角度，q6与q7为摆动腿髋关节角度，q8为摆动腿膝关节角度，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u3=-k3(q3-q3res)u4=-k4(q4-q4res)]]>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，q3res为支撑腿膝关节驱动力矩为0时q3的角度位置；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，q4res为支撑腿髋关节驱动力矩为0时q4的角度位置；步骤二：确定关节坐标q＝[θ,q2,q3,q4,q5,q6,q7,q8]′的初始位姿以及关节驱动力矩模型的比例系数k3、k4，以及平衡位置q3res、q4res，其中k3、k4的确定与关节坐标初始位姿有关；特别的，初始位姿角度q3、q4应该让机器人保持膝盖下蹲并且身体前倾的姿态，从而为机器人重心的上升提供潜在的运动空间；步骤三：对3D欠驱动双足机器人的主动关节qa＝[q5,q6,q7,q8]′进行步态规划，将主动关节qa＝[q5,q6,q7,q8]′表示为机器人状态参数θ的多项式函数，其中，各多项式参数通过一个非线性约束优化过程确定；具体的，所述非线性约束优化过程，以能量耗散作为目标函数，以物理可实现条件以及人体运动约束条件作为约束函数；步骤四：基于所规划的步态以及动力学方程，利用数值算法计算出关节力矩u＝[u3,u4,u5,u6,u7,u8]′随时间变化的值，从而利用求出的关节力矩对机器人实施控制，实现3D欠驱动双足机器人的跳跃运动。