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申请/专利权人：哈尔滨工业大学

摘要：一种基于非线性弹簧模型的双轮足式机器人跳跃控制方法，属于轮足机器人跳跃控制技术领域。本发明针对现有双轮足式机器人的跳跃控制对关节输出力矩的要求高的问题。包括建立双质量块非线性弹簧模型；将跳跃控制分为起跳相、上升相、下降相和缓冲相四个阶段，各阶段均采用QP二次规划的方法进行轨迹规划；以弹簧劲度系数、弹簧原长，各阶段开始和结束时刻的弹簧长度作为规划参数，获得目标弹簧长度和目标弹簧力关于时间的曲线；再将跳跃高度分为起跳高度和收腿高度，以起跳高度为变量基于二分法进行跳跃轨迹的迭代优化，获得最优跳跃轨迹。本发明用于实现双轮足式机器人跳跃控制。

主权项：1.一种基于非线性弹簧模型的双轮足式机器人跳跃控制方法，其特征在于，以双轮足式机器人的两个轮毂电机为下质量块，机身与腿部连杆作为上质量块，两个质量块之间通过非线性弹簧连接，建立双质量块非线性弹簧模型；将跳跃控制分为起跳相、上升相、下降相和缓冲相四个阶段，均采用QP二次规划的方法进行轨迹规划：起跳相轨迹规划：基于双质量块非线性弹簧模型，在起跳相结束时刻使上质量块速度与上质量块目标速度的误差最小；同时在起跳相全过程中使目标弹簧力不大于最大弹簧力与支持力系数的乘积，通过最小化支持力系数使对应的关节力矩最小，在起跳相全过程中使非线性弹簧的弹簧长度不超过弹簧最大长度与弹簧长度系数的乘积，以及在起跳相结束时刻使目标弹簧力抵消下质量块重力；上升相轨迹规划：采用三次插值法规划上质量块和下质量块的加速度，并采用二次规划的方法在上升相结束时刻使下质量块高度与下质量块目标高度的误差最小，使关节力矩最小；同时在上升相全过程中使目标弹簧力不大于最大弹簧力与支持力系数的乘积和使非线性弹簧的弹簧长度始终不超过弹簧最大长度，以及在上升相结束时刻使下质量块的速度归零；下降相轨迹规划：使上质量块与下质量块之间的距离保持不变，以使关节角度保持不变，为着陆做准备；缓冲相轨迹规划：基于双质量块非线性弹簧模型，在缓冲相结束时刻使上质量块高度与目标弹簧长度的误差最小，使关节力矩最小；同时在缓冲相全过程中使目标弹簧力不大于最大弹簧力与支持力系数的乘积和使非线性弹簧的弹簧长度始终不超过弹簧最大长度，以及在缓冲相结束时刻使上质量块的速度归零；在轨迹规划过程中，首先将跳跃高度分为起跳高度和收腿高度，根据腿部伸展范围确定起跳高度的上限和下限，选择起跳高度的上限、下限和中间值规划完整跳跃轨迹；再以起跳高度为变量基于二分法对完整跳跃轨迹进行迭代优化，确定最优起跳高度和最优跳跃轨迹；在规划完整跳跃轨迹的过程中，以弹簧劲度系数、弹簧原长，各阶段开始和结束时刻的弹簧长度作为规划参数，基于QP二次规划进行各阶段跳跃轨迹的规划；最终得到完整跳跃轨迹下目标弹簧长度和目标弹簧力关于时间的曲线，作为最优轨迹规划结果；最后，基于双轮足式机器人的运动学和腿部静力学表达式，建立双轮足式机器人关节空间与双质量块非线性弹簧模型的映射关系，利用映射关系将目标弹簧力映射为目标关节力矩；再以目标关节力矩为前馈输入，通过关节角度的控制使上质量块和下质量块的高度差为目标弹簧长度，实现跳跃控制；双质量块非线性弹簧模型为： ，式中为上质量块质量，为上质量块高度，为时间，为非线性弹簧三次项劲度系数，为非线性弹簧原长，为非线性弹簧一次项劲度系数，为重力加速度，表示对求二阶导数；起跳相轨迹规划的具体实现方法为： ，式中为起跳相起始时刻，为起跳相结束时刻，为上质量块目标速度，为支持力系数，为目标弹簧力，为最大弹簧力，为非线性弹簧的目标弹簧长度，为弹簧长度系数，为弹簧最大长度，为下质量块质量，min表示取最小值，表示约束，表示对求一阶导数；上升相轨迹规划中采用三次插值法规划上质量块和下质量块的加速度的方法为： ，式中为下质量块高度，为自定义三次项时间系数，为自定义二次项时间系数，为自定义一次项时间系数，为自定义常数项，表示对求二阶导数。

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百度查询： 哈尔滨工业大学 基于非线性弹簧模型的双轮足式机器人跳跃控制方法