[发明专利]一种被动轮式四足机器人轮滑步态控制方法

权利要求书

1.一种被动轮式四足机器人轮滑步态控制方法，所述被动轮式四足机器人具有四条腿，每条腿具有三节，分别令为首节腿、中节腿和末节腿；每条腿的足端设置有轮足结构；所述首节腿与机身的连接处、首节腿与中节腿的连接处、中节腿与末节腿的连接处均设置有关节电机；

其特征在于：所述被动轮式四足机器人的各条腿以设定的轮换时间间隔T依次作为主动腿进行蹬地运动，四条腿轮换结束为一个运动周期；然后所述被动轮式四足机器人以4T为周期进行周期性重复的轮滑运动；所述主动腿进行蹬地运动时，与主动腿中心对称的腿进行平衡运动，其余两条腿被动支撑；令进行平衡运动的腿为平衡腿，被动支撑的两条腿为支撑腿；

所述主动腿蹬地运动分为三个相位：切换相、滑移相和摆动相；

所述切换相为蹬地准备阶段：所述主动腿保持足端位置不变，末节腿绕触地点向上旋转，由轮触地转化为足触地；

所述滑移相运动为蹬地阶段：所述主动腿的末节腿平移向后运动一个蹬地步长，所述蹬地步长为设定值；

所述摆动相为足端复位阶段，所述主动腿完成从足触地到轮触地的切换，为下一次蹬地做准备；

所述平衡运动为平衡腿为平衡主动腿质心运动效应所作的运动，用于保证所述被动轮式四足机器人蹬地运动时的稳定；

令被动轮式四足机器人的行进方向为X向，其中前进方向为正，后退方向为负；竖直方向为Y向；令从机身到足端的四个关节点分别为A点、B点、C点和P点；首节腿为杆AB，中节腿为杆BC，末节腿为杆CP，P点为触地点；首节腿杆AB的长度为L₁；中节腿杆BC的长度为L₂；末节腿杆CP的长度为L₃；杆AB与机身水平方向的夹角为关节角θ₁，杆AB与杆BC之间的夹角为关节角θ₂，杆BC与杆CP之间的夹角为关节角θ₃；各腿以轮触地时末节腿杆CP与X负半轴夹角为δ₂，各腿以足触地时末节腿杆CP与X负半轴夹角为δ₁；

所述主动腿蹬地运动过程中：

蹬地准备阶段：从0到t₁时刻，所述主动腿的关节点C的轨迹为：

其中：x_P0为主动腿足端初始位置X坐标；h为主动腿的高度；

蹬地阶段：从t₁到t₂时刻，所述主动腿的末节腿向后平移运动一个蹬地步长l_主，则所述主动腿的关节点C的轨迹为：

足端复位阶段：从t₂到t₃时刻，所述主动腿的关节点C的轨迹规划采用贝塞尔曲线拟合，该阶段主动腿的关节点C的轨迹为：

其中：u＝(t-t₂)/(t₃-t₂)；

上述三个阶段中，在计算得到各阶段的C点的轨迹后，进一步由逆运动学根据C点轨迹依据下述公式求解得到各个阶段主动腿的三个关节角，然后依据得到的三个关节角通过各关节电机控制所述主动腿运动；

其中：δ_i由当前状态下主动腿与地面的接触状态确定：

首先令所述被动轮式四足机器人各条腿中首节腿杆AB的质量为M_AB，中节腿杆BC的质量为M_BC，末节腿杆CP的质量为M_CP；B点关节的质量为M_B，C点关节的质量为M_C，P点轮足结构的质量为M_P；机身质量为M，单腿质量为M₀；

所述平衡腿在进行平衡运动时的平衡控制方法为：

步骤一：计算所述主动腿蹬地运动后其质心的位移；

步骤二：依据步骤一计算的所述主动腿的质心位移，由所述被动轮式四足机器人整机质心期望位置与主动腿质心位移解算出所述平衡腿质心期望位置，进而获得所述平衡腿质心期望位移；

步骤三：根据步骤二所得到的平衡腿质心期望位移，依据腿部质心-步长方程计算所述平衡腿的关节点C与足端点P的迈步长度，作为期望迈步长度；再由逆运动学解算出平衡腿各个关节角的转角，进而通过控制对应关节处的电机实现对所述平衡腿运动的控制，使所述平衡腿的迈步长度为所计算的期望迈步长度。