一种考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法、系统、存储介质及程序产品
本发明属于机器人控制领域，更具体地，涉及一种考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法、系统、存储介质及程序产品。
背景技术：
1、重型腿式机器人因其卓越的承载能力而被广泛应用于紧急救援和灾难救助的货物运输，尤其是在非结构化地形中表现突出。然而，开发能够进行敏捷动作的大型重型腿式机器人面临多重挑战，主要源于机器人系统的规模效应和重型腿部结构。为了有效承载重量，机器人需要强健的腿部结构，这又增加了对控制策略和执行器能力的需求。
2、轨迹优化技术已被提出用于规划支撑腿和摆动腿的动作，通过实时解决最优控制问题以生成状态和控制轨迹。传统的轨迹优化方法在设计控制策略时，常常分别对支撑腿和摆动腿进行优化，未能充分考虑在高动态运动中两者的耦合效应。基于全身运动学加上质心动力学的轨迹优化方法虽然考虑了这种耦合，提供了一种同时规划支撑腿和摆动腿动作的方法，但在面对具有粗壮腿部的机器人时，现有的基于全身运动学加上质心动力学的轨迹优化方法往往以关节末端速度或关节速度作为运动成本，这种运动成本的构建忽略掉了腿部本身的动力学特征，往往导致腿部的髋关节执行器需要提供巨大的扭矩以满足动作的要求，从而对执行器提出了更高的性能需求，并可能导致执行器过早磨损或故障。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法、系统、存储介质及程序产品，其目的在于，使重载腿足机器人在实现敏捷运动时尽可能减小对关节输出能力的需求。
2、为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提出了一种考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法，包括如下步骤：
3、以腿足机器人运动时的阶段成本和终端成本之和最小为目标函数，构建最优控制问题；
4、所述阶段成本包括基于腿部动量的关节速度成本、输入力成本和轨迹跟随成本；所述基于腿部动量的关节速度成本lmomentum(x,u)的计算式为：其中，x为状态向量，u为输入向量，为腿部质心动量矩阵acl中对应实际关节部分的分块阵，为实际关节速度，hcl,ref(t)为参考腿部质心动量，d为权重矩阵，║║2表示二范数；
5、对最优控制问题进行转化求解，得到对应的输入向量，基于该输入向量对腿足机器人进行控制。
6、作为进一步优选的，所述腿部质心动量矩阵acl的计算式为：
7、
8、其中，xcl为将系统动量投影到腿部瞬时质心的投影矩阵，t表示转置，i为系统惯性矩阵，j为系统雅可比矩阵。
9、作为进一步优选的，基于腿足机器人系统中所有腿的质心动量投影矩阵，确定将系统动量投影到腿部瞬时质心的投影矩阵xcl；
10、腿足机器人系统中第k条腿的质心动量投影矩阵的计算式为：
11、
12、其中，为从第i个连杆坐标系到第k条腿的质心坐标系lk的空间动量转换矩阵，表示第k条腿中连接到主体的第一个连杆的索引，表示第k条腿包含的连杆数量，n为实际连杆总数。
13、作为进一步优选的，所述输入力成本linput(x,u)的计算式为：
14、
15、其中，u(t)是控制输入力，uref(t)是参考输入力，r是输入力权重矩阵。
16、作为进一步优选的，所述轨迹跟随成本ltrajectory(x,u)的计算式为：
17、
18、其中，x(t)是系统状态，xref(t)是参考轨迹，p是状态权重矩阵。
19、作为进一步优选的，所述最优控制问题中，约束条件包括摩擦锥约束、接触点无滑移约束、输出限制约束和摆动腿约束。
20、作为进一步优选的，采用sqp方法对最优控制问题进行转化求解，得到对应的输入向量。
21、按照本发明的第二方面，提供了一种考虑腿部动量的重载腿足机器人控制系统，包括处理器，所述处理器用于执行上述考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法。
22、按照本发明的第三方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法。
23、按照本发明的第四方面，提供了一种计算机程序产品，其特征在于，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法。
24、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
25、人类在进行快速奔跑时通过脚尖触地来尽可能减小摆动腿动量变化从而有效的保护腿部肌肉。针对这一特征，本发明设计了基于腿部质心动量变化的速度成本函数，相较于以关节速度或者末端速度为运动成本的现有控制方法来说，本发明以腿部质心动量为运动成本的控制方法，可在保持机器人整体动量波动尽可能小的前提下，充分减小腿部动量变化，从而使具有粗壮腿的重载足式机器在实现敏捷运动时尽可能减小对关节输出能力需求，显著减小了实现相同机身运动踝关节所需要的最大关节力矩，保护关节，避免受伤。同时，本发明方法在不损失轨迹跟随能力的情况下减小了输出功率，提升了运动效率。
技术特征：
1.一种考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法，其特征在于，所述腿部质心动量矩阵acl的计算式为：
3.如权利要求2所述的考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法，其特征在于，基于腿足机器人系统中所有腿的质心动量投影矩阵，确定将系统动量投影到腿部瞬时质心的投影矩阵xcl；
4.如权利要求1所述的考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法，其特征在于，所述输入力成本linput(x,u)的计算式为：
5.如权利要求1所述的考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法，其特征在于，所述轨迹跟随成本ltrajectory(x,u)的计算式为：
6.如权利要求1所述的考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法，其特征在于，所述最优控制问题中，约束条件包括摩擦锥约束、接触点无滑移约束、输出限制约束和摆动腿约束。
7.如权利要求1-6任一项所述的考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法，其特征在于，采用sqp方法对最优控制问题进行转化求解，得到对应的输入向量。
8.一种考虑腿部动量的重载腿足机器人控制系统，其特征在于，包括处理器，所述处理器用于执行如权利要求1-7任一项所述的考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法。
10.一种计算机程序产品，其特征在于，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法。
技术总结
本发明属于机器人控制领域，并具体公开了一种考虑腿部动量的重载腿足机器人控制方法、系统、存储介质及程序产品，其包括：以腿足机器人运动时的阶段成本和终端成本之和最小为目标函数，构建最优控制问题；阶段成本包括基于腿部动量的关节速度成本、输入力成本和轨迹跟随成本；基于腿部动量的关节速度成本为：其中，x为状态向量，u为输入向量，为腿部质心动量矩阵A<subgt;CL</subgt;中对应实际关节部分的分块阵，为实际关节速度，h<subgt;CL,ref</subgt;(t)为参考腿部质心动量，D为权重矩阵；对最优控制问题进行求解，得到输入向量，从而对腿足机器人进行控制。本发明可使重载腿足机器人在实现敏捷运动时，尽可能减小对关节输出能力的需求。
技术研发人员：罗欣,钱乐天
受保护的技术使用者：华中科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5