CN202815586U - 机器人单腿总成控制开发性能测试平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机器人单腿总成控制开发性能测试平台，该平台包括门式三坐标机械臂总成、机器人腿连接支架、Stewart平台、六维力传感器、机器人单腿总成、五维测力平台;所述Stewart平台内部集成伺服控制器、位移传感器；Stewart平台倒置安装在机器人腿支架的底座上，机器人单腿总成下方为中心的地面上安装五维测力平台，机器人腿连接支架通过机器人腿连接支架固定在门式三坐标机械臂总成的Z轴方向移动支撑架总成上。该测试平台适用于四足或多足液压驱动机器人仿生步态生成中单腿运动与快速步态控制，以及机器人载荷分配、控制力分配、单腿力反馈控制、“离散步态+连续力控制”姿态稳定控制多项控制策略的开发与研究。

Description

机器人单腿总成控制开发性能测试平台

技术领域

本实用新型涉及一种机器人关键单元的测试设备，尤其涉及一种机器人单腿总成控制开发性能测试平台。

背景技术

腿足机器人是一个串并联-多支链的非线性系统，其参数强时变。在动态步行时，机器人静不稳定，获取的地形信息存在不确定性。在动步态快速运动、地形变化和受到外界冲击时极易失稳。如何实现机器人在上述情况下的姿态稳定是四足仿生机器人研制的成败点。针对机器人-地面交互作用的瞬间性和用于交互作用研究的计算机视觉信息的不确定性特点，结合机器人对复杂环境的适应性要求，本实用新型首次提出一种机器人单腿总成控制开发性能测试平台，该测试平台适用于四足或多足液压驱动机器人仿生步态生成中单腿运动与快速步态控制，以及机器人载荷分配、控制力分配、单腿力反馈控制、“离散步态+连续力控制”姿态稳定控制等多项控制策略的开发与研究。

中国专利文献CN102556197A公开了“一种多足步行机器人单腿实验平台”，该单腿实验平台由单腿实验平台机械本体和单腿实验平台控制系统组成。单腿实验平台机械本体包括单腿实验平台框架、步行机器人单腿和实验平台高度调节装置。单腿实验平台框架由固定支架、滑动台和传感器安装板组组成。实验平台高度手动调节。两个高度传感器和一个水平位移传感器安装在实验平台框架上，测量机器人腿和实验平台框架的相对位置。力传感器安装在机器人小腿上，用于测量步行机器人单腿与地面之间的作用力。编码器测量机器人腿各个关节伺服电机的转动角度。该单腿实验平台可以获得实验平台的高度、步行机器人单腿在行进过程中臀部的高度变化曲线、步行机器人单腿的运动速度。可以获得机器人单腿与地面之间的作用力，由于机器人各关节伺服电机输出力没有对应传感器测量，所以该实验平台只能实现机器人位置控制策略的研究，以及基于足底力反馈的以位置控制系统作基础的阻抗控制的调试研究。该实验平台不能实现对地形的模拟，不能用于研究机器人载荷分配、控制力分配、“离散步态+连续力控制”姿态稳定控制等多项控制策略的开发与研究。

中国专利文献CN202188963U公开了“一种足式机器人行走能力试验装置”使用时，通过控制各个电机的转动，支撑架可以同时做出俯仰偏转和横滚偏转。转动机构固定在支撑架之上，也能够做出俯仰偏转和横滚偏转，实现对全地形的模拟。该足式机器人行走能力试验装置仅仅适用于机器人整机试验的地形模拟。不能直接刻画机器人与地面的交互，也不能用于机器人单腿测试。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了解决上述问题，针对机器人-地面交互作用的瞬间性和用于交互作用研究的计算机视觉信息的不确定性特点，结合机器人对复杂环境的适应性要求，提供一种机器人单腿总成控制开发性能测试平台，该测试平台适用于四足或多足液压驱动机器人仿生步态生成中单腿运动与快速步态控制，以及机器人载荷分配、控制力分配、单腿力反馈控制、“离散步态+连续力控制”姿态稳定控制等多项控制策略的开发与研究。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种机器人单腿总成控制开发性能测试平台，包括一个门式三坐标机械臂总成、一个机器人腿连接支架、一个Stewart平台、一个六维力传感器、一个五维测力平台;所述门式三坐标机械臂总成包含门式支撑架立柱、门式支撑架横梁、门式支撑架第一底座、门式支撑架第二底座、门式支撑架第一支耳、门式支撑架第二支耳，所述门式三坐标机械臂总成设置在X轴方向直线导轨上，所述机器人腿连接支架设置在门式三坐标机械臂总成的门式支撑架横梁上，所述Stewart平台倒置安装在机器人腿支架的底座上，所述六维力传感器安装在Stewart平台下表面与机器人单腿总成之间，机器人单腿总成下方为中心的地面上安装五维测力平台。

所述Stewart平台内部集成伺服控制器、位移传感器；所述Stewart平台能够提供空间六自由度运动，所述机器人腿连接支架通过机器人腿连接支架固定在门式三坐标机械臂总成的Z轴方向移动支撑架总成上。

所述门式三坐标机械臂总成包括一个X轴方向移动支撑架总成，一个Y轴方向移动支撑架总成，一个Z轴方向移动支撑架总成，第一伺服电机，第二伺服电机，第三伺服电机，第四伺服电机，所述第一、第二、第三、第四伺服电机都是自带连接法兰盘、内部集成编码器；第一伺服电机固定在与门式支撑架第二底座相连接的门式支撑架第二支耳上，第四伺服电机固定在与门式支撑架第一底座相连接的门式支撑架第一支耳上，门式支撑架第一底座固定在两个X轴方向移动滑块上，第二底座固定在另外两个X轴方向移动滑块上。每个底座与对应的两个滑块通过螺钉连接。

所述X轴方向移动支撑架总成包括两个X轴方向移动支撑架底座，两个X轴方向直线导轨，四个X轴方向移动滑块，两个直齿齿轮，两根直齿齿条；所述X轴方向移动支撑架总成的两个X轴方向移动支撑架底座平行，分别固定在地面上，两根X轴方向直线导轨分别固定在两个X轴方向移动支撑架底座上，每根X轴方向直线导轨上有两个与之配合的X轴方向移动滑块，两根直齿齿条分别与两根X轴方向直线导轨平行，也固定在X轴方向移动支撑架底座上，与齿条啮合的直齿齿轮分别与第一伺服电机和第四伺服电机相连。

所述Y轴方向移动支撑架总成包括门式支撑架第一底座，门式支撑架第一底座上设置用于支撑第一伺服电机的门式支撑架第一支耳，门式支撑架第二底座，门式支撑架第二底座上设置用于支撑第四伺服电机的门式支撑架第二支耳，两个门式支撑架立柱，两个门式支撑架横梁，一个Y轴方向移动联轴器，一个Y轴方向移动丝杠，四个Y轴方向移动滑块，两个X轴方向直线导轨；所述两根Y轴方向直线导轨分别固定在两根门式支撑架横梁上，每根直线导轨上有两个与之配合的Y轴方向移动滑块；第二伺服电机通过法兰盘安装在门式支撑架立柱上。Y轴方向移动丝杠与第二伺服电机通过Y轴方向移动联轴器连接，穿过固定在Z轴方向移动支撑架底座上的Y轴方向丝杠对应的螺母。

所述Z轴方向移动支撑架总成包括，一个Z轴方向移动支撑架底座，两个Z轴方向直线导轨，四个Z轴方向移动滑块，一个第三伺服电机支撑架，一个Z轴方向移动联轴器，一个Z轴方向丝杠，一个Y轴方向丝杠对应的螺母；所述Z轴方向移动支撑架底座与四个Y轴方向上移动滑块通过螺钉连接；两根Z轴方向直线导轨固定在Z轴方向移动支撑架底座上，每根Z轴方向直线导轨上有两个Z轴方向移动滑块；第三伺服电机通过法兰盘固定在第三伺服电机支撑架上；Z轴方向移动丝杠与第三伺服电机通过Z轴方向移动联轴器连接，穿过固定在机器人腿支架侧面支撑板的Z轴方向丝杠对应的螺母。机器人腿连接支架侧面支撑板固定在四个Z轴方向移动滑块上。

所述机器人腿连接支架包括，一个机器人腿连接支架底座，一个机器人腿连接支架侧面支撑板，一个Z轴方向丝杠对应的螺母；所述机器人腿连接支架底座与机器人腿连接支架侧面支撑板垂直。

所述机器人单腿总成包括，一个机器人腿连接架、一个机器人单腿的臀部、一个机器人大腿、一个机器人小腿、一个臀部液压伺服驱动器、一个大腿液压伺服驱动器、一个小腿液压伺服驱动器；所述机器人单腿连接架与机器人单腿的臀部之间通过臀部液压伺服驱动器连接，所述机器人单腿的臀部与机器人大腿之间通过大腿液压伺服驱动器连接，所述机器人大腿和机器人小腿之间通过小腿液压伺服驱动器连接。

所述液压伺服驱动器包括，一个活塞杆、一个力传感器、一个线位移传感器，一个电液伺服阀，一个液压缸；所述线位移传感器上设置液压缸，液压缸上设置电液伺服阀，液压缸和力传感器之间通过活塞杆连接。

本实用新型的优点：

（1）本实用新型提出的机器人单腿总成控制开发性能测试平台利用四个伺服电机驱动门式三坐标机械臂运动，模拟机器人躯干的运动，并将该运动信息传递给机器人腿总成。

（2）本实用新型提出的机器人单腿总成控制开发性能测试平台不直接构建地面，但是通过躯干位姿的控制，将地面信息融入到了机器人单腿总成的控制中。

（3）按照不同的试验目的设计控制策略，实现四足或多足机器人仿生步态生成中单腿运动与快速步态控制试验，以及机器人载荷分配、控制力分配、单腿力反馈控制、“离散步态+连续力控制”姿态稳定控制等试验。为机器人仿生步态规划、动态控制、液压腿足式机器人运动学和力学性能评价方法的研究提供试验手段。

附图说明

图1为机器人单腿总成控制开发性能测试平台示意图；

图2为门式三坐标机械臂总成示意图；

图3为门式三坐标机械臂X轴方向移动支撑架总成示意图；

图4为门式三坐标机械臂Y轴方向移动支撑架总成示意图；

图5为门式三坐标机械臂Z轴方向移动支撑架总成示意图；

图6为机器人腿支撑架示意图；

图7为机器人单腿总成示意图；

图8为本实用新型机器人单腿总成液压伺服油缸示意图。

图中：1.门式三坐标机械臂总成，2.机器人腿连接支架，3.Stewart平台，4.六维力传感器，5.机器人单腿总成，6.五维测力平台，7.X轴方向移动支撑架总成，8.第一伺服电机，9.第二伺服电机，10.第三伺服电机，11.Z轴方向移动支撑架总成，12.Y轴方向移动支撑架总成，13.第四伺服电机，14.X轴方向移动支撑架底座，15.X轴方向直线导轨，16.X轴方向移动滑块，17.直齿齿轮，18.直齿齿条，19.门式支撑架第一支耳，20.门式支撑架第一底座，21.门式支撑架第二底座，22.门式支撑架第二支耳，23.门式支撑架立柱，24.Y轴方向移动联轴器，25.Y向移动丝杠，26.Y轴方向移动滑块，27.门式支撑架横梁，28.Y轴方向直线导轨，29.Z轴方向直线导轨，30.Z轴方向移动滑块，31.第三伺服电机支撑架，32.Z轴方向移动联轴器，33.Z轴方向移动丝杠，34.Y轴方向丝杠对应的螺母，35.Z轴方向移动支撑架底座，36.机器人腿连接支架底座，37.机器人腿连接支架侧面支撑板，38.Z轴方向丝杠对应的螺母39.小腿液压伺服驱动器，40.大腿液压伺服驱动器，41.臀部液压伺服驱动器，42.机器人单腿连接架，43.机器人单腿的臀部，44.机器人大腿，45.机器人小腿，46.力传感器，47.活塞杆，48.线位移传感器，49.电液伺服阀。50.液压缸。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

一种机器人单腿总成控制开发性能测试平台包括，一个门式三坐标机械臂总成1、一个机器人腿连接支架2、一个Stewart平台3（内部集成伺服驱动器，位移传感器）、一个六维力传感器4、一个机器人单腿总成5、一个五维测力平台6。

所述门式三坐标机械臂总成1包括，一个X轴方向移动支撑架总成7，一个Y轴方向移动支撑架总成12，一个Z轴方向移动支撑架总成11，第一伺服电机8（自带连接法兰盘，内部集成编码器），第二伺服电机9（自带连接法兰盘，内部集成编码器），第三伺服电机10（自带连接法兰盘，内部集成编码器），第四伺服电机13（自带连接法兰盘，内部集成编码器）。

所述X轴方向移动支撑架总成7包括，两个X轴方向移动支撑架底座14，两个X轴方向直线导轨15，四个X轴方向移动滑块16，两个直齿齿轮17，两根直齿齿条18。

所述Y轴方向移动支撑架总成12包括，门式支撑架第一底座20，门式支撑架第一底座20上设置门式支撑架第一支耳19，门式支撑架第二底座21，门式支撑架第二底座21上设置门式支撑架第二支耳22，门式支撑架两个立柱23，两个门式支撑架横梁27，一个Y轴方向移动联轴器24，一个Y轴方向丝杠25，四个Y轴方向移动滑块26，两个Y轴方向直线导轨28。

所述Z轴方向移动支撑架总成11包括，一个Z轴方向移动支撑架底座35，两个Z轴方向直线导轨29，四个Z轴方向移动滑块30，一个第三伺服电机支撑架31，一个Z轴方向移动联轴器32，一个Z轴方向移动丝杠33，一个Y轴方向丝杠对应的螺母34。

所述机器人腿连接支架2包括，一个机器人腿连接支架底座36，一个机器人腿连接支架侧面支撑板37，一个Z轴方向丝杠对应的螺母38。

所述机器人单腿总成5包括，一个机器人腿单腿连接架42、一个机器人单腿的臀部43、一个机器人大腿44、一个机器人小腿45、一个臀部液压伺服驱动器41、一个大腿液压伺服驱动器40、一个小腿液压伺服驱动器39。

所述液压伺服驱动器包括，一个活塞杆47、一个力传感器46、一个线位移传感器48，一个电液伺服阀49，一个液压缸50。

门式三坐标机械臂1的两个X轴方向移动支撑架底座14平行，分别固定在地面上，两根X轴方向直线导轨15分别固定在两个X轴方向移动支撑架底座14上。每根X轴方向直线导轨15上有两个与之配合的X轴方向移动滑块16。两根直齿齿条18分别与两根X轴方向直线导轨15平行，也固定在X轴方向移动支撑架底座14上。与直齿齿条18啮合的直齿齿轮17分别与第一伺服电机8和第四伺服电机13相连，第一伺服电机8固定在门式支撑架第二支耳22上，第四伺服电机13固定在门式支撑架第一支耳19上，门式三坐标机械臂总成1的X轴方向移动支撑架底座20固定在两个X轴方向移动滑块16上，门式支撑架第二底座21固定在X轴方向移动的另外两个X轴方向移动滑块16上。每个门式支撑架底座与对应的两个移动滑块通过螺钉连接。

Y轴方向的两根直线导轨28分别固定在两根门式支撑架横梁27上。每根Y轴方向直线导轨28上有两个与之配合的Y轴方向移动滑块26。第二伺服电机9通过法兰盘安装在门式支撑架立柱23上。Y轴方向移动丝杠25与第二伺服电机9通过Y轴方向移动联轴器24连接，穿过固定在Z轴方向移动支撑架底座35上的Y轴方向丝杠对应的螺母34。Z轴方向移动支撑架底座35与四个Z轴方向移动滑块30通过螺钉连接。两根Z轴方向直线导轨29固定在Z轴方向移动支撑架底座35上，每根Z轴方向直线导轨29上有两个Z轴方向移动滑块30。第三伺服电机10通过法兰盘固定在第三伺服电机支撑架31上。Z轴方向移动丝杠33与第三伺服电机10通过Z轴方向移动联轴器32连接，穿过固定在机器人腿连接支架侧面支撑板37的Z轴方向丝杠对应的螺母38。机器人腿连接支架侧面支撑板37固定在四个Z轴方向移动滑块30上。能够提供空间六自由度运动的Stewart平台3倒置安装在机器人腿支架底座36上。六维力传感器4安装在Stewart平台3上表面与机器人单腿连接架42之间。机器人单腿总成5下方为中心的地面上安装五维测力平台6。

机器人单腿总成控制开发性能测试平台工作时，门式三坐标机械臂总成1第一伺服电机8和第四伺服电机13驱输出轴分别驱动与其相连的直齿齿轮17与固定在X轴方向移动支撑架底座14上直齿齿条18啮合传动，其中，第一伺服电机8和第四伺服电机13同步，伺服电机编码器测量信息传递给伺服控制器，形成机器人单腿总成5的X轴方向运动闭环控制。

当第一伺服电机8与第四伺服电机13不同步时，门式支撑架横梁27受剪切力，实验平台受力不合理。第二伺服电机9输出轴带动Y轴方向移动联轴器24、Y轴方向移动丝杠25，与Y轴方向丝杠对应的螺母34带动Z轴方向移动支撑架总成11、机器人腿连接支架2、Stewart平台3、六维力传感器4、机器单人腿总成5，沿着Y轴方向移动。第二伺服电机编码器测量信息传递给伺服控制器，形成机器人腿总成Y轴方向运动闭环控制。

第三伺服电机10输出轴带动Z轴方向移动联轴器32、Z轴方向移动丝杠33转动，与Z轴方向移动丝杠33配合的Z轴方向丝杠对应的螺母38带动机器人腿连接支架2、Stewart平台3、六维力传感器4、机器单人腿总成5沿着Z轴方向移动。第三伺服电机10的编码器测量信息传递给伺服控制器，形成机器人腿总成5的Z轴方向运动闭环控制。

门式三坐标机械臂总成1的运动模拟多足机器人躯干的运动，多足机器人躯干的运动信息间接反馈了地面信息，躯干的运动信息经由Stewart平台3、六维力传感器4传递给机器人单腿总成5。

Stewart平台3模拟机器人躯干分配给机器人单腿总成5的位姿信息，经由六维力传感器4传递给机器人腿总成5，机器人腿各关节伺服驱动器按照预先设置的控制策略运动，Stewart平台3位移传感器测量信息、机器人腿各伺服驱动器的线位移传感器48测量信息与五维测力平台6测量信息反馈给伺服控制系统，进行基于位置的阻抗控制，或者PD控制策略的调试研究。

Stewart平台3模拟机器人躯干分配给机器人单腿总成5的力及姿态信息，经由六维力传感器4传递给机器人腿总成5，机器人腿各关节伺服驱动器按照预先设置的控制策略运动，六维力传感器测量信息4、机器人腿各伺服驱动器力传感器46测量信息与五维测力平台6测量信息反馈给伺服控制系统，进行基于模型的力控制。或者结合Stewart平台3位移传感器测量信息，伺服驱动器位移传感器48测量信息，进行力位混合控制的研究。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种机器人单腿总成控制开发性能测试平台，其特征是，包括一个门式三坐标机械臂总成、一个机器人腿连接支架、一个Stewart平台、一个六维力传感器、一个五维测力平台;所述机器人腿连接支架滑动设置在门式三坐标机械臂总成上，所述Stewart平台倒置安装在机器人腿连接支架的底座下表面上，所述六维力传感器安装在Stewart平台下表面上，与六维力传感器相对应的地面上安装有五维测力平台。

2.如权利要求1所述的一种机器人单腿总成控制开发性能测试平台，其特征是，所述Stewart平台内部集成伺服控制器、位移传感器；所述Stewart平台能够提供空间六自由度运动；所述门式三坐标机械臂总成包括两个门式支撑架立柱，两个门式支撑架立柱上部通过门式支撑架横梁相连，两门式支撑架立柱下端分别设置有门式支撑架第一、第二底座，门式支撑架的第一、第二底座上分别设置有门式支撑架第一、第二支耳。

3.如权利要求2所述的一种机器人单腿总成控制开发性能测试平台，其特征是，所述门式三坐标机械臂总成还包括两个X轴方向移动支撑架总成，一个Y轴方向移动支撑架总成，一个Z轴方向移动支撑架总成，所述两个门式支撑架第一、第二底座分别滑动设置于两个X轴方向移动支撑架总成上，所述Y轴方向移动支撑架总成设置于门式支撑架横梁上，所述Z轴方向移动支撑架总成滑动设置于Y轴方向移动支撑架总成上；所述机器人腿连接支架滑动设置于的Z轴方向移动支撑架总成上。

4.如权利要求3所述的一种机器人单腿总成控制开发性能测试平台，其特征是，所述每个X轴方向移动支撑架总成均包括一个X轴方向移动支撑架底座，一个X轴方向直线导轨，两个X轴方向移动滑块，一个直齿齿轮，一根直齿齿条；所述两个X轴方向移动支撑架底座平行设置，分别固定在地面上，X轴方向直线导轨固定在X轴方向移动支撑架底座上，每根X轴方向直线导轨上有两个与之配合的X轴方向移动滑块，每两个X轴方向移动滑块分别对应固定安装于门式支撑架第一、第二底座上；直齿齿条与X轴方向直线导轨平行，也固定在X轴方向移动支撑架底座上，与齿条啮合的直齿齿轮分别与第一伺服电机和第四伺服电机相连；第一伺服电机和第四伺服电机分别设置于门式支撑架第一、第二支耳上。

5.如权利要求3所述的一种机器人单腿总成控制开发性能测试平台，其特征是，所述Y轴方向移动支撑架总成包括设置于个门式支撑架横梁上的一个Y轴方向移动丝杠和两个Y轴方向直线导轨，一个Y轴方向移动联轴器，四个Y轴方向移动滑块，两个Y轴方向直线导轨；所述门式支撑架横梁成口字型，Y轴方向移动丝杠位于门式支撑架横梁的中心空腔内，两个Y轴方向直线导轨分别平行设置于门式支撑架横梁的上下侧边上；每根直线导轨上有两个与之配合的Y轴方向移动滑块，Y轴方向移动滑块固定安装于Z轴方向移动支撑架上；第二伺服电机通过法兰盘安装在门式支撑架立柱上；Y轴方向移动丝杠与第二伺服电机通过Y轴方向移动联轴器连接，Z轴方向移动支撑架通过其底部的螺母旋于Y轴方向移动丝杠上。

6.如权利要求3所述的一种机器人单腿总成控制开发性能测试平台，其特征是，所述Z轴方向移动支撑架总成包括一个Z轴方向移动支撑架底座，两个Z轴方向直线导轨，四个Z轴方向移动滑块，一个第三伺服电机支撑架，一个Z轴方向移动联轴器，一个Z轴方向移动丝杠；所述Z轴方向移动支撑架底座与四个Y轴方向移动滑块通过螺钉连接；两根Z轴方向直线导轨固定在Z轴方向移动支撑架底座上，每根Z轴方向直线导轨上有两个Z轴方向移动滑块，Z轴方向移动滑块固定安装于机器人腿连接支架上；第三伺服电机通过法兰盘固定在第三伺服电机支撑架上，第三伺服电机支撑架固定于Z轴方向移动支撑架底座上；Z轴方向移动丝杠与第三伺服电机通过Z轴方向移动联轴器连接，机器人腿连接支架通过其底部设置的螺母旋于Z轴方向移动丝杠上。

7.如权利要求6所述的一种机器人单腿总成控制开发性能测试平台，其特征是，所述机器人腿连接支架包括一个机器人腿连接支架底座，一个机器人腿连接支架侧面支撑板；所述机器人腿连接支架底座与机器人腿连接支架侧面支撑板垂直连接；所述机器人腿连接支架侧面支撑板背面上设有一个能够旋于Z轴方向移动丝杠上的螺母，以及能够沿Z轴方向直线导轨移动的Z轴方向移动滑块。

Images