CN109263744B - 一种足式机器人抗扰平衡装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种足式机器人抗扰平衡装置及其控制方法，本发明可以用来调节机器人身体的平衡，使其不那么容易摔倒，虽然现有的平衡算法中也有机器人自身的平衡算法，但是其存在的缺陷是：通用性较差，算法的复杂度极高，对机器人本体要求也较高。本发明与现存的辅助平衡装置，例如陀螺平衡装置，有控制算法简单，质量较轻，成本低廉等特点。同时本发明还可以作为足式机器人奔跑过程中空中姿态平衡调节装置，较好的解决机器人在奔跑腾空后，出现的身体发生翻转的问题，同时可以调整其落地时的姿态，使机器人更加平稳的落地。另外，还可以作为机器人加、减速装置。

Description

一种足式机器人抗扰平衡装置及其控制方法

技术领域

本发明属于机器人控制领域，具体属于足式机器人平衡装置，可应用与军事及工业等领域。

背景技术

国内能够行走和奔跑的机器人较少，其主要的技术难点在于，其运动过程中的姿态平衡调整问题。其可以通过自身的机器人平衡算法进行优化和调整，其存在技术壁垒问题，而且不同类型的机器人无法做到通用性。同时也有利用外围平衡装置，例如陀螺平衡装置，来作为其姿态平衡的调整方式的，但是其结构复杂，实现较为复杂，整个装置的自重较大，使用到机器人上会影响机器人整体的质量配比，特别是对于能够奔跑的机器人其适用性更低。

因此，设计一种足式机器人抗扰平衡装置，解决足式机器人行走过程和奔跑过程中姿态平衡的问题，实时估计自身和外界干扰，并能消除干扰，有效提高机器人行走以及奔跑过程中的抗扰和平衡能力。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种轻量化和控制简单化的平衡装置，既能作为机器人的行走辅助平衡的装置，也能作为机器人奔跑过程的腾空阶段的姿态调整的足式机器人抗扰平衡装置及其控制方法。本发明的技术方案如下：

一种足式机器人抗扰平衡装置，其包括：风扇电机、风扇电机外框、同步轮、牵引电机、轴承、风扇电机的导电滑环及陀螺仪，其中风扇电机设置于风扇电机外框内，所述导电滑环套在风扇电机外框的旋转轴上给风扇电机供电，轴承设置于风扇电机下方并与风扇电机的旋转轴相连接，风扇电机外框的旋转轴和牵引电机输出轴都分别放置一个同步轮，两同步轮之间采用同步带进行传动，这样牵引电机旋转就可以带动风扇电机外框旋转从而控制风扇电机所产生力的方向，牵引电机的安装可固定在机器人本体上，陀螺仪安装在机器人本体重心平衡处，同步轮用于牵引电机通过同步轮带动同步带，轴承用于将整个平衡装置与机器人固定和安装，同时满足平衡装置旋转要求，所述陀螺仪的传感器检测机器人身体姿态，控制牵引电机转动，进行方向位置控制，当机器人身体朝某个方向发生倾倒时，使风扇电机朝向该方向，再根据机器人倾倒的角度和角速度，根据受力分析控制风扇电机转速，即控制其所提供的反向力的大小，使机器人重新恢复平衡状态。

进一步的，所述同步轮有两个，两个同步轮之间设置有同步带轮。

进一步的，所述陀螺仪安装与平衡装置一体，或单独安装在机器人本体的重心部分。

进一步的，所述陀螺仪的平衡状态与机器人的平衡状态重合.

进一步的，所述再根据机器人倾倒的角度和角速度，根据受力分析控制风扇电机转速，具体包括：

α和β分别为陀螺仪测得的俯仰角和滚转角，γ机器人本体倾斜状态时与垂直状态的夹角。根据受力分析可知风扇电机提供的牵引力F＞mg×sinγ机器人本体即可恢复平衡状态，根据风扇电机的参数得到其F与转速的关系。

一种基于前述足式机器人抗扰平衡装置的控制方法，其包括以下步骤：

S1：当机器人身体发生倾斜，陀螺仪会检测到相应的倾角和倾倒的角速度，将数据传输给控制系统；

S2：控制系统将角度数据中的偏航角提取出来，用来给牵引电机作为位置控制的目标值，牵引电机则会通过PID的位置闭环控制，牵引风扇电机与机器人倾角相同；

S3：控制系统再通过速度闭环控制，根据陀螺仪采集的俯仰角和滚转角大小以及其相应的角速度的大小去调节风扇电机的转速，倾角和倾倒的角速度越大其转速越快，产生的反向力矩就会越大，从而使机器人重新恢复平衡；

S4：当机器人恢复到平衡状态时，相应的风扇电机也停止转动，不在产生发作用力，牵引电机也恢复原位即使风扇电机朝前产生作用的位置；

S5：当机器人在发生倾倒时，则重复上述步骤。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明风扇电机控制上采用闭环PID进行速度控制，牵引电机主要完成平衡系统的角度控制，通过陀螺仪检测整个装置和机器人姿态，当检测到机器人朝该方向倾倒时，则通过位置控制将牵引电机控制到使风扇动力系统朝向倾倒方向，这样就能产生一个反方向作用力使得机器人重新恢复平衡，倾倒的角度越大和倾倒的角速度越大，相应的风扇动力系统的转速就越快。

足式机器人的行走过程中的平衡问题，一直是足式机器人行走的难题。如果能够有效的解决或者减弱其行走过程中身体不平衡的问题，则机器人的行走问题能够得到较好的解决。同时足式机器人奔跑过程中空中姿态调整也是阻碍机器人奔跑难题之一，同时本发明还可为奔跑机器人提供加速和减速的作用，是机器人奔跑的速度得到较快的提升和降低。

本发明解决了足式机器人行走过程中不平衡的问题，其能够广泛的应用到不同类型的足式机器人上，使得足式机器人平衡算法更加的通用。同时实现了足式机器人的奔跑控制，调整其空中平衡姿态，使其不会发生翻转，同时也可以调整其触地时的姿态，使其能够更加平稳的触地，而不至于触地的冲击导致机器人摔倒，另外还可实现机器人奔跑的加、减速问题。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例足式机器人抗扰平衡装置的主视图；

图2是本发明提供优选实施例足式机器人抗扰平衡装置的立体图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

如图1、图2为本发明结构示意图；其中，①、风扇电机外框，主要起固定风扇电机作用；②、同步轮；③、牵引电机，主要作用是进行平衡装置的方向控制。④、轴承，用来固定风扇电机旋转轴；⑤、风扇电机，为整个平衡系统提供动力；⑥、3M的同步带轮；⑦、风扇电机的导电滑环，因为风扇电机需要进行旋转，其供电线需要一起旋转，避免线材缠绕，需要采用导电滑环进行供电。图中还有陀螺仪未进行展现，其安装可以与平衡装置一体，也可单独安装在机器人本体的重心部分，根据实际需求进行安装。

通过陀螺仪去实际过程中检测机器人的姿态，其安装可以和装置一起，也可以安装在机器人的质心部分，而整个平衡装置的安装需要按安装在机器人的身体部分，若机器人无上半身，则可以安装在腰部。其陀螺仪安装还需要注意其平衡状态最好与机器人的平衡状态重合，这样便于后期的控制。当陀螺仪倾角后，将陀螺仪采集的俯仰角和滚转角进行合成，然后得到机器人本体倾倒的方向，然后主控制器控制牵引电机③旋转，通过同步轮②带动同步带⑥运动，从而使风扇电机固定框①旋转一起旋转，因为当两个同步带轮比值确定后，牵引电机旋转的角度与风扇电机固定框①的角度成线性关系，可以通过直接控制牵引电机来控制风扇电机固定框①。同时根据陀螺仪检测的俯仰角和滚转角倾角大小和角速度来控制风扇电机的转速，从而产生方向作用力，使得机器人本体不会倾倒，当产生的力大于其倾倒力时即可让机器人重新恢复平衡状态。

风扇电机控制上采用闭环PID进行速度控制，牵引电机主要完成平衡系统的角度控制，通过陀螺仪检测整个装置和机器人姿态，当检测到机器人朝该方向倾倒时，则通过位置控制将牵引电机控制到使风扇动力系统朝向倾倒方向，这样就能产生一个反方向作用力使得机器人重新恢复平衡，倾倒的角度越大和倾倒的角速度越大，相应的风扇动力系统的转速就越快。

本发明的设计方案如下：机器人姿态平衡装置，包括一个大功率直流风扇，作为系统平衡的动力部分；另外还有两个轴承，用于固定风扇电机的上下端；一个导电滑环，用于给旋转的风扇电机供电；以及两个同步轮，一根同步带和一个带动其旋转的牵引电机组成，其是用来带动整个动力部分旋转的牵引部分。

在直立和双足机器人行走过程中，由于外界环境和自身的扰动导致机器人的身体发生不平衡从而倾倒，由于本发明上有陀螺仪，或者使用机器人自身的陀螺仪去检测机器人的姿态，做出有效的调节，既可以解决机器人行走过程的不平衡问题。

在机器人行走过程中，本发明的具体实施步骤如下：

S1：当机器人身体发生倾斜，陀螺仪会检测到相应的倾角和倾倒的角速度，将数据传输给控制系统。

S2：控制系统将角度数据中的偏航角提取出来，用来给牵引电机作为位置控制的目标值，牵引电机则会通过PID的位置闭环控制，牵引风扇电机与机器人倾角相同。

S3：控制系统再通过速度闭环控制，根据陀螺仪采集的俯仰角和滚转角大小以及其相应的角速度的大小去调节风扇电机的转速，倾角和倾倒的角速度越大其转速越快，产生的反向力矩就会越大，从而使机器人重新恢复平衡。

S4：当机器人恢复到平衡状态时，相应的风扇电机也停止转动，不在产生发作用力，牵引电机也恢复原位(即使风扇电机朝前产生作用的位置)。

S5：当机器人在发生倾倒时，则重复上述步骤。

上述即为本发明的调节过程，同时本发明针对机器人奔跑腾空过程的姿态，也具有有效的调节作用。例如当机器人腾空后，机器人会由于自身的不平发生翻转，从而造成落地时，无法做到平稳落地，或者合适脚触地，当机器人触底时身体姿态不平稳，就会导致触地时直接摔倒的情况。

为解决足式机器人奔跑过程中空中姿态调整问题，其控制过程与行走过程中的姿态调整类似，只是在姿态调整角度方面根据实际需求进行调整。同时本发明也可以作为奔跑机器人的加速和减速的装置。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种足式机器人抗扰平衡装置，其特征在于，包括：风扇电机、风扇电机外框、同步轮、牵引电机、轴承、风扇电机的导电滑环及陀螺仪，其中风扇电机设置于风扇电机外框内，所述导电滑环套在风扇电机外框的旋转轴上给风扇电机供电，轴承设置于风扇电机下方并与风扇电机的旋转轴相连接，风扇电机外框的旋转轴和牵引电机输出轴都分别放置一个同步轮，两同步轮之间采用同步带进行传动，这样牵引电机旋转就可以带动风扇电机外框旋转从而控制风扇电机所产生力的方向，牵引电机的安装可固定在机器人本体上，陀螺仪安装在机器人本体重心平衡处，同步轮用于牵引电机通过同步轮带动同步带，轴承用于将整个平衡装置与机器人固定和安装，同时满足平衡装置旋转要求，所述陀螺仪的传感器检测机器人身体姿态，控制牵引电机转动，进行方向位置控制，当机器人身体朝某个方向发生倾倒时，使风扇电机朝向该方向，再根据机器人倾倒的角度和角速度，根据受力分析控制风扇电机转速，即控制其所提供的反向力的大小，使机器人重新恢复平衡状态。

2.根据权利要求1所述的一种足式机器人抗扰平衡装置，其特征在于，所述同步轮有两个，两个同步轮之间设置有同步带轮。

3.根据权利要求1所述的一种足式机器人抗扰平衡装置，其特征在于，

所述陀螺仪安装与平衡装置一体，或单独安装在机器人本体的重心部分。

4.根据权利要求3所述的一种足式机器人抗扰平衡装置，其特征在于，所述陀螺仪的平衡状态与机器人的平衡状态重合。

5.根据权利要求1所述的一种足式机器人抗扰平衡装置，其特征在于，所述再根据机器人倾倒的角度和角速度，根据受力分析控制风扇电机转速，具体包括：

α和β分别为陀螺仪测得的俯仰角和滚转角，γ机器人本体倾斜状态时与垂直状态的夹角，根据受力分析可知风扇电机提供的牵引力F＞mg×sinγ机器人本体即可恢复平衡状态，m表示机器人的质量，g表示重力加速度，根据风扇电机的参数得到其F与转速的关系。

6.根据权利要求1-5之一所述的一种足式机器人抗扰平衡装置，其特征在于，所述风扇电机控制采用闭环PID进行速度控制。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述的足式机器人抗扰平衡装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：当机器人身体发生倾斜，陀螺仪会检测到相应的倾角和倾倒的角速度，将数据传输给控制系统；

S2：控制系统将角度数据中的俯仰角和滚转角进行合成，然后得到机器人本体倾倒的方向，用来给牵引电机作为位置控制的目标值，牵引电机则会通过PID的位置闭环控制，牵引风扇电机与机器人倾角相同；

S3：控制系统再通过速度闭环控制，根据陀螺仪采集的俯仰角和滚转角大小以及其相应的角速度的大小去调节风扇电机的转速，倾角和倾倒的角速度越大其转速越快，产生的反向力矩就会越大，从而使机器人重新恢复平衡；

S4：当机器人恢复到平衡状态时，相应的风扇电机也停止转动，不在产生发作用力，牵引电机也恢复原位即使风扇电机朝前产生作用的位置；

S5：当机器人在发生倾倒时，则重复上述步骤。

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