一种基于加速度优化的仿人机器人逆动力学控制器

摘要

本发明公开了一种基于加速度优化的仿人机器人逆动力学控制器。属于机器人技术领域。所述控制器包括如下步骤：根据仿人机器人的运动约束，得到仿人机器人上身加速度与脚底所需外力的关系；根据外力的约束来计算上身加速度的范围；通过代价函数计算出最优的上身加速度，并计算出机器人所应受外力和关节力矩。该方法给定机器人脚部受力约束,通过优化机器人上身加速度,使机器人实际受到的外力满足该约束条件，避免机器人发生由外界干扰产生不可预测的运动，从而达到稳定控制仿人机器人的目的。

主权项

1.一种仿人机器人逆动力学控制方法，所述仿人机器人具有上身、左腿和右腿，所述方法包括以下步骤：对所述仿人机器人建立动力学模型；所述动力学模型中，上身简化为一个集成的质量块，每条腿有六个关节，q_rl∈R^6×1与q_ll∈R^6×1分别代表右腿与左腿的关节角度，上身浮动坐标系∑_R位于盆骨的中心，世界坐标系Σ_W位于地面；计算所述仿人机器人上身传统加速度范围；所述加速度范围是使用“空间矢量”方法推导出所述仿人机器人脚底所受外力与上身传统加速度关系,并根据所述仿人机器人当前状态由脚底所受外力范围计算的；优化所述仿人机器人的上身传统加速度；根据所述仿人机器人当前状态的加速度范围和PD控制产生的目标加速度，通过代价函数计算出该状态的仿人机器人最优上身传统加速度，并根据最优的上身传统加速度，计算出所述仿人机器人所应受外力和关节力矩，从而驱动所述仿人机器人行走；所述动力学模型的动力学公式为：$M\left(q\right)\stackrel{··}{q}+C(q,\stackrel{·}{q})=\tau {}^{W}J_{\mathrm{rf}}^{\mathrm{TW}}{\hat{f}}_{\mathrm{rf}}+{}^{W}J_{\mathrm{lf}}^{\mathrm{TW}}{\hat{f}}_{\mathrm{lf}}---\left(1\right)$在式子(1)中，q＝[q_r,q_rl,q_ll]，q_r∈R^6×1为虚拟自由度，M(q)∈R^18×18是关节空间的惯性矩阵，是科氏力、离心力与重力的合力的矢量，与τ_ll∈R^6×1右腿与左腿的关节力矩输入，是从右脚坐标系转换到世界坐标系Σ_W的雅克比矩阵，是从左脚坐标系转换到Σ_W的雅可比矩阵，是施加在右腿的外力在Σ_W中的表示，是施加在左腿的外力在Σ_W中的表示；所述仿人机器人在空间矢量的加速度与上身传统加速度关系为：${}^W\hat{a}_r={}^{R}X_W^{-1}(a^c-\left[\begin{array}{c}{0}_{3\times 1}\\ {}^R{}_r\omega \times {}^{R}v_r\end{array}\right])---\left(2\right)$其中是所述仿人机器人上身所受的上身传统加速度，是所述仿人机器人的空间矢量加速度，[^Rω_r；^Rv_r]＝[ω_x,ω_y,ω_z,v_x,v_y,v_z]^T是上身的空间矢量速度，^RX_W是把速度、加速度和力从Σ_W转换到∑_R的转换矩阵；在双脚支撑期，左右腿的关节加速度与都是由决定；在单脚支撑期，支撑腿的关节加速度是由决定，而摆动腿的关节加速度是由摆动腿的空间矢量加速度或决定，因此$\stackrel{··}{q}=Q(q,\stackrel{·}{q}{}^W\hat{a}_r,{}^R\hat{a}_{\mathrm{rf}}\mathrm{or}{}^R\hat{a}_{\mathrm{lf}})---\left(3\right)$根据所述仿人机器人所受加速度用公式(2)和(3)计算关节角加速度；为了计算所述仿人机器人所受外力，使其能达到所需要的加速度，首先使模型作为一个没有外力的固定的模型，在这种情况下，所述仿人机器人关节力矩通过公式(4)计算：$\left[\begin{array}{c}{\tau }_r\\ {\tau }_{r1}\\ {\tau }_{11}\end{array}\right]=M\left(q\right)\stackrel{··}{q}+C(q,\stackrel{·}{q})---\left(4\right)$此时的τ_r是该虚拟自由度的关节力矩，这些虚拟的力矩是来自施加在仿人机器人的虚拟外力产生的，这个虚拟外力与实际期望的外力相等；因此，我们所需要的机器人的外力可由公式(5)计算；在双脚支撑期，所需的外力是由双脚共同提供；在单脚支撑期，所需的外力是由支撑脚提供；${}^W\hat{f}_{\mathrm{ext}}={}^{w}J_R^{-T}{\tau }_r---\left(5\right)$公式(5)中为雅可比矩阵转制的逆；然后，根据公式(1)-(5)，机器人上身传统加速度a^c与所受外力的关系可以表示为式子(6)；${\mathrm{Ua}}^c+V={}^M\hat{f}_m---\left(6\right)$其中，U、V为q和的函数，是含有六个元素的空间矢量，nMx,nMy,nMz,fx,fy,fz为空间六维力/力矩；根据仿人机器人三个地面约束，得出的范围，再根据所述仿人机器人当前状态得出上身传统加速度的范围；在得出上身传统加速度a^c的范围后，根据代价函数式子(7)，在范围内求出最优的上身传统加速度a^c，$f\left(a^c\right)=W_t·\left|\right|a^c-a_{\mathrm{des}}^c\left|\right|---\left(7\right)$在式子(7)中，是根据PD控制产生目标加速度，W_t是一个权重矩阵，当f(a^c)最小时的a^c即为最优的a^c。