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专利号: 2021101003384
申请人: 河南大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 控制;调节
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种双足机器人逆运动学的几何计算方法,其特征在于,所述方法包括:步骤1:建立双足机器人的运动模型,所述双足机器人的运动模型包括躯体位置rbody(n)运动描述、脚部位置rfoot(n)运动描述以及腿部位置运动描述;

步骤2:基于所述躯体位置rbody(n)运动描述、脚部位置rfoot(n)运动描述,分别求取双足机器人运动过程中髋关节位置rhip(n)和踝关节位置rankle(n);

步骤3:通过双足机器人运动过程中腿部关节间的几何关系,求取双足机器人腿部关节执行器位置及相对角度;

步骤4:依据机器人运动过程中关节执行器控制角度的参考方向,确定逆运动学求解的关节执行器角度Q(n)。

2.根据权利要求1所述的一种双足机器人逆运动学的几何计算方法,其特征在于,所述步骤1具体包括:

步骤1.1:在不失一般性前提下,双足机器人的腿部为包括多个连杆与关节执行器的多连杆结构,基于双足机器人的对称性,双足机器人左腿和右腿的多连杆结构物理参数相同,所述腿部位置运动描述包括公式(1)表示的多个连杆间关节执行器角度Q(n):Q(n)=[q0(n) q1(n) q2(n) q3(n) q4(n) q5(n)]     (1);

其中, 和 分别表示双足机器人左腿和右腿的关节执行器角度,i=0,1,…,5,q0(n)、q1(n)和q2(n)分别为双足机器人髋关节的偏航角、滚动角和俯仰角,q3(n)为双足机器人膝关节的俯仰角,q4(n)和q5(n)分别为双足机器人踝关节的俯仰角和滚动角;

腿部位置运动描述还包括多个连杆长度l,所述多个连杆长度l如公式(2)表示:l=[l0 l1 l2 l3 l4 l5]      (2);

其中,li为qi(n)与qi+1(n)之间的连杆长度,i=0,1,…,4;l5为q5(n)与双足机器人脚部之间的连杆长度;

步骤1.2:双足机器人运动过程中,所述双足机器人躯体位置rbody(n)运动描述,如公式(3)表示:

rbody(n)=[xbody(n) ybody(n) zbody(n)]     (3);

其中,x正方向为双足机器人运动前向,y正方向为双足机器人左脚侧向,z正方向为双足机器人垂直上方向;

步骤1.3:双足机器人运动过程中,所述双足机器人脚部位置rfoot(n)运动描述如公式(4)表示:

其中, 和 为双足机器人左脚位置参数, 和 为双足机器人右脚位置参数。

3.根据权利要求1所述的一种双足机器人逆运动学的几何计算方法,其特征在于,所述步骤2具体包括:

步骤2.1:在双足机器人运动过程中应满足预设约束条件,所述预设约束条件包括:(a)机器人运动过程中躯体保持直立的姿态;

(b)控制机器人髋部偏航的关节执行器角度q0(n)等于0;

(c)机器人运动过程中双脚与地面平行。

步骤2.2:基于约束条件(a),通过公式(5)计算得到双足机器人运动过程中髋关节位置rhip(n):

其中,lh为双足机器人髋关节的宽度,lb为双足机器人髋关节中点到躯体有效位置的高度;

步骤2.3:基于约束条件(b),通过公式(6)计算得到双足机器人运动过程中踝关节位置rankle(n):

4.根据权利要求3所述的一种双足机器人逆运动学的几何计算方法,其特征在于,所述步骤3具体包括:

步骤3.1:设定所述双足机器人髋关节位置rhip(n)为所述关节执行器q0(n)位置,并记作r0(n),r0(n)=rhip(n);

步骤3.2:基于约束条件(b),关节执行器q1(n)位置r1(n)如式(7)表示:步骤3.3:设定双足机器人踝关节位置rankle(n)为关节执行器q5(n)位置,并记作r5(n),r5(n)=rankle(n);

步骤3.4:基于约束条件(c),通过公式(8)计算得到关节执行器q4(n)位置r4(n):步骤3.5:基于双足机器人运动过程中冠状面的几何关系,r1(n)与r4(n)相对Z轴夹角θ1(n)如公式(9)表示:

其中, 表示Y轴相对间距, 表示Z轴相对间距;

步骤3.6:基于连杆l1的连接关系,关节执行器q2(n)的位置r2(n),如公式(10)表示:r2(n)=r1(n)‑[0 l1sin(θ1(n)) l1cos(θ1(n))]      (10);

T

其中,0=[0 0];

步骤3.7:基于所述多连杆结构位置关系,控制双足机器人俯仰运动的关节执行器q2(n)、关节执行器q3(n)和关节执行器q4(n)所对应位置r2(n)、r3(n)和r4(n)、在三维空间构成三角形Δr2(n) r3(n) r4(n),位于r2(n)处顶点的角度θ2(n)和位于r3(n)处顶点的角度θ3(n),如公式(11)表示;

其中, 表示r2(n)和r4(n)的距离。

5.根据权利要求4所述的一种双足机器人逆运动学的几何计算方法,其特征在于,所述步骤4具体包括:

步骤4.1:基于所述三角形Δr2(n) r3(n) r4(n)扩展形成的平面,r2(n)和r4(n)间连线与双足机器人运动冠状面夹角θx(n),如式(12)表示:步骤4.2:定义双足机器人运动过程中,关节执行器q0(n)控制连杆l0垂直向下为初始角度,连杆li与连杆li‑1之间关节执行器qi(n)控制连杆li与连杆li‑1方向相同时为初始角度,i=1,2,…,5,所述关节执行器角度Q(n)用角度形式如公式(13)表示:Q(n)=[0 θ1(n) θ2(n)‑θx(n) π‑θ3(n) θ4(n) ‑θ1(n)]    (13);

T T

其中,θ4(n)=θ2(n)+θ3(n)‑θx(n)‑π,0=[0 0],π=[π π]。