本發(fā)明涉及一種兩級(jí)減振踝足一體并聯(lián)低沖擊行走足機(jī)構(gòu)及控制方法。

背景技術(shù)：

足式機(jī)器人的移動(dòng)行為具有非連續(xù)支撐的特點(diǎn)，使其能夠跨越障礙、溝壑，適應(yīng)各種崎嶇的地面環(huán)境，具有非常強(qiáng)的地形適應(yīng)性，是輪式、履帶式裝備不可達(dá)地形的最佳裝備形式。足式機(jī)器人在行走過(guò)程中頻繁的發(fā)生著足端與接觸地面的碰撞，足端的有效負(fù)載在支撐相和擺動(dòng)相時(shí)相差極為懸殊，更為重要的是在支撐相和擺動(dòng)相切換瞬間存在非常大的沖擊。若不能及時(shí)、有效地進(jìn)行吸收，瞬時(shí)沖擊將傳遞到足式機(jī)器人機(jī)體等部分，影響行走穩(wěn)定性并可能造成機(jī)械系統(tǒng)的破壞，尤其在高速動(dòng)步態(tài)模式下足端性能影響愈發(fā)明顯?，F(xiàn)有足端多采用單級(jí)彈簧阻尼機(jī)制、踝足串聯(lián)、被動(dòng)控制或部分自由度主動(dòng)控制設(shè)計(jì)，存在踝足剛度低、足地承壓面積不可調(diào)、足地接觸角度不可控等問(wèn)題，進(jìn)而導(dǎo)致：1)腿足剛度匹配設(shè)計(jì)困難，否則足地沖擊將大幅傳遞到機(jī)體；2)足地接觸對(duì)機(jī)體姿態(tài)的影響即使通過(guò)機(jī)器人頂層規(guī)劃，也會(huì)因足端被動(dòng)適應(yīng)導(dǎo)致調(diào)整失效；3)難以形成足端的推進(jìn)、減速以及有效反射，使得足式機(jī)器人控制復(fù)雜。因此上，提出踝足一體、兩級(jí)減振的并聯(lián)低沖擊行走足具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

基于以上不足之處，本發(fā)明的目的是提供一種兩級(jí)減振踝足一體并聯(lián)低沖擊行走足機(jī)構(gòu)及控制方法，在解決足式機(jī)器人在行進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的瞬時(shí)巨大沖擊力問(wèn)題的前提下，提高對(duì)地面的適應(yīng)性，輔助機(jī)器人行進(jìn)運(yùn)動(dòng)。

本發(fā)明所采用的技術(shù)如下：一種兩級(jí)減振踝足一體并聯(lián)低沖擊行走足機(jī)構(gòu)，行走足機(jī)構(gòu)構(gòu)成機(jī)器人足端，包括足腿連接平臺(tái)、足端底部連接平臺(tái)、三組移動(dòng)副、三組轉(zhuǎn)動(dòng)副、三組球副，足端底部連接平臺(tái)模擬機(jī)器人足端，移動(dòng)副為驅(qū)動(dòng)副，模擬機(jī)器人腿部，足端底部連接平臺(tái)安裝有多維力傳感器，足端底部連接平臺(tái)下表面鑲嵌具有摩擦力的減振墊，為第一級(jí)減振，足端底部連接平臺(tái)通過(guò)三組球副與三組移動(dòng)副的下端連接，每組移動(dòng)副的上端通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副與足腿連接平臺(tái)連接，三組移動(dòng)副的布置方式為鏡像對(duì)稱，移動(dòng)副包括液壓缸、彈簧阻尼器、伺服閥和控制器，液壓缸上安裝有伺服閥，伺服閥與控制器電氣連接，作為液壓缸的控制執(zhí)行單元；彈簧阻尼器套在液壓缸的缸活塞桿上，為第二級(jí)減振，從而整體構(gòu)成三自由度構(gòu)型的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)延x，y方向的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度以及一個(gè)z向的平移自由度。

本發(fā)明還具有如下技術(shù)特征：

1、以行走足機(jī)構(gòu)瞬時(shí)有效緩沖、避免回跳現(xiàn)象為前提，其參數(shù)間的關(guān)系如下：

M：軀干質(zhì)量，m：行走足質(zhì)量，K：腿部剛度，k：并聯(lián)行走足底剛度，c₁：腿部阻尼，c₂：并聯(lián)行走足底阻尼，Y：腿部位移，y：并聯(lián)行走足底位移；

并聯(lián)行走足機(jī)構(gòu)的集總參數(shù)匹配設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

避免回跳條件為：π²VKm/2k＞emv、k/k＜5V/ev，其中e是模型與地面的回彈系數(shù)，滿足關(guān)系式e＝exp(-c₁/2)，V：腿部下落速度，v：足底下落速度；

參數(shù)最佳匹配為：質(zhì)量比m/M＝0.2，剛度比k/K＝4～5，阻尼比c₁/c₂＝0.25，足端將最大限度抑制振動(dòng)幅值、降低沖擊力。

2、如上所述的一種兩級(jí)減振踝足一體并聯(lián)低沖擊行走足機(jī)構(gòu)的控制方法，如下：

方法一、足端主被動(dòng)緩沖控制：當(dāng)足式機(jī)器人行走過(guò)程中的落地瞬間，本行走足機(jī)構(gòu)與地面的作用首先進(jìn)入被動(dòng)緩沖階段，當(dāng)三維力傳感器達(dá)到某一設(shè)計(jì)閾值，本行走足機(jī)構(gòu)根據(jù)沖擊強(qiáng)度進(jìn)入主動(dòng)緩沖階段，此時(shí)三組移動(dòng)副采用大阻尼控制；

方法二、機(jī)器人機(jī)體適應(yīng)性調(diào)整控制：當(dāng)機(jī)器人處于凸凹不平路面或坡面時(shí)，三組移動(dòng)副采用位置控制，根據(jù)機(jī)器人頂層規(guī)劃的調(diào)整信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)特定液壓缸伸長(zhǎng)或縮短，從而調(diào)整機(jī)器人機(jī)體姿態(tài)，使之與地形相適應(yīng)，保證機(jī)體的平衡以及有人駕駛的乘坐舒適性；

方法三、高能效足端推進(jìn)控制：三組移動(dòng)副采用位置與力混合控制，通過(guò)機(jī)器人頂層規(guī)劃能夠?qū)崿F(xiàn)足式推進(jìn)的高能效推進(jìn)：

3.1)當(dāng)本行走足機(jī)構(gòu)落地緩沖后，規(guī)劃本行走足機(jī)構(gòu)模仿足式哺乳動(dòng)物行走時(shí)的蹬地動(dòng)作進(jìn)而向前推進(jìn)，使地面給機(jī)器人一個(gè)行走方向作用力，實(shí)現(xiàn)高效推進(jìn)；

3.2)當(dāng)機(jī)器人減速時(shí)，規(guī)劃本行走足機(jī)構(gòu)模仿足式哺乳動(dòng)物行走時(shí)的足部微翹動(dòng)作，通過(guò)本行走足機(jī)構(gòu)的前行阻滯作用減速，進(jìn)而彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)器人只能通過(guò)調(diào)整機(jī)體規(guī)劃減速的不足；

方法四、反射控制：在本行走足機(jī)構(gòu)踏空、沉陷或打滑時(shí)，根據(jù)力傳感器反饋信號(hào)判斷足端足地狀態(tài)，在不更改機(jī)器人頂層規(guī)劃的前提下，控制本行走足機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)足地的踏空、沉陷或打滑反射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人分級(jí)控制智能自適應(yīng)、降低整機(jī)控制難度。

本發(fā)明基于仿生模型提供了一種踝足一體、兩級(jí)減振的并聯(lián)低沖擊行走足，其具有與整機(jī)匹配的兩級(jí)減振緩沖機(jī)制，同時(shí)踝足自由度完全主動(dòng)可控。與現(xiàn)有的機(jī)器人行走足相比，本發(fā)明具有以下特點(diǎn)：

1、將腿部剛度等效到足，平衡了腿部機(jī)械機(jī)構(gòu)柔性設(shè)計(jì)與抗疲勞設(shè)計(jì)的難度，而且踝足一體設(shè)計(jì)構(gòu)成兩級(jí)緩沖機(jī)制，實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)高剛度、全主動(dòng)控制；

2、提出了足式機(jī)器人行走足的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與參數(shù)匹配范圍，保證足地相互作用穩(wěn)定性、低沖擊性；

3、并聯(lián)機(jī)構(gòu)行走足具有緩和足地沖擊的性能并能夠施加阻尼，有效抑制低頻足地沖擊，快速衰減沖擊力，保證機(jī)體穩(wěn)定；

4、并聯(lián)機(jī)構(gòu)行走足具有支撐下的主動(dòng)調(diào)節(jié)能力，使得足地承壓面積增大，提高機(jī)體穩(wěn)定性、地形適應(yīng)性以及機(jī)器人的環(huán)境通過(guò)性。

5、踝足一體設(shè)計(jì)能夠形成高效的主動(dòng)推進(jìn)與反射機(jī)制，并可調(diào)整機(jī)體姿態(tài)，尤其在踏空和沉陷等情況下，無(wú)需更改機(jī)器人頂層規(guī)劃，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人分級(jí)控制，使得機(jī)器人規(guī)劃和控制靈活、可靠。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明行走足的主視圖，

圖2是本發(fā)明行走足的左視圖，

圖3是本發(fā)明行走足的減振緩沖機(jī)制的物理模型；

圖4為本發(fā)明行走足物理模型與機(jī)械機(jī)構(gòu)之間的匹配關(guān)系示意圖；

圖5為本發(fā)明行走足機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

具體實(shí)施方式

為詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容、構(gòu)造特征、所實(shí)現(xiàn)的目的及效果，以下結(jié)合實(shí)施方式并配合附圖詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例1

如圖1-2所示，本實(shí)施方式公開(kāi)了一種兩級(jí)減振踝足一體并聯(lián)低沖擊行走足機(jī)構(gòu)，行走足機(jī)構(gòu)構(gòu)成機(jī)器人足端，包括足腿連接平臺(tái)、足端底部連接平臺(tái)、三組移動(dòng)副、三組轉(zhuǎn)動(dòng)副、三組球副，足端底部連接平臺(tái)模擬機(jī)器人足端，移動(dòng)副為驅(qū)動(dòng)副，模擬機(jī)器人腿部，

足端底部連接平臺(tái)安裝有六維力傳感器，足端底部連接平臺(tái)2下表面鑲嵌具有摩擦力的減振墊1，為第一級(jí)減振，足端底部連接平臺(tái)2通過(guò)三組球副3與三組移動(dòng)副7的下端連接，每組移動(dòng)副7的上端通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)副6與上平臺(tái)連接，三組移動(dòng)副7的布置方式為鏡像對(duì)稱，移動(dòng)副7包括液壓缸、彈簧阻尼器4、伺服閥和控制器，液壓缸上安裝有伺服閥，伺服閥與控制器電氣連接，作為液壓缸的控制執(zhí)行單元；彈簧阻尼器4套在液壓缸的缸活塞桿上，為第二級(jí)減振，從而整體構(gòu)成三自由度構(gòu)型的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)(3-RPS構(gòu)型)，能夠?qū)崿F(xiàn)延x，y方向的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度以及一個(gè)z向的平移自由度。

實(shí)施例2

如圖3-4所示，適宜行走的動(dòng)物基本都具有進(jìn)化較好的足，參考仿生學(xué)相關(guān)理論知識(shí)，建立了仿生行走足物理模型，以行走足機(jī)構(gòu)瞬時(shí)有效緩沖、避免回跳現(xiàn)象為前提，其參數(shù)間的關(guān)系如下：

M：軀干質(zhì)量，m：行走足質(zhì)量，K：腿部剛度，k：并聯(lián)行走足底剛度，c₁：腿部阻尼，c₂：并聯(lián)行走足底阻尼，Y：腿部位移，y：并聯(lián)行走足底位移；

并聯(lián)行走足機(jī)構(gòu)的集總參數(shù)匹配設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

避免回跳條件為：π²VKm/2k＞emv、k/K＜5V/ev，其中e是模型與地面的回彈系數(shù)，滿足關(guān)系式e＝exp(-c₁/2，V：腿部下落速度，v：足底下落速度；

參數(shù)最佳匹配為：質(zhì)量比m/M＝0.2，剛度比k/K＝4～5，阻尼比c₁/c₂＝0.25，足端將最大限度抑制振動(dòng)幅值、降低沖擊力。

當(dāng)足地沖擊力過(guò)大時(shí)，足會(huì)發(fā)生跳起現(xiàn)象，與地面分離，以足不發(fā)生跳起現(xiàn)象為基準(zhǔn)，通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行的無(wú)量綱分析，得到各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響規(guī)律為，質(zhì)量比m/M對(duì)系統(tǒng)無(wú)影響，僅改變振動(dòng)頻率，參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)參考一般行走動(dòng)物足與軀干的質(zhì)量比，比值取0.2；剛度比k/K對(duì)系統(tǒng)振動(dòng)起主要作用，剛度比越大，足的振動(dòng)幅值越大，跳動(dòng)現(xiàn)象越明顯，剛度比太低，則壓縮量越大，足下沉現(xiàn)象越明顯，其最佳比值為4～5；阻尼比能夠在一定程度上抑制振動(dòng)，降低振動(dòng)幅值，與剛度匹配，可以保證機(jī)體的平穩(wěn)性，阻尼比c₁/c₂＝0.25時(shí)，其減振效果較好。

實(shí)施例3

如圖5所示，行走足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)從與整機(jī)的匹配出發(fā)，以少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，在分析了足式機(jī)器人對(duì)行走足的自由度要求之后，以螺旋理論作為機(jī)構(gòu)綜合的設(shè)計(jì)方法，綜合出適合作為行走足機(jī)構(gòu)形式的3-RPS少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，機(jī)構(gòu)有三組相同的運(yùn)動(dòng)分支，足腿連接平臺(tái)和足端底部連接平臺(tái)之間分別固定有球副、轉(zhuǎn)動(dòng)副，之間通過(guò)移動(dòng)副連接，三組運(yùn)動(dòng)分支中心點(diǎn)在空間內(nèi)不重合，三組運(yùn)動(dòng)分支在平臺(tái)上采用鏡像對(duì)稱的布置方式，具有更好的受力特性。機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)延x，y方向的兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度以及一個(gè)z向的平移自由度。

機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系為，足腿連接平臺(tái)和足端底部連接平臺(tái)以一定厚度鋼板制成，球副以球鉸實(shí)現(xiàn)，移動(dòng)副以液壓缸為主要部分的組件實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)副通過(guò)耳環(huán)與銷軸配合實(shí)現(xiàn)。機(jī)構(gòu)以移動(dòng)副液壓缸為驅(qū)動(dòng)副，通過(guò)對(duì)液壓缸的控制，可以使機(jī)構(gòu)作出不同的位置姿態(tài)，其運(yùn)動(dòng)范圍為，行走足的轉(zhuǎn)角范圍為±15°，z向行程60mm。

根據(jù)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)能力，具體說(shuō)明仿生并聯(lián)行走足的控制模式。多足機(jī)器人的地面適應(yīng)性較強(qiáng)，對(duì)環(huán)境要求較低，而作為平底型足端，在復(fù)雜環(huán)境行走時(shí)，需要改變足的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，使足的大部分與地面接觸，增大支撐面積。從以上分析出發(fā)，仿生并聯(lián)行走足在行走過(guò)程中，足落地后可以根據(jù)六維力傳感器判斷足與地面接觸情況，及時(shí)調(diào)整足的位置姿態(tài)，使行走足完全落地。

足端機(jī)構(gòu)，其控制模式為：

一、足端主被動(dòng)緩沖控制：當(dāng)足式機(jī)器人行走過(guò)程中的落地瞬間，足端與地面的作用首先進(jìn)入被動(dòng)緩沖階段，當(dāng)三維力傳感器達(dá)到某一設(shè)計(jì)閾值，足端可根據(jù)沖擊強(qiáng)度進(jìn)入主動(dòng)緩沖階段，此時(shí)并聯(lián)行走足端電液伺服閥和液壓缸構(gòu)成的電液伺服系統(tǒng)采用大阻尼控制；

二、機(jī)器人機(jī)體適應(yīng)性調(diào)整控制：當(dāng)機(jī)器人處于凸凹不平路面或坡面時(shí)，并聯(lián)行走足端電液伺服閥和液壓缸構(gòu)成的電液伺服系統(tǒng)采用位置控制，可根據(jù)機(jī)器人頂層規(guī)劃的調(diào)整信號(hào)，通過(guò)驅(qū)動(dòng)特定液壓缸伸長(zhǎng)或縮短，從而調(diào)整機(jī)器人機(jī)體姿態(tài)，使之與地形相適應(yīng)，保證機(jī)體的平衡以及有人駕駛的乘坐舒適性；

三、高能效足端推進(jìn)控制，并聯(lián)行走足端電液伺服閥和液壓缸構(gòu)成的電液伺服系統(tǒng)采用位置與力混合控制，通過(guò)機(jī)器人頂層規(guī)劃能夠?qū)崿F(xiàn)足式推進(jìn)的高能效推進(jìn)：1)當(dāng)足端落地緩沖后，規(guī)劃足端模仿足式哺乳動(dòng)物行走時(shí)的蹬地動(dòng)作進(jìn)而向前推進(jìn)，使地面給機(jī)器人一個(gè)行走方向作用力，實(shí)現(xiàn)高效推進(jìn)；2)當(dāng)機(jī)器人減速時(shí)，規(guī)劃足端模仿足式哺乳動(dòng)物行走時(shí)的足部微翹動(dòng)作，通過(guò)足地的前行阻滯作用減速，進(jìn)而彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)器人只能通過(guò)調(diào)整機(jī)體規(guī)劃減速的不足。

四、反射控制：在機(jī)器人足端踏空、沉陷或打滑時(shí)，根據(jù)力傳感器反饋信號(hào)判斷足端足地狀態(tài)，在不更改機(jī)器人頂層規(guī)劃的前提下，控制并聯(lián)行走足端實(shí)現(xiàn)足地的踏空、沉陷或打滑反射，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人分級(jí)控制智能自適應(yīng)、降低整機(jī)控制難度；

本發(fā)明的有益之處在于一種足式機(jī)器人仿生并聯(lián)行走足是集減振降沖擊，主動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制于一體的踝足一體多功能行走足，行走足設(shè)計(jì)基于仿生原理，可以有效的降低沖擊力保證機(jī)體穩(wěn)定性，同時(shí)改變行走足的傳統(tǒng)控制方式，加入主動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，輔助整機(jī)運(yùn)動(dòng)，使足的功能趨于多樣化。