本發(fā)明屬于四輪足機(jī)器人領(lǐng)域，尤其涉及一種四輪足機(jī)器人的軌跡優(yōu)化與運(yùn)動(dòng)生成方法、控制器及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、本部分的陳述僅僅是提供了與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)信息，不必然構(gòu)成在先技術(shù)。

2、當(dāng)人類和動(dòng)物進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)行為時(shí)，涉及到腳與環(huán)境接觸之間的快速交互?，F(xiàn)有的混合運(yùn)動(dòng)方法建立在手工制作的啟發(fā)式在線步態(tài)生成，以決定何時(shí)踩步和何時(shí)驅(qū)動(dòng)(滾動(dòng))。大多數(shù)為腿足機(jī)器人所設(shè)計(jì)的步態(tài)模式或運(yùn)動(dòng)原語的靈感來自大自然，但不能從生物有機(jī)體觀察輪腿式機(jī)器人。同時(shí)，這種手工制作的運(yùn)動(dòng)模式不能適應(yīng)粗糙的地形，并且對無法感知的障礙物缺乏魯棒性。

3、在接近物理極限或克服具有挑戰(zhàn)性的障礙物時(shí)，輪足機(jī)器人全身協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)是必要的，需要預(yù)先規(guī)劃好接下來的運(yùn)動(dòng)。然而設(shè)計(jì)高維軌跡，例如包含地面反作用力的全身軌跡，通常是非常困難的。在大多數(shù)情況下，由于約束的復(fù)雜性，手工設(shè)計(jì)幾乎是不可行的。現(xiàn)有技術(shù)中提供了一種四足輪腿機(jī)器人的軌跡兩步規(guī)劃技術(shù)，其僅僅只是針對輪子構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行軌跡優(yōu)化，但是并不能實(shí)現(xiàn)在任務(wù)時(shí)間范圍內(nèi)解決運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問題，即同時(shí)優(yōu)化由全身軌跡、步態(tài)序列和時(shí)間組成的高維變量空間，在兼顧運(yùn)動(dòng)平滑性與穩(wěn)定性的同時(shí)，生成多模式多步態(tài)運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決上述背景技術(shù)中存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種四輪足機(jī)器人的軌跡優(yōu)化與運(yùn)動(dòng)生成方法、控制器及系統(tǒng)，其基于非線性優(yōu)化與輪足逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，生成滿足復(fù)合約束的動(dòng)作軌跡，可以產(chǎn)生使機(jī)器人在特定任務(wù)的時(shí)間范圍內(nèi)接近全身協(xié)調(diào)的輪足機(jī)器人復(fù)雜混合運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輪足機(jī)器人的多模式多步態(tài)運(yùn)動(dòng)。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明的第一個(gè)方面提供一種四輪足機(jī)器人的軌跡優(yōu)化與運(yùn)動(dòng)生成方法。

4、一種四輪足機(jī)器人的軌跡優(yōu)化與運(yùn)動(dòng)生成方法，其包括：

5、基于四輪足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，構(gòu)建軌跡優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，在滿足四輪足機(jī)器人設(shè)定約束條件下，求解出四輪足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的全身最優(yōu)軌跡；其中，所述軌跡優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為狀態(tài)矢量誤差相關(guān)函數(shù)，狀態(tài)矢量誤差為軀干坐標(biāo)系的質(zhì)心的線速度與包含輪地接觸點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的速度之差；

6、基于四輪足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的全身最優(yōu)軌跡，引入一個(gè)虛擬關(guān)節(jié)角度，通過旋轉(zhuǎn)變換使得世界坐標(biāo)系始終與接觸坐標(biāo)系對齊，構(gòu)建出包含輪地接觸點(diǎn)的單輪腿運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；

7、對所述包含輪地接觸點(diǎn)的單輪腿運(yùn)動(dòng)學(xué)模型逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算，得到輪腿及身體的位置信息，再結(jié)合期望足端接觸力，對四輪足機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

8、作為一種實(shí)施方式，所述包含輪地接觸點(diǎn)的單輪腿運(yùn)動(dòng)學(xué)模型表征輪速ω和末端執(zhí)行器速度ve之間的關(guān)系，其表達(dá)式為：

9、

10、其中，j(q)∈r3×3為腿部雅可比矩陣；q＝[q1,q2,q3]表示腿部關(guān)節(jié)角度向量；q1,q2,q3分別表示腿部第一關(guān)節(jié)角度、腿部第二關(guān)節(jié)角度和腿部第三關(guān)節(jié)角度；表示腿部關(guān)節(jié)角度向量對時(shí)間求導(dǎo)數(shù)；r4為輪地接觸點(diǎn)相對輪子中心的距離；為輪子中心坐標(biāo)系相對于軀干坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣。

11、作為一種實(shí)施方式，所述軌跡優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式f(y(t))為：

12、

13、其中，y(t)為優(yōu)化變量，其包括四輪足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)周期為tto上的全身軌跡；xtorso(t)∈r12包含了軀干在世界坐標(biāo)系中的歐拉角中的航向θ∈r3和質(zhì)心位置p∈r3，在軀干坐標(biāo)系中質(zhì)心的角速度ω∈r3與線速度v∈r3，xleg,i(t)包含了輪地接觸點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的位置速度和接觸力q是半正定的hessian矩陣，狀態(tài)矢量誤差nx＝[1,0,0]t為x方向選擇向量，λc∈(0,1)為末端接觸狀態(tài)；上標(biāo)t表示向量的轉(zhuǎn)置。

14、作為一種實(shí)施方式，四輪足機(jī)器人設(shè)定約束條件包括：初始與結(jié)束狀態(tài)約束、運(yùn)動(dòng)學(xué)約束、動(dòng)力學(xué)約束及輪地接觸約束。

15、作為一種實(shí)施方式，所述運(yùn)動(dòng)學(xué)約束由允許的關(guān)節(jié)角度范圍確定，并確保前后輪之間無干涉；

16、

17、其中，ki表示預(yù)先定義的末端執(zhí)行器的工作空間，r表示輪子的半徑。

18、作為一種實(shí)施方式，所述動(dòng)力學(xué)約束采用單剛體動(dòng)力學(xué)模型表征：

19、

20、其中，表示軀干在世界坐標(biāo)系中的歐拉角中的航向角速度；表示軀干在世界坐標(biāo)系中的質(zhì)心速度；表示在軀干坐標(biāo)系中質(zhì)心的角加速度；表示在軀干坐標(biāo)系中質(zhì)心的線加速度；表示旋轉(zhuǎn)矩陣，其將向量的分量從軀干坐標(biāo)系b映射到世界坐標(biāo)系w；t(θ)是變換矩陣將軀干的角速度映射為世界坐標(biāo)系下的歐拉角速度；iw是軀干的慣性張量；m是機(jī)器人總的質(zhì)量；g(θ)是軀干坐標(biāo)系下的重力加速度。

21、作為一種實(shí)施方式，所述輪地接觸約束包括：

22、

23、(xnormal×n)·n＝0

24、

25、其中，是高程圖hterrain(x,y)在世界坐標(biāo)系w中的局部表面法線；摩擦錐約束限制地面反作用力停留在由摩擦系數(shù)μc定義的庫侖摩擦錐c(n,μc)內(nèi)，軀干方向xnormal近似為輪子滾動(dòng)方向。

26、作為一種實(shí)施方式，所述初始與結(jié)束狀態(tài)約束預(yù)先人為設(shè)定。

27、本發(fā)明的第二個(gè)方面提供一種控制器。

28、一種控制器，其包括：

29、全身最優(yōu)軌跡求解模塊，其用于基于四輪足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，構(gòu)建軌跡優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，在滿足四輪足機(jī)器人設(shè)定約束條件下，求解出四輪足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的全身最優(yōu)軌跡；其中，所述軌跡優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為狀態(tài)矢量誤差相關(guān)函數(shù)，狀態(tài)矢量誤差為軀干坐標(biāo)系的質(zhì)心的線速度與包含輪地接觸點(diǎn)在世界坐標(biāo)系下的速度之差；

30、運(yùn)動(dòng)學(xué)模型構(gòu)建模塊，其用于基于四輪足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的全身最優(yōu)軌跡，引入一個(gè)虛擬關(guān)節(jié)角度，通過旋轉(zhuǎn)變換使得世界坐標(biāo)系始終與接觸坐標(biāo)系對齊，構(gòu)建出包含輪地接觸點(diǎn)的單輪腿運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；

31、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算與控制模塊，其用于對所述包含輪地接觸點(diǎn)的單輪腿運(yùn)動(dòng)學(xué)模型逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算，得到輪腿及身體的位置信息，再結(jié)合期望足端接觸力，對四輪足機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

32、本發(fā)明的第三個(gè)方面提供一種四輪足機(jī)器人系統(tǒng)。

33、一種四輪足機(jī)器人系統(tǒng)，其包括四輪足機(jī)器人及控制器，所述控制器用于控制所述四輪足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

34、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

35、本發(fā)明提供了一種四輪足機(jī)器人的軌跡優(yōu)化與運(yùn)動(dòng)生成方法，基于四輪足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的全身最優(yōu)軌跡及包含輪地接觸點(diǎn)的單輪腿運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，再結(jié)合逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算，產(chǎn)生使機(jī)器人在特定任務(wù)的時(shí)間范圍內(nèi)接近全身協(xié)調(diào)的輪足機(jī)器人復(fù)雜混合運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了四輪足機(jī)器人的多模式多步態(tài)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)也便于研究者手動(dòng)設(shè)計(jì)各種動(dòng)作并制作輪足機(jī)器人數(shù)據(jù)集，為輪足機(jī)器人未來在導(dǎo)航和移動(dòng)方面的研究提供了方向。

36、本發(fā)明附加方面的優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

技術(shù)特征：

1.一種四輪足機(jī)器人的軌跡優(yōu)化與運(yùn)動(dòng)生成方法，其特征在于，包括：

2.如權(quán)利要求1所述的四輪足機(jī)器人的軌跡優(yōu)化與運(yùn)動(dòng)生成方法，其特征在于，所述包含輪地接觸點(diǎn)的單輪腿運(yùn)動(dòng)學(xué)模型表征輪速ω和末端執(zhí)行器速度ve之間的關(guān)系，其表達(dá)式為：

3.如權(quán)利要求1所述的四輪足機(jī)器人的軌跡優(yōu)化與運(yùn)動(dòng)生成方法，其特征在于，所述軌跡優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式f(y(t))為：

4.如權(quán)利要求3所述的四輪足機(jī)器人的軌跡優(yōu)化與運(yùn)動(dòng)生成方法，其特征在于，四輪足機(jī)器人設(shè)定約束條件包括：初始與結(jié)束狀態(tài)約束、運(yùn)動(dòng)學(xué)約束、動(dòng)力學(xué)約束及輪地接觸約束。

5.如權(quán)利要求4所述的四輪足機(jī)器人的軌跡優(yōu)化與運(yùn)動(dòng)生成方法，其特征在于，所述運(yùn)動(dòng)學(xué)約束由允許的關(guān)節(jié)角度范圍確定，并確保前后輪之間無干涉；

6.如權(quán)利要求4所述的四輪足機(jī)器人的軌跡優(yōu)化與運(yùn)動(dòng)生成方法，其特征在于，所述動(dòng)力學(xué)約束采用單剛體動(dòng)力學(xué)模型表征：

7.如權(quán)利要求4所述的四輪足機(jī)器人的軌跡優(yōu)化與運(yùn)動(dòng)生成方法，其特征在于，所述輪地接觸約束包括：

8.如權(quán)利要求4所述的四輪足機(jī)器人的軌跡優(yōu)化與運(yùn)動(dòng)生成方法，其特征在于，所述初始與結(jié)束狀態(tài)約束預(yù)先人為設(shè)定。

9.一種控制器，其特征在于，包括：

10.一種四輪足機(jī)器人系統(tǒng)，其特征在于，包括四輪足機(jī)器人及如權(quán)利要求9所述的控制器，所述控制器用于控制所述四輪足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于四輪足機(jī)器人領(lǐng)域，提供了一種四輪足機(jī)器人的軌跡優(yōu)化與運(yùn)動(dòng)生成方法、控制器及系統(tǒng)。其中，該方法包括基于四輪足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)模型，構(gòu)建軌跡優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，在滿足四輪足機(jī)器人設(shè)定約束條件下，求解出四輪足機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)的全身最優(yōu)軌跡；引入一個(gè)虛擬關(guān)節(jié)角度，通過旋轉(zhuǎn)變換使得世界坐標(biāo)系始終與接觸坐標(biāo)系對齊，構(gòu)建出包含輪地接觸點(diǎn)的單輪腿運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；對所述包含輪地接觸點(diǎn)的單輪腿運(yùn)動(dòng)學(xué)模型逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解算，得到輪腿及身體的位置信息，再結(jié)合期望足端接觸力，對四輪足機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制。

技術(shù)研發(fā)人員：李貽斌,侯晉冕,柴匯,宋銳,朱傳樂,王明輝
受保護(hù)的技術(shù)使用者：山東大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6