一种两级减振踝足一体并联低冲击行走足机构及控制方法与流程

本发明涉及一种两级减振踝足一体并联低冲击行走足机构及控制方法。

背景技术：

足式机器人的移动行为具有非连续支撑的特点，使其能够跨越障碍、沟壑，适应各种崎岖的地面环境，具有非常强的地形适应性，是轮式、履带式装备不可达地形的最佳装备形式。足式机器人在行走过程中频繁的发生着足端与接触地面的碰撞，足端的有效负载在支撑相和摆动相时相差极为悬殊，更为重要的是在支撑相和摆动相切换瞬间存在非常大的冲击。若不能及时、有效地进行吸收，瞬时冲击将传递到足式机器人机体等部分，影响行走稳定性并可能造成机械系统的破坏，尤其在高速动步态模式下足端性能影响愈发明显。现有足端多采用单级弹簧阻尼机制、踝足串联、被动控制或部分自由度主动控制设计，存在踝足刚度低、足地承压面积不可调、足地接触角度不可控等问题，进而导致：1)腿足刚度匹配设计困难，否则足地冲击将大幅传递到机体；2)足地接触对机体姿态的影响即使通过机器人顶层规划，也会因足端被动适应导致调整失效；3)难以形成足端的推进、减速以及有效反射，使得足式机器人控制复杂。因此上，提出踝足一体、两级减振的并联低冲击行走足具有重要的应用价值。

技术实现要素：

基于以上不足之处，本发明的目的是提供一种两级减振踝足一体并联低冲击行走足机构及控制方法，在解决足式机器人在行进过程中产生的瞬时巨大冲击力问题的前提下，提高对地面的适应性，辅助机器人行进运动。

本发明所采用的技术如下：一种两级减振踝足一体并联低冲击行走足机构，行走足机构构成机器人足端，包括足腿连接平台、足端底部连接平台、三组移动副、三组转动副、三组球副，足端底部连接平台模拟机器人足端，移动副为驱动副，模拟机器人腿部，足端底部连接平台安装有多维力传感器，足端底部连接平台下表面镶嵌具有摩擦力的减振垫，为第一级减振，足端底部连接平台通过三组球副与三组移动副的下端连接，每组移动副的上端通过转动副与足腿连接平台连接，三组移动副的布置方式为镜像对称，移动副包括液压缸、弹簧阻尼器、伺服阀和控制器，液压缸上安装有伺服阀，伺服阀与控制器电气连接，作为液压缸的控制执行单元；弹簧阻尼器套在液压缸的缸活塞杆上，为第二级减振，从而整体构成三自由度构型的少自由度并联机构，能够实现延x，y方向的两个转动自由度以及一个z向的平移自由度。

本发明还具有如下技术特征：

1、以行走足机构瞬时有效缓冲、避免回跳现象为前提，其参数间的关系如下：

M：躯干质量，m：行走足质量，K：腿部刚度，k：并联行走足底刚度，c₁：腿部阻尼，c₂：并联行走足底阻尼，Y：腿部位移，y：并联行走足底位移；

并联行走足机构的集总参数匹配设计准则：

避免回跳条件为：π²VKm/2k＞emv、k/k＜5V/ev，其中e是模型与地面的回弹系数，满足关系式e＝exp(-c₁/2)，V：腿部下落速度，v：足底下落速度；

参数最佳匹配为：质量比m/M＝0.2，刚度比k/K＝4～5，阻尼比c₁/c₂＝0.25，足端将最大限度抑制振动幅值、降低冲击力。

2、如上所述的一种两级减振踝足一体并联低冲击行走足机构的控制方法，如下：

方法一、足端主被动缓冲控制：当足式机器人行走过程中的落地瞬间，本行走足机构与地面的作用首先进入被动缓冲阶段，当三维力传感器达到某一设计阈值，本行走足机构根据冲击强度进入主动缓冲阶段，此时三组移动副采用大阻尼控制；

方法二、机器人机体适应性调整控制：当机器人处于凸凹不平路面或坡面时，三组移动副采用位置控制，根据机器人顶层规划的调整信号，通过驱动特定液压缸伸长或缩短，从而调整机器人机体姿态，使之与地形相适应，保证机体的平衡以及有人驾驶的乘坐舒适性；

方法三、高能效足端推进控制：三组移动副采用位置与力混合控制，通过机器人顶层规划能够实现足式推进的高能效推进：

3.1)当本行走足机构落地缓冲后，规划本行走足机构模仿足式哺乳动物行走时的蹬地动作进而向前推进，使地面给机器人一个行走方向作用力，实现高效推进；

3.2)当机器人减速时，规划本行走足机构模仿足式哺乳动物行走时的足部微翘动作，通过本行走足机构的前行阻滞作用减速，进而弥补传统机器人只能通过调整机体规划减速的不足；

方法四、反射控制：在本行走足机构踏空、沉陷或打滑时，根据力传感器反馈信号判断足端足地状态，在不更改机器人顶层规划的前提下，控制本行走足机构实现足地的踏空、沉陷或打滑反射，进而实现机器人分级控制智能自适应、降低整机控制难度。

本发明基于仿生模型提供了一种踝足一体、两级减振的并联低冲击行走足，其具有与整机匹配的两级减振缓冲机制，同时踝足自由度完全主动可控。与现有的机器人行走足相比，本发明具有以下特点：

1、将腿部刚度等效到足，平衡了腿部机械机构柔性设计与抗疲劳设计的难度，而且踝足一体设计构成两级缓冲机制，实现踝关节高刚度、全主动控制；

2、提出了足式机器人行走足的设计准则与参数匹配范围，保证足地相互作用稳定性、低冲击性；

3、并联机构行走足具有缓和足地冲击的性能并能够施加阻尼，有效抑制低频足地冲击，快速衰减冲击力，保证机体稳定；

4、并联机构行走足具有支撑下的主动调节能力，使得足地承压面积增大，提高机体稳定性、地形适应性以及机器人的环境通过性。

5、踝足一体设计能够形成高效的主动推进与反射机制，并可调整机体姿态，尤其在踏空和沉陷等情况下，无需更改机器人顶层规划，进而实现机器人分级控制，使得机器人规划和控制灵活、可靠。

附图说明

图1是本发明行走足的主视图，

图2是本发明行走足的左视图，

图3是本发明行走足的减振缓冲机制的物理模型；

图4为本发明行走足物理模型与机械机构之间的匹配关系示意图；

图5为本发明行走足机构简图。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现的目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详细说明。

实施例1

如图1-2所示，本实施方式公开了一种两级减振踝足一体并联低冲击行走足机构，行走足机构构成机器人足端，包括足腿连接平台、足端底部连接平台、三组移动副、三组转动副、三组球副，足端底部连接平台模拟机器人足端，移动副为驱动副，模拟机器人腿部，

足端底部连接平台安装有六维力传感器，足端底部连接平台2下表面镶嵌具有摩擦力的减振垫1，为第一级减振，足端底部连接平台2通过三组球副3与三组移动副7的下端连接，每组移动副7的上端通过转动副6与上平台连接，三组移动副7的布置方式为镜像对称，移动副7包括液压缸、弹簧阻尼器4、伺服阀和控制器，液压缸上安装有伺服阀，伺服阀与控制器电气连接，作为液压缸的控制执行单元；弹簧阻尼器4套在液压缸的缸活塞杆上，为第二级减振，从而整体构成三自由度构型的少自由度并联机构(3-RPS构型)，能够实现延x，y方向的两个转动自由度以及一个z向的平移自由度。

实施例2

如图3-4所示，适宜行走的动物基本都具有进化较好的足，参考仿生学相关理论知识，建立了仿生行走足物理模型，以行走足机构瞬时有效缓冲、避免回跳现象为前提，其参数间的关系如下：

M：躯干质量，m：行走足质量，K：腿部刚度，k：并联行走足底刚度，c₁：腿部阻尼，c₂：并联行走足底阻尼，Y：腿部位移，y：并联行走足底位移；

并联行走足机构的集总参数匹配设计准则：

避免回跳条件为：π²VKm/2k＞emv、k/K＜5V/ev，其中e是模型与地面的回弹系数，满足关系式e＝exp(-c₁/2，V：腿部下落速度，v：足底下落速度；

参数最佳匹配为：质量比m/M＝0.2，刚度比k/K＝4～5，阻尼比c₁/c₂＝0.25，足端将最大限度抑制振动幅值、降低冲击力。

当足地冲击力过大时，足会发生跳起现象，与地面分离，以足不发生跳起现象为基准，通过对模型进行的无量纲分析，得到各参数对系统的影响规律为，质量比m/M对系统无影响，仅改变振动频率，参数设计时参考一般行走动物足与躯干的质量比，比值取0.2；刚度比k/K对系统振动起主要作用，刚度比越大，足的振动幅值越大，跳动现象越明显，刚度比太低，则压缩量越大，足下沉现象越明显，其最佳比值为4～5；阻尼比能够在一定程度上抑制振动，降低振动幅值，与刚度匹配，可以保证机体的平稳性，阻尼比c₁/c₂＝0.25时，其减振效果较好。

实施例3

如图5所示，行走足结构设计从与整机的匹配出发，以少自由度并联机构为基础，在分析了足式机器人对行走足的自由度要求之后，以螺旋理论作为机构综合的设计方法，综合出适合作为行走足机构形式的3-RPS少自由度并联机构，机构有三组相同的运动分支，足腿连接平台和足端底部连接平台之间分别固定有球副、转动副，之间通过移动副连接，三组运动分支中心点在空间内不重合，三组运动分支在平台上采用镜像对称的布置方式，具有更好的受力特性。机构可以实现延x，y方向的两个转动自由度以及一个z向的平移自由度。

机构结构与机械结构之间的对应关系为，足腿连接平台和足端底部连接平台以一定厚度钢板制成，球副以球铰实现，移动副以液压缸为主要部分的组件实现，转动副通过耳环与销轴配合实现。机构以移动副液压缸为驱动副，通过对液压缸的控制，可以使机构作出不同的位置姿态，其运动范围为，行走足的转角范围为±15°，z向行程60mm。

根据机构运动能力，具体说明仿生并联行走足的控制模式。多足机器人的地面适应性较强，对环境要求较低，而作为平底型足端，在复杂环境行走时，需要改变足的运动姿态，使足的大部分与地面接触，增大支撑面积。从以上分析出发，仿生并联行走足在行走过程中，足落地后可以根据六维力传感器判断足与地面接触情况，及时调整足的位置姿态，使行走足完全落地。

足端机构，其控制模式为：

一、足端主被动缓冲控制：当足式机器人行走过程中的落地瞬间，足端与地面的作用首先进入被动缓冲阶段，当三维力传感器达到某一设计阈值，足端可根据冲击强度进入主动缓冲阶段，此时并联行走足端电液伺服阀和液压缸构成的电液伺服系统采用大阻尼控制；

二、机器人机体适应性调整控制：当机器人处于凸凹不平路面或坡面时，并联行走足端电液伺服阀和液压缸构成的电液伺服系统采用位置控制，可根据机器人顶层规划的调整信号，通过驱动特定液压缸伸长或缩短，从而调整机器人机体姿态，使之与地形相适应，保证机体的平衡以及有人驾驶的乘坐舒适性；

三、高能效足端推进控制，并联行走足端电液伺服阀和液压缸构成的电液伺服系统采用位置与力混合控制，通过机器人顶层规划能够实现足式推进的高能效推进：1)当足端落地缓冲后，规划足端模仿足式哺乳动物行走时的蹬地动作进而向前推进，使地面给机器人一个行走方向作用力，实现高效推进；2)当机器人减速时，规划足端模仿足式哺乳动物行走时的足部微翘动作，通过足地的前行阻滞作用减速，进而弥补传统机器人只能通过调整机体规划减速的不足。

四、反射控制：在机器人足端踏空、沉陷或打滑时，根据力传感器反馈信号判断足端足地状态，在不更改机器人顶层规划的前提下，控制并联行走足端实现足地的踏空、沉陷或打滑反射，进而实现机器人分级控制智能自适应、降低整机控制难度；

本发明的有益之处在于一种足式机器人仿生并联行走足是集减振降冲击，主动运动控制于一体的踝足一体多功能行走足，行走足设计基于仿生原理，可以有效的降低冲击力保证机体稳定性，同时改变行走足的传统控制方式，加入主动控制结构，辅助整机运动，使足的功能趋于多样化。