CN112936280A - 一种四足机器人本体质心标定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四足机器人本体质心标定方法，根据机器人本体上的基础传感器对机器人的质心位置进行精准的估计和标定；本发明公开的质心标定方法，可以方便、精准地测量四足机器人这种非规则结构的质心位置，不需要专业的质心测量装置。

Description

一种四足机器人本体质心标定方法
技术领域
本发明涉及机器人的技术领域，更具体的说是涉及一种四足机器人本体质心标定方法。
背景技术
在四足机器人应用时，需要精准地测量四足机器人非规则结构的质心位置，从而指导四足机器人运动控制器进行更加精准的动力学控制，使机器人的运动稳定性更强，通常采用如下两种方案解决：
1、用专门的CAE软件，根据四足机器人的结构模型、材料属性等，软件仿真计算质心位置。
2、用专门的质心位置测量装置对机器人的质心位置进行测量标定。
上述两种方案中：
方案1需要事先得到四足机器人的3D结构模型、材料参数等，并且存在加工误差，CAE软件计算的质心位置与实际的机器人质心位置之间的误差不可控。
方案2需要专门的质心位置测量装置，成本较高，操作复杂。
发明内容
本发明为了解决上述技术问题提供一种四足机器人本体质心标定方法。
本发明通过下述技术方案实现：一种四足机器人本体质心标定方法，根据机器人本体上的基础传感器对机器人的质心位置进行精准的估计和标定。
具体的，四足机器人具有4条腿，每条腿具有3个关节，3个关节均由电机驱动，所述的基础传感器包括用于估计机身中心在世界坐标系下的位置及机身姿态的IMU、反馈关节位置的编码器和反馈关节扭矩的电流采样电阻；
考虑四足机器人的每条移动腿有三个自由度，已知每个自由度通过关节活动，每个关节均通过点机带动，在四足机器人静态平衡时，每个电机反馈其估计的输出扭矩，电流采样电阻可以估算电机输出扭矩，四足机器人的关节扭矩和足端力存在以下关系：
τ＝JTf
其中τ为每条腿上3个关节的三维扭矩向量，f为每条腿足端的三维地面反作用力，J为每条腿的雅可比矩阵；
因此可以根据电流采样电阻估算足端力，将四条腿的足端力加起来就可以估算机体质量。
本体质心测量具体如下：
在四足机器人静态站立状态下(机器人速度和加速度为零)，机器人的质心静力矩为零，即：
Figure BDA0002961244640000021
其中fi表示第i条腿的足端力，pCOM,i表示第i条腿足端到机体质心距离矢量，pi表示第i条腿足端位置，pCOM表示机体质心位置；
对四条腿的足端力和足端位置进行N次测量，建立N个上述(1)中的方程组成的方程组：
Figure BDA0002961244640000022
其中只有pCOM为未知的机体质心位置；
当N≥4时，上述(2)的方程组为超定方程，pCOM为该方程的最小二乘解，用奇异值分解法(SVD)求得，pCOM与状态估计得到的机器人形心位置做差，就可以得到机体质心在机器人结构上的相对位置。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明公开的质心标定方法，可以方便、精准地测量四足机器人这种非规则结构的质心位置，不需要专业的质心测量装置。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。
图1为四足机器人本体质心标定方法的框图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
如图1所示的一种四足机器人本体质心标定方法，该种四足机器人本体质心标定方法，根据机器人本体上的基础传感器对机器人的质心位置进行精准的估计和标定。
其中，四足机器人具有4条腿，每条腿具有3个关节，3个关节均由电机驱动，所述的基础传感器包括用于估计机身中心在世界坐标系下的位置及机身姿态的IMU、反馈关节位置的编码器和反馈关节扭矩的电流采样电阻；
考虑四足机器人的每条移动腿有三个自由度，已知每个自由度通过关节活动，每个关节均通过点机带动，在四足机器人静态平衡时，每个电机反馈其估计的输出扭矩，电流采样电阻可以估算电机输出扭矩，四足机器人的关节扭矩和足端力存在以下关系：
τ＝JTf
其中τ为每条腿上三个关节的三维扭矩向量，f为每条腿足端的三维地面反作用力，J为每条腿的雅可比矩阵，T为矩阵的转置；
因此可以根据电流采样电阻估算足端力，将四条腿的足端力加起来就可以估算机体质量。
本体质心测量具体方法如下：
在四足机器人静态站立状态下(机器人速度和加速度为零)，机器人的质心静力矩为零，即：
Figure BDA0002961244640000041
其中fi表示第i条腿的足端力，pCOM,i表示第i条腿足端到机体质心距离矢量，pi表示第i条腿足端位置，pCOM表示机体质心位置；
对四条腿的足端力和足端位置进行N次测量，建立N个上述(1)中的方程组成的方程组：
Figure BDA0002961244640000042
其中只有pCOM为未知的机体质心位置；
当N≥4时，上述(2)的方程组为超定方程，pCOM为该方程的最小二乘解，用奇异值分解法(SVD)求得，pCOM与状态估计得到的机器人形心位置做差，就可以得到机体质心在机器人结构上的相对位置。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种四足机器人本体质心标定方法，基于四足机器人，该种四足机器人具有4条腿，每条腿具有3个关节，3个关节均由电机驱动，其特征在于，根据机器人本体上的基础传感器对机器人的质心位置进行精准的估计和标定。
2.根据权利要求1所述的一种四足机器人本体质心标定方法，其特征在于，所述的基础传感器包括用于估计机身中心在世界坐标系下的位置及机身姿态的IMU、反馈关节位置的编码器和反馈关节扭矩的电流采样电阻。
3.根据权利要求2所述的一种四足机器人本体质心标定方法，其特征在于，电流采样电阻可以估算电机输出扭矩，四足机器人的关节扭矩和足端力存在以下关系：
τ＝JTf
其中τ为每条腿上三个关节的三维扭矩向量，f为每条腿足端的三维地面反作用力，J为每条腿的雅可比矩阵，T为矩阵的转置；
根据电流采样电阻估算足端力，将四条腿的足端力加起来就可以估算机体质量。
4.根据权利要求3所述的一种四足机器人本体质心标定方法，其特征在于，本体质心测量：
在四足机器人静态站立状态下，机器人速度和加速度为零，机器人的质心静力矩为零，即：
Figure FDA0002961244630000011
其中fi表示第i条腿的足端力，pCOM,i表示第i条腿足端到机体质心距离矢量，pi表示第i条腿足端位置，pCOM表示机体质心位置；
对四条腿的足端力和足端位置进行N次测量，建立N个上述(1)中的方程组成的方程组：
Figure FDA0002961244630000021
其中只有pCOM为未知的机体质心位置；
当N≥4时，上述(2)的方程组为超定方程，pCOM为该方程的最小二乘解，用奇异值分解法(SVD)求得，pCOM与状态估计得到的机器人形心位置做差，得到机体质心在机器人结构上的相对位置。
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