[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

技術領域

本發明涉及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，尤其涉及一種保證腿式機器人的腿單元內各驅動構件速度在步態周期內連續無突變、同時避免驅動構件速度發生反向的腿式步態規劃方法。該規劃方法降低了對腿部單元輸入電機功率和機械結構剛度的要求，消除了行星輪機構內部齒輪間隙對機械系統控制精度影響、減少了因驅動關節頻繁換向造成的能量損耗以及傳動機構的磨損。

背景技術

隨著人類對行星表面、淺海灘涂、礦井工地、防災救援和反恐斗爭等環境進行研究探索的不斷深入，腿式機器人因其較高的機動性能、較好的越障能力和環境適應能力，被廣泛應用于上述的非結構環境中，已經成為機器人家族中的一種重要類型。

對于移動機器人來說，其運動能力是評價機器人優劣的首要指標。而對非結構環境的適應性正是腿式機器人較強運動能力的體現。因為對于腿式機器人來說，其運動軌跡是一系列離散的足印,而其他類型的機器人，諸如輪式和履帶式機器人的則是一條條連續的轍跡。崎嶇地形中往往含有巖石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障礙物，可以穩定支撐機器人的連續路徑十分有限，這意味著輪式和履帶式機器人在這種地形中已經不適用。而腿式機器人運動時只需要離散的點接觸地面，對這種地形的適應性較強，正因為如此，腿式機器人對環境的破壞程度也較小。

其次由于腿式機器人的腿部具有多個自由度，其運動靈活性大大加強，通過調節腿的長度保持身體平衡或者調節重心位置，同時，亦可通過協調各腿的支撐相及擺動相，實現機器人的前進或者轉向等動作，且不易傾倒，穩定性較高。

一般腿式機器人步態規劃的基本思想是：建立空間坐標系，已知機器人腿部末端在坐標系中的位置坐標，通過運動學逆解求得各驅動關節的關節角。待關節角確定，即可以構造機器人的步態模式。無論機器人處于何種步態模式，一般來說，腿式機器人的腿由若干串聯關節構成，各關節電機在一定的角度范圍內運動，同時腿式機器人的步態運動為周期性的運動，即當機器人以某種特定步態模式運動時，各驅動關節在不同步態周期內運動相同。這勢必將造成驅動關節來回往復運動，頻繁的加減速，不僅造成能量的極大浪費，同時對關節電機性能及傳動機構的剛性也提出較高要求；另一方面，驅動電機速度方向的頻繁改變，會加劇傳動機構內部間隙造成的負面影響，隨著運動的持續，誤差的累積效應使得控制精度下降，當誤差累積到一定程度甚至會造成系統徹底失控。

發明內容

有鑒于此，本發明公開了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，降低了對腿部單元內輸入電機功率和機械結構剛度的要求，消除了行星輪機構內部齒輪間隙對機械系統控制精度影響，減少了因驅動關節頻繁換向造成的能量損耗以及傳動機構的磨損。為達到上述目的，本發明的構思是：本發明的規劃方法利用行星輪機構的自、公轉速度耦合特性以及速度奇異位型，通過建立行星輪機構輸入輸出映射關系、槳端及槳軸的速度約束關系，對基于行星輪機構的腿式機器人腿單元內的三個驅動關節進行周期性規劃，使得腿式機器人的腿單元與地面周期性的離散接觸，且使機器人保持機身重心高度不發生改變的同時連續勻速前進。在整個腿式步態周期內，腿式機器人的驅動關節電機速度連續無突變、且始終單一方向運動而不發生換向，同時機器人機體重心高度無波動。

根據上述發明構思，本發明采用下述技術方案：

其特征在于：操作步驟如下：?

第1步規劃系統初始參數，包括：步態周期、支撐相比例、剛體架長度、行星架長度、步幅、槳葉長度、微分時間常數、外輪半徑、偏心距、最大偏心距、偏心角度、太陽輪角速度、齒圈角速度、外輪角速度、太陽輪齒數、齒圈齒數、行星輪齒數。其中：

步態周期：完成一個完整步態所需要的時間；

支撐相比例：一個步態周期內，支撐相時長占整個步態周期的比例；

剛體架長度：行星輪中心到槳軸的距離，與行星架長度相等；

步幅：同一步態周期內，腿部單元內槳跨越的距離；

偏心距：槳軸與輪心之間的距離，最大偏心距等于剛體架長度與行星架長度之和；

偏心角：連接槳軸與輪心的直線，同水平線的夾角；

第2步建立行星輪機構內兩個輸入即太陽輪及齒圈的輸入角速度，與行星輪的自、公轉角速度之間的映射關系。

第3步建立行星輪的自、公轉角速度與槳軸的偏心速度、偏心角速度之間的映射關系。