[发明专利]一种基于行星轮机构腿式机器人的高效高精度腿式步态规划方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于行星轮机构腿式机器人的高效高精度腿式步态规划方法，尤其涉及一种保证腿式机器人的腿单元内各驱动构件速度在步态周期内连续无突变、同时避免驱动构件速度发生反向的腿式步态规划方法。该规划方法降低了对腿部单元输入电机功率和机械结构刚度的要求，消除了行星轮机构内部齿轮间隙对机械系统控制精度影响、减少了因驱动关节频繁换向造成的能量损耗以及传动机构的磨损。

背景技术

随着人类对行星表面、浅海滩涂、矿井工地、防灾救援和反恐斗争等环境进行研究探索的不断深入，腿式机器人因其较高的机动性能、较好的越障能力和环境适应能力，被广泛应用于上述的非结构环境中，已经成为机器人家族中的一种重要类型。

对于移动机器人来说，其运动能力是评价机器人优劣的首要指标。而对非结构环境的适应性正是腿式机器人较强运动能力的体现。因为对于腿式机器人来说，其运动轨迹是一系列离散的足印,而其他类型的机器人，诸如轮式和履带式机器人的则是一条条连续的辙迹。崎岖地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物，可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限，这意味着轮式和履带式机器人在这种地形中已经不适用。而腿式机器人运动时只需要离散的点接触地面，对这种地形的适应性较强，正因为如此，腿式机器人对环境的破坏程度也较小。

其次由于腿式机器人的腿部具有多个自由度，其运动灵活性大大加强，通过调节腿的长度保持身体平衡或者调节重心位置，同时，亦可通过协调各腿的支撑相及摆动相，实现机器人的前进或者转向等动作，且不易倾倒，稳定性较高。

一般腿式机器人步态规划的基本思想是：建立空间坐标系，已知机器人腿部末端在坐标系中的位置坐标，通过运动学逆解求得各驱动关节的关节角。待关节角确定，即可以构造机器人的步态模式。无论机器人处于何种步态模式，一般来说，腿式机器人的腿由若干串联关节构成，各关节电机在一定的角度范围内运动，同时腿式机器人的步态运动为周期性的运动，即当机器人以某种特定步态模式运动时，各驱动关节在不同步态周期内运动相同。这势必将造成驱动关节来回往复运动，频繁的加减速，不仅造成能量的极大浪费，同时对关节电机性能及传动机构的刚性也提出较高要求；另一方面，驱动电机速度方向的频繁改变，会加剧传动机构内部间隙造成的负面影响，随着运动的持续，误差的累积效应使得控制精度下降，当误差累积到一定程度甚至会造成系统彻底失控。

发明内容

有鉴于此，本发明公开了一种基于行星轮机构腿式机器人的高效高精度腿式步态规划方法，降低了对腿部单元内输入电机功率和机械结构刚度的要求，消除了行星轮机构内部齿轮间隙对机械系统控制精度影响，减少了因驱动关节频繁换向造成的能量损耗以及传动机构的磨损。为达到上述目的，本发明的构思是：本发明的规划方法利用行星轮机构的自、公转速度耦合特性以及速度奇异位型，通过建立行星轮机构输入输出映射关系、桨端及桨轴的速度约束关系，对基于行星轮机构的腿式机器人腿单元内的三个驱动关节进行周期性规划，使得腿式机器人的腿单元与地面周期性的离散接触，且使机器人保持机身重心高度不发生改变的同时连续匀速前进。在整个腿式步态周期内，腿式机器人的驱动关节电机速度连续无突变、且始终单一方向运动而不发生换向，同时机器人机体重心高度无波动。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

其特征在于：操作步骤如下： 

第1步规划系统初始参数，包括：步态周期、支撑相比例、刚体架长度、行星架长度、步幅、桨叶长度、微分时间常数、外轮半径、偏心距、最大偏心距、偏心角度、太阳轮角速度、齿圈角速度、外轮角速度、太阳轮齿数、齿圈齿数、行星轮齿数。其中：

步态周期：完成一个完整步态所需要的时间；

支撑相比例：一个步态周期内，支撑相时长占整个步态周期的比例；

刚体架长度：行星轮中心到桨轴的距离，与行星架长度相等；

步幅：同一步态周期内，腿部单元内桨跨越的距离；

偏心距：桨轴与轮心之间的距离，最大偏心距等于刚体架长度与行星架长度之和；

偏心角：连接桨轴与轮心的直线，同水平线的夹角；

第2步建立行星轮机构内两个输入即太阳轮及齿圈的输入角速度，与行星轮的自、公转角速度之间的映射关系。

第3步建立行星轮的自、公转角速度与桨轴的偏心速度、偏心角速度之间的映射关系。