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技术

本发明专利技术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。该规划方法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，机器人机体重心在铅垂方向上无波动。本发明专利技术降低了对腿式机器人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。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了。该规划方法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，机器人机体重心在铅垂方向上无波动。本专利技术降低了对腿式机器人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。【专利说明】
本专利技术涉及，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术公开了，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，本专利技术的构思是:本专利技术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。根据上述专利技术构思，本专利技术采用下述技术方案: 其特征在于:操作步骤如下: 第I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。第4步划分时相。首先定义步态周期起始时各构件初始位置，再根据机构特点及规划具体要求，将步态周期划分为四个相，按时间顺序依次为:支撑前相、摆动前相、摆动后相和支撑后相。以目标桨叶竖直立于地面、行星架与水平线重合、桨轴与轮心重合时作为初始位置，每个相具体含义如下: (1)支撑前相:指目标桨叶桨端从初始位置运动至横坐标轴负向最大位置的过程； (2)摆动前相:指从支撑前相结束，至目标桨叶运动至与纵坐标轴重合的过程； (3)摆动后相:指从摆动前相结束，至目标桨叶桨端运动到横坐标轴正向最大位置的过程; (4)支撑后相:指目标桨叶桨端从横坐标轴最大位置运动至初始位置的过程。其中，支撑前相与支撑后相统称支撑相，两者在时间上的连接点称为支撑相中点，摆动前相与摆动后相统称摆动相，两者在时间上的连接点称为摆动相中点。第5步规划支撑前相。由于机构的驱动数大于自由度数，属于冗余自由度机构，故为了简化求解，须对输入参数或者中间变量进行提前规划。首先对桨端的速度、桨轴的偏心速度进行预先约束，由于行星轮机构内奇异点的存在，因此，桨轴的偏心速度在偏心距最大时须约束为零；其次再由桨端速度及桨轴偏心速度联立求得偏心角速度和外轮角速度；最后，根据第I步和第2步中的映射关系求得太阳轮及齿圈电机的输入角速度。第6步规划摆动前相。选择自、公转角速度作为规划目标，摆动相内对桨端轨迹不作强制规定，仅须保证起始和结束点的速度和位移符合要求，通过待定系数法，构造连续曲线以满足规划限制条件。摆动前相过程所需满足规划限制条件如下: (1)支撑前相结束时刻，行星轮自转角速度、公转角速度以及外轮的角速度分别与摆动前相开始时刻的三者速度相等； (2)经过摆动前相，行星轮自转绝对角位移等于公转绝对角位移，当摆动前相结束时，行星轮的自转角等于公转角，行星架、刚体架、铅垂线三者共线，此时偏心距达到最大，桨轴处于最闻点； (3)摆动前相结束时，目标铰链运动至最高点，该铰链与桨轴连成的直线与铅垂线共线。目标桨叶对侧的桨叶完全缩回外轮壳体内，此时有效步高最大。第7步规划摆动后相及支撑后相。由于两者分别与摆动前相及支撑前相对称，故利用上述方法直接对称映射规划。第8步步态综合。支撑后相结束后，即完成了一个完整步态周期，所有构件重新回到初始位置，此时，仅须重复步骤5至步骤7，即可得到连续的多个步态数据，实现机身持续运动。通过以上规划，求解得符合要求的三个驱动电本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于：操作步骤如下：第1步骤规划系统初始参数，包括：步态周期、支撑相比例、刚体架（209）长度、行星架（203）长度、步幅、桨叶（211）长度、微分时间常数、外轮（203）半径、偏心距、最大偏心距、偏心角度、太阳轮（201）角速度、齿圈（202）角速度、外轮（204）角速度、太阳轮（201）齿数、齿圈（202）齿数和行星轮（206）齿数；第2步骤建立行星轮机构内两个输入即太阳轮（201）及齿圈（202）的输入角速度，与行星轮（206）的自、公转角速度之间的映射关系；第3步骤建立行星轮的自、公转角速度与桨轴（208）的偏心速度、偏心角速度之间的映射关系；第4步骤划分时相：将步态周期划分为四个相，按时间顺序依次为：支撑前相（601）、摆动前相（602）、摆动后相（603）和支撑后相（604）；第5步骤规划支撑前相（601）：根据步态周期、步幅和支撑相比例求解太阳轮（201）及齿圈（202）电机的输入角速度；第6步骤规划摆动前相（602）：选择自、公转角速度作为规划目标，通过待定系数法，构造给定形状的连续曲线以满足规划限制条件，包括位移条件及速度条件；第7步骤规划摆动后相（603）及支撑后相（604）:由于两者分别与摆动前相（602）及支撑前相（601）对称，故利用第六步骤方法直接对称映射规划；第8步骤步态综合：支撑后相（604）结束后，即完成了一个完整步态周期，机构内所有构件重新回来初始化位置，此时，重复第5步骤至第7步骤，即可得到连续的多个步态数据，实现机身持续运动。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒲华燕，赵晶雷，马书根，孙翊，罗均，沈雅怡，龚振邦，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31