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原文传递一种适于斜坡路面的爬行机器人腿部装置及控制

专利名称：	一种适于斜坡路面的爬行机器人腿部装置及控制
摘要：	一种适于斜坡路面的爬行机器人腿部装置及控制属于机器人技术领域；解决了现有技术中爬行机器人在斜坡路面平衡能力差的问题；包括髋关节、膝关节、腿部机构、足部装置以及控制系统；所述腿部机构采用双列角接触球轴承，增加了一个转动自由度，提供了充足的平衡运动裕度；所述足部装置采用三维力传感器，可根据腿部末端的受力情况调节腿部位置，使得机身与斜坡平行，保持重心稳定；所述控制系统针对爬行机器人在斜坡行进时腿部各关节存在耦合以及受到摩擦力、温度变化综合扰动的影响，采用基于力反馈的抗干扰解耦控制，将腿部末端的受力大小作为抗干扰解耦控制输入端的参考信息，提高了腿部的控制精度、运动平衡性以及爬行机器人在斜坡的行进效率。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	黑龙江;23
申请人：	哈尔滨理工大学
发明人：	王鹏;宋春宵;翟士朋;刘孟琦;陈巨辉;张元;张鹏
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-24T00:00:00+0800
发布日期：	2019-07-26T00:00:00+0800
申请号：	CN201910331174.9
公开号：	CN110053684A
分类号：	B62D57/032(2006.01);B;B62;B62D;B62D57
申请人地址：	150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路52号
主权项：	1.一种适于斜坡路面的爬行机器人腿部装置，其特征在于，包括(1)髋关节、(2)膝关节、(3)腿部机构、(4)足部装置以及(5)控制系统；初始状态下，所述(1)髋关节与(2)膝关节水平方向连接，(2)膝关节与(3)腿部机构成90度连接，(3)腿部机构与(4)足部装置竖直方向连接，(5)控制系统放置在(1)髋关节上；所述(1)髋关节包括(1-1)U型支撑架、(1-2)第一步进电机、(1-3)第一金属盘、(1-4)髋关节支撑架；所述(1-2)第一步进电机与(1-4)髋关节支撑架固定连接，与(1-1)U型支撑架通过(1-3)第一金属盘转动连接，所述(1-3)第一金属盘与(1-1)U型支撑架固定连接，所述(1-4)髋关节支撑架与(1-1)U型支撑架转动连接；所述(2)膝关节包括(2-1)第二步进电机、(2-2)第二金属盘、(2-3)膝关节第一传动板、(2-4)膝关节第二传动板、(2-5)膝关节第一连接板、(2-6)膝关节第二连接板；所述(2-1)第二步进电机与(1-4)髋关节支撑架固定连接，与(2-3)膝关节第一传动板通过(2-2)第二金属盘转动连接，所述(2-2)第二金属盘(2-3)与膝关节第一传动板固定连接，所述(2-3)膝关节第一传动板与(2-4)膝关节第二传动板转动连接，所述(2-4)膝关节第二传动板与(2-5)膝关节第一连接板转动连接，所述(2-5)膝关节第一连接板与(2-6)膝关节第二连接板转动连接，并通过(1-4)髋关节支撑架的限位槽进行限位，所述(2-6)膝关节第二连接板与(1-4)髋关节支撑架转动连接；所述(3)腿部机构包括(3-1)减震机构以及(3-2)转动机构；所述(3-1)减震机构分别与(2-5)膝关节第一连接板、(2-6)膝关节第二连接板固定连接，与(3-2)转动机构转动连接；所述(4)足部装置包括(4-1)三维力传感器以及(4-2)足部结构；所述(4-1)三维力传感器分别与(3-2)转动机构、(4-2)足部结构固定连接；所述(5)控制系统包括主控芯片、第一步进电机驱动芯片、第二步进电机驱动芯片、三维力传感器芯片；所述(5)控制系统放置在(1-4)髋关节支撑架上，所述主控芯片分别于第一步进电机驱动芯片、第二步进电机驱动芯片、三维力传感器芯片控制连接。 2.根据权利要求1所述一种适于斜坡路面的爬行机器人腿部装置，其特征在于，所述(3)腿部机构包括(3-1)减震机构以及(3-2)转动机构，所述(4)足部装置包括(4-1)三维力传感器以及(4-2)足部结构；所述(3-1)减震机构包括(3-1A)腿部连接板、(3-1B)轴筒、(3-1C)中心轴、(3-1D)两个圆螺母、(3-1E)弹簧预紧块、(3-1F)弹簧；所述(3-1A)腿部连接板分别与(2-5)膝关节第一连接板、(2-6)膝关节第二连接板以及(3-1B)轴筒固定连接，所述(3-1B)轴筒与(3-1C)中心轴同轴配合，上方由(3-1D)两个圆螺母限位，所述(3-1C)中心轴采用中空结构，所述(3-1E)弹簧预紧块与(3-1C)中心轴同轴配合，(3-1E)弹簧预紧块与(3-1B)轴筒之间配合(3-1F)弹簧；所述(3-2)转动机构包括(3-2A)双列角接触球轴承、(3-2B)轴承底座、(3-2C)上端盖、(3-2D)下端盖；所述(3-2A)双列角接触球轴承安装在(3-2B)轴承底座上，内圈与(3-1C)中心轴同轴配合，并由(3-1C)中心轴进行上方限位，下方由(3-2D)下端盖限位，所述(3-2A)双列角接触球轴承外圈下方由(3-2B)轴承底座限位，外圈上方由(3-2C)上端盖限位，所述(3-2B)轴承底座与(4-1)三维力传感器固定连接；所述(4-2)足部结构包括(4-2A)足部底座、(4-2B)前足底、(4-2C)后足底、(4-2D)前足橡胶垫、(4-2E)后足橡胶垫；所述(4-2)足部底座分别与(4-1)三维力传感器以及(4-2B)前足底、(4-2C)后足底固定连接，所述(4-2B)前足底、(4-2C)后足底分别与(4-2D)前足橡胶垫、(4-2E)后足橡胶垫固定连接；所述主控芯片与步进电机驱动芯片采用共阳极接法，主控芯片的PA0、PA1引脚分别与第一步进电机驱动芯片的DIR-、PUL-引脚连接，用于第一步进电机驱动芯片脉冲信号和方向信号的输入；所述主控芯片的PA2、PA3引脚分别与第二步进电机驱动芯片的DIR-、PUL-引脚连接，用于第二步进电机驱动芯片脉冲信号和方向信号的输入；所述主控芯片的PB8、PB9分别与三维力传感器芯片的S-、S+引脚连接，用于信号的传递；所述第一步进电机驱动芯片的A+、A-、B+、B-引脚分别与第一步进电机的MOTOR1A+、MOTOR1A-、MOTOR1B+、MOTOR1B-引脚连接，用于控制第一步进电机脉冲信号和正反转；所述第二步进电机驱动芯片的A+、A-、B+、B-引脚分别与第二步进电机的MOTOR2A+、MOTOR2A-、MOTOR2B+、MOTOR2B-引脚连接，用于控制第二步进电机脉冲信号和正反转。 3.一种基于权利要求1至2任一所述一种适于斜坡路面的爬行机器人腿部装置的控制方法，以右前腿从摆动相转为支撑相时，右前腿落地，其余三条腿处于支撑态为例，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1、爬行机器人在斜坡路面行进时，三维力传感器测得腿部末端X、Y、Z三个方向的接触力；步骤S2、主控芯片将接收到的接触力信息作为参考并根据斜坡坡度θ得到腿部末端实际控制位置Pp；步骤S3、主控芯片根据腿部末端实际控制位置Pp进行单腿逆运动学得到右前腿髋关节期望角度θ11d、右前腿膝关节期望角度θ12d，θ11d、θ12d分别通过独立通道进行基于线性扩张状态观测器的线性自抗扰控制对综合扰动fi(·)给予实时补偿得到虚拟控制量U11、U12，U11、U12独立控制右前腿髋关节角度θ11、右前腿膝关节角度θ12，实现基于力反馈的抗干扰解耦控制；步骤S4、最终控制步进电机精确快速地转动一定角度，进而控制右前腿髋关节、右前腿膝关节的运动，使得爬行机器人在斜坡路面按照期望轨迹运动，并保持与斜面平行；进一步地，所述步骤S2中根据腿部末端接触力得到腿部末端实际控制位置Pp具体包括： S201、对接触力进行滤波； S202、将传感器测量坐标系下的接触力转换为腿部基坐标系下的接触力； S203、根据接触力ftc与腿部末端位置给定误差值Pe的关系得到Pe，其中Kd、Ks为两个系数矩阵； S204、根据腿部末端期望位置Pd和位置误差Pe得到腿部末端实际控制位置Pp；进一步地，得到腿部末端期望位置Pd的具体过程为：右前腿在落地时，需要调整腿部位置，使得爬行机器人机身与斜坡坡度θ保持平行，根据求得右前腿腿部末端期望位置Pd(Px1、Pz1)，其中斜坡坡度θ、左前腿在伴随坐标系Z方向的位置Pz2、左前腿在伴随坐标系X方向的位置Px2、左后腿在伴随坐标系Z方向的位置Pz3、左后腿在伴随坐标系X方向的位置Px3、右后腿在伴随坐标系Z方向的位置Pz4、右后腿在伴随坐标系X方向的位置Px4已知，并且右前腿在伴随坐标系Z方向的位置Pz1、右前腿在伴随坐标系X方向的位置Px1之间的关系为Pz1-P′z1＝tan(Px1-P′x1)，P′z1、P′x1分别为右前腿在上一支撑态时在伴随坐标系Z方向、X方向的位置；进一步地，所述步骤S3中θ11d、θ12d分别通过独立通道进行基于线性扩张状态观测器的线性自抗扰控制对综合扰动fi(·)给予实时补偿得到U11、U12具体包括： S301、根据机器人单腿在复杂斜坡上坡时的动力学方程，得到简写为其中q、为关节角位置、速度和加速度矢量，M0为惯性矩阵，C0为离心力和哥氏力矩阵，G0为重力项矢量，τ为关节控制力矩矢量，H为机器人不确定项，令U＝M0-1τ，从而U包括U11、U12； S302、线性自抗扰控制主要包括线性扩张状态观测器、扰动补偿和PD反馈控制三个部分，设计三阶线性扩张状态观测器，以右前腿髋关节为例，对其的综合扰动fi(·)在内的状态变量进行估计，即：其中，z1、z2、z3分别为θ11、和fi(·)的估计值；b0为系统控制量放大系数； β1、β2、β3分别为线性扩张状态观测器增益，且满足β1＝3ω0，β2＝3ω02，β3＝ω03，ω0为观测器带宽，通过调整增益可使z1→θ11、z3→fi(·)； S303、设计补偿控制律进行动态补偿，公式为：式中U0为PD反馈控制量，将带入可得 S304、采用PD控制器进行控制，控制算法为： U0＝KP(θ11d-Z1)-KDZ2 其中KP、KD为控制器增益，且KP＝ωc2，KD＝2ωc，ωc为控制器可调参数。
所属类别：	发明专利