CN113934208B - 一种被动轮式四足机器人轮滑步态控制方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种被动轮式四足机器人轮滑步态控制方法

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；

所述主动腿蹬地运动过程中：

蹬地准备阶段：从0到t₁时刻，所述主动腿的关节点C的轨迹为：

t∈[0，t₁]，/>

其中：x_P0为主动腿足端初始位置X坐标；h为主动腿的高度；

蹬地阶段：从t₁到t₂时刻，所述主动腿的末节腿向后平移运动一个蹬地步长l_主，则所述主动腿的关节点C的轨迹为：

t∈[t₁，t₂]

足端复位阶段：从t₂到t₃时刻，所述主动腿的关节点C的轨迹规划采用贝塞尔曲线拟合，该阶段主动腿的关节点C的轨迹为：

其中：u＝(t-t₂)/(t₃-t₂)；

上述三个阶段中，在计算得到各阶段的C点的轨迹后，进一步由逆运动学根据C点轨迹依据下述公式求解得到各个阶段主动腿的三个关节角，然后依据得到的三个关节角通过各关节电机控制所述主动腿运动；

其中：δ_i由当前状态下主动腿与地面的接触状态确定：

作为本发明的一种优选方式：令所述被动轮式四足机器人各条腿中首节腿杆AB的质量为M_AB，中节腿杆BC的质量为M_BC，末节腿杆CP的质量为M_CP；B点关节的质量为M_B，C点关节的质量为M_C，P点轮足结构的质量为M_P；机身质量为M，单腿质量为M₀；

所述平衡腿在进行平衡运动时的平衡控制方法为：

步骤一：计算所述主动腿蹬地运动后其质心的位移；

步骤二：依据步骤一计算的所述主动腿的质心位移，由所述被动轮式四足机器人整机质心期望位置与主动腿质心位移解算出所述平衡腿质心期望位置，进而获得所述平衡腿质心期望位移；

步骤三：根据步骤二所得到的平衡腿质心期望位移，依据腿部质心-步长方程计算所述平衡腿的关节点C与足端点P的迈步长度，作为期望迈步长度；再由逆运动学解算出平衡腿各个关节角的转角，进而通过控制对应关节处的电机实现对所述平衡腿运动的控制，使所述平衡腿的迈步长度为所计算的期望迈步长度。

作为本发明的一种优选方式：所述被动轮式四足机器人运动时，向前运动的位移为正，向后运动的位移为负；

所述步骤一中，在X方向上，主动腿的关节点C、关节点P以及杆CP的质心均平移s_主，s_主＝l_主；B点平移A点不动，杆AB质心平移/>杆BC质心平移/>通过加权平均计算，得到所述主动腿的质心在X向的移动距离ΔL：

其中：和/>分别为主动腿平移前后关节点B在X方向的坐标。

作为本发明的一种优选方式：所述步骤二中：所述被动轮式四足机器人整机质心应落在支撑域内，令所述被动轮式四足机器人整机质心向前移动Δx后其质心期望位置落在支撑域内；所述支撑域为所述平衡腿和两条支撑腿构成的三角形；则所述被动轮式四足机器人质心平衡方程为：

Δx(M+4M₀)＝M₀(l_平-ΔL)

其中：ΔL为所述主动腿的质心在X向的移动距离，l_平为所述平衡腿质心期望位移。

作为本发明的一种优选方式：所述步骤三中：

所述腿部质心-步长方程指：根据所述平衡腿期望质心位移l_平求解出所述平衡腿期望迈长度s_平的s_平-l_平方程：

a₆₀＝4k²-4k+1

a₅₁＝8k-4

a₅₀＝(4k-2)(4xk-3x+2q)

a₄₂＝4

a₄₁＝32kx-20x+8q

a₄₀＝(4k-2)(4xq+2kx²+2ky²-z-3x²)+(4xk-3x+2q)²+y²

a₃₂＝8x

a₃₁＝44kx²+12ky²-34x²-4y²+16qx-2z

a₃₀＝(4k-2)(2qx²+2qy²-xz-x³)+(8xk-6x+2q)(4xq+2kx²+2ky²-z-3x²)+4xy²

a₂₂＝32x²+8y²

a₂₁＝48qx²+16qy²+32kx³+32kxy²-12xz-40x³-12xy²

a₂₀＝(8kx-6x+4q)(2qx²+2qy²-xz-x³)+(4qx+2kx²+2ky²-z-3x²)²+6x²y²-4y²t²+2zy²

a₁₂＝16x³+16xy²

a₁₁＝32qx³+32xy²+16kx²y²+8kx⁴+8ky⁴-12zx²-20x⁴-4zy²-12x²y²

a₁₀＝(8qx+4kx²+4ky²-2z-6x²)(2qx²+2qy²-zx-x³)+4x³y²+4zxy²-8xy²t²

a₀₂＝4x⁴+8x²y²+4y⁴

a₀₁＝8qx⁴+16qx²y²+8qy⁴-4zx³-4zxy²-4x⁵-4x³y²

a₀₀＝(2qx²+2qy²-zx-x³)²+y²x⁴-4y⁴t²+y²z²-4y²t²x²+2zy²x²

其余a_ij的参数值均为0。

其中：为平衡腿移动前其关节点B的X坐标；/>为平衡腿移动后其关节点B的X坐标；/>为平衡腿移动前其关节点C的X坐标；/>为平衡腿移动后其关节点C的X坐标，/>为平衡腿移动后其关节点B的Y坐标；/>为平衡腿移动后其关节点C的Y坐标；

将上述s_平-l_平方程代入所述被动轮式四足机器人质心平衡方程，即可求得所述平衡腿的期望迈步长度。

作为本发明的一种优选方式，所述平衡腿中三个关节的转角计算公式为：

其中：β₁为平衡腿首节腿相对于机身的转角，β₂为中节腿相对于首节腿的转角，β₃为末节腿相对于中节腿的转角；为平衡腿移动后其关节点B的X坐标；/>为平衡腿移动后其关节点C的X坐标。

作为本发明的一种优选方式，初始时，所述被动轮式四足机器人以任意一条腿作为主动腿开始蹬地运动，然后以逆时针顺序，各腿以轮换时间间隔T依次作为主动腿进行蹬地运动。

有益效果：

(1)本发明的四足机器人轮滑步态控制方法采用轮滑运动策略与腿部质心平衡法，实现了四足机器人被动轮轮滑运动，提高了四足机器人在结构化路面的机动性能。相比于传统四足机器人的机身质心移动平衡策略，本方法仅通过平衡腿质心运动规划来实现平衡，在轮滑运动中机身不会左右摇摆，更加稳定。

(2)通过腿部自由度实现的轮滑运动充分利用了腿足结构和轮式结构的优点。

附图说明

图1为被动轮式四足机器人结构简图；

图2为本发明的被动轮式四足机器人轮滑步态控制方法流程步骤；

图3为被动轮式四足机器人轮滑运动时序相位图；

图4为单腿蹬地运动轨迹规划图；

图5为主动腿质心计算图；

图6为整机质心平衡计算图。

其中：1-机身、2-首节腿、3-中节腿、4-末节腿、5-关节电机、6-轮足结构

具体实施方式

下面结合附图和较佳实施例对本发明进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更容易被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

本实施例提供一种被动轮式四足机器人轮滑步态控制方法，适用于三关节电机三节腿构型的被动轮式四足轮滑机器人(后续简称四足机器人)，通过建立四足机器人平衡腿质心平衡方程保证四足机器人蹬地运动时机身的稳定，实现了四足机器人的轮滑运动，且提高了轮滑运动的稳定性。

如图1所示，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2、中节腿3和末节腿4；每条腿的足端设置有轮足结构6，即在每条腿的足端增加了被动轮，使足端具有被动轮结构和可以蹬地的支撑脚结构，通过腿部蹬地运动实现轮式移动，由此能够实现轮触地或足触地。三个关节电机5分别设置在首节腿2与机身1的连接处、首节腿2与中节腿3的连接处、中节腿3与末节腿4的连接处以及末节腿4与轮足结构的连接处。该方法也适用于在机身与首节腿处设置有两个关节电机的四关节电机三节腿构型被动轮式四足轮滑机器人。

该四足机器人轮滑步态控制方法首先针对四足机器人轮滑运动建立足端单腿蹬地运动轨迹规划，然后针对单腿蹬地过程中保持整机稳定性提出了平衡腿质心平衡法，最后各腿依据建立的相位时序进行轮滑运动。

如图2所示，该方法的实现过程如下：

由初始状态开始，四足机器人首先向后迈出一条腿作为主动腿进行蹬地运动，(四足机器人可以迈出任意一条腿作为主动腿)，与主动腿中心对称的腿(即与主动腿在同一对角线上的另一条腿)进行平衡运动(令该腿为平衡腿)，其余两条腿作为被动腿支撑(令为支撑腿)。

四足机器人根据如图3所示的相位时序进行轮滑运动，各腿按预先规划的顺序轮换，周期性重复。即四条腿以时间间隔T为相位轮换间隔，则四足机器人以4T为周期进行周期性重复运动，即各腿依次作为主动腿进行蹬地运动，四条腿轮换结束为一个周期(不论哪条腿作为主动腿，则与主动腿中心对称的腿作为平衡腿，其余两条腿为支撑腿)。

如图3所示，图中lh表示左后腿，rh表示右后腿，rf表示右前腿，lf表示左前腿；以一个周期4T内各腿的运动为例：(0,T)时段内，左后腿作为主动腿进行蹬地运动，右前腿作为平衡腿进行平衡运动，右后腿和左前腿作为被动腿支撑(即处于支撑相)；(T,2T)时段内，右后腿作为主动腿进行蹬地运动，左前腿作为平衡腿进行平衡运动，左后腿和右前腿作为被动腿支撑；(2T，3T)时段内，右前腿作为主动腿进行蹬地运动，左后腿作为平衡腿进行平衡运动，右后腿和左前腿作为被动腿支撑；(3T，4T)时段内，左前腿作为主动腿进行蹬地运动，右后腿作为平衡腿进行平衡运动，右前腿和左后腿作为被动腿支撑。

四足机器人各条腿按照时序进行轮滑，依次执行蹬地运动与平衡运动，其余时间保持支撑状态。

为描述方便，令四足机器人的行进方向为X向(前进方向为正，后退方向为负)，竖直方向为Y向；此外，令从机身1到足端的四个关节点分别为A点、B点、C点和P点；首节腿2为杆AB，中节腿3为杆BC，末节腿4为杆CP，P点为触地点。各条腿结构尺寸相同，令首节腿杆AB的质量为M_AB，中节腿杆BC的质量为M_Bc，末节腿杆CP的质量为M_CP；B点关节的质量为M_B，C点关节的质量为M_C，P点轮足结构的质量为M_P；机身质量为M，单腿质量为M₀；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；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。

下面分别对主动腿蹬地运动和平衡腿平衡运动过程中的运动控制进行详细介绍。

(1)主动腿蹬地运动

在时间间隔T内，主动腿蹬地运动分为三个阶段(即三个相位)：切换相(0，t₁)、滑移相(t₁，t₂)和摆动相(t₂，t₃)；其中t₃-0＝T；主动腿蹬地运动轨迹规划如图4所示。

(101)其中切换相为蹬地准备阶段：

从0到t₁时刻，保持足端位置不变(初始时为轮触地)，末节腿4的C点绕触地点P顺时针旋转(即主动腿呈现向前蹬的姿势)，主动腿由轮触地转化为足触地。C点的轨迹为一个圆心在P点的弧；主动腿末节腿4与X负半轴夹角为从δ₂到δ₁，末节腿4的旋转角速度为ω₁；则切换相过程中C点轨迹为：

t∈[0，t₁]，/>

其中：(x_c，y_c)为C点的坐标；x_P0为足端初始位置X向坐标；h为腿的高度。

(102)滑移相为蹬地阶段：

从t₁到t₂时刻，主动腿的末节腿4(即杆CP)向后平移运动一个蹬地步长l_主，由支撑脚阳地面的摩擦力给机器人一个前进的作用力。

由于杆CP为平移运动，C点和P点的轨迹均为平行于X轴的直线，令平移运动速度为v；则滑移相过程中C点轨迹为：

t∈[t₁，t₂]

(103)摆动相是足端复位阶段，为下一次蹬地做准备：

首先令杆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。

从t₂到t₃时刻，C点轨迹规划采用贝塞尔曲线拟合；C点运动的同时，C点处的关节电机转动，使关节角θ₃发生变化，在摆动相阶段同步完成触地角度从足式角δ₁到轮式角δ₂的切换，即足端以足式触地角δ₁离地，以轮式触地角δ₂触地。

在该阶段关节角θ₃相对于水平线(即X向)需要减少(δ₁-δ₂)°；则摆动相过程中C点的起始点坐标与终止点坐标为：

(x_P0-l_主-L₃cosδ₁，-h+L₃sinδ₁)→(x_P0-L₃cosδ₂，-h+L₃sinδ₂)

则摆动相阶段C点的轨迹为：

其中：u＝(t-t₂)/(t₃-t₂)。

上述三个阶段中，在计算得到各阶段的C点的轨迹后，进一步由逆运动学根据C点轨迹依据下述公式求解得到各个阶段主动腿的三个关节角：

其中：δ_i由当前状态下主动腿与地面的接触状态确定：

上述公式中根据规划的C点运动轨迹由逆运动学可以解算关节角θ₁和关节角θ₂，关节角θ₃可以由关节角θ₁和关节角θ₂计算得到；得到各个阶段主动腿的三个关节角后通过关节电机控制主动腿运动。

(2)平衡腿平衡运动

平衡运动是指平衡腿为平衡主动腿质心运动效应所作的运动，平衡腿平衡运动包括稳定相以及稳定相后的支撑相。稳定相阶段平衡腿通过以下三个步骤进行运动规划，以实现平衡运动。

(201)主动腿质心计算：

主动腿质心计算通过主动腿三个关节角和三个杆长计算出主动腿单腿的运动状态，再由主动腿各个部件质量加权计算出主动腿质心的位移。具体的：

主动腿质心计算是由主动腿运动状态及主动腿各部件质量加权计算出主动腿质心在X方向上的位移。如图5所示，在X方向上，主动腿的C点、P点以及杆CP的质心均平移s_主(s_主为负数)，s_主＝l_主；B点平移A点不动，杆AB质心平移/>杆BC质心平移/>通过加权平均计算，得到主动腿质心在X向的移动距离ΔL(即主动腿质心位移)：

其中：和/>分别为主动腿平移前后B点在X方向的坐标。

(202)整机质心平衡计算：

整机质心平衡计算是由主动腿质心位移，机身质心位置以及平衡腿质心位置计算出整机质心位置。由给出的整机质心期望位移Δx可以计算出平衡腿的质心位置。具体的：

整机质心平衡计算是由整机质心期望位置与主动腿质心移动距离解算平衡腿质心期望位置。整机质心位置平衡模型如图6所示(图6中右后腿为主动腿，左前腿为平衡腿)，支撑域为三个支撑足(平衡腿和两条被动腿)构成的三角形。不考虑主动腿与平衡腿的运动，整机质心恰好在机身对角线上，为了增加稳定性，整机质心期望位置应尽可能地落在支撑域内，令整机质心向前移动Δx以落在支撑域内。主动腿质心后移ΔL，平衡腿质心前移l_平，，则四足机器人的质心平衡方程为：

Δx(M+4M₀)＝M₀(l_平-ΔL)

其中：

(203)平衡腿腿部运动规划：

平衡腿腿部运动规划是根据平衡腿质心在前进方向上的移动距离l_平，计算出平衡腿踝关节C点与足端P点的迈步长度s_平，再由逆运动学解算出平衡腿各个关节角的转角。迈步长度s_平的计算依据为：由运动学方程和质心平衡方程都可以得到的表达式，消去得到仅含有平衡腿质心移动距离l_平与步长s_平的方程。

平衡腿的运动学方程为：

由运动学方程和质心平衡方程得到的的表达式分别为：

联立解得s_平-l_平方程为：

其中：

a₆₀＝4k²-4k+1

a₅₁＝8k-4

a₅₀＝(4k-2)(4xk-3x+2q)

a₄₂＝4

a₄₁＝32kx-20x+8q

a₄₀＝(4k-2)(4xq+2kx²+2ky²-z-3x²)+(4xk-3x+2q)²+y²

a₃₂＝8x

a₃₁＝44kx²+12ky²-34x²-4y²+16qx-2z

a₃₀＝(4k-2)(2qx²+2qy²-xz-x³)+(8xk-6x+2q)(4xq+2kx²+2ky²-z-3x²)+4xy²

a₂₂＝32x²+8y²

a₂₁＝48qx²+16qy²+32kx³+32kxy²-12xz-40x³-12xy²

a₂₀＝(8kx-6x+4q)(2qx²+2qy²-xz-x³)+(4qx+2kx²+2ky²-z-3x²)²+6x²y²-4y²t²+2zy²

a₁₂＝16x³+16xy²

a₁₁＝32qx³+32xy²+16kx²y²+8kx⁴+8ky⁴-12zx²-20x⁴-4zy²-12x²y²

a₁₀＝(8qx+4kx²+4ky²-2z-6x²)(2qx²+2qy²-zx-x³)+4x³y²+4zxy²-8xy²t²

a₀₂＝4x⁴+8x²y²+4y⁴

a₀₁＝8gx⁴+16qx²y²+8qy⁴-4zx³-4zxy²-4x⁵-4x³y²

a₀₀＝(2qx²+2qy²-zx-x³)²+y²x⁴-4y⁴t²+y²z²-4y²t²x²+2zy²x²

其余a_ij的参数值均为0。

其中：为平衡腿移动前其关节点B的X坐标；/>为平衡腿移动后其关节点B的X坐标；/>为平衡腿移动前其关节点C的X坐标；/>为平衡腿移动后其关节点C的X坐标，/>为平衡腿移动后其关节点B的Y坐标；/>为平衡腿移动后其关节点C的Y坐标；M_∑＝M_B+M_AB+M_BC+M_C+M_CP+M_P。

代入机器人构型的物理参数，在方程的可行域上，s_平-l_平函数图像近似为正比例函数，为简化模型的非线性程度，方便计算，实现机器人实时控制，用正比例函数拟合s_平-l_平函数。得到平衡腿质心在前进方向上的移动距离l_平与平衡腿关节点C与足端P的迈步长度s_平之间的函数关系，用作运动规划。将简化后的s_平-l_平方程代入平衡方程，即可求得平衡腿的期望迈步长度s_平。

最后根据平衡腿的期望迈步长度s_平，由下述逆运动学计算平衡腿中三个关节的转角，进而通过控制对应关节处的电机实现对平衡腿运动的控制，即控制平衡腿向前的迈步长度为s_平。

平衡腿中三个关节的转角计算公式为：

其中：β₁为平衡腿首节腿相对于机身的转角，β₂为中节腿相对于首节腿的转角，β₃为末节腿相对于中节腿的转角。

综上，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种被动轮式四足机器人轮滑步态控制方法，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；

其特征在于：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；

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；

所述主动腿蹬地运动过程中：

蹬地准备阶段：从0到t₁时刻，所述主动腿的关节点C的轨迹为：

其中：x_P0为主动腿足端初始位置X坐标；h为主动腿的高度；

蹬地阶段：从t₁到t₂时刻，所述主动腿的末节腿向后平移运动一个蹬地步长l_主，则所述主动腿的关节点C的轨迹为：

足端复位阶段：从t₂到t₃时刻，所述主动腿的关节点C的轨迹规划采用贝塞尔曲线拟合，该阶段主动腿的关节点C的轨迹为：

其中：u＝(t-t₂)/(t₃-t₂)；

上述三个阶段中，在计算得到各阶段的C点的轨迹后，进一步由逆运动学根据C点轨迹依据下述公式求解得到各个阶段主动腿的三个关节角，然后依据得到的三个关节角通过各关节电机控制所述主动腿运动；

其中：δ_i由当前状态下主动腿与地面的接触状态确定：

首先令所述被动轮式四足机器人各条腿中首节腿杆AB的质量为M_AB，中节腿杆BC的质量为M_BC，末节腿杆CP的质量为M_CP；B点关节的质量为M_B，C点关节的质量为M_C，P点轮足结构的质量为M_P；机身质量为M，单腿质量为M₀；

所述平衡腿在进行平衡运动时的平衡控制方法为：

步骤一：计算所述主动腿蹬地运动后其质心的位移；

步骤二：依据步骤一计算的所述主动腿的质心位移，由所述被动轮式四足机器人整机质心期望位置与主动腿质心位移解算出所述平衡腿质心期望位置，进而获得所述平衡腿质心期望位移；

步骤三：根据步骤二所得到的平衡腿质心期望位移，依据腿部质心-步长方程计算所述平衡腿的关节点C与足端点P的迈步长度，作为期望迈步长度；再由逆运动学解算出平衡腿各个关节角的转角，进而通过控制对应关节处的电机实现对所述平衡腿运动的控制，使所述平衡腿的迈步长度为所计算的期望迈步长度。

2.如权利要求1所述的被动轮式四足机器人轮滑步态控制方法，其特征在于：所述被动轮式四足机器人运动时，向前运动的位移为正，向后运动的位移为负；

所述步骤一中，在X方向上，主动腿的关节点C、关节点P以及杆CP的质心均平移s_主，s_主＝_主；B点平移A点不动，杆AB质心平移/>杆BC质心平移通过加权平均计算，得到所述主动腿的质心在X向的移动距离ΔL：

其中：和/>分别为主动腿平移前后关节点B在X方向的坐标。

3.如权利要求1所述的被动轮式四足机器人轮滑步态控制方法，其特征在于：所述步骤二中：所述被动轮式四足机器人整机质心应落在支撑域内，令所述被动轮式四足机器人整机质心向前移动Δx后其质心期望位置落在支撑域内；所述支撑域为所述平衡腿和两条支撑腿构成的三角形；则所述被动轮式四足机器人质心平衡方程为：

Δx(M+4M₀)＝M₀(l_平-ΔL)

其中：ΔL为所述主动腿的质心在X向的移动距离，l_平为所述平衡腿质心期望位移。

4.如权利要求3所述的被动轮式四足机器人轮滑步态控制方法，其特征在于：所述步骤三中：

所述腿部质心-步长方程指：根据所述平衡腿期望质心位移l_平求解出所述平衡腿期望迈步长度s_平的s_平-l_平方程：

a₆₀＝4k²-4k+1

a₅₁＝8k-4

a₅₀＝(4k-2)(4xk-3x+2q)

a₄₂＝4

a₄₁＝32kx-20x+8q

a₄₀＝(4k-2)(4xa+2kx²+2ky²-z-3x²)+(4xk-3x+2q)²+y²

a₃₂＝8x

a₃₁＝44kx²+12ky²-34x²-4y²+16qx-2z

a₃₀＝(4k-2)(2qx²+2qy²-xz-x³)+(8xk-6x+2q)(4xq+2kx²+2ky²-z-3x²)+4xy²

a₂₂＝32x²+8y²

a₂₁＝48qx²+16qy²+32kx³+32kxy²-12xz-40x³-12xy²

a₂₀＝(8kx-6x+4q)(2qx²+2qy²-xz-x³)+(4qx+2kx²+2ky²-2-3x²)²+6x²y²-4y²t²+2zy²

a₁₂＝16x³+16xy²

a₁₁＝32qx³+32xy²+16kx²y²+8kx⁴+8ky⁴-12zx²-20x⁴-4zy²-12x²y²

a₁₀＝(8qx+4kx²+4ky²-2z-6x²)(2qx²+2ay²-zx-x³)+4x³y²+4zxy²-8xy²t²

a₀₂＝4x⁴+8x²y²+4y⁴

a₀₁＝8qx⁴+16qx²y²+8qy⁴-4zx³-4zxy²-4x⁵-4x³y²

a₀₀＝(2qx²+2qy²-zx-x³)²+y²x⁴-4y⁴t²+y²z²-4y²t²x²+2zy²x²

其余a_ij的参数值均为0；

其中：为平衡腿移动前其关节点B的X坐标；/>为平衡腿移动后其关节点B的X坐标；/>为平衡腿移动前其关节点C的X坐标；/>为平衡腿移动后其关节点C的X坐标，为平衡腿移动后其关节点B的Y坐标；/>为平衡腿移动后其关节点C的Y坐标；

将上述s_平-l_平方程代入所述被动轮式四足机器人质心平衡方程，即可求得所述平衡腿的期望迈步长度。

5.如权利要求1所述的被动轮式四足机器人轮滑步态控制方法，其特征在于：所述平衡腿中三个关节的转角计算公式为：

其中：β₁为平衡腿首节腿相对于机身的转角，β₂为中节腿相对于首节腿的转角，β₃为末节腿相对于中节腿的转角；为平衡腿移动后其关节点B的X坐标；/>为平衡腿移动后其关节点C的X坐标。

6.如权利要求1所述的被动轮式四足机器人轮滑步态控制方法，其特征在于：初始时，所述被动轮式四足机器人以任意一条腿作为主动腿开始蹬地运动，然后以逆时针顺序，各腿以轮换时间间隔T依次作为主动腿进行蹬地运动。