差分齿轮驱动机器人腿机构及控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于差分齿轮驱动方式的机器人腿及控制方法，属于机器人技术领域。本发明通过同时改变髋关节第一驱动电机（19）和髋关节第二驱动电机（20）的运动速度和方向，同时实现机器人大腿的前后和上下运动；通过膝关节驱动电机（7）实现小腿的运动，关节位置通过膝关节角度传感器（4）、髋关节角度传感器（14）测量后，通过PD控制算法实现；机器人腿运动过程中，通过嵌入小腿中的接触传感器（22）感知足与环境的接触状态，通过固定到小腿上的距离传感器（21）感知足端与接触面的距离，通过阻抗控制算法，实现足端与环境的柔顺控制，有效减小接触过程的冲击。
【专利说明】
差分齿轮驱动机器人腿机构及控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种差分齿轮驱动机器人腿机构及控制方法，属于特种机器人领域。可应用于反恐、搜救、狭小空间探测、安全保卫、航空宇航和城市服务业和教育等领域。
技术背景
[0002]非结构环境下机动灵活的机器人具有广泛而迫切的需求。足式机器人是其中重要类型，而在足式机器人中，四足机器人又是一个重要分支，而且得到了极大的关注，今年来也得到了长足的发展。尤其在国外，如美国谷歌公司收购的波士顿公司所开发的Bigdog机器人、后期的LS3机器人小队以及猎豹机器人等，其他的如意大利的HyQ机器人和瑞士苏黎世工学院的四足机器人等，都具有很高灵活性和机动性能和强稳定性。为保证其高机动性、高适应性和负载能力，这些机器人多采用了液压或者液压-电机混合驱动的形式。
[0003]机器人灵巧的运动，不仅跟控制系统性能及其方法直接相关，而且其自身的机械特征更是其高性能的基础，机器人的自身结构决定了其可能的性能。对足式机器人来说，腿是机器人的关键部件。驱动方式的规划，腿各部分比重的设计直接影响机器人的性能。
[0004]机器人动力学方程中的哥氏力项是一项比较复杂部分，而且是多关节机器人动力学方程中必然出现的项。在机器人控制研究中，往往被直接忽略掉，而实际设计的机器人在运动过程中，这一部分也可能在动力学方程中占较大比例。如果哥氏力部分影响较大，直接简化的动力学方程与实际系统相差较多，据此设计出来的控制方法也达不到理想的效果。因此，如果机器人机构设计不仅可以使机器人动力学方程简化，而且也可以极大降低机器人控制系统中代码的运算复杂度。
【发明内容】
[0005]基于上述背景，本发明提出了一种差分齿轮驱动机器人腿机构及控制方法。利用运动传递作用，把质量较重的电机等部件安装在机身上，有效降低机器人腿的重量，使简化哥氏力项后的机器人动力学方程仍能体现机器人特征，据此设计的控制方法能有效控制机器人的运动。
[0006]—种差分齿轮驱动机器人腿机构，包括大腿，小腿和足;其特征在于:上述足通过脚踝连接于所述小腿下方，所述的脚踝为弹簧阻尼结构，所述足为弹性小球;上述小腿通过膝关节与所述大腿相连，所述膝关节包括膝关节轴、膝关节从动锥齿轮、膝关节主动锥齿轮，膝关节从动锥齿轮与膝关节主动锥齿轮参数相同，膝关节从动锥齿轮安装于膝关节轴上，膝关节主动锥齿轮安装于膝关节驱动电机的输出轴，膝关节驱动电机安装于大腿上，膝关节驱动电机的输出轴与膝关节轴垂直;上述大腿通过髋关节与机身相连，所述髋关节包括由髋关节从动锥齿轮、髋关节第一主动锥齿轮、髋关节第二主动锥齿轮组成的差分驱动机构;其中三个锥齿轮参数相同；髋关节从动锥齿轮安装于髋关节轴上;髋关节从动锥齿轮分别与髋关节第一主动锥齿轮及髋关节第二主动锥齿轮啮合;髋关节第一主动锥齿轮由髋关节第一驱动电机驱动，髋关节第二主动锥齿轮由髋关节第二驱动电机驱动;髋关节第一驱动电机和髋关节第二驱动电机均安装于机身上；上述弹簧阻尼结构中间安装接触传感器;上述膝关节轴上安装膝关节角度传感器;上述小腿上安装有距离传感器，距离传感器与小腿平行;上述髋关节轴上安装髋关节角度传感器。
[0007]所述的差分齿轮驱动机器人腿机构，其特征在于:所述的髋关节轴安装于机器人腿支撑架上，利用螺栓-滑块机构微调髋关节轴径向位置。
[0008]所述的差分齿轮驱动机器人腿机构，其特征在于:上述髋关节第一主动锥齿轮和髋关节第二主动锥齿轮上分别安装同步轮;所述同步轮分别通过同步带由髋关节第一驱动电机或髋关节第二驱动电机驱动。
[0009]所述的差分齿轮驱动机器人腿机构，其特征在于:上述膝关节驱动电机的输出轴平行于大腿安装。
[0010]所述的差分齿轮驱动机器人腿机构，其特征在于:上述膝关节驱动电机的输出轴垂直于大腿安装，通过同步轮，由同步带传动，带动小腿运动。
[0011 ]所述的差分齿轮驱动机器人的控制方法，其特征在于:通过同时改变髋关节第一驱动电机和髋关节第二驱动电机的运动速度和方向，同时实现机器人大腿的前后和上下运动;通过膝关节驱动电机实现小腿的运动，关节位置通过膝关节角度传感器、髋关节角度传感器测量后，通过PD控制算法实现;机器人腿运动过程中，通过嵌入小腿中的接触传感器感知足与环境的接触状态，通过固定到小腿上的距离传感器感知足端与接触面的距离，通过阻抗控制算法，实现足端与环境的柔顺控制，有效减小接触过程的冲击。
[0012]本发明的优势在于:把机器人大腿关节2个驱动电机布置在机身上，膝关节驱动电机布置到大腿上，增大机身重量的同时减小小腿质量，从而有效简化机器人腿动力学方程。根据自然界中高速运动、具有高机性和适应性的动物的身体结构和关节自由度的分配，设计机器人腿的运动传递方式和结构，从而在满足机器人运动性能要求的前提下，降低机器人腿部重量。根据机器人腿动力学方程的简化要求，分配各部分的长度、质量等参数，使简化的动力学方程在设计范围内仍能体现机器人的机械特征，降低其运动控制的复杂度和算法的效率。
【附图说明】
[0013]图1本发明差分齿轮驱动机器人腿机构图；
图2本发明机器人腿传感器安装示意图；
图3本发明机器人同步带调节部分安装图；
图4本发明差分齿轮驱动系统装配图；
图5本发明机器腿控制系统结构图；
图中标号名称:1、足，2、脚踝，3、小腿，4、膝关节角度传感器，5、膝关节从动锥齿轮，6、膝关节主动锥齿轮，7、膝关节驱动电机，8、第一大腿夹板，9、第二大腿夹板，10、髋关节从动锥齿轮，11、第一同步轮，12、髋关节第一主动锥齿轮，13、髋关节第二主动锥齿轮，14、髋关节第一角度角度传感器，15、髋关节第二角度角度传感器，16、第三同步轮，17、第二同步轮，18、第四同步轮，19、髋关节第一驱动电机，20、髋关节第二驱动电机，21、距离传感器，22、接触传感器，23、腿支撑架，24、大腿轴，25、滑块，26、螺钉，27、调节螺钉，28、第一连接轴，29、同步轮，30、轴承，31、铜套，32、螺母，33、第二连接轴。
【具体实施方式】
[0014]如图1所示，差分驱动机器人腿机构主要包括髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和足，以及驱动电机组成。髋关节为差分齿轮驱动系统，主要包括髋关节从动锥齿轮10，髋关节第一主动锥齿轮12和髋关节第二主动锥齿轮13，带动整个机器人腿运动。髋关节第一主动锥齿轮12和髋关节第二主动锥齿轮13上分别安装第一同步轮11和第二同步轮17，通过同步带与安装在髋关节第一驱动电机19和髋关节第二驱动电机20上的第三同步轮16和第四同步轮18组成传动系统。髋关节第一驱动电机19和髋关节第二驱动电机20的输出轴上连接角度传感器髋关节第二角度角度传感器15和髋关节第一角度角度传感器14，电机自身已经安装了减速箱和光电编码器。通过同步控制髋关节第一驱动电机19和髋关节第二驱动电机20的转动角度和速度来控制差分驱动系统髋关节从动锥齿轮10的运动位置和速度。大腿由两块夹板组成，主要根据关节的连接方式而设计。髋关节第一驱动电机19和髋关节第二驱动电机20安装在机器人机身上，从而减小腿部的重量。
[0015]膝关节为一对锥齿轮传动机构，由膝关节从动锥齿轮5、膝关节主动锥齿轮6组成，通过膝关节驱动电机7控制。膝关节驱动电机7安装在大腿夹板上，电机输出轴垂直于膝关节传动轴，通过锥齿轮改变运动方向的作用，把电机转动方向转换到关节轴的转动方向上。膝关机轴上安装膝关节角度传感器4，测量膝关节的转动角度，利用膝关节驱动电机7的光电编码器获得电机的转速，根据传动比计算膝关节的转动速度。
[0016]踝关节为一个被动关节，是弹簧-阻尼系统，通过结构设计减小机器人落足时的冲击。脚踝2与小腿3间存在小幅直线运动。机器人的足I为一个柔性球，与脚踝固定在一起。
[0017]如图2所示为机器人腿上传感器的安装。距离传感器21固定在小腿上并与小腿平行，用于感知足端与接触面的位置，通过采样可分析出落足的速度，并提供数据给控制系统。接触传感器22安置足端的状态，与距离传感器21配合使用，检测机器足端状态的变化，用于机器人腿的运动控制。
[0018]如图3所示为本发明机器人腿安装支撑架的调节结构。机器人腿支撑架23通过螺栓固定在机器人机体上，大腿轴24连接髋关节第一主动锥齿轮12和髋关节第二主动锥齿轮13。由于传送带长度定制，调节距离不大。如图安装方式，通过螺栓26调节滑块25的位置，从而调节微调带的松紧程度。
[0019]如图4所示为本发明差分齿轮驱动系统装配图。差分齿轮驱动系统中同步轮29装配到主动锥齿轮上，通过轴承30与两个主动轮的第二连接轴33配合安装。螺栓32用于调节并固定主动轮的相对位置，安装相对位置通过铜套31调节。差分驱动系统中被动锥齿轮通过第一连接轴28与主动轮相互装配。第一连接轴上打孔，与第二连接轴垂直安装，之间通过铜套过渡。被动轮与主动轮的安装配合通过螺钉27调节。图中表示了一半差分驱动系统的安装，另外一半完全对称。
[0020]图5所示为机器人腿控制系统结构图。机器人腿的运动控制结构上主要包括图中所示的4部分，机器人腿运动规划，电机控制，功率放大以及机器人腿机构相关传感部分。由于需要较多计算以及机器人整体信息的融合，机器人腿运动规划在PC-104上完成，通过CAN总线与电机控制部分进行数据交换，下发需要的电机运动数据，并接收机器人腿关节和足端相关的位置和状态的数字信号。电机控制模块通过FPGA实现，完成与上层系统的通信接口，接收腿运动规划数据，反馈控制需要的腿关节位置及速度数据，并产生电机的控制信号，经过功率放大后，驱动机器人腿上3个直流电机工作。机器人足端的阻抗控制在机器人腿运动规划模块中完成，通过采集安装于机器人腿上的距离传感器的数据，并推导出相应的速度和加速度值，获得足端的运动相关参数，通过阻抗控制算法，结合机器人腿动力学模型，计算关节驱动力矩，最终实现机器人腿的适应性动态控制。
[0021]控制方法上，采用足端工作空间的阻抗控制，减小机器人足在落地时的冲击，增强机器人的环境适应性，足端于地面的距离通过安装在小腿上的距离传感器获得。运动过程中，足处于支撑相时，足端受力根据浮动基系统理论方法估算。机器人腿的运动通过FPGA控制，运动控制算法运行在上层单板机PCl04中。
[0022]差分齿轮驱动机器人腿机构及控制方法，其特征在于:所述的机械部分参考能高速灵活运动，具有高机动性的直立四足动物的身体结构，如狗，马等。相对身体的重量，该类型动物的四条腿质量较轻，尤其小腿部分，大腿肌肉发达，控制大腿的运动，靠部分肌群的牵张带动小腿的运动。从控制角度，这种结构的分配有效减小了运动关节间运动耦合的影响。
[0023]差分齿轮驱动机器人腿包含3个主动自由度和I个被动自由度。其中髋关节为控制机器人腿抬落和前后摆动的2个旋转自由度，该关节为差分驱动机构，通过同轴布置的一对锥齿轮牵动另外一个锥齿轮，从而带动连接在该齿轮上的机器人腿运动。小腿关节包括I个旋转自由度，通过布置在大腿上的电机带腿小腿的摆动。该关节可以为通过锥齿轮传动的方式，也可以通过把电机轴平行于运动轴布置，通过同步轮、皮带传动。I个被动自由度布置在小腿和脚踝之间，利用弹簧阻尼系统，通过机械结构减小冲击的同时，中间安装接触传感器，感知足与地面的接触情况。
[0024]结合差分驱动齿轮结构和其他部件安装的便利，机器人大腿结构为两块金属板，差分驱动齿轮系统安装在机身上，利用滑块调整驱动带的松紧程度。考虑到小腿的运动范围，小腿与大腿连接处设计具有一定弧度，从而小腿可以完全达到与身体平行的位置。
[0025]差分驱动机器人腿的控制系统包括上位机单板机PC104，电机控制FPGA模块，功放模块和机器人相关传感部分。单板机和电机控制部分之间通过CAN总线交换数据，用于控制数据的下发和传感数据的上传。单板机上运行实时操作系统，进行机器人运动控制算法的实时计算。
【主权项】
1.一种差分齿轮驱动机器人腿机构，包括大腿，小腿和足;其特征在于: 上述足(I)通过脚踝(2)连接于所述小腿(3)下方，所述的脚踝为弹簧阻尼结构，所述足为弹性小球； 上述小腿通过膝关节与所述大腿相连，所述膝关节包括膝关节轴、膝关节从动锥齿轮(5)、膝关节主动锥齿轮(6)，膝关节从动锥齿轮(5)与膝关节主动锥齿轮(6)参数相同，膝关节从动锥齿轮(5)安装于膝关节轴上，膝关节主动锥齿轮(6)安装于膝关节驱动电机(7)的输出轴，膝关节驱动电机(7)安装于大腿上，膝关节驱动电机(7)的输出轴与膝关节轴垂直； 上述大腿通过髋关节与机身相连，所述髋关节包括由髋关节从动锥齿轮(10)、髋关节第一主动锥齿轮(12)、髋关节第二主动锥齿轮(13)组成的差分驱动机构；其中三个锥齿轮参数相同；髋关节从动锥齿轮(10)安装于髋关节轴(24)上;髋关节从动锥齿轮(10)分别与髋关节第一主动锥齿轮(12)及髋关节第二主动锥齿轮(13)啮合； 髋关节第一主动锥齿轮(12)由髋关节第一驱动电机(19)驱动，髋关节第二主动锥齿轮(13)由髋关节第二驱动电机(20)驱动;髋关节第一驱动电机(19)和髋关节第二驱动电机(20)均安装于机身上； 上述弹簧阻尼结构中间安装接触传感器(22);上述膝关节轴上安装膝关节角度传感器(4);上述小腿上安装有距离传感器(21)，距离传感器(21)与小腿平行；上述髋关节轴上安装髋关节角度传感器。2.根据权利要求1所述的差分齿轮驱动机器人腿机构，其特征在于: 所述的髋关节轴(24)安装于机器人腿支撑架上，利用螺栓-滑块机构微调髋关节轴(24)径向位置。3.根据权利要求1所述的差分齿轮驱动机器人腿机构，其特征在于: 上述髋关节第一主动锥齿轮(12)和髋关节第二主动锥齿轮(13)上分别安装同步轮;所述同步轮分别通过同步带由髋关节第一驱动电机(19)或髋关节第二驱动电机(20)驱动。4.根据权利要求1所述的差分齿轮驱动机器人腿机构，其特征在于: 上述膝关节驱动电机(7)的输出轴平行于大腿安装。5.根据权利要求1所述的差分齿轮驱动机器人腿机构，其特征在于: 上述膝关节驱动电机(7)的输出轴垂直于大腿安装，通过同步轮，由同步带传动，带动小腿运动。6.根据权利要求1所述的差分齿轮驱动机器人的控制方法，其特征在于: 通过同时改变髋关节第一驱动电机(19)和髋关节第二驱动电机(20)的运动速度和方向，同时实现机器人大腿的前后和上下运动;通过膝关节驱动电机(7)实现小腿的运动，关节位置通过膝关节角度传感器(4)、髋关节角度传感器(14)测量后，通过H)控制算法实现； 机器人腿运动过程中，通过嵌入小腿中的接触传感器(22)感知足与环境的接触状态，通过固定到小腿上的距离传感器(21)感知足端与接触面的距离，通过阻抗控制算法，实现足端与环境的柔顺控制，有效减小接触过程的冲击。
【文档编号】B62D57/032GK105947012SQ201610304924
【公开日】2016年9月21日
【申请日】2016年5月10日
【发明人】李宏凯, 徐晓东, 李博涵, 施阳
【申请人】南京航空航天大学