[發明專利]一種基于行星輪機構腿式機器人的高效高精度腿式步態規劃方法

在審

• 申請號: 201410076095.5
• 申請日: 2014-03-04
• 公開（公告）號: CN103978484A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 蒲華燕;趙晶雷;馬書根;孫翊;羅均;沈雅怡;龔振邦
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

1.一種基于行星輪機構腿式機器人的高效高精度腿式步態規劃方法，其特征在于：操作步驟如下：

第1步驟規劃系統初始參數，包括：步態周期、支撐相比例、剛體架（209）長度、行星架（203）長度、步幅、槳葉（211）長度、微分時間常數、外輪（203）半徑、偏心距、最大偏心距、偏心角度、太陽輪（201）角速度、齒圈（202）角速度、外輪（204）角速度、太陽輪（201）齒數、齒圈（202）齒數和行星輪（206）齒數；

第2步驟建立行星輪機構內兩個輸入即太陽輪（201）及齒圈（202）的輸入角速度，與行星輪（206）的自、公轉角速度之間的映射關系；

第3步驟建立行星輪的自、公轉角速度與槳軸（208）的偏心速度、偏心角速度之間的映射關系；

第4步驟劃分時相：將步態周期劃分為四個相，按時間順序依次為：支撐前相（601）、擺動前相（602）、擺動后相（603）和支撐后相（604）；

第5步驟規劃支撐前相（601）：根據步態周期、步幅和支撐相比例求解太陽輪（201）及齒圈（202）電機的輸入角速度；

第6步驟規劃擺動前相（602）：選擇自、公轉角速度作為規劃目標，通過待定系數法，構造給定形狀的連續曲線以滿足規劃限制條件，包括位移條件及速度條件；

第7步驟規劃擺動后相（603）及支撐后相（604）:由于兩者分別與擺動前相（602）及支撐前相（601）對稱，故利用第六步驟方法直接對稱映射規劃；

第8步驟步態綜合：支撐后相（604）結束后，即完成了一個完整步態周期，機構內所有構件重新回來初始化位置，此時，重復第5步驟至第7步驟，即可得到連續的多個步態數據，實現機身持續運動。

2.根據權利要求1所述的基于行星輪機構腿式機器人的高效高精度腿式步態規劃方法，其特征在于：所述第3步驟中，行星輪（206）自、公轉角與槳軸（208）偏心距、偏心角的映射關系為：

????????????????????????????????????????????????

其中，θ₂為行星輪（206）自轉角、θ_h為行星輪（206）公轉角，l_ec為槳軸（208）偏心距、θ_ec為偏心角度，l_ca為行星架（203）長度。

3.根據權利要求1所述的基于行星輪機構腿式機器人的高效高精度腿式步態規劃方法，其特征在于：所述第4步驟中每個相具體含義為：

支撐前相（601）：指目標槳葉（211）槳端（212）從初始位置運動至橫坐標軸負向最大位置的過程；

擺動前相（602）：指從支撐前相（601）結束，至目標槳葉運動至與縱坐標軸重合的過程；

擺動后相（603）：指從擺動前相（602）結束，至目標槳葉（211）槳端（212）運動到橫坐標軸正向最大位置的過程；

支撐后相（604）：指目標槳葉（211）槳端（212）從橫坐標軸最大位置運動至初始位置的過程；

其中，支撐前相（601）與支撐后相（604）統稱支撐相，兩者在時間上的連接點稱為支撐相中點，擺動前相（602）與擺動后相（603）統稱擺動相，兩者在時間上的連接點稱為擺動相中點。

4.根據權利要求1所述的基于行星輪機構腿式機器人的高效高精度腿式步態規劃方法，其特征在于：所述第5步驟中支撐前相（601）規劃過程為：

首先對槳端（212）的速度、槳軸（208）的偏心速度進行預先約束；其次再由槳端（212）速度及槳軸（208）偏心速度聯立求得偏心角速度和外輪角速度；最后再根據速度映射關系求得太陽輪（201）及齒圈（202）電機的輸入角速度。

5.根據權利要求1所述的基于行星輪機構腿式機器人的高效高精度腿式步態規劃方法，其特征在于：所述第6步驟中擺動前相（602）規劃限制條件如下：

支撐前相（601）結束時刻，行星輪（206）自轉角速度、公轉角速度以及外輪（204）的角速度分別與擺動前相（602）開始時刻的三者速度相等；經過擺動前相（603），行星輪（206）自轉角位移等于公轉角位移，當擺動前相（602）結束時，行星輪（206）的自轉角等于公轉角，行星架（203）、剛體架（209）、鉛垂線三者共線；擺動前相（602）結束時，目標鉸鏈（210）運動至最高點，該鉸鏈（210）與槳軸（208）連成的直線與鉛垂線共線。