[發明專利]腿足式機器人單腿液壓伺服控制器

有效

• 申請號: 201310264663.X
• 申請日: 2013-06-27
• 公開（公告）號: CN103362902A
• 公開（公告）日: 2013-10-23
• 發明（設計）人: 李貽斌;張慧;柴匯;馬孝林
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: F15B21/08
• 分類號: F15B21/08
• 代理公司: 濟南圣達知識產權代理有限公司 37221
• 代理人: 劉乃東

技術領域

本發明涉及液壓驅動的高性能腿足式仿生機器人技術領域，尤其涉及一種具有自主步態規劃的腿足式機器人單腿液壓伺服控制器。

背景技術

移動機器人主要包括輪式、履帶式、腿足式以及其他運動類型的機器人。輪式和履帶式機器人主要存在的問題是無法通過較復雜的地形。與此相比，腿足式機器人具有運動靈活和良好的地形適應能力，因此腿足式機器人已成為機器人領域的研究熱點。如果選擇液壓能作為驅動能，可以使機器人具有一定的負載能力，具有較大的的實際使用價值。液壓驅動的腿足式機器人主要依賴分布于各個腿上的驅動單元來行走,其運動性能直接取決于液伺服控制系統性能。國內目前有關液壓驅動的腿足式機器人控制器介紹還很少，國際上最具代表性的液壓驅動腿足式機器人——即波士頓動力公司研制的BigDog，其控制器為一嵌入式計算機PC104。這種由單一控制器組成的控制系統由于受大量傳感器信息以及伺服單元增多的影響，其伺服頻率以及控制算法的靈活性都受到一定限制。

中國專利文獻CN102637036公開了“一種復合式仿生四足機器人控制器”，它以ARM9微處理器作為智能決策器，以FPGA作為步態生成器，以多個DSP芯片作為執行控制器根據關節運動指令來控制四足機器人各條腿上電機的運動。中國專利文獻CN102785250公開了“一種四足機器人運動控制器”，該控制器同樣以ARM芯片作為主控制器，由DSP芯片作為從控制器來控制四足機器人各關節電機的運動。以上發明都以四足機器人為控制對象，且其控制目標都為直流電機，由于其控制對象以及控制方式的不同決定了其很難向液壓驅動的雙足、四足或多足機器人上移植。

發明內容

本發明為了解決現有技術存在的上述不足，提供了一種腿足式機器人單腿液壓伺服控制器；該控制器能夠根據指令伺服一條腿上最多4個液壓缸的動作，還可以根據相對于腿部基座標的落腳點位置自行規劃各個液壓缸的運動。此外該控制器根據需要可進行單腿的位置伺服、力伺服、以及基于足底力或關節力的腿部柔順控制。同時該控制器由于采用CAN總線作為通訊方式使其可以進行多控制器的并聯從而可以滿足雙足、四足甚至多足機器人的伺服控制。

本發明的目的是采用下述技術方案實現的：

一種腿足式機器人單腿液壓伺服控制器，包括DSP處理器、伺服作動器，所述DSP處理器通過D/A轉換器、功率放大模塊與伺服作動器連接，模擬信號通過信號調理模塊發送到DSP處理器，開關信號發送到DSP處理器，DSP處理器通過CAN通信模塊與上位機連接，所述DSP處理器分別與電源模塊、仿真模塊、時鐘模塊、復位模塊連接。系統由3塊印制電路板通過插針接插的形式疊加而成，其中一塊是電源板，一塊是DSP核心控制板，另一塊板則集成了該系統的其他電路。電源模塊用來將輸入電壓轉化為系統需要的電壓等級。

DSP處理器采用TMS320F28335型DSP芯片。它通過片內自帶的A/D轉換芯片實時采集各個作動器的位移信號、力信號以及足底三維力傳感器的模擬信號，并且通過端口讀取系統的開關信號，然后根據控制計算機的指令按照既定算法對各個數據進行整合處理，最后輸出控制信號來控制伺服作動器的運動。為適應高速多通道伺服控制，D/A轉換芯片采用了TI公司的DAC7724芯片。它具有4路12位轉換通道，轉換時間為10us，而且可以實現雙向電壓輸出，因此最多可實現4通道的較高頻率的伺服輸出。

電源模塊的輸入電源為直流24V，使用兩塊MINMAX電源轉換模塊將直流24V電壓分別轉化為3.3V和±15V，以滿足系統的供電需要。

所述功率放大模塊采用三極管2SA1013、及三極管2SC2383組成的OCL功率放大電路，功率放大模塊將D/A的輸出信號進行功率放大后直接作為系統輸出來驅動伺服作動器。

信號調理模塊對位置信號、力信號、以及足底三維力傳感器信號濾波、以消除外界對系統的干擾。濾波器件主要選用共模信號濾波器，各電源線采用相應的電源濾波器來進行干擾抑制。

所述CAN通信模塊用來實現液壓伺服控制器之間以及液壓伺服控制器與控制計算機之間的通信，CAN通信模塊的收發器采用SN65HVD230芯片，與DSP之間采用高速光耦進行隔離。

所述CAN通信模塊通過總線傳輸各液壓伺服控制器的PID參數、卡爾曼濾波器參數、以及功率放大器的輸出控制參數。

本發明的創新點：

1.本發明系統體積小，結構簡單、操作方便，不僅能夠實現機器人單腿液壓伺服控制，而且能夠通過CAN總線實現多個控制器的并聯從而完成對雙足、四足或者多足機器人的腿部控制；