CN208420348U - 一种足式机器人足端负载模拟系统 - Google Patents

Abstract

一种足式机器人足端负载模拟系统，包括两套液压驱动单元、切换加载装置、竖直移动装置、水平移动装置、固定装置。其中液压驱动单元提供负载模拟系统为移动提供动力。切换加载装置由足端连接件与足端固定座组成，当足端连接件与足端连接实现固连加载。当卸除足端连接件与足端固定座可实现无固连的加载效果。竖直移动装置由竖直移动上板、槽钢、竖直移动下板、LM光轴、直线滚珠导套、LM光轴支撑组成，竖直移动主要靠光轴在直线滚珠导套中的上下移动。水平移动装置由水平移动底板、滚珠滑块和水平移动导轨等组成，水平运动通过滚动滑块沿着水平移动导轨水平滑动。固定装置包括竖直缸尾固定座、滑轨、底板、膨胀螺栓等，起到一定固定支撑作用。

Description

一种足式机器人足端负载模拟系统

技术领域

本发明涉及一种足式机器人足端负载模拟系统，尤其涉及一种模拟足式机器人接触的不同环境结构的地面的负载模拟系统，属于模拟平台技术领域。

背景技术

近年来，随着国外军用足式机器人BigDog、PETMAN等的公开，我国也开始高度重视该类足式仿生机器人的研究。为了更好的在实验室中测试该类足式机器人的运动性能，足式机器人足端负载模拟系统不可或缺。

足式机器人整体的运动性能受每条腿的控制性能影响，而足式机器人腿部结构有不同型号、采用的控制方法也不尽相同，为了研究足式机器人单腿采用不同结构、控制方法对其性能的影响，评价其性能优良，需要进行大量实验，一般有两种方法：实物测试即足式机器人在不同结构的地面上实地进行行走、跑步等实验，这种方法实验效果受到多因素影响且造价较高；地面模拟即用通过地面模拟设备复现机器人单腿在运动过程中受到的来自地面的载荷，这种方法可靠性高且经济方便。因此为了能较为真实地模拟出室外不同环境结构的地面对机器人单腿控制的影响，有必要搭建负载模拟实验台，从而满足在实验室条件下进行的机器人单腿控制方法研究。

国内尚未查到针对足式机器人足端的负载模拟系统，已有的液压缸负载模拟装置(CN103775437A)为两缸通过拉压力传感器固连在一起，只能实现单方向的加载。电机/气液负载模拟器系统(CN103544872A)为利用气缸和液压缸串联利用曲柄摇杆机构对舵片进行加载，只能实现单方向的力加载。

本发明足式机器人足端负载模拟系统由两套液压驱动单元、切换加载装置、竖直移动装置、水平移动装置及固定装置等设备组成，竖直移动装置与水平移动装置都采用液压驱动单元来驱动进行上下左右运动，竖直移动装置固连着水平移动装置，可实现上下移动带动水平移动装置，左右移动带动竖直移动装置。切换加载装置可与足式机器人足端分离或固连在一起进行加载。这套系统就实现模拟不同接触面的要求。

发明内容：

(1)发明目的：

本发明的目的是提供一种足式机器人足端负载模拟系统，该系统可以实现水平和竖直方向的加载，并可与足式机器人足端分离进行加载或固连在一起进行加载。该系统主动加载可实现模拟多种不平度的路面或进行振动实验，被动加载可实现模拟不同刚度和阻尼的地面环境，如沙地、水泥地、沼泽地等。

(2)技术方案：

本发明为一种足式机器人足端负载模拟系统，主要包括两套液压驱动单元、切换加载装置、竖直移动装置、水平移动装置及固定装置。

切换加载装置使用时，连接竖直移动装置与足式机器人足端，使两者固连在一起进行加载，拆除切换加载装置，可使足式机器人足端分离进行加载。竖直运动装置与水平移动装置之间通过直线滚珠导套与光轴，使两者之间能产生竖直方向移动，液压驱动单元A两端分别连接竖直运动装置与水平移动装置，来驱动竖直移动装置的上下运动。水平移动装置与固定装置之间通过滚珠滑块及导轨，使两者之间能产生水平方向移动，液压驱动单元B两端分别连接水平移动装置与固定装置，来驱动水平移动装置的水平运动。通过控制两个液压驱动单元的运动，来实现对足式机器人足端的不同加载运动。

所述两套液压驱动单元是一种集成传感器的伺服阀控制液压缸的执行器。该部分包括油路连接块、流量伺服阀、位移传感器、力传感器、液压缸。位移传感器和力传感器能及时给控制器反馈信号。竖直方向的液压驱动单元分别与竖直运动装置和水平移动装置通过轴承连接一起，水平方向液压驱动单元分别与水平运动装置和固定移动装置通过轴承连接一起，正常工作状态，竖直方向液压驱动单元与竖直方向不会产生偏转，水平方向液压驱动单元与水平方向不会产生偏转。在此设计成轴承连接的结构，相比固连，该结构能防止由于加工误差导致液压驱动单元倾斜而产生的侧向力对液压缸的损害。

所述切换加载装置，包括足端固定座、足端连接件、固定轴、滚针轴承等。足端固定座通过螺栓固定在竖直移动上板，足端固定座通过滚针轴承、轴连接足端连接件，两者之间能产生转动。足端连接件可与足式机器人的足端结构件通过螺栓连接在一起，可对足式机器人施加竖直平面内的多种载荷。在拆除切换加载装置时，足式机器人足端接触到竖直运动上板，竖直运动上板可对足式机器人施加向上的载荷，不会产生两者固连作用的多余力，在模拟不同地面结构方面时控制更为方便。

所述竖直移动装置包括竖直运动上板、槽钢、竖直移动下板、直线滚珠导套、竖直缸端固定座等。竖直移动上板与槽钢、竖直缸端固定座通过螺栓固定在一起，槽钢与竖直移动下板通过螺栓固定在一起，直线滚珠导套与竖直运动下板通过螺栓固定在一起，竖直移动装置作为一个整体构件来运动。

所述水平移动装置包括光轴、光轴支撑、水平移动底板、滚珠滑块、竖直缸尾固定座等。光轴支撑与水平移动底板通过螺栓固定在一起，光轴插入光轴支撑，竖直缸尾固定座与水平移动底板通过螺栓固定在一起，滚珠滑块与水平移动底板通过螺栓固定在一起。

所述固定装置包括竖直缸尾固定座、滑轨、底板、膨胀螺栓等，竖直缸尾固定座与底板通过螺栓固定在一起，滑轨与底板通过螺栓连在一起。膨胀螺栓将底板固定在地面上。

该负载模拟平台做主动加载时，可进行位置加载和力加载。做位置加载时，两个液压驱动单元做位置控制，给定位移曲线信号给位移控制器，控制器输出控制信号控制伺服阀，伺服阀驱动液压缸运动，位移传感器反馈信号给位移控制器，做闭环控制。输入不同的位置曲线，可产生不同的位移加载工况。

做力加载时，两个液压驱动单元做力控制，给定力曲线信号给力控制器，控制器输出控制信号控制伺服阀，伺服阀驱动液压缸运动，力传感器反馈信号给力控制器，做闭环控制。输入不同的力信号曲线，可产生不同的力加载工况。

该负载模拟平台做被动加载时，不主动进行位置和力的加载。控制内环采用位置控制，给定一固定位置信号，作为初始位置。当腿足端对负载模拟平台作用时，力传感器检测到力，通过阻抗环节(期望的阻抗特性)，转换成期望的位移信号，位移信号输入到位置控制内环，做闭环控制，最终实现负载模拟平台模拟不同的阻抗特性，改变阻抗环节的参数，可实现模拟不同的地面特性(不同的地面特性对应不同的阻抗环节参数)。

本发明工况简介如下：

利用竖直移动装置和水平移动装置模拟不同的接触地面，通过切换加载装置连接足式机器人足端，使足式机器人足端可以在系统平台上运动调节。切换加载装置与足式机器人足端连接部分内部剖面图如图3所示。

1、竖直移动加载：竖直移动上板与竖直移动下板组合连接着直线滚珠导套， LM光轴穿过直线滚珠导套，LM光轴由LM光轴支撑固定。这样竖直移动上板与竖直移动下板组合件就可以随着LM光轴在直线滚珠导套上下移动，实现竖直移动加载。

2、水平移动加载：水平液压驱动单元连接着水平移动底板，水平移动底板与滚珠滑块及导轨组合，滚珠滑块可在水平移动导轨水平滑动，水平液压驱动单元带动水平移动底板与滚珠滑块组合件沿着导轨水平移动，实现水平移动加载。

3、消除固连加载：取出切换加载装置，使足式机器人直接接触系统竖直移动上板，这样就没有切换加载装置对足式机器人的固连影响作用，模拟没有固连时的工况，实现消除固连加载。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、可对足式机器人足端实现竖直方向和水平方向的加载。可实现对足式机器人足端的主动加载和被动加载。主动加载可实现模拟多种不平度的路面或进行振动实验，被动加载可实现模拟不同刚度和阻尼的地面环境，如沙地、水泥地、沼泽地等

2、竖直方向采用滚珠导套与光轴的结构、水平方向采用的滚珠滑块与滑轨的结构，精度较高，工作性能较为可靠。

3、足式机器人足端与负载模拟平台可固连在一起进行加载，或分离进行加载，加载方式可切换。

附图说明

图1是本发明的三维装配图；

图2是本发明竖直移动上板的剖面图；

图3是本发明足端连接件的剖面图；

图4是水平移动缸体连接件的剖面图；

图5是竖直缸尾连接件的剖面图；

图6是本发明的A向视图；

图1中：1-竖直移动上板、 2-热轧轻型槽钢 、3-内六角圆柱头螺钉M8×35 、4-Ι型六角螺母C级M8、 5-LM光轴、 6-直线滚珠导套、 7-竖直移动下板、 8-内六角圆柱头螺钉M6×25、 9-Ι型六角螺母C级M6 、10-LM光轴支撑 、11-内六角圆柱头螺钉M8×30、12-内六角圆柱头螺钉M12×45、 13-平垫圈C级12×2.5、14-水平移动底板、15-滚珠滑块及导轨、 16-内六角圆柱头螺钉M8×20、 17- 固定底板、 18-膨胀螺栓M16-50、 19-内六角沉头螺钉M8×30 、20-水平缸尾固定座、 21-液压驱动单元组件、 22-内六角圆柱头螺钉M3×12、 23-轴承端盖、24-无内圈滚针轴承、 25-足端连接件、26-内六角圆柱头螺钉M5×20、 27-缸端固定轴、28-竖直缸尾固定座 、29-内六角沉头螺钉M8×30 、30-缸尾固定轴、31-轴承限位套、 32-平垫圈C级14×2.5、 33-缸端固定座、 34-内六角圆柱头螺钉M8×25 、35-内六角圆柱头螺钉M8×25、 36-Ι型六角螺母C级M8 、37-足端固定座、 38-内六角圆柱头螺钉M8×35 、39-Ι型六角螺母C级 M8、 40-内六角沉头螺钉M8×30 、41-内六角沉头螺钉M8×30。

具体实施方式：

本发明是一种足式机器人足端负载模拟系统，它包括液压驱动单元、切换加载装置、竖直移动装置、水平移动装置及固定装置。液压驱动单元分为水平液压驱动单元组件和竖直液压驱动单元组件，切换加载装置由足端连接件25、足端固定轴27、无内圈滚针轴承24、轴承端盖23和足端固定座37等组成，竖直移动装置由竖直移动上板1、LM光轴5、直线滚珠导套6、LM光轴支撑10等组成，水平移动装置由水平移动底板14、滚珠滑块及导轨15等组成，固定装置包括水平缸尾固定座20、热轧轻型槽钢2、固定底板17、内六角圆柱头螺钉、六角螺母、膨胀螺栓M16-50等。它们之间位置连接关系是：足式机器人足端底部与本发明机构的切换加载装置的4个内六角圆柱头螺钉26配合连接，这样就建立了连接关系。足式机器人的运动将会跟随着模拟系统一起运动。在切换加载装置上有一个可以带动足式机器人足端进行角度方向旋转的足端连接件25，从图3可以看到足端连接件25与足端固定件37连接的剖面图，它们之间通过一个缸端固定轴27相互连接，缸端固定轴27两边的无内圈滚针轴承24可以减小缸端固定轴27的摩擦，这样足端连接件就可以绕着转轴做360度的旋转，可以带动足式机器人足端旋转。足端固定件使用四个螺栓将其固定在竖直移动上板1上，竖直移动上板1通过热轧轻型槽钢2与竖直移动下板7相互连接，竖直移动下板7与直线滚珠导套6通过螺栓连接，LM光轴5穿过直线滚珠导套6 在其进行上下移动，LM光轴5下端固定在LM光轴支撑10中，LM光轴支撑与水平移动底板14通过螺钉固定。水平移动底板14与水平液压驱动单元组件21通过螺钉相互连接，这样就可以实现水平液压驱动单元带动竖直移动下板水平移动。水平缸尾通过连接水平缸尾固定座20再与固定底板17连接。膨胀螺栓18 支撑固定底板17，起到支撑整个机构作用。

所述液压驱动单元是该系统的动力驱动装置，能把液压源的液压能转换为机械能，包括竖直移动液压缸和水平移动液压缸，为系统进行竖直移动及水平移动提供动力。可以执行主控制器的命令，控制调节平台竖直及水平移动速度，及反馈信号给主控制器。

所述切换加载装置是一套连接足式机器人足端的装置，包括足端连接件25、足端固定轴27、无内圈滚针轴承24、轴承端盖23和足端固定座37组成。足端连接件通过四个内六角圆柱头螺钉26与足式机器人足端进行连接，足端连接件 25与足端固定座37通过足端固定轴27和两个无内圈滚针轴承24连接在一起，这样足端连接件25就可以绕着转轴在足端固定座37上转动，这样就实现对足式机器人施加各个方向移动的作用效果。当拆除切换加载装置可直接将足式机器人足端与平台竖直移动上板接触，这样可以消除固连的作用力，实现模拟不同地面的效果。

所述竖直、水平移动装置是模拟地面不同效果的运动机构，其中竖直移动装置的竖直移动上板1和切换加载装置组合实现平面加载条件，竖直移动上板1 与竖直移动下板7组合，竖直移动下板7两边连接着直线滚珠导套6，LM光轴5 穿过直线滚珠导套6，在底部通过LM光轴支撑10固定，LM光轴支撑10再与水平移动底板14连接，这样就形成了一个完整的竖直移动机构，通过竖直液压驱动单元驱动，竖直移动上板1与竖直移动下板7就可以在上下移动。水平移动装置是通过水平移动底板14连接着滚珠滑块及导轨15，滚珠滑块与导轨相结合，再通过水平液压驱动单元连接水平移动底板14，这样就可以驱动水平移动底板 14沿着水平移动导轨水平移动，由于水平移动底板连接着竖直移动机构，这样水平移动同时竖直移动机构也会跟随水平移动。

所述固定装置是实现整个系统固定连接的构件组成，包括竖直、水平移动装置的固定螺栓、固定螺钉及固定座，切换加载装置的固定座，液压驱动单元的固定座，还有支撑整个机构的支撑杆。

Claims (1)

1.一种足式机器人足端负载模拟系统，主要包括两套液压驱动单元、切换加载装置、竖直移动装置、水平移动装置及固定装置，切换加载装置使用时，连接竖直移动装置与足式机器人足端，使两者固连在一起进行加载，拆除切换加载装置，可使足式机器人足端分离进行加载，竖直运动装置与水平移动装置之间通过直线滚珠导套与光轴，使两者之间能产生竖直方向移动，液压驱动单元A两端分别连接竖直运动装置与水平移动装置，来驱动竖直移动装置的上下运动，水平移动装置与固定装置之间通过滚珠滑块及导轨，使两者之间能产生水平方向移动，液压驱动单元B两端分别连接水平移动装置与固定装置，来驱动水平移动装置的水平运动，通过控制两个液压驱动单元的运动，来实现对足式机器人足端的不同加载运动，所述两套液压驱动单元是一种集成传感器的伺服阀控制液压缸的执行器，液压驱动单元包括油路连接块、流量伺服阀、位移传感器、力传感器、液压缸，位移传感器和力传感器能及时给控制器反馈信号，竖直方向的液压驱动单元分别与竖直运动装置和水平移动装置通过轴承连接一起，水平方向液压驱动单元分别与水平运动装置和固定移动装置通过轴承连接一起，正常工作状态，竖直方向液压驱动单元与竖直方向不会产生偏转，水平方向液压驱动单元与水平方向不会产生偏转，所述切换加载装置，包括足端固定座、足端连接件、固定轴、滚针轴承、轴承端盖，足端固定座通过螺栓固定在竖直移动上板，足端固定座通过滚针轴承、轴连接足端连接件，两者之间能产生转动，足端连接件可与足式机器人的足端结构件通过螺栓连接在一起，可对足式机器人施加竖直平面内的多种载荷，在拆除切换加载装置时，足式机器人足端接触到竖直运动上板，竖直运动上板可对足式机器人施加向上的载荷，不会产生两者固连作用的多余力，在模拟不同地面结构方面时控制更为方便，所述竖直移动装置包括竖直运动上板、槽钢、竖直移动下板、直线滚珠导套、竖直缸端固定座，竖直移动上板与槽钢、竖直缸端固定座通过螺栓固定在一起，槽钢与竖直移动下板通过螺栓固定在一起，直线滚珠导套与竖直运动下板通过螺栓固定在一起，竖直移动装置作为一个整体构件来运动，所述水平移动装置包括光轴、光轴支撑、水平移动底板、滚珠滑块，光轴支撑与水平移动底板通过螺栓固定在一起，光轴插入光轴支撑，滚珠滑块与水平移动底板通过螺栓固定在一起，所述固定装置包括竖直缸尾固定座、固定底板、滑轨、底板、膨胀螺栓，竖直缸尾固定座与固定底板通过螺栓固定在一起，滑轨与底板通过螺栓连在一起，膨胀螺栓将底板固定在地面上。