专利名称：仿生机械恐龙爬行稳定性控制方法
技术领域：
本发明涉及四足机器人，具体涉及仿生机械恐龙爬行稳定性控制方法。
背景技术：
机器人技术是近几十年来迅速发展起来的一门高新技术，它综合了机械、微电子与计算机、自动控制、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，是机电一体化技术的典型载体。大型四足仿生机械恐龙是四足步行机器人的一种重要应用，广泛应用于娱乐、影视等领域。众所周知，行走的稳定性是四足步行机器人的关键技术，为此，众多的研究机构都对四足步行机器人的步态规划展开了研究，然而，这些研究课题的研究对象都是小型四足步行机器人，在进行稳定性研究时，主要考虑的是腿部各关节变化对整体稳定性的影响。因此，这些研究成果应用到大型四足仿生机械恐龙时具有一定的局限性。主要原因在于·(I)大型四足仿生机械恐龙尺寸大、质量重，且质量分布较为离散；(2)大型四足仿生机械恐龙的腿部和首、尾质量相对较大，特别是现有针对小型四足机器人的步态规划并没有考虑首、尾质量的影响。有鉴于此，对于大型四足仿生机械恐龙而言，必须结合其腿部和首尾的运动对质心的影响对其稳定性进行重新设计，以提高大型四足仿生机械恐龙的行走稳定性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是解决如何提高大型四足仿生机械恐龙的行走稳定性的问题。为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种仿生机械恐龙爬行稳定性控制方法，包括以下步骤将仿生机械恐龙的各肢体组成部分视为刚体连杆，并简化为按一定装配和约束关系组合而成的质点系；为每个刚体连杆建立D-H坐标系，利用4X4的齐次变换矩阵描述相邻两刚体连杆的空间关系，再依次变换求得足底相对于机体坐标系的位姿，以及机体坐标系B与地面坐标系G之间的转换矩阵;将一个前进爬行步态周期的步态规划如下下蹲；身体右倾并向右摆尾；迈左前腿；迈左后腿；身体左倾并向左摆尾；迈右后腿；迈右前腿；身体右倾；根据大腿关节、小腿关节以及髋关节的运动函数，利用机体坐标系B与地面坐标系G之间的转换矩阵Jr，实时计算各肢体组成部分的重心，并获得仿生机械恐龙的整体质心位置，确保其垂直投影落在由立足点所构成的多边形区域内。在上述方法中，机体坐标系B与地面坐标系G之间的转换矩阵为
权利要求
1.仿生机械恐龙爬行稳定性控制方法，其特征在于，包括以下步骤 将仿生机械恐龙的各肢体组成部分视为刚体连杆，并简化为按一定装配和约束关系组合而成的质点系； 为每个刚体连杆建立D-H坐标系，利用4X4的齐次变换矩阵描述相邻两刚体连杆的空间关系，再依次变换求得足底相对于机体坐标系的位姿，以及机体坐标系B与地面坐标系G之间的转换矩阵 将一个前进爬行步态周期的步态规划如下下蹲；身体右倾并向右摆尾；迈左前腿；迈左后腿；身体左倾并向左摆尾；迈右后腿；迈右前腿；身体右倾； 根据大腿关节、小腿关节以及髋关节的运动函数，利用机体坐标系B与地面坐标系G之间的转换矩阵，实时计算各肢体组成部分的重心，并获得仿生机械恐龙的整体质心位置，确保其垂直投影落在由立足点所构成的多边形区域内。
2.如权利要求I所述的仿生机械恐龙爬行稳定性控制方法，其特征在于，机体坐标系B与地面坐标系G之间的转换矩阵〗r为
3.如权利要求I所述的仿生机械恐龙爬行稳定性控制方法，其特征在于，在前进爬行步态中，任一条腿的足底运动轨迹满足以下条件 X = -LTsin ( 0 T) -Lssin ( 0 T+ 0 s)； y = —LtCOS ( 9 t) —LsCOS ( 9 t+ 9 s)； 式中 Lt :大腿长度； Ls :小腿长度； .0 I :大腿与竖直方向的夹角； . 0 s :小腿与大腿延长线之间的夹角。
4.如权利要求I所述的仿生机械恐龙爬行稳定性控制方法，其特征在于，任一条腿的迈腿过程中， 大腿关节的转动角度eT满足以下条件t=0. OO 0. 15 秒时，0 T = -I. 39t2-0-17 ；t=0. 15 I. 17 秒时，0 T = -0. 42t-0. 14 ；t=l. 17 I. 32 秒时，0 T = I. 39t2-3. 67t+l. 75 ；t=l. 32 I. 47 秒时，0 T = —0. 66 ；t=l. 47 I. 98 秒时，0 T = -0. 66 ;t=l. 98 2. 13 秒时，0 T = I. 39t2-5. 53t+4. 83 ；t=2. 13 3. 15 秒时，0 T = 0. 42t-l. 52 ；t=3. 15 3. 30 秒时，0 T = -I. 39t2+9. 21t_15. 37 ； 小腿关节的转动角度es满足以下条件t=0. 00 0. 15 秒时，9 s = I. 74t2 ；t=0. 15 I. 17 秒时，0 s = 0. 52t + 0. 31 ；t=l. 17 I. 32 秒时，0 s = — I. 74t2 + 4. 59t - 2. 06 ；t=l. 32 I. 47 秒时，0 s = — I. 74t2 + 4. 59t - 2. 06 ；t=l. 47 I. 98 秒时，0 s = 0. 52t + I. 69 ；t=l. 98 2. 13 秒时，0 s = 0. 52t + I. 69 ；t=2. 13 3. 15 秒时，0 s = 0. 52t + I. 69 ；t=3. 15 3. 30 秒时，9 s = I. 74t2 — 11. 51t + 18. 99 ； 0T> 9 s的单位为弧度。
5.如权利要求I所述的提高仿生机械恐龙爬行稳定性的步态规划方法，其特征在于，在一个前进爬行步态周期内髋关节的转动角度e H满足以下条件t=0. 97 I. 67 秒时，0 H = -0. Ilt2 + 0. 34t-0. 16 ；t=l. 67 2. 38 秒时，9 H = 0. 17t2-0. 83t + 0. 81 ；t=8. 98 9. 98 秒时，9 H = 0. 17t2-3. 13t + 13. 89 ；t=9. 98 10. 98 秒时，0 H = — 0. 17t2 + 3. 93t — 20. 86 ；t=17. 58 18. 58 秒时，0 H = — 0. 52t + I. 69 ;t=18. 58 19. 58 秒时，0 H = — 0. 52t + I. 69 ; 0H的单位为弧度。
6.如权利要求I所述的仿生机械恐龙爬行稳定性控制方法，其特征在于，颈部摆动角度e 的最佳值为颈部质心在立足点支撑平面的投影到对角支撑足连线的距离最大时的摆角，尾部摆动角度em最佳值为尾部质心在立足点支撑平面的投影到对角支撑足连线的距离最大时的摆角。
7.如权利要求6所述的仿生机械恐龙爬行稳定性控制方法，其特征在于，0n=Sffl =51。。
8.如权利要求I所述的仿生机械恐龙爬行稳定性控制方法，其特征在于，髋关节倾角9 H介于Iiml和lim2之间，0 H = Liml时，整体质心落在三个立足点形成的支撑三角形的斜边上，0H = Lim2时，整体质心落在三个立足点形成的支撑三角形的右边上，liml=-6. 191536295° , lim2=_30. 2715° 。
全文摘要
本发明公开了一种仿生机械恐龙爬行稳定性控制方法，包括以下步骤将各肢体简化为质点系；为每个刚体连杆建立D-H坐标系，再依次变换求得足底相对于机体坐标系的位姿以及机体坐标系与地面坐标系之间的转换矩阵将前进步态规划为下蹲、身体右倾并向右摆尾、迈左前腿、迈左后腿、身体左倾并向左摆尾、迈右后腿、迈右前腿、身体右倾；根据大腿、小腿以及髋关节的驱动函数，利用转换矩阵实时计算各肢体组成部分的重心及恐龙的整体质心，确保其垂直投影落在由立足点所构成的多边形区域内。本发明，通过机体坐标系与固定坐标系之间的转换获得总质心与各关节的函数关系，从而调节各关节变量，提高了仿生机械恐龙的行走稳定性。
文档编号G05D1/02GK102799184SQ20121030176
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月22日 优先权日2012年8月22日
发明者韩晓建, 丁相方, 孙宇, 方书明 申请人:中科宇博(北京)文化有限公司