CN102840959B - 机器人单腿冲击控制实验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人单腿冲击控制实验平台，它包括一个集成控制器、一个机器人腿提升装置、一个试验台支架、静态加载装置、一个六维力传感器、一个五维力测力平台；所述试验台支架包括试验台支架底座和试验台支架立柱；其中，所述集成控制器固定在试验台支架底座上，所述机器人腿提升装置固定在试验台支架上，所述静态加载装置固定在机器人腿提升装置上，所述六维力传感器安装在提升装置和机器人躯干之间，所述五维测力平台固定在六维力传感器下方的地面上。本发明提出的机器人单腿冲击控制试验平台可以获得不同恒定负载下单腿弹跳运动的动态响应特性及短时大冲击力作用下单腿的结构稳定性等指标。该平台结构简单、运行稳定、可靠。

Description

机器人单腿冲击控制实验平台

技术领域

本发明涉及一种机器人关键单元的测试设备，尤其涉及一种机器人单腿冲击控制实验平台。

背景技术

机器人是一个串并联-多支链的非线性系统，其参数强时变，在动态步行时静不稳定，获取的地形信息存在不确定性，在动步态快速运动、地形变化和受到外界冲击时极易失稳，如何实现机器人在上述情况下的姿态稳定是四足仿生机器人研制的成败点。针对机器人-地面交互作用的瞬间性和用于交互作用研究的计算机视觉信息的不确定性特点，结合机器人对复杂环境的适应性要求，本发明首次提出一种适于足式机器人-地面冲击刻画与定量表征的一种单腿冲击控制开发与性能测试平台。该测试平台适用于足式液压驱动机器人在短时大冲击力作用下单腿的结构稳定性测试、液压系统可靠性测试、不同恒定负载下单腿弹跳运动的动态响应特性测试、单腿力反馈控制等多项控制策略的开发与研究。

中国科学技术大学，董拯，2010年硕士毕业论文“单足跳跃机器人驱动器设计与垂直跳跃控制研究”，提出进行弹簧质量块模型自由落体的冲击实验。采用GA-LS算法对实验冲击波形进行了曲线拟合，得到了冲击波形的表达形式，这只是用来估算出跳跃机器人每次落地最低点的时刻。不能用来研究测试短时大冲击力作用下单腿的结构稳定性、液压系统的可靠性、单腿弹跳的动态响应特性，也不能用来研究机器人单腿力反馈控制等控制策略。

中国专利文献CN102556197A公开了“一种多足步行机器人单腿实验平台”，该单腿实验平台由单腿实验平台机械本体和单腿实验平台控制系统组成。单腿实验平台机械本体包括单腿实验平台框架、步行机器人单腿和实验平台高度调节装置。单腿实验平台框架由固定支架、滑动台和传感器安装板组组成。实验平台高度手动调节。两个高度传感器和一个水平线位移传感器安装在实验平台框架上，测量机器人腿和实验平台框架的相对位置。力传感器安装在机器人小腿上，用于测量步行机器人单腿与地面之间的作用力。编码器测量机器人腿各个关节伺服电机的转动角度。该单腿实验平台可以获得实验平台的高度、步行机器人单腿在行进过程中臀部的高度变化曲线、步行机器人单腿的运动速度。可以获得机器人单腿与地面之间的作用力，由于机器人各关节伺服电机输出力没有对应传感器测量，所以该实验平台只能实现机器人位置控制策略的研究，以及基于足底力反馈的以位置控制系统作基础的阻抗控制的调试研究。力传感器安装在机器人腿上，不能直接反映机器足与地面的交互，力传感器的测量值受其安装位置的影响。该测试平台适用于足式液压驱动机器人在短时大冲击力作用下单腿的结构稳定性测试、液压系统可靠性测试、不同恒定负载下单腿弹跳运动的动态响应特性测试、单腿力反馈控制等多项控制策略的开发与研究。

中国专利文献CN202188963U公开了“一种足式机器人行走能力试验装置”使用时，通过控制各个电机的转动，支撑架可以同时做出俯仰偏转和横滚偏转。转动机构固定在支撑架之上，也能够做出俯仰偏转和横滚偏转，实现对全地形的模拟。该足式机器人行走能力试验装置仅仅适用于机器人整机试验的地形模拟。不能直接刻画机器人与地面的交互，也不能用于机器人单腿测试。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种机器人单腿冲击控制实验平台,它具有结构简单、紧凑、安装方便的优点。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种机器人单腿冲击控制实验平台，它包括一个集成控制器、一个机器人腿提升装置、一个试验台支架、静态加载装置、一个六维力传感器、一个五维力测力平台；所述试验台支架包括试验台支架底座和试验台支架立柱；其中，所述集成控制器固定在试验台支架底座上，所述机器人腿提升装置固定在试验台支架上，所述静态加载装置固定在机器人腿提升装置上，所述六维力传感器安装在提升装置上，所述五维力测力平台固定在六维力传感器下方的相应地面上。

所述机器人腿提升装置包括定滑轮、钢丝绳、机器人腿连接支架、直线导轨、两个滑块、线位移传感器、绕绳转轮、绕绳转轮支架、电磁离合器、伺服电机、伺服电机固定支架，所述伺服电机自带法兰盘；所述定滑轮安装在试验台支架立柱顶端，所述直线导轨安装在试验台支架立柱上，所述两个滑块沿直线导轨滑动，所述机器人腿连接支架固定在两个滑块上，所述线位移传感器固定在试验台支架立柱上并与直线导轨平行，所述线位移传感器的移动部分与机器人腿连接支架连接；所述绕绳转轮支架和伺服电机固定支架均固定在试验台支架底座上，所述绕绳转轮固定在绕绳转轮支架上，所述伺服电机固定在伺服电机固定支架上，所述伺服电机的输出轴与电磁离合器的输入轴连接，电磁离合器输出轴上的键卡在绕绳转轮的键槽上，所述绕绳转轮上的钢丝绳经过试验台支架立柱顶端的定滑轮与机器人腿连接支架连接。

所述静态加载装置为若干质量块。

所述机器人腿连接支架包括机器人腿连接支架底面支撑板和机器人腿连接支架侧面支撑板，在机器人腿连接支架侧面支撑板设有机器人腿连接支架第一支耳和机器人腿连接支架第二支耳；所述机器人腿连接支架侧面支撑板分别与两个滑块连接；所述机器人腿连接支架第一支耳与钢丝绳连接，所述机器人腿连接支架第二支耳与线位移传感器移动部分连接。

所述机器人单腿总成包括，一个机器人躯干、一个机器人臀部、一个机器人大腿、一个机器人小腿、一个臀部液压伺服驱动器、一个大腿液压伺服驱动器、一个小腿液压伺服驱动器，其中，机器人小腿通过小腿液压伺服驱动器与机器人大腿连接，机器人大腿通过大腿液压伺服驱动器与机器人臀部连接，机器人臀部通过臀部液压伺服驱动器与机器人躯干连接。

所述六维力传感器一端安装在机器人腿连接支架底面支撑板上，一端安装在机器人单腿总成的机器人躯干上。

所述液压伺服驱动器包括，一个活塞杆、一个力传感器、一个线位移传感器，一个电液伺服阀，一个液压缸；其中，所述线位移传感器上设置液压缸，液压缸上设置电液伺服阀，液压缸和力传感器之间通过活塞杆连接。

机器人单腿冲击试验平台工作时，电磁离合器通电闭合，伺服电机带动绕绳转轮转动，钢丝绳经由定滑轮提升机器腿连接支架，沿直线导轨向上运动，从而提升静态加载装置及与机器人腿连接支架相连的六维力传感器、机器人单腿总成。线位移传感器反馈信息与伺服电机控制系统形成位置闭环，精确控制机器人单腿总成的提升高度。电磁离合器断电时，在重力作用下机器人单腿总成、六维力传感器、静态加载装置、机器人腿连接支架作近似自由落体运动(滑块与直线导轨，钢丝绳与绕绳转轮，钢丝绳与定滑轮之间的摩擦力都很小，可以忽略)。六维力传感器可以精确检测到静态加载装置施加给机器人单腿总成的力。五维测力平台可以精确反映机器人足底作用给地面的力。重复上述过程，可以获取短时大冲击力作用下单腿的结构稳定性及液压系统可靠性指标。改变静态加载装置质量块的质量可以获得不同恒定负载下机器人单腿弹跳运动的动态响应特性。

集成控制器利用五维测力平台所测到的机器人单腿总成与地面之间的作用力信号，及机器人单腿总成的各力传感器测到的作用力信号对机器人单腿总成进行力闭环控制；集成控制器利用五维测力平台所测到的机器人单腿总成与地面之间的作用力信号，及机器人单腿总成的各线位移传感器测到的位移信号，对机器人单腿总成进行阻抗控制。利用五维测力平台所测到的机器人单腿总成与地面之间的力信号，及机器人单腿总成各力传感器、线位移传感器测到的信号，控制机器人单腿总成各个液压伺服阀动作，研究机器人单腿控制策略。

本发明的有益效果：

(1)本发明提出的机器人单腿冲击控制试验平台，可以精确刻画机器人负载或者空载落地时，机器人与地面的冲击。为单腿冲击控制开发与液压系统性能测试提供可靠的实验数据。从而填补了此领域现有技术的空白。

(2)本发明提出的机器人单腿冲击控制试验平台，可以获得不同恒定负载下单腿弹跳运动的动态响应特性。

(3)本发明提出的机器人单腿冲击控制试验平台可以获取短时大冲击力作用下单腿的结构稳定性和液压系统的可靠性指标。以及单腿机械结构的疲劳特性参数。

(4)本发明机器人单腿冲击控制试验平台，结构简单、运行稳定、可靠。

附图说明

图1为本发明单腿冲击控制试验平台示意图；

图2为本发明机器人腿提升装置示意图；

图3为本发明单腿连接支架示意图；

图4为机器人单腿总成示意图；

图5为本发明机器人单腿总成液压伺服油缸示意图。

其中，1.集成控制器，2.机器人腿提升装置，3.试验台支架，4.机器人腿连接支架，5.静态加载装置，6.六维力传感器，7.机器人单腿总成，8.五维测力平台，9.试验台支架底座，10.试验台支架立柱，11.直线导轨，12.滑块，13.钢丝绳，14.定滑轮，15.绕绳转轮，16.电磁离合器，17.伺服电机，18.伺服电机支架，19.绕绳转轮支架，20.线位移传感器，21.机器人腿连接支架底面支撑板，22.机器人腿连接支架第一支耳，23.机器人腿连接支架侧面支撑板，24.机器人腿连接支架第二支耳，25.小腿液压伺服驱动器，26.大腿液压伺服驱动器，27.臀部液压伺服驱动器，28.机器人躯干，29.机器人臀部，30.机器人大腿，31.机器人小腿，32.力传感器，33.活塞杆，34.线位移传感器，35.电液伺服阀。36.液压缸。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种机器人单腿冲击控制试验平台包括，一个集成控制器1、一个机器人腿提升装置2、一个试验台支架3、静态加载装置5、一个六维力传感器6、一个五维力测试平台8，所述试验台支架3包括一个试验台支架立柱10，一个试验台支架底座9。所述集成控制器1固定在试验台支架底座9上，所述六维力传感器6一端安装在机器人腿连接支架底面支撑板21上，一端安装在机器人躯干28上。所述五维测力平台8固定在六维力传感器6下方的地面上。

如图2所示，所述机器人腿提升装置2包括一个定滑轮14、一条钢丝绳13、一个机器人腿连接支架4、一个直线导轨11、两个滑块12、一个线位移传感器20、一个绕绳转轮15、一个绕绳转轮支架19、一个电磁离合器16、一台伺服电机17(自带法兰盘)、一个伺服电机固定支架18。

如图4所示，所述机器人单腿总成7包括，一个机器人躯干28、一个机器人臀部29、一个机器人大腿30、一个机器人小腿31、一个臀部液压伺服驱动器27、一个大腿液压伺服驱动器26、一个小腿液压伺服驱动器25。

如图5所示，所述液压伺服驱动器包括，一个活塞杆33、一个力传感器32、一个线位移传感器34，一个电液伺服阀35，一个液压缸36。

如图3所示，所述机器人腿连接支架4包括机器人腿连接支架底面支撑21板和机器人腿连接支架侧面支撑板23，在机器人腿连接支架侧面支撑板23设有机器人腿连接支架第一支耳22和机器人腿连接支架第二支耳24。

集成控制器1、绕绳转轮支架19、伺服电机支架18均固定在试验台支架底座9上，绕绳转轮15和伺服电机17安装在绕绳转轮支架19上，伺服电机17安装在伺服电机支架19上。伺服电机17的输出轴与电磁离合器16的输入轴连接，电磁离合器16输出轴上的键卡在绕绳转轮15的键槽上。绕绳转轮15上的钢丝绳13经过试验台支架立柱10顶端的定滑轮14与机器人腿连接支架第二支耳24连接。直线导轨11固定在试验台支架立柱10上，滑块12在直线导轨11上滑动。线位移传感器19与直线导轨11平行，固定在试验台支架立柱10上，线位移传感器19可移动部分与机器人腿连接支架第一支耳22连接。机器人腿连接支架侧面支撑板23固定在两个滑块12上。六维力传感器6安装在机器人腿连接支架底面支撑板21与机器人躯干28之间。臀部液压伺服驱动器27驱动机器人臀部29侧摆运动，大腿液压伺服驱动器26驱动机器人大腿30在平行于试验台支架立柱10的平面内摆动，小腿液压伺服驱动器25驱动机器人小腿31在平行于试验台支架立柱10的平面内摆动。

机器人单腿冲击试验平台工作时，电磁离合器16通电闭合，伺服电机17带动绕绳转轮15转动，钢丝绳13经由定滑轮14提升机器腿连接支架4，沿直线导轨11向上运动，从而提升静态加载装置5及与机器人腿连接支架4相连的六维力传感器6、机器人单腿总成7。线位移传感器19反馈信息与伺服电机17控制系统形成位置闭环，精确控制机器人单腿总成7的提升高度。电磁离合器16断电时，在重力作用下机器人单腿总成7、六维力传感器6、静态加载装置5、机器人腿连接支架4作近似自由落体运动(滑块12与直线导轨11，钢丝绳13与绕绳转轮15，钢丝绳13与定滑轮14之间的摩擦力都很小，可以忽略)。六维力传感器6可以精确检测到静态加载装置5施加给机器人单腿总成7的力。五维测力平台8可以精确反映机器人足底作用给地面的力。重复上述过程，可以获取短时大冲击力作用下单腿的结构稳定性及液压系统可靠性指标。改变静态加载装置5质量块的质量可以获得不同恒定负载下机器人单腿弹跳运动的动态响应特性。

集成控制器1利用五维测力平台8所测到的机器人单腿总成7与地面之间的作用力信号，及机器人单腿总成7的各力传感器32测到的作用力信号对机器人单腿总成7进行力闭环控制；集成控制器1利用五维测力平台8所测到的机器人单腿总成7与地面之间的作用力信号，及机器人单腿总成7的各线位移传感器34测到的位移信号，对机器人单腿总成7进行阻抗控制。利用五维测力平台8所测到的机器人单腿总成7与地面之间的力信号，及机器人单腿总成各力传感器32、线位移传感器34测到的信号，控制机器人单腿总成7各个电液伺服阀35动作，研究机器人单腿控制策略。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (4)

1. 一种机器人单腿冲击控制实验平台，其特征是，它包括一个集成控制器、一个机器人腿提升装置、一个试验台支架、静态加载装置、一个六维力传感器、一个五维力测力平台；所述试验台支架包括试验台支架底座和试验台支架立柱；其中，所述集成控制器固定在试验台支架底座上，所述机器人腿提升装置固定在试验台支架上，所述静态加载装置固定在机器人腿提升装置上，所述六维力传感器安装在提升装置上，所述五维力测力平台固定在六维力传感器下方的相应地面上； 所述机器人腿提升装置包括定滑轮、钢丝绳、机器人腿连接支架、直线导轨、两个滑块、线位移传感器、绕绳转轮、绕绳转轮支架、电磁离合器、伺服电机、伺服电机固定支架，所述伺服电机自带法兰盘；所述定滑轮安装在试验台支架立柱顶端，所述直线导轨安装在试验台支架立柱上，所述两个滑块沿直线导轨滑动，所述机器人腿连接支架固定在两个滑块上，所述线位移传感器固定在试验台支架立柱上并与直线导轨平行，所述线位移传感器的移动部分与机器人腿连接支架连接；所述绕绳转轮支架和伺服电机固定支架均固定在试验台支架底座上，所述绕绳转轮固定在绕绳转轮支架上，所述伺服电机固定在伺服电机固定支架上，所述伺服电机的输出轴与电磁离合器的输入轴连接，电磁离合器输出轴上的键卡在绕绳转轮的键槽上，所述绕绳转轮上的钢丝绳经过试验台支架立柱顶端的定滑轮与机器人腿连接支架连接。

2.如权利要求1所述机器人单腿冲击控制实验平台，其特征是，所述静态加载装置为若干质量块。

3.如权利要求1所述机器人单腿冲击控制实验平台，其特征是，所述机器人腿连接支架包括机器人腿连接支架底面支撑板和机器人腿连接支架侧面支撑板，在机器人腿连接支架侧面支撑板设有机器人腿连接支架第一支耳和机器人腿连接支架第二支耳；所述机器人腿连接支架侧面支撑板分别与两个滑块连接；所述机器人腿连接支架第一支耳与钢丝绳连接，所述机器人腿连接支架第二支耳与线位移传感器移动部分连接。

4.如权利要求3所述机器人单腿冲击控制实验平台，其特征是，所述六维力传感器固定在机器人腿连接支架底面支撑板上。