CN111301552B - 一种机器人腿部动力系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机器人腿部动力系统及其控制方法。腿部动力系统包括机身，用于承载所述控制单元以及连接腿模块；腿模块，用于完成动作；所述腿模块包括主腿和副腿；所述主腿用于承受所述机身与地面的作用力；所述副腿用于协同所述主腿提供转矩支撑所述机身。本发明所提供的机器人腿部动力系统通过筝型结构的主副腿，在不减弱结构稳定性的前提下，减轻了单腿重量与腿部运动惯量，保证最大程度上保证主腿的整体结构更加稳定，使各向力加载时主腿能维持整腿结构不发生形变或侧向偏倚，进而本系统对电机扭矩、耗电以及散热要求较低，可有效降低成本且易于制作，可广泛应用于智能仿生机器人创新应用领域。

Description

一种机器人腿部动力系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及智能仿生机器人创新应用领域，尤其是一种机器人腿部动力系统及其控制方法。
背景技术
名词解释：
USART(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver/Transmitter)是一个全双工通用同步/异步串行收发模块，该接口是一个高度灵活的串行通信设备。
SPI(Serial Peripheral Interface)是串行外设接口的缩写，其为是一种高速的，全双工，同步的通信总线。
CAN是控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)的简称，是国际上应用最广泛的现场总线之一。
光流(optical flow)法是运动图像分析的重要方法，这种图像亮度模式的表观运动(apparent motion)就是光流。
足式机器人在非结构地形上具有比轮式和履带式机器人更强的适应能力和更高的机动性能。其中，四足机器人具有运动稳定和负载能力强等优点，在背负一定负载的同时能够快速、稳定地通过崎岖自然地形，因此，四足机器人在近十年获得了较快的发展。
然而，如何提升四足机器人自我感知、环境预测、自主避障的能力，提高机器人对复杂环境的适应能力，是四足机器人的一个长久的研究方向和目标，也是制约四足机器人发展的瓶颈。此外，串联式的腿部结构对电机的扭矩、耗电以及散热要求高，其制作过程消耗大量成本。
发明内容
本发明的目的在于至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题，即对电机扭矩、耗电以及散热要求较低，可有效降低成本且易于制作的腿部动力系统，以及能在快速跑动下的保持动态平衡的控制系统和控制方法。
为此，本发明实施例的目的在于提供一种成本低、结构简单的准直驱型主从并联自足仿生机器人，包括机器人腿部动力系统，机器人腿部动力控制系统以及控制方法。
为了达到上述技术目的，本发明实施例所采取的技术方案包括：
第一方面，本发明实施例提供了一种机器人腿部动力系统，包括控制单元和动作单元；所述动作单元包括：
机身，用于承载所述控制单元以及连接所述腿模块；
腿模块，用于完成步态动作；
所述腿模块包括主腿和副腿；
所述主腿用于承受所述机身与地面的作用力；
所述副腿用于协同所述主腿提供转矩支撑机身。
另外，根据本发明上述实施例的一种机器人腿部动力系统，还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，本发明实施例的机器人腿部动力系统中，所述主腿包括主腿电机、主腿主动轮、主腿转轴、主腿连接铝加工件、主腿小腿连杆和脚趾；所述副腿包括副腿电机、副腿主动轮、副腿从动轮、副腿转轴、副腿连接铝加工件、副腿大腿连杆和副腿小腿连杆。
第二方面，本发明实施例提供了一种机器人腿部动力控制系统，包括：决策模块和规则执行模块；
所述决策模块包括：
上层决策器，用于根据采集的环境信息提供运动决策；
环境信息采集模块，用于采集环境信息并上传至上层决策器；
所述规则执行模块包括：
步态生成器，用于根据所述运动决策生成运动指令；
执行驱动机，用于根据所述运动指令驱动动作单元完成动作；
遥控通讯设备，用于接收用户控制指令并发送至步态生成器；
数据记录模块，用于记录机器人运行状态参数及异常信息；
陀螺仪和加速度计，用于测量并发送机器人运行状态的角速度和加速度；
所述执行驱动机包括主腿执行驱动机和副腿执行驱动机。
进一步地，本发明实施例的控制系统中，所述步态生成器通过USART接口与上层决策器连接；所述遥控通讯设备通过USART接口或无线通信模块与步态生成器连接；所述数据记录模块通过SPI接口与步态生成器连接；所述陀螺仪和加速度计通过CAN总线与步态生成器连接，所述执行驱动器通过CAN总线与步态生成器连接。
进一步地，本发明实施例的控制系统中，所述环境信息采集模块包括：摄像头，用于获取机器人运动状态的视频信息并完成运动环境的三维重建；激光雷达，用于发射探测信号和接收反射信号，并根据反射信号完成运动环境的三维重建；交互显示屏，用于进行人机交互。
进一步地，本发明实施例的控制系统中，所述决策模块还包括：GPS模块，用于获取机器人的位置信息；光流分析模块，用于获取机器人周围物体的运动信息。
第三方面，本发明实施例提出了一种机器人腿部动力控制方法，其步骤包括：
获取环境信息；
提取所述环境信息的特征并建立环境模型；
根据所述环境模型以及预存地图信息生成运动指令；
根据所述运动指令生成对应步态的足端指令；
根据所述足端指令控制主腿和副腿完成对应步态动作；
所述运动指令包括路径规划以及落脚点的选择。
进一步地，还包括以下步骤：获取里程数据和位置信息；根据所述里程数据和位置信息结合预存地图信息完成运动路线导航。
进一步地，所述根据所述运动指令生成对应步态的足端指令这一步骤，其具体包括：
根据所述路径规划以及落脚点选择确定运动期望以及落脚点信息；
通过陀螺仪获取当前姿态信息并进行稳定性检测；
根据所述运动期望、落脚点信息、姿态信息以及稳定性检测的结果建立运动轨迹方程；
根据所述运动轨迹方程生成对应步态的足端指令。
进一步地，所述根据所述运动指令生成对应步态的足端指令这一步骤，还包括以下步骤：
获取当前运动状态主腿和副腿的反馈信息；
根据所述反馈信息完成所述运动轨迹方程的优化。
本发明的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，部分通过本发明的实践了解到：
本发明实施例所提供的一种机器人腿部动力系统，通过筝型结构的主副腿，在不减弱结构稳定性的前提下，减轻了单腿重量与腿部运动惯量，保证最大程度上保证主腿的整体结构更加稳定，使各向力加载时主腿能维持整腿结构不发生形变或侧向偏倚，进而本系统对电机扭矩、耗电以及散热要求较低，可有效降低成本且易于制作。
本发明实施例所提供的一种机器人腿部动力控制系统和控制方法，通过各类传感器信息通过相应的通信接口传输至上层决策器进行数据融合，产生决策算法所需数据，最终得出相应控制命令，进行主腿和副腿的步态控制，使四足机器人能够实现自我感知、环境预测、自主避障等功能，提高机器人对复杂应用环境的适应性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员来说，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1为本发明实施例一种机器人腿部动力系统的整体结构示意图；
图2为本发明实施例一种机器人腿部动力系统的主机身示意图；
图3为本发明实施例一种机器人腿部动力系统的腿模块的整体示意图；
图4为本发明实施例一种机器人腿部动力系统的腿模块的主腿拆解示意图；
图5为本发明实施例一种机器人腿部动力系统的腿模块的副腿拆解示意图；
图6为本发明实施例一种机器人腿部动力控制系统的结构示意图；
图7为本发明实施例一种机器人腿部动力控制方法的步骤流程图；
图8为本发明实施例一种机器人腿部运动轨迹解算示意图。
附图标记：
1、机身；1.1、机身前部；1.2、机身腹部；1.3、机身后部；
2、第一腿模块；2.1.1、主腿电机；2.1.2、主腿主动轮；2.1.3、主腿从动轮；2.1.4、主腿转轴；2.1.5、主腿连接铝加工件；2.1.6主腿大腿连杆；2.1.7、主腿关节连接铝加工件；2.1.8、主腿小腿连杆；2.1.9、脚趾；2.2.1副腿电机；2.2.2、副腿主动轮；2.2.3、副腿从动轮；2.2.4、副腿转轴，2.2.5、副腿连接铝加工件；2.2.6、副腿大腿连杆；2.2.7、副腿小腿连杆；
3、第二腿模块；4、第三腿模块；5第四腿模块。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
下面参照附图详细描述根据本发明实施例提出的机器人腿部动力系统及其控制方法和控制系统，首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的一种机器人腿部动力系统。
参照图1，本发明实施例中所述的一种机器人腿部动力系统，包括机身1和第一腿模块2、第二腿模块3、第三腿模块4、第四腿模块5，四个独立的腿模块，四个独立的腿模块左右前后对称分布在机身的两侧，每一个腿模块与机身通过旋转副连接固定。参照图2，其中，机身分为三部分：腹部1.2、前部1.1、后部1.3。其中，前部1.1和后部1.3前后对称分布，通过打印件管夹与腹部1.2固连，实现模块化的前后部设计，提高人机工程性，方便维护与拆卸。管板式相互结合的设计在重量保持一定的情况下，提高前后机身的刚度以及优化外观的美感。
参照图3，腿模块主副腿为筝型结构，其中以第一腿模块2举例说明，同步带传动比为1：1.2。其中，腿部动力系统结构包括主腿电机2.1.1，副腿电机2.2.1、主腿大腿连杆2.1.6、副腿大腿连杆2.2.6、主腿小腿连杆2.1.8和副腿小腿连杆2.2.7。与传统的筝型腿结构相比，区别在于，在筝型结构的基础上，区分了主腿和副腿的概念，所带来的好处是，在设计副腿结构时，在保证主腿各向受力稳定的前提下，副腿结构可以减小弯曲许可强度的要求，这可以大大简化副腿的关节转轴处的设计，使副腿主要行使控制腿部活动的作用，而不主要承担各向力的作用。
参照图4，主腿腿部动力系统中，包括主腿电,2.1.1、主腿主动轮2.1.2、主腿从动轮2.1.3，主腿转轴2.1.4，主腿连接铝加工件2.1.5、主腿大腿连杆2.1.6、主腿关节连接铝加工件2.1.7、主腿小腿连杆2.1.8、脚趾2.1.9。其中，主腿主动轮2.1.2和主腿从动轮2.1.3依靠同步带连接，大小同步轮中心做了阵列镂空减重，预留未镂空部分作为双顶丝固定的螺纹孔位置。主腿连接铝加工件2.1.5采用分层错位设计的思想，将上部抱轴处与下部固定连接主腿大腿连杆2.1.6处在左右侧方向错开，留出整腿与机身前后部1.1和1.3之间的足够间距，使整腿结构可绕主腿转轴2.1.4整周运动，以便实现更多机器人的位姿步态与危机情况下的更多自救行为。同时防止腿部使用材料在受到过大冲撞时，形成的微小材料侧向形变而引起的与机身前后部1.1和1.3的不必要干涉。在主腿大腿连杆2.1.6和主腿小腿连杆2.1.8的设计上，为了连接方便以及防止干涉的考虑下，主腿大腿连杆2.1.6选用了较厚的碳板，而主腿小腿连杆2.1.8采用了碳管设计。原因是在前期版本的测试中发现，碳板其抵抗弯矩的能力远远不及碳管，故在较短的主腿大腿连杆2.1.6材料选取上选择了较厚的碳板，而较长的主腿小腿连杆2.1.8选用了直径适中的碳管，目的是为了保证最大程度上保证主腿的整体结构更加稳定，使各向力加载时主腿腿部结构的刚度能维持整腿结构不发生形变或侧向偏倚。
参照图5，副腿腿部动力系统中，包括副腿电机2.2.1、副腿主动轮2.2.2、副腿从动轮2.2.3，副腿转轴2.2.4，副腿连接铝加工件2.2.5、副腿大腿连杆2.2.6、副腿小腿连杆2.2.7。其中，副腿主从动轮2.2.2和2.2.3采用了和主腿主从动轮相同的设计。副腿转轴2.2.4藏于主腿转轴2.1.4内，相互间套用深沟球轴承连接，使得主腿转轴2.1.4和副腿转轴2.2.4能够同心，使得传动机构的结构更加紧凑，空间分布小，空间利用率最大化，机身的整体大小能近一步缩小。副腿大腿连杆2.2.6大小厚度与主腿相似，主要是受了副腿关节处轴承连接的影响，在前期测试过程中发现，较小的深沟球轴承不能较好的承受机器人运动中，腿关节处所产生的轴承轴向力，故综合受力及外观考虑下设计了如图副腿大腿连杆2.2.6。在主副腿的概念指导下，在保证主腿各向受力稳定的前提下，副腿小腿连杆2.2.7的杆件为较细的板件，目的是减轻重量及减小装配的困难度。
此外，在本实施例中，主腿电机和副腿电机均采用无刷直流电机。
参照图6，本实施例提供了一种机器人腿部动力控制系统，控制系统包括决策模块和规则执行模块。
规则执行模块采用多层次架构，包括步态生成器、执行驱动器、直流无刷电机、3轴陀螺仪、3轴加速度计、遥控通信设备和数据记录模块等其他可选扩展设备，所述步态生成器包括ARM架构嵌入式处理器其包含高速CAN总线，USART，SPI等通信接口，在本实施中所采用的是STM32主控芯片，通过USART接口接收来自上层决策器的运动指令，所述遥控通讯设备通过USART接口或无线通信模块(2.4G模块)与步态生成器连接；所述数据记录模块通过SPI接口与步态生成器连接；所述陀螺仪和加速度计通过CAN总线与步态生成器连接，所述执行驱动器通过CAN总线与步态生成器连接；通过CAN1总线和CAN2总线与所述的执行驱动器通信，在本实施例中所述执行驱动器主要为直流无刷电机和电调；所述执行驱动器自带无刷直流电机所需三相电流控制，光电编码器处理，电流闭环等，执行驱动器通过CAN总线接收到步态生成器电流的指令后，内部进行电流环的控制。CAN1总线四个执行驱动器，CAN2总线四个执行驱动器与腿部动力系统中主腿和副腿的八个直流无刷电机一一对应，所述直流无刷电机，与各自对应的执行驱动器构成八个自由关节驱动单元，通过控制电机电流获得瞬间力矩提升，从而使四足机器人获得间歇性爆发的能力(如跳跃，奔跑等)；各个执行驱动器输出电流实现对相应电机的运动控制；所用的每个电机带有霍尔编码器和温度传感器，以便对电机位置以及温度准确把握。所述陀螺仪和加速计安装在机器人正前方中心处，用于测量反馈四足机器人的3个正交轴向的角速度，加速度数据；数据记录部分用于记录机器人实时运行的各种参数及异常，本实施例中采用的是SD数据卡；遥控通讯设备用于直接将使用者下达的运动控制指令发送到STM32主控即步态生成器。
参照图6，本实施例的决策模块包括上层决策器、环境信息采集模块以及自行添加的扩展设备；在本实施例中，上层决策器由X86架构的linux系统所构成。所述的环境信息采集系统用于机器人工作环境信息的采集，实时感知环境变化，进而做出不同决策实现鲁棒性更高的控制四足机器人运动，从而实现环境适应行走；环境信息采集模块包括高帧率摄像头、激光雷达以及交互式显示屏，摄像头和激光雷达根据实时采集到的环境信息实现对四足机器人周围环境的三维重建；交互式显示屏用于和使用者进行人机交互，可实时进行信息的接受与反馈；此外，使用者可以根据具体的使用场景及需求添加其他模块，包括GPS模块，用于确定机器人准确位置信息；光流分析模块，用于获取机器人运动状态中周围环境的光流并提取出周围物体的运动信息，并进一步为决策器提供必要信息。
其次，参照附图描述根据本发明实施例提出的一种机器人腿部动力控制方法。
参照图7，基于所述机器人腿部动力系统的四足机器人系统控制方法步骤其主要包括以下步骤：
S01、通过摄像头和激光雷达获取环境信息；
S02、提取所述环境信息的特征并建立环境模型；
S03、根据所述环境模型以及预存地图信息生成运动指令；
S04、根据所述运动指令生成对应步态的足端指令；
S05、根据所述足端指令控制主腿和副腿完成对应步态动作。
具体的，仿生四足机器人控制器包括智能决策器，步态生成器，执行驱动器以及环境信息采集系统，从而构成一个具有自主运动控制功能的完整系统；上层决策器于给四足机器人提供上层运动决策能力，如用高帧率的深度摄像头采集静态的图像特征，通过激光雷达采集的二维点云数据对机器人周围环境进行建模，进而实现路径规划，避障等运动控制逻辑，然后将运算结果发送给STM32执行下层控制，步态生成器根据相应的决策控制指令进行步态选择与切换，经过角度解后得到各关节的运动参数，而后通过CAN总线网络将数据包传递给执行驱动器，进而驱动直流无刷伺服电机转动，实现机器人腿部的规律运动。
进一步，四足机器人可以根据决策模块的GPS模组获取机器人运动过程中的位置信息以及运动的里程数据，可以结合在预存的地图信息实现运动路线的优化和导航。
进一步，根据所述运动指令生成对应步态的足端指令(主腿和副腿)，具体包括，根据所述路径规划以及落脚点选择确定运动期望以及落脚点信息；通过陀螺仪获取当前姿态信息并进行稳定性检测；根据所述运动期望、落脚点信息、姿态信息以及稳定性检测的结果建立运动轨迹方程；根据所述运动轨迹方程生成对应步态的足端指令。
进一步，参照图8，L1为第一节腿关节长度，L2为第二节腿关节长度，由几何关系可知：
Figure BDA0002392469090000071
Figure BDA0002392469090000072
Figure BDA0002392469090000081
θ2＝90°-(θ+γ) (4)
θ1＝180°-(2γ+θ2) (5)
设置原点后，指定目标轨迹坐标X和Y，γ为L1与L之间的夹角。则θ1，θ2分别是两个电机(产生的转动)角度，θ为菱形腿中线相对于纵轴偏移角(如图8中所示)。采用光电编码器获取电机实时转动角位移变化，并进一步实现指定步态控制，如图8所示，q2与q1分别为双腿关节在坐标系下的期望角度，β为两者的夹角，δ为坐标系下小腿的参考角度。为方便公式描述与计算，引入了中间变量A与D,其中:
Figure BDA0002392469090000082
Figure BDA0002392469090000083
腿部运动的雅可比矩阵计算过程如下：
β＝q2-q1 (8)
Figure BDA0002392469090000084
Figure BDA0002392469090000085
其中，对应雅克比矩阵为：
Figure BDA0002392469090000086
Figure BDA0002392469090000087
其中电机输出力矩T＝KtInet，其中Kt为转矩常数，Inet为电枢电流。由上述公式可以求出脚底的力FX，FY：
Figure BDA0002392469090000088
对应的，规则执行模块的腿模块通过角位移环控制八个电机，实现腿的开环轨迹从而行走。参照图8通过改变步态的参数(频率，占空比等)，正弦的几何参数(峰值等)，轨迹坐标转换为所需腿角度θ(菱形腿中线相对于纵轴偏移角)和对称关节夹角一半记作γ，然后由这两个角度算出上关节所需运动的角度θ1和θ2从而根据实际电机传动结构得出电机所需转动角度，通过角度环精准到位。角度环比例项增加了腿的刚度，微分项则抵消了关节的阻尼。
不使用运动轨迹控制(位置环开环)，使用电机角度环进行闭环，两个电机角度分别为θ1和θ2(注：当五连杆结构完全由重力带动，导致完全下垂时，不考虑机械因素，此时的θ1＝θ2＝0°)机器人首先处于支撑阶段，称为TD，该阶段为起始阶段。
电机初始角度设置为：θ1＝90°+ψs/2；θ2＝90°-ψs/2(相对于垂直线)。ψs为五连杆式结构机械腿垂线摆动过程中扫过的角度，简称摆动角。然后，两个电机通过摆动ψs后分别达到θ1＝90°+ψs/2和θ2＝90°-ψs/2的角度，在此过程中产生了一个大致为三角形的运动轨迹，对于旋转速率R1是利用摆动角ψs和占空比DF的比值得出如下式：
Figure BDA0002392469090000091
在运动到摆动过程中的顶点时，脚尖为腿部与运动的中心，此时的θ1＝θ2，且脚被抬升到了期望的离地距离。为了控制电机达到这样的效果，每个电机需要以不同的速度来旋转。而且，为了避免五连杆结构的奇点问题，定义了一个离地距离参数gcl，电机θ1与θ2分别按照R3与R2(R3＞R2)的旋转速率进行顺时针方向的旋转，θ1的旋转速度大于θ2，让占空比DF为一半值再求余。通过该运动控制设计，可以实现整体的抬升运动过程都以脚趾为中心，保持腿部结构运动的协调一致性。
Figure BDA0002392469090000092
Figure BDA0002392469090000093
返回站立阶段且接触地面的姿态，要使θ1＝90°+ψs/2和θ2＝90°-ψs/2，θ1电机此时应有较慢的旋转速度R2，而θ2所在的电机应有更快的旋转速度R3，θ1与θ2都为逆时针方向。这样复位并且降低脚趾到落地角度ψs/2。这样的运动四只脚上依次有1/4周期的偏移，从右前方、左后方，左前方和右后方。
综上所述，本发明技术方案相较于现有技术，具有以下优点：
1)本发明提供的技术方案在不减弱结构稳定性的前提下，使用了主腿与从腿的结构，减轻了单腿重量与腿部运动惯量。
2)本发明技术方案提供了一种仿生四足机器人腿部动力系统及其自主控制系统设计方法，该机器人成本低、结构简单，配合本发明的控制算法，可实现较快速的移动。
3)现有机身以及腿部材料多用铝加工件进行制作，本发明技术方案可以使用碳纤维板与3D打印塑料件进行制作，减小了对加工的依赖，减轻了重量，有效降低了成本。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，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方式进行多种变化、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。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种机器人腿部动力系统，其特征在于，包括：
机身，用于承载控制单元以及连接腿模块；
腿模块，用于完成步态动作；
所述腿模块包括主腿和副腿；
所述主腿用于承受所述机身与地面的作用力；
所述副腿用于协同所述主腿提供转矩支撑机身；
所述主腿包括主腿电机、主腿主动轮、主腿转轴、主腿连接铝加工件、主腿小腿连杆和脚趾；所述副腿包括副腿电机、副腿主动轮、副腿从动轮、副腿转轴、副腿连接铝加工件、副腿大腿连杆和副腿小腿连杆；主腿大腿连杆、副腿大腿连杆、主腿小腿连杆和副腿小腿连杆构成了筝型结构；所述主腿设有主腿电机，所述主腿电机的转速为R3，所述副腿设有副腿电机，所述副腿电机的转速为R2，所述R3和R2满足：
Figure FDA0003369279030000012
Figure FDA0003369279030000011
其中，gcl为离地距离参数，DF为占空比，ψs为机械腿垂线的摆动角。
2.一种机器人腿部动力控制系统，用于控制权利要求1所述的机器人腿部动力系统，其特征在于，包括：决策模块和规则执行模块；
所述决策模块包括：
上层决策器，用于根据采集的环境信息提供运动决策；
环境信息采集模块，用于采集环境信息并上传至上层决策器；
所述规则执行模块包括：
步态生成器，用于根据所述运动决策生成运动指令；
执行驱动器，用于根据所述运动指令驱动动作单元完成动作；
遥控通讯设备，用于接收用户控制指令并发送至步态生成器；
数据记录模块，用于记录机器人运行状态参数及异常信息；
陀螺仪和加速度计，用于测量并发送机器人运行状态的角速度和加速度；
所述执行驱动器包括主腿执行驱动器和副腿执行驱动器；所述主腿执行驱动器控制主腿电机运行，所述副腿执行驱动器控制副腿电机运行。
3.根据权利要求2所述的一种机器人腿部动力控制系统，其特征在于，所述步态生成器通过USART接口与上层决策器连接；所述遥控通讯设备通过USART接口或无线通信模块与步态生成器连接；所述数据记录模块通过SPI接口与步态生成器连接；所述陀螺仪和加速度计通过CAN总线与步态生成器连接，所述执行驱动器通过CAN总线与步态生成器连接。
4.根据权利要求3所述的一种机器人腿部动力控制系统，其特征在于，所述环境信息采集模块包括：
摄像头，用于获取机器人运动状态的视频信息并完成运动环境的三维重建；
激光雷达，用于发射探测信号和接收反射信号，并根据反射信号完成运动环境的三维重建；交互显示屏，用于进行人机交互。
5.根据权利要求3所述的一种机器人腿部动力控制系统，其特征在于，所述决策模块还包括：
GPS模块，用于获取机器人的位置信息；
光流分析模块，用于获取机器人周围物体的运动信息。
6.一种用于控制如权利要求1所述的机器人腿部动力系统的机器人腿部动力控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取环境信息；
提取所述环境信息的特征并建立环境模型；
根据所述环境模型以及预存地图信息生成运动指令；
根据所述运动指令生成对应步态的足端指令；
根据所述足端指令控制主腿和副腿完成对应步态动作；
所述运动指令包括路径规划以及落脚点的选择；
所述根据所述足端指令控制主腿和副腿完成对应步态动作。
7.根据权利要求6所述的一种机器人腿部动力控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
获取里程数据和位置信息；
根据所述里程数据和位置信息结合预存地图信息完成运动路线导航。
8.根据权利要求7所述的一种机器人腿部动力控制方法，其特征在于，所述根据所述运动指令生成对应步态的足端指令这一步骤，其具体包括：
根据所述路径规划以及落脚点选择确定运动期望以及落脚点信息；
通过陀螺仪获取当前姿态信息并进行稳定性检测；
根据所述运动期望、落脚点信息、姿态信息以及稳定性检测的结果建立运动轨迹方程；
根据所述运动轨迹方程生成对应步态的足端指令。
9.根据权利要求8所述的一种机器人腿部动力控制方法，其特征在于，所述根据所述运动指令生成对应步态的足端指令这一步骤，还包括以下步骤：
获取当前运动状态主腿和副腿的反馈信息；
根据所述反馈信息完成所述运动轨迹方程的优化。
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