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技術

本發明專利技術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。該規劃方法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，機器人機體重心在鉛垂方向上無波動。本發明專利技術降低了對腿式機器人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。

【技術實現步驟摘要】
【專利摘要】本專利技術公開了。該規劃方法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，機器人機體重心在鉛垂方向上無波動。本專利技術降低了對腿式機器人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?！緦＠f明】
本專利技術涉及，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。
技術介紹
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。
技術實現思路
有鑒于此，本專利技術公開了，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，本專利技術的構思是:本專利技術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。根據上述專利技術構思，本專利技術采用下述技術方案: 其特征在于:操作步驟如下: 第I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。第4步劃分時相。首先定義步態周期起始時各構件初始位置，再根據機構特點及規劃具體要求，將步態周期劃分為四個相，按時間順序依次為:支撐前相、擺動前相、擺動后相和支撐后相。以目標槳葉豎直立于地面、行星架與水平線重合、槳軸與輪心重合時作為初始位置，每個相具體含義如下: (1)支撐前相:指目標槳葉槳端從初始位置運動至橫坐標軸負向最大位置的過程； (2)擺動前相:指從支撐前相結束，至目標槳葉運動至與縱坐標軸重合的過程； (3)擺動后相:指從擺動前相結束，至目標槳葉槳端運動到橫坐標軸正向最大位置的過程; (4)支撐后相:指目標槳葉槳端從橫坐標軸最大位置運動至初始位置的過程。其中，支撐前相與支撐后相統稱支撐相，兩者在時間上的連接點稱為支撐相中點，擺動前相與擺動后相統稱擺動相，兩者在時間上的連接點稱為擺動相中點。第5步規劃支撐前相。由于機構的驅動數大于自由度數，屬于冗余自由度機構，故為了簡化求解，須對輸入參數或者中間變量進行提前規劃。首先對槳端的速度、槳軸的偏心速度進行預先約束，由于行星輪機構內奇異點的存在，因此，槳軸的偏心速度在偏心距最大時須約束為零；其次再由槳端速度及槳軸偏心速度聯立求得偏心角速度和外輪角速度；最后，根據第I步和第2步中的映射關系求得太陽輪及齒圈電機的輸入角速度。第6步規劃擺動前相。選擇自、公轉角速度作為規劃目標，擺動相內對槳端軌跡不作強制規定，僅須保證起始和結束點的速度和位移符合要求，通過待定系數法，構造連續曲線以滿足規劃限制條件。擺動前相過程所需滿足規劃限制條件如下: (1)支撐前相結束時刻，行星輪自轉角速度、公轉角速度以及外輪的角速度分別與擺動前相開始時刻的三者速度相等； (2)經過擺動前相，行星輪自轉絕對角位移等于公轉絕對角位移，當擺動前相結束時，行星輪的自轉角等于公轉角，行星架、剛體架、鉛垂線三者共線，此時偏心距達到最大，槳軸處于最聞點； (3)擺動前相結束時，目標鉸鏈運動至最高點，該鉸鏈與槳軸連成的直線與鉛垂線共線。目標槳葉對側的槳葉完全縮回外輪殼體內，此時有效步高最大。第7步規劃擺動后相及支撐后相。由于兩者分別與擺動前相及支撐前相對稱，故利用上述方法直接對稱映射規劃。第8步步態綜合。支撐后相結束后，即完成了一個完整步態周期，所有構件重新回到初始位置，此時，僅須重復步驟5至步驟7，即可得到連續的多個步態數據，實現機身持續運動。通過以上規劃，求解得符合要求的三個驅動電本文檔來自技高網...

【技術保護點】
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，其特征在于：操作步驟如下：第1步驟規劃系統初始參數，包括：步態周期、支撐相比例、剛體架（209）長度、行星架（203）長度、步幅、槳葉（211）長度、微分時間常數、外輪（203）半徑、偏心距、最大偏心距、偏心角度、太陽輪（201）角速度、齒圈（202）角速度、外輪（204）角速度、太陽輪（201）齒數、齒圈（202）齒數和行星輪（206）齒數；第2步驟建立行星輪機構內兩個輸入即太陽輪（201）及齒圈（202）的輸入角速度，與行星輪（206）的自、公轉角速度之間的映射關系；第3步驟建立行星輪的自、公轉角速度與槳軸（208）的偏心速度、偏心角速度之間的映射關系；第4步驟劃分時相：將步態周期劃分為四個相，按時間順序依次為：支撐前相（601）、擺動前相（602）、擺動后相（603）和支撐后相（604）；第5步驟規劃支撐前相（601）：根據步態周期、步幅和支撐相比例求解太陽輪（201）及齒圈（202）電機的輸入角速度；第6步驟規劃擺動前相（602）：選擇自、公轉角速度作為規劃目標，通過待定系數法，構造給定形狀的連續曲線以滿足規劃限制條件，包括位移條件及速度條件；第7步驟規劃擺動后相（603）及支撐后相（604）:由于兩者分別與擺動前相（602）及支撐前相（601）對稱，故利用第六步驟方法直接對稱映射規劃；第8步驟步態綜合：支撐后相（604）結束后，即完成了一個完整步態周期，機構內所有構件重新回來初始化位置，此時，重復第5步驟至第7步驟，即可得到連續的多個步態數據，實現機身持續運動。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：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，
類型：發明
國別省市：上海;31