CN111891248B - 一种多足步行机器人及其控制方法与结构改进的足端机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多足步行机器人及其控制方法与结构改进的足端机构，属于机器人技术领域。足端机构包括固定支架及固设在固定支架上的液压缸，在液压缸的阀杆输出端上固设有触地足端；液压缸位于其活塞背离触地足端的一侧的油腔的油口上连接有复位蓄能器，及用于调节油口的出油阻尼的可调阻尼器；复位蓄能器的预充压力可调，用于迫使触地足端在触地抬起后的弹性复位。该经结构改进之后的足端机构，能有效地减少触地时所产生的碰撞震荡，且可通过压力传感器检测足端的输出力与着地判断，可广泛应用于机器人技术领域中。

Description

一种多足步行机器人及其控制方法与结构改进的足端机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体地说，涉及一种多足步行机器人、用于构建该多足步行机器人的足端机构及该多足步行机器人的控制方法。

背景技术

移动机器人作为一种发展较为成熟的机器人，被广泛应用于危险性大且劳动强度高的军事工业、抢险救灾等领域，不仅可以降低人类的工作强度，且可以替人类完成危险的工作，按照论文《多足步行机器人液压控制系统研究现状与发展趋势》中对当前机器人的分类，其移动方式主要有轮式、履带式、足式、蠕动式及混合式等；相较于其他移动方法，多足步行机器人能在行走过程中仅需离散的落足点，且能像多足步行动物一样行走于具有障碍物的路面上；但其在崎岖复杂的地面上行走的过程中，硬质金属足端会与地面发生冲击力较大的碰撞，导致该步行机器人的机体在行走过程中产生剧烈震荡，机器人运动稳定性降低，传感器测量精度下降，及机器人零件连接不紧固。

为了解决上述问题，通常为采用弹簧减震结构构建该多足步行机器人的足端机构，例如公开号为CN109774814A的专利文献所公开的能实现触地反馈的多足步行机器人足部结构，具体为结构为包括外壳体及安装在该外壳体内的微动开关、导杆和半球足端，半球足端固定在导杆的下端部上是，利用套装在该导杆外的压缩弹簧而提供足端触地缓冲力而降低触地冲击力，且利用微动开关构建触地行走的反馈传感器，以能对其姿态进行调整，且成本较低，但在使用过程中仍存在以下不足之处：(1)限于弹簧的安装空间大小，弹簧刚度有限，导致足端压缩行程受到限制；(2)通常足端压缩时只能输出弹性力，无法输出与速度相关的阻尼力；(3)弹簧刚度固定，无法针对机器人所面对的不同环境做出调整。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种多足步行机器人的控制方法，以能在行走过程中至少能对其触地阻尼进行调节，能有效地减少触地时所产生的碰撞震荡，且可通过压力传感器检测足端的输出力与着地判断；

本发明的另一目的是提供一种多足步行机器人使用的足端机构，以能对触地刚度与触地阻尼进行调节，从而能够适应更多的使用环境；

本发明的再一目的是提供一种以上述足端机构所构建的多足步行机器人。

为了实现上述主要目的，本发明提供的控制方法用于控制多足步行机器人，该多足步行机器人包多躯体及机械腿，该机械腿包括小腿杆及固设在小腿杆上的足端机构；其特征在于，足端机构包括固定支架及固设在固定支架上的液压缸，在液压缸的阀杆输出端上固设有触地足端；液压缸位于其活塞背离触地足端的一侧的油腔的油口上连接有复位蓄能器，及用于调节油口的出油阻尼的可调阻尼器；复位蓄能器的预充压力可调，用于迫使触地足端在触地抬起后的弹性复位；该控制方法包括以下步骤：

第一触地控制步骤，当压力传感器的检测信号表征触地足端触地且压力变化速率超过第一预设阈值时，至少控制可调阻尼器减小油口的出口阻尼；压力传感器用于检测复位蓄能器和/或油腔的压力；

第二触地控制步骤，当压力传感器的检测信号表征触地足端触地且压力变化速率小于第二预设阈值时，至少控制可调阻尼器增大油口的出口阻尼；第二预设阈值小于等于第一预设阈值。

在上述技术方案的足端机构中，其基于由液压缸与复位蓄能器配合，不仅能有效地减少触地时所产生的碰撞震荡，且可根据压力传感器的压力数据，不仅能对输出力进行监测，且能根据压力变化速率而对其着地环境进行判断，从而至少通过对其油口出油阻尼进行调节，而能更好地适应不同的着地环境。

具体的方案为在第一触地控制步骤中，出口阻尼的减小量与压力变化速率为正相关关系；在第二触地控制步骤中，出口阻尼的增加量与压力变化速率为负相关关系。该技术方案更能适配不同的着地环境。

优选的方案为躯体上布设有用于增加复位蓄能器的预压力的压力源；在第一触地控制步骤中，控制复位蓄能器放气而降低其预压力，且预压力的减小量与压力变化速率为正相关关系；在第二触地控制步骤中，控制压力源向复位蓄能器充气而增大其预压力，且预压力的增加量与压力变化速率为负相关关系。该技术方案进一步地在使用过程中适配着地环境。

优选的方案为液压缸为单作用液压缸，可调阻尼器串联在油口与复位蓄能器的油口之间。该技术方案的结构简单。

优选的方案为液压缸为双作用液压缸，双作用液压缸的无杆油腔的油口与复位蓄能器的油口连通，可调阻尼器串联在无杆油腔的油口与双作用液压缸的有杆油腔的油口之间。

优选的方案为固定支架包括套装在液压缸外并对其进行固定的外壳体，及固设在外壳体远离触地足端的侧端部上的阀块体；触地足端包括用于与活塞杆固连的连接杆，及相对连接杆呈膨胀状的球面触地结构；连接杆由固设在外壳体上的直线轴承导向；阀块体的顶端侧面上布设有用于连接复位蓄能器与压力传感器的顶侧接头孔，低端侧面上布设有用于安装中转接头的底侧接头孔，及体内布设有用于连通顶侧接头孔与底侧接头孔的体内连通孔；在体的侧面上布设有连通导孔及安装孔；连通导孔用于连通两个顶侧接头孔，以使压力传感器用于检测复位蓄能器的油口处的液压压力，并在连通导孔的侧面端口上固设有封孔堵头；安装孔与体内连通孔贯通，可调阻尼器包括安装在安装孔内的阀芯，用于调节体内连通孔的通油量大小。

为了实现上述另一目的，本发明提供的足端机构包括固定支架及固设在固定支架上的液压缸，在液压缸的阀杆输出端上固设有触地足端；液压缸位于其活塞背离触地足端的一侧的油腔的油口上连接有复位蓄能器，及用于调节油口的出油阻尼的可调阻尼器；复位蓄能器的预充压力可调，用于迫使触地足端在触地抬起后的弹性复位。

具体的方案为液压缸为单作用液压缸，可调阻尼器串联在油口与复位蓄能器的油口之间。

具体的方案为液压缸为双作用液压缸，双作用液压缸的无杆油腔的油口与复位蓄能器的油口连通，可调阻尼器串联在无杆油腔的油口与双作用液压缸的有杆油腔的油口之间。

优选的方案为固定支架包括套装在液压缸外并对其进行固定的外壳体，及固设在外壳体远离触地足端的侧端部上的阀块体；触地足端包括用于与活塞杆固连的连接杆，及相对连接杆呈膨胀状的球面触地结构；连接杆由固设在外壳体上的直线轴承导向；阀块体的顶端侧面上布设有用于连接复位蓄能器与压力传感器的顶侧接头孔，低端侧面上布设有用于安装中转接头的底侧接头孔，及体内布设有用于连通顶侧接头孔与底侧接头孔的体内连通孔；在体的侧面上布设有连通导孔及安装孔；连通导孔用于连通两个顶侧接头孔，以使压力传感器用于检测复位蓄能器的油口处的液压压力，并在连通导孔的侧面端口上固设有封孔堵头；安装孔与体内连通孔贯通，可调阻尼器包括安装在安装孔内的阀芯，用于调节体内连通孔的通油量大小。

为了实现上述再一目的，本发明提供的多足步行机器人包括躯体及机械腿，机械腿包括小腿杆及固设在小腿杆上的足端机构；其中，足端机构为前述任一技术方案所描述的足端机构。

附图说明

图1为本发明实施例1中足端机构的上侧视角下的立体图；

图2为本发明实施例1中足端机构的下侧视角下的立体图；

图3为本发明实施例1中足端机构的结构分解图；

图4为本发明实施例1中阀块体内部油路结构示意图；

图5为本发明实施例1中控制方法的工作流程图；

图6为本发明实施例1中足端机构的液压回路的结构示意图；

图7为本发明实施例2中足端机构的液压回路的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

本发明的主要构思是对多足步行机器人的足端机构的结构与在触地前后对足端机构的控制方法进行改进，以能有效地减少足端在触地碰撞所产生的震荡的同时，具有可调的触地接触刚度与触地接触阻尼，以能根据其行走环境进行改进，对于多足步行机器人其他部分的结构参照现有产品进行设计。

实施例1

本发明多足步行机器人包括控制单元、躯体、液压机械腿及液压系统；其中，液压机械腿采用现有技术的结构进行构建，具体包括腿杆组件及用于控制该腿杆组件屈伸的液压执行器，腿杆组件包括大腿杆、小腿杆及固设在该小腿杆末端部上的足端机构；液压系统包括油液供给单元及控制阀组件；控制单元包括处理器与存储器，在存储器内存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，能够基于所接受的控制指令及安装在躯体与液压机械腿上的传感器所发送的检测数据，控制液压系统工作，而驱使液压执行器执行伸缩动作，从而控制腿杆组件在支撑态与摆动态之间切换位姿。

参见图1至图4及图6，足端机构1包括液压缸10、外壳体11、阀块体2、复位蓄能器12、压力传感器13、可调阻尼器14、直线轴承15及触地足端3；在本实施例中，液压缸10为单作用液压缸，即只有无杆油腔100内充有液压油；外壳体11套装在液压缸10外并对其进行固定；在无杆油腔100的油口101与复位蓄能器12的油口之间的油路上串联有可调阻尼器14，用于调节油口101的出油阻尼；复位蓄能器12的预充压力可调，用于迫使触地足端在触地抬起后的弹性复位，具体为该复位蓄能器12包括硬质外壳体及套装在该外壳体内的内油囊，在外壳体与内油囊之间充有预定压力气体，从而在工作过程中，可对内油囊输入液压油而使预压力增加，从而利用其驱使无外力作用的液压缸10的活塞复位。触地足端3包括用于与活塞杆108固连的连接杆30，及相对连接杆30呈膨胀状的球面触地结构31。在本实施例中，复位蓄能器12的油口与无杆油腔100的油口101连通，即液压缸10位于其活塞103背离触地足端3的一侧的油腔100的油口101上连接有复位蓄能器12。

外壳体11与阀块体2一起构成本实施例中的固定支架，且阀块体2固设在外壳体11远离触地足端3的侧端部上，即在本实施例中，液压缸10、复位蓄能器12及压力传感器13均布设在该固定支架上，连接杆30由固设在外壳体11上的直线轴承15导向。

在阀块体2的顶端侧面上布设有用于连接复位蓄能器12的顶侧接头孔20与用于连接压力传感器13的顶侧接头孔21，低端侧面上布设有用于安装中转接头的底侧接头孔22，及体内布设有用于连通顶侧接头孔20与底侧接头孔22的体内连通孔23；在体的侧面上布设有连通导孔24及安装孔25；连通导孔24用于连通顶侧接头孔20与顶侧接头孔21，以使压力传感器13用于检测复位蓄能器12的油口处的液压压力，并在连通导孔24的侧面端口上固设有封孔堵头28；安装孔25与体内连通孔23贯通，可调阻尼器14包括安装孔25及安装在该安装孔25内的阀芯140，二者间由螺纹结构可转动的连接，从而可通过调节阀芯140旋入体内连通孔23内的量而改变体内连通孔23有效通油孔径的大小，从而用于调节体内连通孔23的通油量大小。连接于底侧接头孔22上的中转接头与液压缸10的油口101连通。

在工作过程中，触地足端3压缩时油液从液压缸10的无杆油腔100通过可调阻尼孔而流入复位蓄能器12，该可调阻尼孔由体内连通孔23构建，其在阀块体2的内部，通过阀芯140调节阻尼孔大小；当步行机器人工作于不同环境时，前述足端机构1可改变与地面接触阻抗，调节蓄能器预充气压力而可调节接触刚度和足端预压缩力，及通过调节可调阻尼器14而改变阀块中阻尼孔大小，而调节接触阻尼。对于阻尼与刚度的调节，可以为在每种环境中，事先人工进行调节，优点是无需在机器人上设备气压源而减轻负载；也可以设置成自动调节，从而可以在行走过程中，自适应地调节触地刚度与触地阻尼。

如图5所示，基于上述对足端机构1的结构进行改进后，该多足步行机器人在步行过程中，对其足端机构1的触地过程的控制方法包括第一触地控制步骤S1与第二触地控制步骤S2，即处理器执行存储在存储器内的计算机程序，能够实现该两个步骤，具体过程如下：

第一触地控制步骤S1，当压力传感器13的检测信号表征触地足端触地且压力变化速率超过第一预设阈值时，至少控制可调阻尼器14减小油口101的出口阻尼。

当触地足端3触地时，会压缩液压缸10的活塞杆而使无杆油腔100内压力变大，即也使蓄能器12内的压力变大，且复位蓄能器12的油液压力会出现峰值，从而可基于压力传感器13的检测数据变大而判断此时触地足端3为触地下压状态；若检测到压力数据由较大数值减小，则为抬腿离地动作，因此，该压力传感器13可以作为足端触地检测。

此外，在工作过程中，触地足端3的压缩量越大，则液压缸10所输出的力越大，接触刚度越大；触地足端3的压缩速度越快，则液压缸10所受阻尼力越大，接触阻尼越大，从而能够更好对触地环境进行自适应调整。

并在该第一触地控制步骤S1中，油口101的出口阻尼的减小量与压力变化速率为正相关关系。由于压力变化速率越大，则表明触地足端3在同样的下压速度的前提下，其所触地环境较硬，从而会产生较大的震动，因此减小油口101的出口阻尼而可缓冲该碰撞震荡。

第二触地控制步骤S2，当压力传感器13的检测信号表征触地足端触地且压力变化速率小于第二预设阈值时，至少控制可调阻尼器14增大油口101的出口阻尼；第二预设阈值小于等于第一预设阈值。

在该第二触地控制步骤S2中，出口阻尼的增加量与压力变化速率为负相关关系。由于压力变化速率越小，则表明触地足端3在同样的下压速度的前提下，其所触地环境较软，从而会产生较大下沉变化，此时，机械腿不应下压太快，否则容易引起躯体失衡，因此增大油口101的出口阻尼而可缓冲较软环境中的步行。

在本实施例中，为了提高抬脚过程中触地足端31在复位蓄能器12的压力作用下的复位速度，可以通过调节可调阻尼器14至阻尼最小位置，并在完成复位之后，调节至预设值处。在本实施例中，第一预设阈值与第二预设阈值的设置，根据实际检测行走环境进行设置。对于第一预设阈值大于第二预设阈值的设置情况，若压力变化率在二者之间，则出口阻尼维持在默认设置值，该默认设置值为事先根据整体行走环境内平均触地硬度值进行设置，也可以使根据不同触地环境硬度值与相关阻尼的对应关系表，取整体环境抽样值的中间值所对应的阻尼数据。

实施例2

作为对本发明实施例2的说明，以下仅对与上述实施例1的不同之处进行说明。

如图7所示，在足端机构1上，其液压缸10为双作用液压缸，双作用液压缸的无杆油腔100的油口101与复位蓄能器12的油口连通，可调阻尼器14串联在无杆油腔100的油口101与双作用液压缸的有杆油腔107的油口108之间。

在工作过程中，双作用液压缸采用差动的连接方式，从而可利用可调阻尼器14调节无杆油腔100在触地足端3下压时的出口阻尼，在足端压缩时油液从液压缸10的无杆腔100通过可调阻尼孔流入有杆腔107和蓄能器12。

实施例3

作为对本发明实施例3的说明，以下仅对与上述实施例1的不同之处进行说明。

对于触地检测与触地压力变化速率，还可采用用于检测无杆油腔压力的压力传感器所输出的检测数据进行计算表征。

实施例4

作为对本发明实施例4的说明，以下仅对与上述实施例1的不同之处进行说明。

在本实施例中，通过在步行机器人的躯体上布设有用于增加复位蓄能器的预压力的压力源；且在第一触地控制步骤S1中，控制复位蓄能器放气而降低其预压力，且预压力的减小量与压力变化速率为正相关关系；在第二触地控制步骤中，控制压力源向复位蓄能器充气而增大其预压力，且预压力的增加量与压力变化速率为负相关关系。从而可在行走过程中，根据触地环境的硬度变化而调整其触地刚度与触地阻尼。

在本实施例中，对于第一预设阈值与第二预设阈值的设置，为综合考虑整体行走环境下的默认阻尼值与默认刚度值进行设置，并根据实际检测需要对二者设置不同的权重。

与现有技术相比，上述实施例能带来以下效果：

本发明与现有技术相比，主要优点包括：

(1)与地面接触时具有阻抗特性，可以有效地减少碰撞时产生的震荡，保证机器人机体的稳定性和运动平稳性。

(2)具有可调的接触刚度和接触阻尼，可根据机器人所处工作环境即时做出调整。

(3)相比于弹簧形式的步行机器人足端可以设置更大的接触刚度和接触阻尼。

(4)可根据压力传感器测量足端输出力，并可以更快速的检测足端着地时刻。

Claims (6)

1.一种多足步行机器人的控制方法，所述多足步行机器人包括躯体及机械腿，所述机械腿包括小腿杆及固设在所述小腿杆上的足端机构；其特征在于，所述足端机构包括固定支架及固设在所述固定支架上的液压缸，在所述液压缸的阀杆输出端上固设有触地足端；所述液压缸位于其活塞背离所述触地足端的一侧的油腔的油口上连接有复位蓄能器，及用于调节所述油口的出油阻尼的可调阻尼器；所述复位蓄能器的预充压力可调，用于迫使所述触地足端在触地抬起后的弹性复位；所述控制方法包括以下步骤：

第一触地控制步骤，当压力传感器的检测信号表征所述触地足端触地且压力变化速率超过第一预设阈值时，至少控制所述可调阻尼器减小所述油口的出口阻尼；所述压力传感器用于检测所述复位蓄能器和/或所述油腔的压力；

第二触地控制步骤，当所述压力传感器的检测信号表征所述触地足端触地且压力变化速率小于第二预设阈值时，至少控制所述可调阻尼器增大所述油口的出口阻尼；所述第二预设阈值小于等于所述第一预设阈值。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：

在所述第一触地控制步骤中，所述出口阻尼的减小量与所述压力变化速率为正相关关系；在所述第二触地控制步骤中，所述出口阻尼的增加量与所述压力变化速率为负相关关系。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于：

所述躯体上布设有用于增加所述复位蓄能器的预压力的压力源；在第一触地控制步骤中，控制所述复位蓄能器放气而降低其预压力，且所述预压力的减小量与所述压力变化速率为正相关关系；在第二触地控制步骤中，控制所述压力源向复位蓄能器充气而增大其预压力，且所述预压力的增加量与所述压力变化速率为负相关关系。

4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：

所述躯体上布设有用于增加所述复位蓄能器的预压力的压力源；在第一触地控制步骤中，控制所述复位蓄能器放气而降低其预压力，且所述预压力的减小量与所述压力变化速率为正相关关系；在第二触地控制步骤中，控制所述压力源向复位蓄能器充气而增大其预压力，且所述预压力的增加量与所述压力变化速率为负相关关系。

5.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的控制方法，其特征在于：

所述液压缸为单作用液压缸，所述可调阻尼器串联在所述油口与所述复位蓄能器的油口之间；或，

所述液压缸为双作用液压缸，所述双作用液压缸的无杆油腔的油口与所述复位蓄能器的油口连通，所述可调阻尼器串联在所述无杆油腔的油口与所述双作用液压缸的有杆油腔的油口之间。

6.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的控制方法，其特征在于：

所述固定支架包括套装在所述液压缸外并对其进行固定的外壳体，及固设在所述外壳体远离所述触地足端的侧端部上的阀块体；所述触地足端包括用于与所述液压缸的活塞杆固连的连接杆，及相对所述连接杆呈膨胀状的球面触地结构；所述连接杆由固设在所述外壳体上的直线轴承导向；所述阀块体的顶端侧面上布设有用于连接所述复位蓄能器与所述压力传感器的顶侧接头孔，低端侧面上布设有用于安装中转接头的底侧接头孔，及体内布设有用于连通所述顶侧接头孔与所述底侧接头孔的体内连通孔；所述中转接头与所述液压缸的油口连通；在所述体的侧面上布设有连通导孔及安装孔；所述连通导孔用于连通两个顶侧接头孔，以使所述压力传感器用于检测所述复位蓄能器的油口处的液压压力，并在所述连通导孔的侧面端口上固设有封孔堵头；所述安装孔与所述体内连通孔贯通，所述可调阻尼器包括安装在所述安装孔内的阀芯，用于调节所述体内连通孔的通油量大小。

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