一种张拉整体机器人跳跃运动闭环控制方法及系统

本发明涉及机器人，具体涉及一种张拉整体机器人跳跃运动闭环控制方法、系统、设备、介质及程序。

背景技术：

1、张拉整体机器人，作为机器人技术领域的创新之作，其独特的刚柔混合结构，由精密编排的刚性杆件与弹性索件交织而成，赋予了这类机器人前所未有的变形灵活性和环境适应性。在行星表面崎岖不平的探索任务或灾后废墟复杂多变的环境中，张拉整体机器人能够灵活调整其结构形态，以非传统的跳跃方式穿越障碍，展现出相较于传统轮式、足式机器人无可比拟的优势。然而，正是这种复杂的结构特性，也为张拉整体机器人在实现精准跳跃控制方面设置了重重障碍。

2、当前，针对张拉整体机器人跳跃运动控制技术的研究主要聚焦于两大方向：开环控制方法与智能学习控制方法。开环控制策略，如基于工程师经验的手动调整控制输入或利用蒙特卡洛方法广泛搜索控制输入空间，尽管在一定程度上实现了跳跃运动的初步控制，但其根本缺陷在于过度依赖张拉整体结构的静力学分析，而忽视了跳跃过程中结构动力学特性的关键作用。这种忽略导致控制系统在面对外界环境突变(如地面不平、风力干扰等)时显得脆弱无力，难以确保跳跃速度、高度及轨迹的精确控制，严重影响了任务执行的可靠性和成功率。

3、与此同时，智能学习控制方法，如进化算法、深度强化学习等，以其强大的数据处理能力和自适应优化能力，为张拉整体机器人跳跃控制提供了新的思路。然而，这些方法在实际应用中却面临另一重挑战：它们往往侧重于控制策略的全局优化，而忽视了张拉整体机器人特有的运动分析问题，导致张拉整体机器人运动控制方法中误差较大、鲁棒性不足等缺陷。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的张拉整体机器人运动控制方法中误差较大、鲁棒性不足等缺陷的问题。本发明提供了一种张拉整体机器人跳跃运动闭环控制方法，解决了现有张拉整体机器人运动控制方法中误差较大、鲁棒性不足等缺陷，实现了运动状态可控的张拉整体机器人跳跃运动。

2、为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案。

3、第一方面，本发明提供一种张拉整体机器人跳跃运动闭环控制方法，包括：

4、建立考虑接触碰撞条件下的张拉整体机器人动力学模型；

5、根据张拉整体机器人动力学模型，规划起跳阶段质心期望运动轨迹；

6、通过起跳阶段质心期望运动轨迹，获得机器人质心运动轨迹跟踪结果；

7、基于机器人质心运动轨迹跟踪结果，设计张拉整体机器人下落阶段闭环控制律，以控制机器人保持平衡构型并平稳落地。

8、作为本发明的进一步改进，所述建立考虑接触碰撞条件下的张拉整体机器人动力学模型，包括：

9、基于互补关系描述张拉整体机器人节点与环境曲面的接触碰撞过程，并根据非保守力作用下完整系统的拉格朗日方程，建立考虑接触碰撞条件下的张拉整体机器人动力学模型；

10、张拉整体机器人动力学模型，具体表示如下：

11、

12、φq(q)＝o

13、

14、式中，q∈rn表示张拉整体机器人广义坐标向量，表示机器人杆构件的位置和方向；m(q)∈rn×n表示惯性矩阵；a(q)表示张拉整体结构平衡矩阵，a(q)中元素表示为lj表示索构件长度；b(q)＝a(q)sl(q)表示操纵矩阵，l(q)＝diag(l1,l2…lm)，s＝diag(e1a1,e2a2…emam)，s＝[e1a1 e2a2…emam]t，ej表示索构件的杨氏模量，aj表示索构件的横截面积；u＝[1/r1 1/r2…1/rm]t表示控制输入，rj表示索构件原长；u＝[1/r1 1/r2 … 1/rm]t表示控制输入，rj表示索构件原长；qn表示机器人节点与环境曲面的法向接触广义力向量，qf表示机器人节点与环境曲面的切向摩擦广义力向量，φq(q)为张拉整体机器人杆构件广义坐标的完整约束，λq为对应的拉格朗日乘子。

15、作为本发明的进一步改进，所述根据张拉整体机器人动力学模型，规划起跳阶段质心期望运动轨迹，包括：

16、基于互补关系简化张拉整体机器人动力学模型，得到简化后的张拉整体机器人动力学模型；

17、基于线性投影算子方法将简化后的张拉整体机器人动力学模型转化为面向控制律设计的常微分方程形式的动力学方程；

18、基于二次规划方法，通过常微分方程形式的动力学方程进行张拉整体机器人起跳阶段质心运动轨迹规划，生成满足期望跳跃任务要求的起跳阶段质心期望运动轨迹。

19、作为本发明的进一步改进，所述张拉整体机器人起跳阶段质心运动轨迹规划，包括张拉整体机器人质心垂向运动轨迹及张拉整体机器人质心前向运动轨迹规划；

20、所述张拉整体机器人质心垂向运动轨迹，包括：

21、机器人质心垂向运动的线性模型表示为：

22、式中，表示质心垂向运动向量，zk为k时刻机器人质心垂向位移，t表示仿真步长；

23、规定期望的机器人起跳阶段时长为nt，基于得到机器人起跳阶段的预测模型为：

24、式中：zk+1＝[zk+1…zk+n]t，

25、

26、通过二次规划问题进行质心垂向运动轨迹规划，得到：

27、

28、式中，qz为权重矩阵，ht表示离地时刻期望质心高度，表示离地时刻质心期望垂向速度，hd表示机器人质心期望跳跃高度，g表示重力加速度；

29、将二次规划的解uk代入即得到机器人起跳阶段的质心高度期望轨迹zk+1；

30、所述张拉整体机器人质心前向运动轨迹规划，包括：

31、张拉整体机器人质心前向运动的线性模型为：

32、张拉整体机器人起跳阶段的预测模型为：

33、式中，xk为k时刻机器人质心垂向位移，xk+1＝[xk+1 …xk+n]t，

34、通过二次规划问题进行质心前向运动轨迹规划：

35、

36、式中，qx为权重矩阵，xt表示离地时刻期望质心水平位置，vxt表示离地时刻质心期望水平速度，g表示重力加速度，μ表示地面摩擦系数；

37、将二次规划的解uk代入即得到机器人起跳阶段的质心前向期望轨迹xk+1。

38、作为本发明的进一步改进，所述通过起跳阶段质心期望运动轨迹，获得机器人质心运动轨迹跟踪结果，包括：

39、基于非线性自适应闭环控制方法设计张拉整体机器人起跳阶段的质心轨迹跟踪控制律，实现机器人质心运动轨迹跟踪，以控制机器人达到期望跳跃目标，获得机器人质心运动轨迹跟踪结果。

40、作为本发明的进一步改进，所述基于机器人质心运动轨迹跟踪结果，设计张拉整体机器人下落阶段闭环控制律，以控制机器人保持平衡构型并平稳落地，包括：

41、在机器人下落阶段，将地面接触力视为外界扰动，基于线性投影算子方法，将张拉整体机器人动力学模型简化为：

42、

43、式中，mq＝pqm+(i-pq)，bq＝pqb(q)，qq＝pq(qn+qf)，

44、选择张拉整体机器人索构件长度作为任务空间：

45、

46、式中，xl＝[l1 l2…l23]t表示索构件长度向量，表示机器人任务空间雅各比矩阵；

47、将左乘并代入机器人下落任务空间动力学表示为：

48、

49、式中，

50、设计机器人闭环控制律为：

51、

52、式中，xdl表示索构件期望长度，dl为正定矩阵表示期望阻尼矩阵，kl为正定矩阵表示期望刚度矩阵；

53、将代入中，任务空间闭环系统表示为：

54、

55、通过调整中的期望阻尼矩阵和刚度矩阵实现下落阶段机器人构型稳定控制并满足平稳落地需求。

56、第二方面，本发明提供一种张拉整体机器人跳跃运动闭环控制系统，包括：

57、建立动力学模型模块：用于建立考虑接触碰撞条件下的张拉整体机器人动力学模型；

58、规划运动轨迹模块：用于根据张拉整体机器人动力学模型，规划起跳阶段质心期望运动轨迹；

59、获得跟踪结果模块：用于通过起跳阶段质心期望运动轨迹，获得机器人质心运动轨迹跟踪结果；

60、控制机器人运动模块：用于基于机器人质心运动轨迹跟踪结果，设计张拉整体机器人下落阶段闭环控制律，以控制机器人保持平衡构型并平稳落地。

61、第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种张拉整体机器人跳跃运动闭环控制方法的步骤。

62、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述一种张拉整体机器人跳跃运动闭环控制方法的步骤。

63、第五方面，本发明提供一种计算机程序产品，其特征在于，包括计算机指令，该计算机指令被处理器执行时实现所述一种张拉整体机器人跳跃运动闭环控制方法的步骤。

64、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

65、本发明通过建立考虑接触碰撞条件下的动力学模型，能够更准确地模拟机器人在跳跃过程中的实际运动状态，从而减小因模型简化或忽略某些动态因素而导致的控制误差。这种高精度的模型为后续的轨迹规划和跟踪提供了坚实的基础。其次，在起跳阶段规划质心期望运动轨迹时，考虑了可能的接触碰撞情况，使得控制策略在面对不确定性和外部干扰时具有更强的适应性和稳定性。这种设计增强了控制系统的鲁棒性，提高了机器人在复杂环境中的运行可靠性。并且，通过质心运动轨迹的跟踪结果来设计下落阶段的闭环控制律，本发明实现了对机器人跳跃运动全过程的实时监控和调整。闭环控制能够及时发现并纠正实际运动与期望轨迹之间的偏差，确保机器人能够按照预定轨迹完成跳跃动作，并保持平衡构型平稳落地。因此，本方法不仅适用于特定的跳跃运动，还可以根据实际需要调整起跳阶段的质心期望运动轨迹和下落阶段的控制律，以适应不同的运动场景和任务需求。