CN114326769B - 机器人运动矫正方法及装置、机器人控制设备和存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请提供一种机器人运动矫正方法及装置、机器人控制设备和存储介质，涉及机器人控制技术领域。本申请根据目标双足机器人的腿部并联机构在当前时刻的机构运动状态信息，确定腿部并联机构在当前时刻的用于描述驱动关节角速度与末端姿态角速度的运动学关联关系的目标雅可比矩阵，而后将根据姿态角速度约束条件、目标雅可比矩阵以及腿部并联机构在下一时刻的期望关节角速度，以最小化期望关节角速度与目标末端姿态角速度所对应的驱动关节角速度之间的差异为优化目的进行机构运动优化，得到对应的目标末端姿态角速度，从而有效限制腿部并联机构的关节速度，并改善腿部并联机构在机构极限位置附近的机体跳变现象，提升双足机器人的运动稳定性。
Description
技术领域
本申请涉及机器人控制技术领域，具体而言，涉及一种机器人运动矫正方法及装置、机器人控制设备和存储介质。
背景技术
随着科学技术的不断发展，机器人技术因具有极大的研究价值及应用价值受到了各行各业的广泛重视，其中双足机器人控制便是机器人控制技术领域中的一项重要研究方向。而并联机构也因具有低惯量、高刚度、高承载能力、高速能力及出色的灵巧性等特点被逐步应用到双足机器人的行走控制过程中，用以构建双足机器人的腿部结构，并替代实现双足机器人的原踝关节驱动效果，降低腿部转动惯量。
值得注意的是，现有双足机器人的腿部并联机构的运动控制效果通常需要采用数值迭代算法实现。而数值迭代算法在针对腿部并联机构的机构极限位置附近的相关计算存在计算误差大的问题，极易导致腿部并联机构在机构极限位置附近出现机体跳变现象，影响双足机器人的运动稳定性。
发明内容
有鉴于此，本申请的目的在于提供一种机器人运动矫正方法及装置、机器人控制设备和存储介质，能够有效限制腿部并联机构的关节速度，并使腿部并联机构在机构极限位置附近有效避开奇异位置，改善机体跳变现象，提升双足机器人的运动稳定性。
为了实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：
第一方面，本申请提供一种机器人运动矫正方法，所述方法包括：
获取目标双足机器人的腿部并联机构在当前时刻的机构运动状态信息；
根据所述机构运动状态信息确定腿部并联机构在当前时刻的目标雅可比矩阵，其中所述目标雅可比矩阵用于描述所述腿部并联机构的驱动关节角速度与末端姿态角速度之间的运动学关联关系；
根据姿态角速度约束条件、所述目标雅可比矩阵以及所述腿部并联机构在下一时刻的期望关节角速度，以最小化关节角速度差异为优化目的进行机构运动优化，得到所述腿部并联机构在下一时刻的目标末端姿态角速度，其中所述关节角速度差异用于表示所述期望关节角速度与所述目标末端姿态角速度所对应的驱动关节角速度之间的差异。
在可选的实施方式中，所述机构运动状态信息包括当前时刻的实际末端姿态角、机构末端与驱动关节之间的第一虚拟连杆向量和第二虚拟连杆向量、驱动关节与中间关节转轴之间的第一驱动连杆向量和第二驱动连杆向量、中间关节转轴与末端关节转轴之间的第一中间连杆向量和第二中间连杆向量、中间关节转轴的第一旋转方向向量和第二旋转方向向量，所述根据所述机构运动状态信息确定腿部并联机构在当前时刻的目标雅可比矩阵的步骤，包括：
根据所述第一中间连杆向量、所述第二中间连杆向量、所述第一虚拟连杆向量以及所述第二虚拟连杆向量，针对所述腿部并联机构的末端广义速度构建匹配的第一雅可比矩阵；
根据所述第一驱动连杆向量、所述第二驱动连杆向量、所述第一旋转方向向量、所述第二旋转方向向量、所述第一中间连杆向量及所述第二中间连杆向量，针对所述腿部并联机构的驱动关节角速度构建匹配的第二雅可比矩阵；
根据所述实际末端姿态角构建所述腿部并联机构的末端广义速度与末端姿态角速度之间的关联关系矩阵；
根据所述第一雅可比矩阵、所述第二雅可比矩阵以及所述关联关系矩阵，基于机器人运动学构建形成所述目标雅可比矩阵。
在可选的实施方式中，所述目标雅可比矩阵、所述第一雅可比矩阵、所述第二雅可比矩阵以及所述关联关系矩阵之间的矩阵关系采用如下式子进行表达：
其中，Jjac用于表示所述目标雅可比矩阵，Jh用于表示所述第一雅可比矩阵，Jθ用于表示所述第二雅可比矩阵，G用于表示所述关联关系矩阵，用于表示所述第一中间连杆向量，/>用于表示所述第二中间连杆向量，/>用于表示所述第一虚拟连杆向量，/>用于表示所述第二虚拟连杆向量，/>用于表示所述第一旋转方向向量，/>用于表示所述第二旋转方向向量，/>用于表示所述第一驱动连杆向量，/>用于表示所述第二驱动连杆向量，qpitch用于表示所述实际末端姿态角包括的实际末端俯仰角。
在可选的实施方式中，所述方法还包括：
对所述目标末端姿态角速度进行数学积分运算，得到所述腿部并联机构在下一时刻的期望末端姿态角；
按照所述期望末端姿态角控制所述腿部并联机构进行运动。
第二方面，本申请提供一种机器人运动矫正装置，所述装置包括：
机构信息获取模块，用于获取目标双足机器人的腿部并联机构在当前时刻的机构运动状态信息；
运行矩阵确定模块，用于根据所述机构运动状态信息确定腿部并联机构在当前时刻的目标雅可比矩阵，其中所述目标雅可比矩阵用于描述所述腿部并联机构的驱动关节角速度与末端姿态角速度之间的运动学关联关系；
机构运动优化模块，用于根据姿态角速度约束条件、所述目标雅可比矩阵以及所述腿部并联机构在下一时刻的期望关节角速度，以最小化关节角速度差异为优化目的进行机构运动优化，得到所述腿部并联机构在下一时刻的目标末端姿态角速度，其中所述关节角速度差异用于表示所述期望关节角速度与所述目标末端姿态角速度所对应的驱动关节角速度之间的差异。
在可选的实施方式中，所述机构运动状态信息包括当前时刻的实际末端姿态角、机构末端与驱动关节之间的第一虚拟连杆向量和第二虚拟连杆向量、驱动关节与中间关节转轴之间的第一驱动连杆向量和第二驱动连杆向量、中间关节转轴与末端关节转轴之间的第一中间连杆向量和第二中间连杆向量、中间关节转轴的第一旋转方向向量和第二旋转方向向量，所述运行矩阵确定模块包括：
第一矩阵构建子模块，用于根据所述第一中间连杆向量、所述第二中间连杆向量、所述第一虚拟连杆向量以及所述第二虚拟连杆向量，针对所述腿部并联机构的末端广义速度构建匹配的第一雅可比矩阵；
第二矩阵构建子模块，用于根据所述第一驱动连杆向量、所述第二驱动连杆向量、所述第一旋转方向向量、所述第二旋转方向向量、所述第一中间连杆向量及所述第二中间连杆向量，针对所述腿部并联机构的驱动关节角速度构建匹配的第二雅可比矩阵；
关联矩阵构建子模块，用于根据所述实际末端姿态角构建所述腿部并联机构的末端广义速度与末端姿态角速度之间的关联关系矩阵；
运动矩阵构建子模块，用于根据所述第一雅可比矩阵、所述第二雅可比矩阵以及所述关联关系矩阵，基于机器人运动学构建形成所述目标雅可比矩阵。
在可选的实施方式中，所述目标雅可比矩阵、所述第一雅可比矩阵、所述第二雅可比矩阵以及所述关联关系矩阵之间的矩阵关系采用如下式子进行表达：
其中，Jjac用于表示所述目标雅可比矩阵，Jh用于表示所述第一雅可比矩阵，Jθ用于表示所述第二雅可比矩阵，G用于表示所述关联关系矩阵，用于表示所述第一中间连杆向量，/>用于表示所述第二中间连杆向量，/>用于表示所述第一虚拟连杆向量，/>用于表示所述第二虚拟连杆向量，/>用于表示所述第一旋转方向向量，/>用于表示所述第二旋转方向向量，/>用于表示所述第一驱动连杆向量，/>用于表示所述第二驱动连杆向量，qpitch用于表示所述实际末端姿态角包括的实际末端俯仰角。
在可选的实施方式中，所述装置还包括：
末端姿态计算模块，用于对所述目标末端姿态角速度进行数学积分运算，得到所述腿部并联机构在下一时刻的期望末端姿态角；
机构运动控制模块，用于按照所述期望末端姿态角控制所述腿部并联机构进行运动。
第三方面，本申请提供一种机器人控制设备，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机程序，所述处理器可执行所述计算机程序，以实现前述实施方式中任意一项所述的机器人运动矫正方法。
第四方面，本申请提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现前述实施方式中任意一项所述的机器人运动矫正方法。
在此情况下，本申请实施例的有益效果包括以下内容：
本申请根据目标双足机器人的腿部并联机构在当前时刻的机构运动状态信息，确定腿部并联机构在当前时刻的用于描述驱动关节角速度与末端姿态角速度之间的运动学关联关系的目标雅可比矩阵，而后将根据姿态角速度约束条件、目标雅可比矩阵以及腿部并联机构在下一时刻的期望关节角速度，以最小化期望关节角速度与目标末端姿态角速度所对应的驱动关节角速度之间的差异为优化目的进行机构运动优化，得到对应的目标末端姿态角速度，从而通过姿态角速度约束条件有效限制腿部并联机构的关节速度，并通过机构运动优化操作使腿部并联机构在机构极限位置附近有效避开奇异位置，改善机体跳变现象，提升双足机器人的运动稳定性。
为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的机器人控制设备的组成示意图；
图2为本申请实施例提供的腿部并联结构的简化模型示意图；
图3为本申请实施例提供的机器人运动矫正方法的流程示意图之一；
图4为图3中的步骤S220包括的子步骤的流程示意图；
图5为本申请实施例提供的机器人运动矫正方法的流程示意图之二；
图6为本申请实施例提供的机器人运动矫正装置的组成示意图之一；
图7为图6中的运行矩阵确定模块的组成示意图；
图8为本申请实施例提供的机器人运动矫正装置的组成示意图之二。
图标：10-机器人控制设备；11-存储器；12-处理器；13-通信单元；100-机器人运动矫正装置；110-机构信息获取模块；120-运行矩阵确定模块；130-机构运动优化模块；121-第一矩阵构建子模块；122-第二矩阵构建子模块；123-关联矩阵构建子模块；124-运动矩阵构建子模块；140-末端姿态计算模块；150-机构运动控制模块。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
在本申请的描述中，还需要理解的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。
请参照图1，图1是本申请实施例提供的机器人控制设备10的组成示意图。在本申请实施例中，所述机器人控制设备10用于对双足机器人的运行状态进行控制，使所述双足机器人的腿部并联机构的关节速度在实际运动过程中限制在适当范围内，并有效避免所述双足机器人的腿部并联机构在机构极限位置产生机体跳变现象，提升双足机器人的运动稳定性。其中，所述机器人控制设备10可以与双足机器人远程通信连接，也可以与所述双足机器人集成在一起，用以实现对所述双足机器人的运动控制功能。
在本实施例中，所述机器人控制设备10可以包括存储器11、处理器12、通信单元13及机器人运动矫正装置100。其中，所述存储器11、所述处理器12及所述通信单元13各个元件相互之间直接或间接地电性连接，以实现数据的传输或交互。例如，所述存储器11、所述处理器12及所述通信单元13这些元件相互之间可通过一条或多条通讯总线或信号线实现电性连接。
在本实施例中，所述存储器11可以是，但不限于，随机存取存储器(Random AccessMemory，RAM)，只读存储器(Read Only Memory，ROM)，可编程只读存储器(ProgrammableRead-Only Memory，PROM)，可擦除只读存储器(Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EPROM)，电可擦除只读存储器(Electric Erasable Programmable Read-OnlyMemory，EEPROM)等。其中，所述存储器11用于存储计算机程序，所述处理器12在接收到执行指令后，可相应地执行所述计算机程序。所述存储器11还用于存储针对所述双足机器人的腿部关联机构的姿态角速度约束条件，所述姿态角速度约束条件用于限制对应腿部关联机构的末端姿态角速度的角速度数值分布范围，其限定了所述末端姿态角速度的角速度下限值及角速度上限值。在此过程中，所述末端姿态角速度包括对应腿部关联机构末端的转轴交点位置处涉及的俯仰角速度及翻滚角速度。
在本实施例中，所述处理器12可以是一种具有信号的处理能力的集成电路芯片。所述处理器12可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、图形处理器(Graphics Processing Unit，GPU)及网络处理器(Network Processor，NP)、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现成可编程门阵列(FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件中的至少一种。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。
在本实施例中，所述通信单元13用于通过网络建立所述机器人控制设备10与其他电子设备之间的通信连接，并通过所述网络收发数据，其中所述网络包括有线通信网络及无线通信网络。例如，所述机器人控制设备10可以通过所述通信单元13从行走规划设备处获取针对所述双足机器人的腿部并联机构的平地行走规划轨迹，并通过所述通信单元13向所述双足机器人发送运动控制指令，使所述双足机器人按照所述运动控制指令进行运动。
在本实施例中，所述机器人运动矫正装置100包括至少一个能够以软件或固件的形式存储于所述存储器11中或者固化在所述机器人控制设备10的操作***中的软件功能模块。所述处理器12可用于执行所述存储器11存储的可执行模块，例如所述机器人运动矫正装置100所包括的软件功能模块及计算机程序等。所述机器人控制设备10可通过所述机器人运动矫正装置100有效限制腿部并联机构的关节速度，并通使腿部并联机构在机构极限位置附近有效避开奇异位置，改善机体跳变现象，提升双足机器人的运动稳定性。
可以理解的是，图1所示的框图仅为所述机器人控制设备10的一种组成示意图，所述机器人控制设备10还可包括比图1中所示更多或者更少的组件，或者具有与图1所示不同的配置。图1中所示的各组件可以采用硬件、软件或其组合实现。
而对双足机器人来说，所述双足机器人的两个脚掌各自连接一个腿部并联机构，每个腿部并联机构对应涉及末端姿态角包括的末端俯仰角和末端翻滚角两个机器人自由度。以图2所示的腿部并联结构的简化模型示意图为例，对所述腿部并联机构的具体组成进行说明：所述腿部并联结构可以包括处于同一中心线上的两个驱动关节(如图2中的驱动关节C1和C2)、两个中间关节转轴(如图2中的中间关节转轴B1和B2)、两个末端关节转轴(如图2中的末端关节转轴A1和A2)以及机构末端转轴交点(如图2中的机构末端转轴交点O)。
其中，两个末端关节转轴和所述机构末端转轴交点相互间隔，且各自与对应脚掌之间的相对位置维持不变，每个末端关节转轴通过一个中间连杆(如图2中的中间连杆A1B1或A2B2)与一个中间关节转轴活动连接，每个中间关节转轴通过一个驱动连杆(如图2中的驱动连杆B1C1或B2C2)与一个驱动关节活动连接，由两个驱动关节相互配合实现对末端俯仰角和/或末端翻滚角的角度调控，即两个驱动关节各自的驱动关节角度(如图2中的驱动关节角度θ1和θ2)相互组合来调整所述末端俯仰角qpitch和/或所述末端翻滚角qroll。
在此情况下，可将所述机构末端转轴交点作为一个局部坐标系的坐标系原点建立笛卡尔坐标系，使X轴的正方向代表双足机器人的前进方向，使Y轴的正方向代表双足机器人的左侧朝向，使Z轴的正方向垂直地面向上，此时所述末端俯仰角即为A1OA2平面相对于YOZ平面的旋转角度，所述末端翻滚角即为A1OA2平面相对于XOZ平面的旋转角度，A1B1C1平面与A2B2C2平面关于XOZ平面对称。
由此，可通过该笛卡尔坐标系配合广义坐标系对该双足机器人的腿部并联结构的组成部件各自的位置分布状况进行表示，以便于所述机器人控制设备10基于该笛卡尔坐标系控制所述双足机器人的腿部并联机构进行运动。
在本申请中，为确保所述机器人控制设备10能够有效限制双足机器人的腿部并联机构的关节速度，并使腿部并联机构能够在机构极限位置附近有效避开奇异位置地进行运动，改善现有腿部并联机构在机构极限位置附近的机体跳变现象，提升双足机器人的运动稳定性，本申请实施例通过提供一种机器人运动矫正方法实现前述目的。下面对本申请提供的机器人运动矫正方法进行详细描述。
请参照图3，图3是本申请实施例提供的机器人运动矫正方法的流程示意图之一。在本申请实施例中，图3所示的机器人运动矫正方法可以包括步骤S210～步骤S230。
步骤S210，获取目标双足机器人的腿部并联机构在当前时刻的机构运动状态信息。
在本实施例中，所述机构运动状态信息包括当前时刻的实际末端姿态角、机构末端与驱动关节之间的第一虚拟连杆向量和第二虚拟连杆向量、驱动关节与中间关节转轴之间的第一驱动连杆向量和第二驱动连杆向量、中间关节转轴与末端关节转轴之间的第一中间连杆向量和第二中间连杆向量、中间关节转轴的第一旋转方向向量和第二旋转方向向量，其中第一虚拟连杆向量与第二虚拟连杆向量即为从机构末端的转轴交点分别指向两个驱动关节的向量(如图2所示的第一虚拟连杆向量和第二虚拟连杆向量/>)，第一驱动连杆向量与第二驱动连杆向量即为对应驱动连杆上从对应驱动关节指向对应中间关节转轴的向量(如图2所示的第一驱动连杆向量/>和第二驱动连杆向量/>)，第一中间连杆向量和第二中间连杆向量即为对应中间连杆上从对应中间关节转轴指向末端关节转轴的向量(如图2所示的第一中间连杆向量/>和第二中间连杆向量/>)，第一旋转方向向量和第二旋转方向向量分别对应一个中间关节转轴的旋转正方向，所述第一旋转方向向量可采用[0 1 0]进行表达，所述第二旋转方向向量可采用[0 -1 0]进行表达。
步骤S220，根据机构运动状态信息确定腿部并联机构在当前时刻的目标雅可比矩阵，其中目标雅可比矩阵用于描述腿部并联机构的驱动关节角速度与末端姿态角速度之间的运动学关联关系。
在本实施例中，针对A1B1C1平面与A2B2C2平面中任意一个平面来说，单个平面内存在的运动关联关系其中/>用于表示从机构末端转轴交点指向对应平面内的驱动关节的向量(即虚拟连杆向量)，/>用于表示从机构末端转轴交点指向对应平面内的机构末端关节转轴的向量，/>用于表示对应平面内从机构末端关节转轴指向中间关节转轴的向量，/>用于表示对应平面内从中间关节转轴指向驱动关节的向量。
此时，可通过对前述运动关联关系进行两端微分、两端叉乘及两端变更向量方向，得到单个平面所对应的并联机构运动学关系公式其中/>用于表示对应平面(A1B1C1平面或A2B2C2平面)内的中间连杆向量，/>用于表示对应平面(A1B1C1平面或A2B2C2平面)内的驱动连杆向量，vO用于表示所述腿部并联机构的机构末端全局速度，wOC用于表示所述腿部并联机构的机构末端全局角速度，/>用于表示对应平面(A1B1C1平面或A2B2C2平面)内的驱动关节角速度，/>用于表示对应平面(A1B1C1平面或A2B2C2平面)内的中间关节转轴的旋转方向向量。
而针对上述并联机构运动学关系公式来说，即可将机构末端全局速度与机构末端全局角速度的组合视为所述腿部并联机构的末端广义速度，并将两个驱动关节的驱动关节角速度的组合视为所述腿部并联机构的驱动关节角速度，并将所述腿部并联机构的机构末端处的俯仰角速度和翻滚角速度的组合视为所述腿部并联机构的末端姿态角速度，由此可通过将上述并联机构运动学关系公式结合A1B1C1平面与A2B2C2平面各自的机构部件参数进行式子变换，求得符合机器人运动学的用于描述所述腿部并联机构的驱动关节角速度与末端姿态角速度之间的运动学关联关系的目标雅可比矩阵。
可选地，请参照图4，图4是图3中的步骤S220包括的子步骤的流程示意图。在本实施例中，所述步骤S220可以包括子步骤S221～子步骤S224。
子步骤S221，根据第一中间连杆向量、第二中间连杆向量、第一虚拟连杆向量以及第二虚拟连杆向量，针对腿部并联机构的末端广义速度构建匹配的第一雅可比矩阵。
在本实施例中，所述第一雅可比矩阵与所述腿部并联机构的末端广义速度进行矩阵乘法运算后，可视为A1B1C1平面与A2B2C2平面各自在上述并联机构运动学关系公式的左侧部分的表达状况的组合。
子步骤S222，根据第一驱动连杆向量、第二驱动连杆向量、第一旋转方向向量、第二旋转方向向量、第一中间连杆向量及第二中间连杆向量，针对腿部并联机构的驱动关节角速度构建匹配的第二雅可比矩阵。
在本实施例中，所述第二雅可比矩阵与所述腿部并联机构的驱动关节角速度进行矩阵乘法运算后，可视为A1B1C1平面与A2B2C2平面各自在上述并联机构运动学关系公式的右侧部分的表达状况的组合。
子步骤S223，根据实际末端姿态角构建腿部并联机构的末端广义速度与末端姿态角速度之间的关联关系矩阵。
在本实施例中，所述关联关系矩阵与所述腿部并联机构的末端姿态角速度进行矩阵乘法运算后，即可得到所述腿部并联机构的末端广义速度。
子步骤S224，根据第一雅可比矩阵、第二雅可比矩阵以及关联关系矩阵，基于机器人运动学构建形成目标雅可比矩阵。
在本实施例中，可基于上述并联机构运动学关系公式以及所述关联关系矩阵，针对所述第一雅可比矩阵、所述第二雅可比矩阵以及所述关联关系矩阵进行矩阵混合运算，得到对应的目标雅可比矩阵来表示所述腿部并联机构的驱动关节角速度与末端姿态角速度之间的运动学关联关系。其中，所述目标雅可比矩阵、所述第一雅可比矩阵、所述第二雅可比矩阵以及所述关联关系矩阵之间的矩阵关系采用如下式子进行表达：
其中，Jjac用于表示所述目标雅可比矩阵，Jh用于表示所述第一雅可比矩阵，Jθ用于表示所述第二雅可比矩阵，G用于表示所述关联关系矩阵，用于表示所述第一中间连杆向量，/>用于表示所述第二中间连杆向量，/>用于表示所述第一虚拟连杆向量，/>用于表示所述第二虚拟连杆向量，/>用于表示所述第一旋转方向向量，/>用于表示所述第二旋转方向向量，/>用于表示所述第一驱动连杆向量，/>用于表示所述第二驱动连杆向量，qpitch用于表示所述实际末端姿态角包括的实际末端俯仰角。
由此，本申请可通过执行上述子步骤S221～子步骤S224，计算求得当前时刻的符合机器人运动学的目标雅可比矩阵来描述所述腿部并联机构的驱动关节角速度与末端姿态角速度之间的运动学关联关系。
步骤S230，根据姿态角速度约束条件、目标雅可比矩阵以及腿部并联机构在下一时刻的期望关节角速度，以最小化关节角速度差异为优化目的进行机构运动优化，得到腿部并联机构在下一时刻的目标末端姿态角速度。
在本实施例中，当前时刻与下一时刻相互邻接，且所述当前时刻与所述下一时刻之间的时间长度为一个控制周期，所述期望关节角速度即为所述腿部并联机构的两个驱动关节在下一时刻期望呈现出的关节角速度。所述关节角速度差异用于表示所述期望关节角速度与目标末端姿态角速度所对应的驱动关节角速度之间的差异，其中所述目标末端姿态角速度所对应的驱动关节角速度由所述目标末端姿态角速度与所述目标雅可比矩阵进行矩阵乘法运算得到，此时所述关节角速度差异可采用式子进行表达，/>用于表示所述期望关节角速度，/>用于表示所述目标末端姿态角速度，/>用于表示所述目标末端姿态角速度所对应的驱动关节角速度。在此过程中，可将上述机构运动优化操作视为对二次规划(Quadratic Programming，QP)问题进行问题求解，从而结合姿态角速度约束条件优化出所述腿部并联机构在下一时刻的目标末端姿态角速度。
由此，本申请可通过执行上述步骤S210～步骤S230，在所述腿部并联机构按照目标末端姿态角速度运行时，利用姿态角速度约束条件有效限制腿部并联机构在实际运动过程中的关节速度，并通过机构运动优化操作使腿部并联机构在机构极限位置附近能够有效避开奇异位置地运动，改善腿部并联机构在机构极限位置附近的机体跳变现象，提升双足机器人的运动稳定性。
可选地，请参照图5，图5是本申请实施例提供的机器人运动矫正方法的流程示意图之二。在本申请实施例中，与图3所示的机器人运动矫正方法相比，图5所示的机器人运动矫正方法还可以包括步骤S240及步骤S250。
步骤S240，对目标末端姿态角速度进行数学积分运算，得到腿部并联机构在下一时刻的期望末端姿态角。
在本实施例中，当所述机器人控制设备10计算求得目标双足机器人的腿部并联机构在下一时刻的目标末端姿态角速度后，可基于所述腿部并联机构在当前时刻的实际末端姿态角以及所述目标末端姿态角速度进行数学积分运算，得到所述腿部并联机构在下一时刻的期望末端姿态角，以通过该期望末端姿态角确保所述腿部并联机构末端在下一时刻的期望状况能够有效避开机构极限位置附近的奇异位置，且对应关节速度处于适当范围内。
步骤S250，按照期望末端姿态角控制腿部并联机构进行运动。
由此，本申请可通过执行上述步骤S240及步骤S250，确保所述目标双足机器人的腿部并联机构末端在下一时刻的运动状况能够有效避开机构极限位置附近的奇异位置，且对应关节速度处于适当范围内。
在本申请中，为确保所述机器人控制设备10能够通过所述机器人运动矫正装置100执行上述机器人运动矫正方法，本申请通过对所述机器人运动矫正装置100进行功能模块划分的方式实现前述功能。下面对本申请提供的机器人运动矫正装置100的具体组成进行相应描述。
请参照图6，图6是本申请实施例提供的机器人运动矫正装置100的组成示意图之一。在本申请实施例中，所述机器人运动矫正装置100可以包括机构信息获取模块110、运行矩阵确定模块120及机构运动优化模块130。
机构信息获取模块110，用于获取目标双足机器人的腿部并联机构在当前时刻的机构运动状态信息。
运行矩阵确定模块120，用于根据所述机构运动状态信息确定腿部并联机构在当前时刻的目标雅可比矩阵，其中所述目标雅可比矩阵用于描述所述腿部并联机构的驱动关节角速度与末端姿态角速度之间的运动学关联关系。
机构运动优化模块130，用于根据姿态角速度约束条件、所述目标雅可比矩阵以及所述腿部并联机构在下一时刻的期望关节角速度，以最小化关节角速度差异为优化目的进行机构运动优化，得到所述腿部并联机构在下一时刻的目标末端姿态角速度，其中所述关节角速度差异用于表示所述期望关节角速度与所述目标末端姿态角速度所对应的驱动关节角速度之间的差异。
其中，所述机构运动状态信息包括当前时刻的实际末端姿态角、机构末端与驱动关节之间的第一虚拟连杆向量和第二虚拟连杆向量、驱动关节与中间关节转轴之间的第一驱动连杆向量和第二驱动连杆向量、中间关节转轴与末端关节转轴之间的第一中间连杆向量和第二中间连杆向量、中间关节转轴的第一旋转方向向量和第二旋转方向向量。
可选地，请参照图7，图7是图6中的运行矩阵确定模块120的组成示意图。在本实施例中，所述运行矩阵确定模块120可以包括第一矩阵构建子模块121、第二矩阵构建子模块122、关联矩阵构建子模块123及运动矩阵构建子模块124。
第一矩阵构建子模块121，用于根据所述第一中间连杆向量、所述第二中间连杆向量、所述第一虚拟连杆向量以及所述第二虚拟连杆向量，针对所述腿部并联机构的末端广义速度构建匹配的第一雅可比矩阵。
第二矩阵构建子模块122，用于根据所述第一驱动连杆向量、所述第二驱动连杆向量、所述第一旋转方向向量、所述第二旋转方向向量、所述第一中间连杆向量及所述第二中间连杆向量，针对所述腿部并联机构的驱动关节角速度构建匹配的第二雅可比矩阵。
关联矩阵构建子模块123，用于根据所述实际末端姿态角构建所述腿部并联机构的末端广义速度与末端姿态角速度之间的关联关系矩阵。
运动矩阵构建子模块124，用于根据所述第一雅可比矩阵、所述第二雅可比矩阵以及所述关联关系矩阵，基于机器人运动学构建形成所述目标雅可比矩阵。
在此过程中，所述目标雅可比矩阵、所述第一雅可比矩阵、所述第二雅可比矩阵以及所述关联关系矩阵之间的矩阵关系采用如下式子进行表达：
/>
其中，Jjac用于表示所述目标雅可比矩阵，Jh用于表示所述第一雅可比矩阵，Jθ用于表示所述第二雅可比矩阵，G用于表示所述关联关系矩阵，用于表示所述第一中间连杆向量，/>用于表示所述第二中间连杆向量，/>用于表示所述第一虚拟连杆向量，/>用于表示所述第二虚拟连杆向量，/>用于表示所述第一旋转方向向量，/>用于表示所述第二旋转方向向量，/>用于表示所述第一驱动连杆向量，/>用于表示所述第二驱动连杆向量，qpitch用于表示所述实际末端姿态角包括的实际末端俯仰角。
可选地，请参照图8，图8是本申请实施例提供的机器人运动矫正装置100的组成示意图之二。在本申请实施例中，所述机器人运动矫正装置100还可以包括末端姿态计算模块140及机构运动控制模块150。
末端姿态计算模块140，用于对所述目标末端姿态角速度进行数学积分运算，得到所述腿部并联机构在下一时刻的期望末端姿态角。
机构运动控制模块150，用于按照所述期望末端姿态角控制所述腿部并联机构进行运动。
需要说明的是，本申请实施例所提供的机器人运动矫正装置100，其基本原理及产生的技术效果与前述的机器人运动矫正方法相同。为简要描述，本实施例部分未提及之处，可参考上述的针对机器人运动矫正方法的描述内容。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本申请的实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的***来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
综上所述，在本申请提供的机器人运动矫正方法及装置、机器人控制设备和存储介质中，本申请根据目标双足机器人的腿部并联机构在当前时刻的机构运动状态信息，确定腿部并联机构在当前时刻的用于描述驱动关节角速度与末端姿态角速度之间的运动学关联关系的目标雅可比矩阵，而后将根据姿态角速度约束条件、目标雅可比矩阵以及腿部并联机构在下一时刻的期望关节角速度，以最小化期望关节角速度与目标末端姿态角速度所对应的驱动关节角速度之间的差异为优化目的进行机构运动优化，得到对应的目标末端姿态角速度，从而通过姿态角速度约束条件有效限制腿部并联机构的关节速度，并通过机构运动优化操作使腿部并联机构在机构极限位置附近有效避开奇异位置，改善机体跳变现象，提升双足机器人的运动稳定性。
以上所述，仅为本申请的各种实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应当以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种机器人运动矫正方法，其特征在于，所述方法包括：
获取目标双足机器人的腿部并联机构在当前时刻的机构运动状态信息，其中所述机构运动状态信息包括当前时刻的实际末端姿态角、机构末端与驱动关节之间的第一虚拟连杆向量和第二虚拟连杆向量、驱动关节与中间关节转轴之间的第一驱动连杆向量和第二驱动连杆向量、中间关节转轴与末端关节转轴之间的第一中间连杆向量和第二中间连杆向量、中间关节转轴的第一旋转方向向量和第二旋转方向向量；
根据所述机构运动状态信息确定腿部并联机构在当前时刻的目标雅可比矩阵，其中所述目标雅可比矩阵用于描述所述腿部并联机构的驱动关节角速度与末端姿态角速度之间的运动学关联关系；
根据姿态角速度约束条件、所述目标雅可比矩阵以及所述腿部并联机构在下一时刻的期望关节角速度，以最小化关节角速度差异为优化目的进行机构运动优化，得到所述腿部并联机构在下一时刻的目标末端姿态角速度，其中所述关节角速度差异用于表示所述期望关节角速度与所述目标末端姿态角速度所对应的驱动关节角速度之间的差异；
其中，所述根据所述机构运动状态信息确定腿部并联机构在当前时刻的目标雅可比矩阵的步骤，包括：
根据所述第一中间连杆向量、所述第二中间连杆向量、所述第一虚拟连杆向量以及所述第二虚拟连杆向量，针对所述腿部并联机构的末端广义速度构建匹配的第一雅可比矩阵；
根据所述第一驱动连杆向量、所述第二驱动连杆向量、所述第一旋转方向向量、所述第二旋转方向向量、所述第一中间连杆向量及所述第二中间连杆向量，针对所述腿部并联机构的驱动关节角速度构建匹配的第二雅可比矩阵；
根据所述实际末端姿态角构建所述腿部并联机构的末端广义速度与末端姿态角速度之间的关联关系矩阵；
根据所述第一雅可比矩阵、所述第二雅可比矩阵以及所述关联关系矩阵，基于机器人运动学构建形成所述目标雅可比矩阵。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述目标雅可比矩阵、所述第一雅可比矩阵、所述第二雅可比矩阵以及所述关联关系矩阵之间的矩阵关系采用如下式子进行表达：
其中，Jjac用于表示所述目标雅可比矩阵，Jh用于表示所述第一雅可比矩阵，Jθ用于表示所述第二雅可比矩阵，G用于表示所述关联关系矩阵，用于表示所述第一中间连杆向量，/>用于表示所述第二中间连杆向量，/>用于表示所述第一虚拟连杆向量，/>用于表示所述第二虚拟连杆向量，/>用于表示所述第一旋转方向向量，/>用于表示所述第二旋转方向向量，/>用于表示所述第一驱动连杆向量，/>用于表示所述第二驱动连杆向量，qpitch用于表示所述实际末端姿态角包括的实际末端俯仰角。
3.根据权利要求1-2中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
对所述目标末端姿态角速度进行数学积分运算，得到所述腿部并联机构在下一时刻的期望末端姿态角；
按照所述期望末端姿态角控制所述腿部并联机构进行运动。
4.一种机器人运动矫正装置，其特征在于，所述装置包括：
机构信息获取模块，用于获取目标双足机器人的腿部并联机构在当前时刻的机构运动状态信息，其中所述机构运动状态信息包括当前时刻的实际末端姿态角、机构末端与驱动关节之间的第一虚拟连杆向量和第二虚拟连杆向量、驱动关节与中间关节转轴之间的第一驱动连杆向量和第二驱动连杆向量、中间关节转轴与末端关节转轴之间的第一中间连杆向量和第二中间连杆向量、中间关节转轴的第一旋转方向向量和第二旋转方向向量；
运行矩阵确定模块，用于根据所述机构运动状态信息确定腿部并联机构在当前时刻的目标雅可比矩阵，其中所述目标雅可比矩阵用于描述所述腿部并联机构的驱动关节角速度与末端姿态角速度之间的运动学关联关系；
机构运动优化模块，用于根据姿态角速度约束条件、所述目标雅可比矩阵以及所述腿部并联机构在下一时刻的期望关节角速度，以最小化关节角速度差异为优化目的进行机构运动优化，得到所述腿部并联机构在下一时刻的目标末端姿态角速度，其中所述关节角速度差异用于表示所述期望关节角速度与所述目标末端姿态角速度所对应的驱动关节角速度之间的差异；
其中，所述运行矩阵确定模块包括：
第一矩阵构建子模块，用于根据所述第一中间连杆向量、所述第二中间连杆向量、所述第一虚拟连杆向量以及所述第二虚拟连杆向量，针对所述腿部并联机构的末端广义速度构建匹配的第一雅可比矩阵；
第二矩阵构建子模块，用于根据所述第一驱动连杆向量、所述第二驱动连杆向量、所述第一旋转方向向量、所述第二旋转方向向量、所述第一中间连杆向量及所述第二中间连杆向量，针对所述腿部并联机构的驱动关节角速度构建匹配的第二雅可比矩阵；
关联矩阵构建子模块，用于根据所述实际末端姿态角构建所述腿部并联机构的末端广义速度与末端姿态角速度之间的关联关系矩阵；
运动矩阵构建子模块，用于根据所述第一雅可比矩阵、所述第二雅可比矩阵以及所述关联关系矩阵，基于机器人运动学构建形成所述目标雅可比矩阵。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述目标雅可比矩阵、所述第一雅可比矩阵、所述第二雅可比矩阵以及所述关联关系矩阵之间的矩阵关系采用如下式子进行表达：
其中，Jjac用于表示所述目标雅可比矩阵，Jh用于表示所述第一雅可比矩阵，Jθ用于表示所述第二雅可比矩阵，G用于表示所述关联关系矩阵，用于表示所述第一中间连杆向量，/>用于表示所述第二中间连杆向量，/>用于表示所述第一虚拟连杆向量，/>用于表示所述第二虚拟连杆向量，/>用于表示所述第一旋转方向向量，/>用于表示所述第二旋转方向向量，/>用于表示所述第一驱动连杆向量，/>用于表示所述第二驱动连杆向量，qpitch用于表示所述实际末端姿态角包括的实际末端俯仰角。
6.根据权利要求4-5中任意一项所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
末端姿态计算模块，用于对所述目标末端姿态角速度进行数学积分运算，得到所述腿部并联机构在下一时刻的期望末端姿态角；
机构运动控制模块，用于按照所述期望末端姿态角控制所述腿部并联机构进行运动。
7.一种机器人控制设备，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存储有能够被所述处理器执行的计算机程序，所述处理器可执行所述计算机程序，以实现权利要求1-3中任意一项所述的机器人运动矫正方法。
8.一种存储介质，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，实现权利要求1-3中任意一项所述的机器人运动矫正方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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