CN110816705B - 一种仿生气动驱动的半被动行走机器人及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生气动驱动的半被动行走机器人及其控制方法，该半被动行走机器人采用气动推杆作为机器人的伸缩腿，由控制板管脚通过驱动板的放大电路控制电磁阀线圈中的电流，进而改变气动推杆的伸缩状态，从而实现机器人支撑腿和摆动腿的切换。本发明的半被动行走机器人具有仿生气动伸缩腿能力，在实现稳定行走的同时，避免摆动腿擦地。

Description

一种仿生气动驱动的半被动行走机器人及其控制方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种仿生气动驱动的半被动行走机器人及其控制方法。

背景技术

被动行走机器人的结构和控制算法十分简单。简单的二连杆机构和碰地反馈信号经过处理就可以实现平地上驱动。此外，被动行走机器人与传统行走机器人相比，步态更接近于人类行走，可以更好模仿人类运动，有利于步行本质特征挖掘。

现有半被动行走机器人稳定控制和作业规划大多只考虑电机驱动，改变髋关节和踝关节结构解决摆动腿擦地问题，结构较为复杂，且对于伸缩腿机构的探究不够深入。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种仿生气动驱动的半被动行走机器人及其行走控制方法，该半被动行走机器人具有的仿生气动伸缩腿能力，在实现稳定行走且避免摆动腿擦地的同时，提供脉冲推力补偿机器人碰撞的能量损失。

本发明是通过以下技术方案实现上述技术目的的。

一种仿生气动驱动的半被动行走机器人，包括外腿上板，外腿上板两端分别与外腿支撑板固定连接，外腿支撑板与内腿支撑板同轴配合，内腿支撑板上端与内腿上板固定连接，外腿支撑板下端通过碳管与直线推杆固定连接，直线推杆与电磁阀电气连接，电磁阀线圈与控制板电气连接。

上述技术方案中，所述外腿上板上端固定限位块，限位块下端与外腿支撑板接触。

上述技术方案中，所述直线推杆采用气动推杆。

上述技术方案中，所述电磁阀与气源处理器连接，气源处理器与高压气瓶上的减压阀连接。

上述技术方案中，所述电磁阀线圈与控制板之间连接有驱动板。

上述技术方案中，所述控制板还跟仿真器连接，仿真器与PC机连接。

上述技术方案中，所述碳管两端套有转换接头，转换接头分别与外腿支撑板和直线推杆固定连接。

上述技术方案中，所述直线推杆末端套有橡胶套。

一种仿生气动驱动的半被动行走机器人的控制方法，当原摆动腿触地时，原摆动腿变为新支撑腿，电磁阀阀芯正向动作，使得原支撑腿伸长；当原支撑腿离地时，电磁阀阀芯反向动作，使得原支撑腿收缩到最短；当原支撑腿与原摆动腿重合时，电磁阀阀芯正向动作，使得原支撑腿伸长，与原摆动腿等长，等待下次触地。

进一步，所述电磁阀阀芯的切换，是通过驱动板控制电磁阀线圈中的电流，产生电磁力，推动阀芯切换。

本发明的有益效果为：本发明采用气动推杆作为机器人伸缩腿，当电磁阀线圈接收到驱动板的电流信号时，就会产生电磁力使得电磁阀阀芯向一侧移动，控制气动推杆伸长或者收缩；气动推杆伸长时，能够提供较大的脉冲推力，补偿机器人碰撞的能量损失。气动推杆响应时间短，使得机器人行走速度快，同时避免摆动腿擦地。

附图说明

图1为本发明一种仿生气动驱动的半被动行走机器人的结构示意图；

图2为本发明一种仿生气动驱动的半被动行走机器人采用的气动推杆结构示意图；

图3为本发明中铝合金轴、轴承和弹性挡圈的配合示意图；

图4为本发明机器人内外腿限位块组装示意图；

图5为本发明机器人气动气路连接图；

图6为本发明机器人控制电路连接图；

图7为本发明机器人的二连杆简化模型图；

图8为本发明管脚PA3和PA4在一个步态周期内的理想波形图；

图9为本发明机器人一个周期伸缩腿变化示意图；

图10为本发明一种仿生气动驱动的半被动行走机器人的控制流程图。

附图说明：1-外腿上板；2-内腿支撑板；3-碳管；4-直线推杆；5-橡胶套；6-外腿支撑板；7-内腿上板；8-控制盒；9-高压气瓶；10-电磁阀；11-限位块；12-减压阀；13-气源处理器；14-仿真器；15-控制板；16-驱动板；17-稳压电源。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但是本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，一种仿生气动驱动的半被动行走机器人，包括：内腿上板7、外腿上板1、两块内腿支撑板2、两块外腿支撑板6、四根碳管3、四支直线推杆4和一个控制盒8，控制盒8用于存放高压气瓶9和电磁阀10。

外腿上板1的材料采用中空铝型材，外腿上板1两端通过螺纹连接分别与两块外腿支撑板6固定连接，外腿上板1保证机器人两条外腿姿态一致。外腿支撑板6下部与内腿支撑板2中部同轴配合，具体为(图3)：外腿支撑板6下部装有轴承并与铝合金轴同轴相连，铝合金轴与内腿支撑板2同轴配合后固定，实现机器人髋关节的一个自由度；轴承外侧设有套在轴上的内径为11mm的轴用弹性挡圈，轴承内侧通过外腿支撑板6上的槽阶卡住，避免轴向移动。内腿支撑板2上端通过螺纹与内腿上板7固定连接，保证机器人两条内腿姿态一致；内腿支撑板2、外腿支撑板6均采用铝合金材料，内腿上板7的材料为中空铝型材。内腿上板7通过螺纹与控制盒8固定连接，控制盒8的材料为铁。碳管3的形状为中空圆筒，其上下两端套有铝合金转换接头，外侧两根碳管3转换接头通过螺纹分别与外腿支撑板6和直线推杆4固定连接，形成机器人外腿；内侧两根碳管3转换接头通过螺纹分别与内腿支撑板2和直线推杆4固定连接，形成机器人內腿；碳管3的长度可以根据机器人的腿长进行选择。直线推杆4末端套有橡胶套5，用于保护机器人的点足，避免其在行走过程中与地面的磨损。如图5所示，直线推杆4与电磁阀10通过气动透明软管连接，电磁阀10还跟气源处理器13通过气动透明软管连接，气源处理器13通过气动透明软管与减压阀12连接，减压阀12与高压气瓶9螺纹连接。如图6所示，电磁阀10线圈的一端与稳压源17导线连接，电磁阀10线圈的另一端与驱动板16输出端导线连接，驱动板16的输入端与控制板15导线连接，控制板15还跟仿真器14导线连接，仿真器14与PC机连接；控制板15可以由PC机或移动电源供电。

所述直线推杆4根据驱动类别不同可以分为电动推杆、液压推杆和气动推杆。三种推杆都可以实现机器人腿部伸缩功能，但电动推杆并不能提供一个瞬时脉冲力，其在形变或者伸缩的过程中耗时长，响应不够快；液压推杆质量较重，会给机器人带来较大负载，且行走难度较大；而气动推杆有轻便且能够提供较大脉冲等优点。本实施例中直线推杆4选用气动推杆(图2)，型号为CJ2D16-100-B，直径为16mm、行程为100mm。气动推杆的动作是通过驱动板16控制电磁阀10线圈中的电流，从而控制电磁力，推动阀芯切换，实现气流换向。

所述高压气瓶9通过螺纹连接和丝线固定于控制盒8中，高压气瓶9的容积为0.36L，内储30MPa高压气体。高压气瓶9作为机器人气路的气源，给机器人气动推杆提供能量，从而实现半被动机器人行走。

所述电磁阀10采用三位五通排气型电磁阀，通过螺纹连接固联于控制盒8的侧壁，两个电磁阀10控制四支气动推杆4动作。

本实施例中，气源处理器13采用SMC型气动气源处理器，型号为AR2000-02，用于过滤气源气体，实现气体压强0.05-0.85MPa之间可调。仿真器14的型号为ST-LINK V2，仿真器14从PC机中下载编译程序，发送给控制板15。控制板15的型号为STM32，稳压源17采用12V；驱动板16的型号为SV-5A1R4P-N，驱动板16作为驱动放大电路，输出控制信号来控制电磁阀10线圈。

为保证半被动行走机器人运动时内外腿的夹角不超过30°，即机器人摆动角小于等于30°，增设了如图4所示的肩部夹角为60°的“凸”字形限位块11，限位块11上端通过螺纹连接与外腿上板1固联，限位块11下端与外腿支撑板6接触，因此外腿上板1、外腿支撑板6和限位块11可视为一个整体。限位块11下端向内侧延伸长度约为内外腿支撑板连接轴的长度，在限位块11的作用下，内外腿运动时，它们始终保持相对夹角小于等于30°，也保证了机器人运动的稳定性。

图7为机器人简化模型，该模型由一个髋关节质量块M和两个足部质量块m以及两个长度为l的连杆组成。其中髋关节质量块M远大于足部质量块m(M＞＞m)，即该机器人的质量集中在机器人髋部上身，因此摆动腿的运动不会影响到髋关节的运动。θ为支撑角，φ为摆动角。脉冲推力P＝Ft可由半被动行走机器人的碰撞过渡关系得出，具体为：

控制板15通过仿真器14下载编译程序，控制板15四个管脚(PA3、PA4、PA5、PA6)通过驱动板16放大电路控制两组电磁阀10的四个线圈中的电流，实现气动推杆状态改变；以管脚PA3和PA4为例，气动推杆在管脚接收不同电平信号时，状态不同，具体为：

表1管脚PA3和PA4与气动推杆状态关系

	PA3	PA4	气动推杆
				状态1	1	1	保持
状态2	1	0	伸长
				状态3	0	1	收回

设置机器人一个步态周期内管脚PA3、PA4高低电平变化，如图8所示。在图8所示的高低电平变化的情况下，可得气动推杆伸缩腿一个周期内的变化过程，如图9所示(其中实线腿为支撑腿，虚线腿为摆动腿)：

(1)在半被动行走机器人的髋关节施加一个脉冲冲量，使其产生一个向前的初速度；摆动腿推杆伸长，地面提供脉冲推力，摆动腿离地；支撑腿长度不变，在髋关节初速度的影响下保持倒立摆运动。

(2)当摆动腿完成离地动作后，逐渐收缩到最短，以避免摆动腿摆动到竖直位置时与水平面发生干涉，完成收腿的摆动腿以髋关节为轴心单摆运动；支撑腿长度不变，保持倒立摆运动。

(3)当摆动腿摆动到与支撑腿重合的位置时，摆动腿推杆伸长到与支撑腿等长位置，继续做单摆运动；支撑腿长度不变，保持倒立摆运动。

(4)待摆动腿碰地，进入碰撞过渡关系式方程，摆动腿变为支撑腿，支撑腿变为摆动腿，从而继续进行摆动阶段。

如图10所示，一种仿生气动驱动的半被动行走机器人的控制方法，首先判断机器人原摆动腿是否触地，当原摆动腿触地时，原摆动腿变为新支撑腿做倒立摆运动，电磁阀10阀芯正向动作，使得新摆动腿(即原支撑腿)伸长，因此地面会对原支撑腿产生脉冲推力，使得原支撑腿做向前的单摆运动；当新摆动腿离开地面时，电磁阀10阀芯反向动作，使得新摆动腿收缩到最短，以免摆动过程中与地面发生干涉。当新摆动腿摆动到与新支撑腿重合时，电磁阀10阀芯正向动作，使得新摆动腿伸长到与新支撑腿一样的长度，原支撑腿继续摆动等待下次触地。如此往复，实现周期步态。

由控制板15设置电磁阀10的动作周期为0.3s，由上述控制方法实现半被动行走机器人的步态周期为0.6s，步长为0.27m，速度可达到0.4167m/s。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种仿生气动驱动的半被动行走机器人，其特征在于：包括外腿上板（1），外腿上板（1）两端分别与外腿支撑板（6）固定连接，外腿支撑板（6）与内腿支撑板（2）同轴配合，内腿支撑板（2）上端与内腿上板（7）固定连接，内腿支撑板（2）下端通过碳管（3）与直线推杆（4）固定连接，形成机器人內腿，外腿支撑板（6）下端通过碳管（3）与直线推杆（4）固定连接，形成机器人外腿；直线推杆（4）与电磁阀（10）电气连接，电磁阀（10）线圈与控制板（15）电气连接；所述电磁阀（10）与气源处理器（13）连接，气源处理器（13）与高压气瓶（9）上的减压阀（12）连接；所述电磁阀（10）线圈与控制板（15）之间连接有驱动板（16）；所述直线推杆（4）采用气动推杆，气动推杆通过驱动板（16）控制电磁阀（10）线圈中的电流，从而控制电磁力，推动阀芯切换，实现气流换向。

2.根据权利要求1所述的仿生气动驱动的半被动行走机器人，其特征在于：所述外腿上板（1）上端固定限位块（11），限位块（11）下端与外腿支撑板（6）接触。

3.根据权利要求1所述的仿生气动驱动的半被动行走机器人，其特征在于：所述控制板（15）还跟仿真器（14）连接，仿真器（14）与PC机连接。

4.根据权利要求1所述的仿生气动驱动的半被动行走机器人，其特征在于：所述碳管（3）两端套有转换接头，转换接头分别与外腿支撑板（6）和直线推杆（4）固定连接。

5.根据权利要求1-4任意一项权利要求所述的仿生气动驱动的半被动行走机器人，其特征在于：所述直线推杆（4）末端套有橡胶套（5）。

6.一种根据权利要求1所述的仿生气动驱动的半被动行走机器人的控制方法，其特征在于：当原摆动腿触地时，原摆动腿变为新支撑腿做倒立摆运动，电磁阀（10）阀芯正向动作，使得原支撑腿伸长，地面对原支撑腿产生脉冲推力，使得原支撑腿做向前的单摆运动；当原支撑腿离地时，电磁阀（10）阀芯反向动作，使得原支撑腿收缩到最短；当原支撑腿摆动到与原摆动腿重合时，电磁阀（10）阀芯正向动作，使得原支撑腿伸长，与原摆动腿等长，原支撑腿继续摆动等待下次触地。

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