本發(fā)明涉及四足爬行機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)領(lǐng)域，具體地說是一種基于足端軌跡的四足爬行機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析與步態(tài)規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

1、在機(jī)器人學(xué)的研究范疇中，足式機(jī)器人已成為引人矚目的焦點。這類機(jī)器人根據(jù)腿部數(shù)量的不同包括雙足、四足以及多足機(jī)器人。四足機(jī)器人因其構(gòu)造的獨特性而備受矚目，它借鑒了地球上絕大多數(shù)哺乳動物的生理結(jié)構(gòu)，以卓越的靜態(tài)穩(wěn)定性與承重能力，成為了該領(lǐng)域研究的熱點。

2、步態(tài)是足式機(jī)器人行走時各腿所遵循的一種有序的運(yùn)動模式，它體現(xiàn)了各腿之間在時間和空間上的精確協(xié)調(diào)，使得機(jī)器人能夠以有規(guī)律的、可重復(fù)的方式邁步前進(jìn)。因此，四足機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃在機(jī)器人運(yùn)動控制研究中起到了至關(guān)重要的作用。在研究自然界四足動物的腿部運(yùn)動特征后，我們可將四足機(jī)器人的步態(tài)劃分為多種類型，包括爬行步態(tài)(crawl)、行走步態(tài)(walk)、對角小跑步態(tài)(trot)、跑跳步態(tài)(bound)以及飛馳步態(tài)(gallop)。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在提供一種基于足端軌跡的四足爬行機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析與步態(tài)規(guī)劃方法，首先設(shè)計四足爬行機(jī)器人的足端軌跡，接著對四足爬行機(jī)器人的腿部進(jìn)行了逆運(yùn)動學(xué)分析，最后四足機(jī)器人平穩(wěn)地實現(xiàn)了所設(shè)計的walk步態(tài)和trot步態(tài)。

2、本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所采用的技術(shù)方案是：一種基于足端軌跡的空間四足爬行機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析與步態(tài)規(guī)劃方法，該方法包括如下步驟：

3、s1、建模四足爬行機(jī)器人，定義幾何參數(shù)；所述四足爬行機(jī)器人為全肘式機(jī)器人，包括軀干與四條腿部結(jié)構(gòu)；

4、s2、分析擺線的數(shù)學(xué)表達(dá)式，設(shè)計擺線的運(yùn)動軌跡得到四足機(jī)器人足端的運(yùn)動路徑；

5、s3、采用解析法對四足爬行機(jī)器人的足端坐標(biāo)進(jìn)行逆運(yùn)動學(xué)分析，逆解出各個關(guān)節(jié)的角度值，用于控制各關(guān)節(jié)電機(jī)使之到達(dá)期望位置；

6、s4、對四足爬行機(jī)器人的walk步態(tài)和trot步態(tài)進(jìn)行分析，得到步態(tài)控制參數(shù)；

7、s5、輸出四足爬行機(jī)器人的足端運(yùn)動軌跡，以控制四足爬行機(jī)器人在walk步態(tài)和trot步態(tài)中按照該軌跡運(yùn)動。

8、幾何參數(shù)包括四足爬行機(jī)器人的軀體長度和寬度、髖關(guān)節(jié)連桿長度h、大腿長度hu、小腿長度hl、髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角α、側(cè)擺關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角γ及膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角β。

9、所述四足爬行機(jī)器人足端的運(yùn)動軌跡為擺線，其定義為一個圓沿一條直線運(yùn)動時圓邊界上一定點所形成的軌跡，數(shù)學(xué)公式表示如下：

10、

11、其中，xs為四足爬行機(jī)器人起始位置，xf為終點位置，|xf-xs|為機(jī)器人完成一個完整的步態(tài)周期機(jī)體移動的距離，稱為步長；h為機(jī)器人完成一個步態(tài)周期中腿足端離開地面的最大垂直距離，稱為步高；zs為機(jī)器人足端起始高度，t為運(yùn)動時間，ts為步態(tài)周期，xt為關(guān)于時間t的步長函數(shù)，zt為關(guān)于時間t的步高函數(shù)，σ為累計弧度。

12、所述逆運(yùn)動學(xué)分析是通過機(jī)器人足端坐標(biāo)逆解出各個關(guān)節(jié)的角度值，各個關(guān)節(jié)的角度值包括側(cè)擺關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角γ、膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角β和髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角α。

13、求解公式總結(jié)如下：

14、

15、其中，(x,y)為四足爬行機(jī)器人足端俯視簡圖oxy平面內(nèi)的足端坐標(biāo)，hu為髖關(guān)節(jié)到膝關(guān)節(jié)之間的距離，hl為膝關(guān)節(jié)到足端的距離，(x,z)為四足爬行機(jī)器人側(cè)視簡圖ozx平面內(nèi)的足端坐標(biāo)，h為腿部基座到髖關(guān)節(jié)之間的距離。

16、對四足爬行機(jī)器人的walk步態(tài)和trot步態(tài)進(jìn)行設(shè)計，具體包括步驟：

17、1)定義機(jī)器人步態(tài)的基本參數(shù)；

18、2)walk步態(tài)下任意時刻均只有三條腿處于支撐相，一條腿處于擺動相；在一個運(yùn)動周期內(nèi)，四足爬行機(jī)器人四條腿的抬起時刻分別為時移動速度最快；

19、3)trot步態(tài)下以對角的兩條腿成對運(yùn)動，理想情況下對角腿同時抬起并同時著地；在一個運(yùn)動周期內(nèi)，四條腿的抬起時刻為時移動速度最快。

20、四足爬行機(jī)器人本體和設(shè)置在其上的控制器；

21、所述四足爬行機(jī)器人本體為全肘式機(jī)器人，包括軀干與四條腿部結(jié)構(gòu)；每個腿部結(jié)構(gòu)包括髖關(guān)節(jié)及髖關(guān)節(jié)連桿、側(cè)擺關(guān)節(jié)及大腿、膝關(guān)節(jié)及小腿；且各關(guān)節(jié)處設(shè)有關(guān)節(jié)電機(jī)；

22、所述控制器中存儲有程序，當(dāng)程序加載執(zhí)行如上所述的方法步驟，計算各關(guān)節(jié)角度、步態(tài)參數(shù)，控制各關(guān)節(jié)電機(jī)帶動軀體各連桿結(jié)構(gòu)，按照目標(biāo)足端軌跡和規(guī)劃步態(tài)行走。

23、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

24、(1)本發(fā)明對四足爬行機(jī)器人模型進(jìn)行了創(chuàng)新，可以提高機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時的效率。

25、(2)本發(fā)明采用解析法對四足爬行機(jī)器人進(jìn)行逆運(yùn)動學(xué)分析，解析法速度快，精度高，雖然存在適用性弱的缺點，但對于四足爬行機(jī)器人特定的腿部結(jié)構(gòu)，用解析法進(jìn)行逆運(yùn)動學(xué)分析更加適合。

技術(shù)特征：

1.一種基于足端軌跡的空間四足爬行機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析與步態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于，該方法包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于足端軌跡的四足爬行機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析與步態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于，幾何參數(shù)包括四足爬行機(jī)器人的軀體長度和寬度、髖關(guān)節(jié)連桿長度h、大腿長度hu、小腿長度hl、髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角α、側(cè)擺關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角γ及膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角β。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于足端軌跡的四足爬行機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析與步態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于，所述四足爬行機(jī)器人足端的運(yùn)動軌跡為擺線，其定義為一個圓沿一條直線運(yùn)動時圓邊界上一定點所形成的軌跡，數(shù)學(xué)公式表示如下：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于足端軌跡的四足爬行機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析與步態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于，所述逆運(yùn)動學(xué)分析是通過機(jī)器人足端坐標(biāo)逆解出各個關(guān)節(jié)的角度值，各個關(guān)節(jié)的角度值包括側(cè)擺關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角γ、膝關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角β和髖關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角α。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于足端軌跡的四足爬行機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析與步態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于，求解公式總結(jié)如下：

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于足端軌跡的四足爬行機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析與步態(tài)規(guī)劃方法，其特征在于，對四足爬行機(jī)器人的walk步態(tài)和trot步態(tài)進(jìn)行設(shè)計，具體包括步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于足端軌跡的四足爬行機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析與步態(tài)規(guī)劃系統(tǒng)，其特征在于，四足爬行機(jī)器人本體和設(shè)置在其上的控制器；

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及四足爬行機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)領(lǐng)域，公開了一種基于足端軌跡的四足爬行機(jī)器人運(yùn)動學(xué)分析與步態(tài)規(guī)劃方法。本發(fā)明首先對四足爬行機(jī)器人進(jìn)行建模，然后設(shè)計四足爬行機(jī)器人足端的運(yùn)動路徑，再采用解析法對四足爬行機(jī)器人進(jìn)行逆運(yùn)動學(xué)分析求解出各個關(guān)節(jié)的角度值進(jìn)而控制各關(guān)節(jié)電機(jī)使之到達(dá)期望位置，接著對四足爬行機(jī)器人的Walk步態(tài)和Trot步態(tài)進(jìn)行設(shè)計，最后輸出四足爬行機(jī)器人Walk步態(tài)和Trot步態(tài)足端的運(yùn)動軌跡。本發(fā)明的優(yōu)點是解析法速度快，精度高，對于四足爬行機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)分析較為適合。本發(fā)明為自主決策和路徑規(guī)劃提供了技術(shù)支持，并為四足爬行機(jī)器人在各種任務(wù)中的應(yīng)用提供了可能性。

技術(shù)研發(fā)人員：高升,張偉,王少杰,呂正洋,鄒晨洋
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國科學(xué)院沈陽自動化研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30