本發(fā)明屬于機(jī)器人控制領(lǐng)域，更具體地，涉及一種考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制方法、系統(tǒng)、存儲(chǔ)介質(zhì)及程序產(chǎn)品。

背景技術(shù)：

1、重型腿式機(jī)器人因其卓越的承載能力而被廣泛應(yīng)用于緊急救援和災(zāi)難救助的貨物運(yùn)輸，尤其是在非結(jié)構(gòu)化地形中表現(xiàn)突出。然而，開發(fā)能夠進(jìn)行敏捷動(dòng)作的大型重型腿式機(jī)器人面臨多重挑戰(zhàn)，主要源于機(jī)器人系統(tǒng)的規(guī)模效應(yīng)和重型腿部結(jié)構(gòu)。為了有效承載重量，機(jī)器人需要強(qiáng)健的腿部結(jié)構(gòu)，這又增加了對(duì)控制策略和執(zhí)行器能力的需求。

2、軌跡優(yōu)化技術(shù)已被提出用于規(guī)劃支撐腿和擺動(dòng)腿的動(dòng)作，通過實(shí)時(shí)解決最優(yōu)控制問題以生成狀態(tài)和控制軌跡。傳統(tǒng)的軌跡優(yōu)化方法在設(shè)計(jì)控制策略時(shí)，常常分別對(duì)支撐腿和擺動(dòng)腿進(jìn)行優(yōu)化，未能充分考慮在高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)中兩者的耦合效應(yīng)。基于全身運(yùn)動(dòng)學(xué)加上質(zhì)心動(dòng)力學(xué)的軌跡優(yōu)化方法雖然考慮了這種耦合，提供了一種同時(shí)規(guī)劃支撐腿和擺動(dòng)腿動(dòng)作的方法，但在面對(duì)具有粗壯腿部的機(jī)器人時(shí)，現(xiàn)有的基于全身運(yùn)動(dòng)學(xué)加上質(zhì)心動(dòng)力學(xué)的軌跡優(yōu)化方法往往以關(guān)節(jié)末端速度或關(guān)節(jié)速度作為運(yùn)動(dòng)成本，這種運(yùn)動(dòng)成本的構(gòu)建忽略掉了腿部本身的動(dòng)力學(xué)特征，往往導(dǎo)致腿部的髖關(guān)節(jié)執(zhí)行器需要提供巨大的扭矩以滿足動(dòng)作的要求，從而對(duì)執(zhí)行器提出了更高的性能需求，并可能導(dǎo)致執(zhí)行器過早磨損或故障。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制方法、系統(tǒng)、存儲(chǔ)介質(zhì)及程序產(chǎn)品，其目的在于，使重載腿足機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)敏捷運(yùn)動(dòng)時(shí)盡可能減小對(duì)關(guān)節(jié)輸出能力的需求。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的第一方面，提出了一種考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制方法，包括如下步驟：

3、以腿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的階段成本和終端成本之和最小為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建最優(yōu)控制問題；

4、所述階段成本包括基于腿部動(dòng)量的關(guān)節(jié)速度成本、輸入力成本和軌跡跟隨成本；所述基于腿部動(dòng)量的關(guān)節(jié)速度成本lmomentum(x,u)的計(jì)算式為：其中，x為狀態(tài)向量，u為輸入向量，為腿部質(zhì)心動(dòng)量矩陣acl中對(duì)應(yīng)實(shí)際關(guān)節(jié)部分的分塊陣，為實(shí)際關(guān)節(jié)速度，hcl,ref(t)為參考腿部質(zhì)心動(dòng)量，d為權(quán)重矩陣，║║2表示二范數(shù)；

5、對(duì)最優(yōu)控制問題進(jìn)行轉(zhuǎn)化求解，得到對(duì)應(yīng)的輸入向量，基于該輸入向量對(duì)腿足機(jī)器人進(jìn)行控制。

6、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述腿部質(zhì)心動(dòng)量矩陣acl的計(jì)算式為：

7、

8、其中，xcl為將系統(tǒng)動(dòng)量投影到腿部瞬時(shí)質(zhì)心的投影矩陣，t表示轉(zhuǎn)置，i為系統(tǒng)慣性矩陣，j為系統(tǒng)雅可比矩陣。

9、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，基于腿足機(jī)器人系統(tǒng)中所有腿的質(zhì)心動(dòng)量投影矩陣，確定將系統(tǒng)動(dòng)量投影到腿部瞬時(shí)質(zhì)心的投影矩陣xcl；

10、腿足機(jī)器人系統(tǒng)中第k條腿的質(zhì)心動(dòng)量投影矩陣的計(jì)算式為：

11、

12、其中，為從第i個(gè)連桿坐標(biāo)系到第k條腿的質(zhì)心坐標(biāo)系lk的空間動(dòng)量轉(zhuǎn)換矩陣，表示第k條腿中連接到主體的第一個(gè)連桿的索引，表示第k條腿包含的連桿數(shù)量，n為實(shí)際連桿總數(shù)。

13、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述輸入力成本linput(x,u)的計(jì)算式為：

14、

15、其中，u(t)是控制輸入力，uref(t)是參考輸入力，r是輸入力權(quán)重矩陣。

16、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述軌跡跟隨成本ltrajectory(x,u)的計(jì)算式為：

17、

18、其中，x(t)是系統(tǒng)狀態(tài)，xref(t)是參考軌跡，p是狀態(tài)權(quán)重矩陣。

19、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，所述最優(yōu)控制問題中，約束條件包括摩擦錐約束、接觸點(diǎn)無滑移約束、輸出限制約束和擺動(dòng)腿約束。

20、作為進(jìn)一步優(yōu)選的，采用sqp方法對(duì)最優(yōu)控制問題進(jìn)行轉(zhuǎn)化求解，得到對(duì)應(yīng)的輸入向量。

21、按照本發(fā)明的第二方面，提供了一種考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制系統(tǒng)，包括處理器，所述處理器用于執(zhí)行上述考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制方法。

22、按照本發(fā)明的第三方面，提供了一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制方法。

23、按照本發(fā)明的第四方面，提供了一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其特征在于，包括計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制方法。

24、總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：

25、人類在進(jìn)行快速奔跑時(shí)通過腳尖觸地來盡可能減小擺動(dòng)腿動(dòng)量變化從而有效的保護(hù)腿部肌肉。針對(duì)這一特征，本發(fā)明設(shè)計(jì)了基于腿部質(zhì)心動(dòng)量變化的速度成本函數(shù)，相較于以關(guān)節(jié)速度或者末端速度為運(yùn)動(dòng)成本的現(xiàn)有控制方法來說，本發(fā)明以腿部質(zhì)心動(dòng)量為運(yùn)動(dòng)成本的控制方法，可在保持機(jī)器人整體動(dòng)量波動(dòng)盡可能小的前提下，充分減小腿部動(dòng)量變化，從而使具有粗壯腿的重載足式機(jī)器在實(shí)現(xiàn)敏捷運(yùn)動(dòng)時(shí)盡可能減小對(duì)關(guān)節(jié)輸出能力需求，顯著減小了實(shí)現(xiàn)相同機(jī)身運(yùn)動(dòng)踝關(guān)節(jié)所需要的最大關(guān)節(jié)力矩，保護(hù)關(guān)節(jié)，避免受傷。同時(shí)，本發(fā)明方法在不損失軌跡跟隨能力的情況下減小了輸出功率，提升了運(yùn)動(dòng)效率。

技術(shù)特征：

1.一種考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制方法，其特征在于，包括如下步驟：

2.如權(quán)利要求1所述的考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制方法，其特征在于，所述腿部質(zhì)心動(dòng)量矩陣acl的計(jì)算式為：

3.如權(quán)利要求2所述的考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制方法，其特征在于，基于腿足機(jī)器人系統(tǒng)中所有腿的質(zhì)心動(dòng)量投影矩陣，確定將系統(tǒng)動(dòng)量投影到腿部瞬時(shí)質(zhì)心的投影矩陣xcl；

4.如權(quán)利要求1所述的考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制方法，其特征在于，所述輸入力成本linput(x,u)的計(jì)算式為：

5.如權(quán)利要求1所述的考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制方法，其特征在于，所述軌跡跟隨成本ltrajectory(x,u)的計(jì)算式為：

6.如權(quán)利要求1所述的考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制方法，其特征在于，所述最優(yōu)控制問題中，約束條件包括摩擦錐約束、接觸點(diǎn)無滑移約束、輸出限制約束和擺動(dòng)腿約束。

7.如權(quán)利要求1-6任一項(xiàng)所述的考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制方法，其特征在于，采用sqp方法對(duì)最優(yōu)控制問題進(jìn)行轉(zhuǎn)化求解，得到對(duì)應(yīng)的輸入向量。

8.一種考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于，包括處理器，所述處理器用于執(zhí)行如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制方法。

9.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制方法。

10.一種計(jì)算機(jī)程序產(chǎn)品，其特征在于，包括計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制方法。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于機(jī)器人控制領(lǐng)域，并具體公開了一種考慮腿部動(dòng)量的重載腿足機(jī)器人控制方法、系統(tǒng)、存儲(chǔ)介質(zhì)及程序產(chǎn)品，其包括：以腿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)的階段成本和終端成本之和最小為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建最優(yōu)控制問題；階段成本包括基于腿部動(dòng)量的關(guān)節(jié)速度成本、輸入力成本和軌跡跟隨成本；基于腿部動(dòng)量的關(guān)節(jié)速度成本為：其中，x為狀態(tài)向量，u為輸入向量，為腿部質(zhì)心動(dòng)量矩陣A<subgt;CL</subgt;中對(duì)應(yīng)實(shí)際關(guān)節(jié)部分的分塊陣，為實(shí)際關(guān)節(jié)速度，h<subgt;CL,ref</subgt;(t)為參考腿部質(zhì)心動(dòng)量，D為權(quán)重矩陣；對(duì)最優(yōu)控制問題進(jìn)行求解，得到輸入向量，從而對(duì)腿足機(jī)器人進(jìn)行控制。本發(fā)明可使重載腿足機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)敏捷運(yùn)動(dòng)時(shí)，盡可能減小對(duì)關(guān)節(jié)輸出能力的需求。

技術(shù)研發(fā)人員：羅欣,錢樂天
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/5