CN110221634B - 一种轮足机器人的隔振装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种轮足机器人的隔振装置，轮足机器人包括机身、两条以上支撑腿及足端，支撑腿采用倒置的Steward平台；每个Steward平台包括上平台、下平台及六个可伸缩缸；隔振装置包括：主动隔振装置和被动隔振装置；主动隔振装置与轮足机器人机身上的控制单元无线连接，其一端与轮足机器人的机身相连，另一端与轮足机器人的上平台相连，用于实时检测轮足机器人每个可伸缩缸受到的拉力/压力值并传递给控制单元，控制单元根据每个可伸缩缸实时受到的拉力/压力值与设定拉力/压力阈值的差值实时控制对应可伸缩缸的伸缩量，从而达到主动隔振；上平台通过被动隔振装置与轮足机器人的足端相连，被动减振装置用于缓冲过滤低频振动。

Description

一种轮足机器人的隔振装置
技术领域
本发明涉及隔振技术领域，具体涉及一种轮足机器人的隔振装置及其主动隔振的控制方法。
背景技术
近年来，移动机器人作为一类特种机器人朝着智能化、多样化和集成化方向发展。未来的移动机器人应该具有行动决策和规划以及自动执行规划的能力，集智能控制、信息处理、检测与转换等专业技术为一体的系统。轮足机器人是轮与足通过不同方式组合而成的一种新型移动机器人，它兼具了轮式机器人和足式机器人的优点，同时弥补了各自的不足，已经成为移动机器人技术的一个新的发展方向。在复杂地形下，轮足机器人的振动给机器人的稳定性带来了很大影响，如何减小甚至抵消来自路面产生的振动是一个研究的热点。目前，并联式的轮足机器人中尚没有较好的主动隔振装置。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种轮足机器人的隔振装置及其主动隔振的控制方法，能够适应多种地形并主动减少机器人在行进中的振动。
本发明隔振装置的技术方案为：一种轮足机器人的隔振装置，所述轮足机器人包括机身、设置在机身下方的两条以上支撑腿及与支撑腿一一对应连接的足端，所述轮足机器人采用倒置的Steward平台作为支撑腿；所述Steward平台包括上平台、下平台及并列连接在上平台和下平台之间的可伸缩缸；每个Steward平台中包括六个可伸缩缸，每个可伸缩缸的缸体端与下平台相连，活塞端与上平台相连，所述上平台通过被动隔振装置与轮足机器人的足端相连；所述下平台与轮足机器人的机身相连；
所述隔振装置包括：主动隔振装置和被动隔振装置；所述主动隔振装置与轮足机器人机身上的控制单元无线连接，其一端与轮足机器人的机身相连，另一端与轮足机器人的上平台相连，用于实时检测所述轮足机器人每个可伸缩缸受到的拉力/压力值并传递给控制单元，控制单元根据每个可伸缩缸实时受到的拉力/压力值与设定拉力/压力阈值的差值实时控制对应可伸缩缸的伸缩量，从而达到主动隔振；所述上平台通过被动隔振装置与轮足机器人的足端相连，所述被动减振装置用于缓冲过滤低频振动。
作为一种优选方案，所述主动隔振装置利用所述轮足机器人的Steward平台，其还包括压拉力传感器；每个所述可伸缩缸上设置一个所述压拉力传感器，用于实时检测轮足机器人运动时每个可伸缩缸的轴向压力/拉力值。
作为一种优选方案，所述被动隔振装置包括弹簧阻尼器，所述弹簧阻尼器一端与所述上平台连接，另一端与车轮上的T形减速机的水平端连接。
作为一种优选方案，每个所述压拉力传感器设置在与其对应的所述可伸缩缸和所述下平台之间。
作为一种优选方案，所述可伸缩缸采用电动缸，所述电动缸设有伺服电机的一端记为电动缸的驱动端，所述压拉力传感器设置在电动缸的驱动端对应的缸体的外侧端部；每个所述电动缸上设置编码器，用于实时检测每个电动缸的轴向位移并实时传输给控制单元。
本发明主动隔振的控制方法的技术方案为：一种轮足机器人的主动隔振的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：当轮足机器人遇到振动源时，其自身的姿态实时发生变化，每条支撑腿的受力大小不同，每条支撑腿上六个电动缸的实时受力大小也不同，压拉力传感器实时测量轮足机器人每个电动缸的轴向受力并将测量值实时传输给控制单元；每个电动缸上的编码器实时测量每个电动缸的轴向位移并将测量值实时传输给控制单元；
步骤二：当其中一条支撑腿上的一个以上电动缸的轴向受力超过控制单元内预设的压力/ 拉力的阈值时，控制单元对该条支撑腿上所有电动缸的轴向受力和轴向位移进行分析，控制单元控制对应电动缸的伸缩量，从而主动隔振。
作为一种优选方案，记步骤一中轮足机器人一条支撑腿上的六个电动缸受到的轴向力分别为f1、f2、f3、f4、f5和f6，六个电动缸的实时轴向位移为x1、x2、x3、x4、x5和x6；
步骤二中控制单元对该条支撑腿上所有电动缸的轴向受力和轴向位移进行分析包括：控制单元计算该条支撑腿足端轴向上的受力为F1，控制单元计算该条支撑腿足端轴向上的实时位移为X1；
控制单元根据该条支撑腿足端轴向受力F1和实时位移X1，计算该条支撑腿足端运动的下一点Pnext；
控制单元根据该条支撑腿上的六个电动缸实时受到的轴向力、六个电动缸的实时轴向位移以及足端运动的下一点Pnext，计算该条支撑腿的每一个电动缸的轴向伸缩量；
控制单元将每条支撑腿的每个电动缸的轴向伸缩量实时传输给每个电动缸的伺服电机，所述伺服电机控制对应的电动缸伸长/缩短设定值。
有益效果：
(1)本发明在轮足机器人的每条支撑腿的每个可伸缩缸上设置压拉力传感器，通过每个压拉力传感器实时检测对应支撑腿的可伸缩缸的受力变化，并通过控制单元实时控制可伸缩缸的伸缩长度，使得机器人的身体在不平坦的路面上仍能保持平衡状态，从而有效隔振。
附图说明
图1为安装有本发明隔振装置的轮足机器人的单条支撑腿的结构示意图，(a)主视图， (b)侧视图。
图2为本发明主动隔振装置的示意图。
图3为本发明主动隔振的控制流程图。
其中，1-上平台，2-电动缸，3-下平台，4-弹簧阻尼器，5-车轮，6-T形减速机，7-支架， 8-压拉力传感器，9-伺服电机，10-缸体，11-螺母套筒，12-丝杠
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例1：
本实施例提供了一种轮足机器人的隔振装置，能够适应多种地形并主动减少轮足机器人在行进中的振动。
本实施例中的轮足机器人包括机身、设置在机身下方的两条以上支撑腿及与支撑腿一一对应连接的足端，该轮足机器人采用倒置的Steward平台作为支撑腿。
Steward平台包括上平台3、下平台1及并列连接在上平台3和下平台1之间的可伸缩缸， Steward平台倒置后，上平台3位于下平台1之下，Steward平台中包括六个可伸缩缸，每个可伸缩缸的缸体端通过虎克铰与下平台1相连，活塞端与上平台3相连，上平台3作为足端底盘通过被动隔振装置与轮足机器人的足端相连，下平台1通过螺纹连接与轮足机器人的机身相连。
如图1和2所示，该隔振装置包括主动隔振装置和被动隔振装置。
其中，主动隔振装置利用轮足机器人的Steward平台，其还包括压拉力传感器8；每个可伸缩缸上设置一个压拉力传感器8，用于实时检测轮足机器人运动时对应可压缩缸的压力/拉力值；主动隔振装置中的压拉力传感器8和可伸缩缸分别与轮足机器人机身中的控制单元无线连接，每个压拉力传感器8实时将可伸缩缸的压力/拉力的检测值传输给控制单元，当一个以上可伸缩缸受到压力/拉力超过控制单元中预设压力/拉力的阈值时，控制单元控制对应的可伸缩缸伸长/缩短以适应足端处于坑洼/陡坡等不同位置，用于保持机器人的机身处于平衡状态进而实现有效地主动隔振；
被动隔振装置包括弹簧阻尼器4，弹簧阻尼器4一端与上平台3连接，另一端与车轮5 上的T形减速机6的水平端连接，该弹簧阻尼器4的弹性系数和阻尼系数可以手动调节，当轮足机器人遇到低频振动时或轮足机器人自身加速和减速引起的机身晃动时，被动隔振装置会缓冲过滤低频振动，从而减轻轮足机器人的振动，维持轮足机器人的平衡。
进一步地，将每个压拉力传感器8通过支架7设置在与其对应的可伸缩缸和下平台1之间，此时，轮足机器人的足端运动，由于Steward平台倒置使用，每个可伸缩缸的输出力不需要克服可伸缩缸的缸体的自身重力，进而不会增加足端的惯量，因而不会改变可伸缩缸实际受力的测量值，能够达到便于控制、更加稳定和节能的效果。
进一步地，可伸缩缸优选电动缸2，电动缸2设有伺服电机9的一端记为电动缸2的驱动端，压拉力传感器8设置在电动缸2的驱动端对应缸体10的外侧端部；每个电动缸2上设置编码器，用于实时测量每个电动缸2的轴向位移xn并实时传输给控制单元，其中 n＝1,2,3,4,5,6。
实施例2：
该隔振装置主动隔振的控制方法使用实施例1中的隔振装置，包括以下步骤：
步骤一：当轮足机器人运行到凹凸不平的路面(振动源)时，其自身的姿态实时发生变化，每条支撑腿的受力大小不同，每条支撑腿上六个电动缸2的实时受力大小也不同，每个电动缸2上的压拉力传感器8实时测量轮足机器人的每个电动缸2的轴向受力并将测量值实时传输给控制单元；每个电动缸2上的编码器实时测量每个电动缸2的轴向位移并将测量值实时传输给控制单元；
步骤二：当其中一条支撑腿上的一个以上电动缸2受到压力/拉力超过控制单元内预设的压力/拉力的阈值时，控制单元对该条支撑腿上所有电动缸2的轴向受力和轴向位移进行分析，根据分析结果，控制单元控制对应电动缸2的伸缩量以适应凹凸不平的路面，从而主动隔振，达到修正轮足机器人的姿态使得轮足机器人的姿态恢复平衡的效果。
进一步地，记步骤一中轮足机器人一条支撑腿上的六个电动缸2受到的轴向力分别为f1、f2、f3、f4、f5和f6，六个电动缸2的实时轴向位移为x1、x2、x3、x4、x5和x6；
步骤二中控制单元对该条支撑腿上所有电动缸2的轴向受力和轴向位移进行分析包括：控制单元利用其内预设的六维力-力矩传感器静态解耦算法(现有技术)计算得出该条支撑腿足端轴向上的受力为F1，控制单元利用其内预设的Steward平台运动学正解算法(现有技术) 计算得出该条支撑腿足端轴向上的实时位移为X1；
控制单元根据该条支撑腿足端轴向受力F1和实时位移X1，利用其内预设的自适应阻抗控制算法(现有技术)计算得出该条支撑腿足端运动的下一点Pnext；
控制单元根据当前该条支撑腿上的六个电动缸2受到的轴向力、六个电动缸2的实时轴向位移以及足端运动的下一点Pnext，利用其内预设的Steward平台运动学逆解算法(现有技术)，计算得出该条支撑腿的每一个电动缸2的轴向伸缩量；
控制单元将每个电动缸2的轴向伸缩量实时传输给其上伺服电机9，伺服电机9控制对应的电动缸2的丝杠12与螺母套筒11按照丝杠螺母副的运动形式运动，进而实现电动缸2 的伸长/缩短。
综上所述，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 (3)

1.一种轮足机器人的隔振装置，所述轮足机器人包括机身、设置在机身下方的两条以上支撑腿及与支撑腿一一对应连接的足端，所述轮足机器人采用倒置的Steward平台作为支撑腿；所述Steward平台包括上平台(3)、下平台(1)及并列连接在上平台(3)和下平台(1)之间的可伸缩缸；每个Steward平台中包括六个可伸缩缸，每个可伸缩缸的缸体端与下平台(1)相连，活塞端与上平台(3)相连；所述下平台(1)与轮足机器人的机身相连；
其特征在于，所述隔振装置包括：主动隔振装置和被动隔振装置；所述主动隔振装置与轮足机器人机身上的控制单元无线连接，其一端与轮足机器人的机身相连，另一端与轮足机器人的上平台(3)相连，控制单元根据每个可伸缩缸实时受到的拉力/压力值与设定拉力/压力阈值的差值实时控制对应可伸缩缸的伸缩量，从而达到主动隔振；所述上平台(3)通过被动隔振装置与轮足机器人的足端相连，所述被动隔振装置用于缓冲过滤低频振动；其中，所述轮足机器人的足端包括车轮(5)，车轮(5)位于上平台(3)的下方；
所述主动隔振装置利用所述轮足机器人的Steward平台，其还包括压拉力传感器(8)；每个所述可伸缩缸上设置一个所述压拉力传感器(8)，用于实时检测轮足机器人运动时每个可伸缩缸的轴向压力/拉力值并传递给控制单元；
所述被动隔振装置包括弹簧阻尼器(4)，所述弹簧阻尼器(4)一端与所述上平台(3)连接，另一端与车轮(5)上的T形减速机(6)的水平端连接；
其中，所述弹簧阻尼器(4)的个数为两个，两个弹簧阻尼器(4)分别位于轮足机器人的足端两侧。
2.如权利要求1所述的轮足机器人的隔振装置，其特征在于，每个所述压拉力传感器(8)设置在与其对应的所述可伸缩缸和所述下平台(1)之间。
3.如权利要求1或2所述的轮足机器人的隔振装置，其特征在于，所述可伸缩缸采用电动缸(2)，所述电动缸(2)设有伺服电机(9)的一端记为电动缸(2)的驱动端，所述压拉力传感器(8)设置在电动缸(2)的驱动端对应的缸体(10)的外侧端部；每个所述电动缸(2)上设置编码器，用于实时检测每个电动缸(2)的轴向位移并实时传输给控制单元。
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