各国学者在研究步态的过程中,逐渐形成了一些既定的步态术语及表示符号[83],基本定义如下:
步态(Gait):是指在运动过程中,步行者(人、动物或机器)的肢体在时间和空间上的一种协调关系,是移动腿有规律的重复顺序和方式[90]。在这里,也就是指机器人的每条腿按一定的顺序和轨迹的运动过程,正是这一运动过程实现了机器人的步行运动。
支撑相(Support Phase):腿部着地的状态。
摆动相(Transfer Phase):腿从地面抬起,腿部处于空中的状态。
步态周期T:是指多足机器人完成一个步态所需要的时间,也就是机器人所有腿轮番完成一次“提起—摆动—放下”的动作所花费的时间。
占空系数βi(Duty Factor,有荷因数):在一个步态周期T内,机器人第i条腿处于支撑相的时间tpi和一个步态周期T的比值[91],即
步距λ(Stride Length):在一个步态周期内,步行机器人机体重心相对地面移动的位移。
足行程R:指处于支撑相时,足端相对于机体移动的水平距离。步距λ与足行程R之间的关系是:
腿跨距E:单腿从抬起到落地过程中,足尖相对机器人机体的位移。
单腿步距A:单腿从抬起到落地过程中,机器人机体相对地面的位移。
腿相位φi:设腿部周期运动是从第1条腿运动开始的,从第1条腿开始运动到第i条腿开始运动的这一段时间与该周期时间T之比叫作第i条腿的腿相位。其中ti表示第i条腿的触地时刻,则有
静步行(Static Stability):是指机器人在步行过程中始终满足静力学条件,即机器人重心总是落在支持地面的几只脚所围成的多边形面域内。(www.daowen.com)
动步行(Dynamic Stability):是机器人在步行过程中重心不总是落在支持地面的几只脚所围成的多边形面域内。步行过程中的重心有时会落在对应的面域外。动步行恰恰利用这种重心超出面域而产生向前倾倒的分力来作为步行的动力。
规则步态(Regular Gait,固定步态):是指机器人的腿脚按固定的顺序和轨迹进行运动的过程。此时,所有腿的占空系数β都相等。这种步态决定机器人只可以在平整的路面上步行。
非规则步态(Free Gait,自由步态):是指机器人的腿运动的顺序和脚运动的轨迹是不固定的,机器人能够根据步行环境的变化改变各条腿的摆动次序及脚的运动轨迹。所以理想的非规则步态也可以称为自适应步态或智能步态。
对于一个四足步行机器人来说,根据占空系数β的不同取值可以分为五种情况:
(1)当占空系数0<β<0.5时,机器人任何时刻只有一条腿或两条腿处于支撑相,所以机器人处于跳跃运动状态。
(2)当占空系数β=0.5时,机器人是用两组腿交替摆动,两条腿或同时处于支撑相,或同时处于摆动相,各腿处于支撑相或摆动相的时间相同,为对角步态。
(3)当占空系数0.5<β<0.75时,机器人有两条腿或三条腿同时处于支撑相,各腿处于支撑相或摆动相的时间不一定相同。
(4)当占空系数β=0.75时,此时机器人任何时刻都仅有三条腿支撑于地面,另一腿向前摆动,各腿处于支撑相或摆动相的时间相同,为三角步态。
(5)当占空系数0.75<β<1时,此时机器人轮番用三条腿和四条腿支撑,这种步态是慢爬行步态。
根据占空系数β可以将机器人的步态分为静步行与动步行。即如果0.75≤β<1则为静步行;0.5<β<0.75则为准动步行;0<β≤0.5则为动步行。
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