[发明专利]一种被动轮式四足机器人轮滑步态控制方法

说明书

本发明公开了一种被动轮式四足机器人轮滑步态控制方法，属于机器人运动控制技术领域。该方法针对四足机器人轮滑运动建立了足端单腿蹬地运动轨迹规划，针对单腿蹬地过程中保持整机稳定性提出了对称腿质心平衡法，同时建立了四足机器人轮滑运动各腿相位时序。本发明通过建立四足轮滑机器人对称腿质心平衡方程实现了四足轮滑机器人蹬地运动时机身的稳定，实现了四足机器人被动轮轮滑运动。

技术领域

本发明涉及一种轮滑步态控制方法，具体涉及一种被动轮式四足机器人轮滑步态控制方法，属于机器人运动控制技术领域。

背景技术

腿足式机器人能够自由选择落足点，可以适应崎岖地形，但速度普遍低于轮式移动机器人；轮式移动在结构化路面上移动高效、速度快，但越障能力较差。因此同时具有高机动性与高通过性的轮足式移动机器人是目前的研究热点。

目前，轮足式移动机器人分为两种，分别为主动轮式轮足机器人和被动轮式轮足机器人。主动轮式轮足机器人主要采用主动轮设计，无法体现腿足结构的优点；其平衡控制主要采用与腿足式机器人相同的机身质心移动法，即在运动过程中通过移动整机机身，使质心投影落在支撑足组成的稳定域内，从而保持平衡；这种方法忽略了腿部质量。而轮足机器人由于增加了轮结构，腿部惯量较大。其次腿足式机器人落足点是离散的，而轮足机器人轨迹连续，轮端与地面接触受力方向角有限；并且频繁移动机身也会造成轮滑运动不稳定，甚至倾覆。被动轮式轮足机器人在足端增加了被动轮，通过腿部蹬地运动实现轮式移动，充分利用了腿部自由度，结构简单高效。但目前针对被动轮式轮足机器人的运动研究较少。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种被动轮式四足机器人轮滑步态控制方法，通过建立机器人轮滑蹬地运动控制与平衡腿质心平衡运动控制实现了被动轮式四足机器人的轮滑运动，提高了被动轮式四足机器人轮滑运动的稳定性。

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；该被动轮式四足机器人轮滑步态控制方法为：

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。

作为本发明的一种优选方式：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；