[發(fā)明專利]一種重型載人足式機(jī)器人的線控轉(zhuǎn)向操縱平臺及操縱方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610004735.0
• 申請日: 2016-01-07
• 公開（公告）號: CN105564527B
• 公開（公告）日: 2018-04-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 尤波;李佳鈺;許家忠;蔡佳龍;王巖
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱理工大學(xué)
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032;B62D5/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于足式機(jī)器人操縱技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種以操縱方向盤的模式來駕駛足式機(jī)器人完成行進(jìn)間轉(zhuǎn)向運(yùn)動方法，并且方向盤的操控信息是以電信號的方式進(jìn)行傳輸。

背景技術(shù)

重型載人足式機(jī)器人因其在全工況地形下的良好適應(yīng)性，大承載能力，高穩(wěn)定性等特點已成為機(jī)器人領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點之一。作為一種有人駕駛的、多關(guān)節(jié)冗余的足式機(jī)器人，現(xiàn)有的智能控制算法還不能很好的保證機(jī)器人在極其復(fù)雜的環(huán)境下自主完成駕駛員所指定的任務(wù)，所以設(shè)計出一套可靠、便捷的操縱系統(tǒng)就成為了重型載人足式移動機(jī)器人得以投入使用之前亟待解決的問題之一。

面向諸多復(fù)雜工況下對機(jī)器人通過性的需求而設(shè)計出的多種操縱模式當(dāng)中，針對足式機(jī)器人在轉(zhuǎn)向環(huán)節(jié)所開發(fā)出的操縱方式最具獨(dú)特性，其原因在于足式機(jī)器人通過足-地接觸作用及各關(guān)節(jié)間協(xié)調(diào)配合的方式來支撐機(jī)體進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動，使用操縱桿或按鍵等模式來控制機(jī)體進(jìn)行轉(zhuǎn)向時，由于機(jī)器人轉(zhuǎn)向過程中的離散化程度較高，不能準(zhǔn)確、直觀的為駕駛員反映出機(jī)體轉(zhuǎn)向過程中的模態(tài)變化，所以本發(fā)明基于人類多年來駕駛汽車的操控習(xí)慣，引入了方向盤的轉(zhuǎn)向操縱模式。另外，出于機(jī)器人腿部在支撐機(jī)體轉(zhuǎn)向過程中模態(tài)聯(lián)合工作的原因，不可使用機(jī)械傳動的方式來設(shè)計方向盤操縱足式機(jī)器人的控制模式，所以最終嘗試將汽車領(lǐng)域內(nèi)的線控轉(zhuǎn)向技術(shù)引入到足式機(jī)器人的轉(zhuǎn)向操縱模式當(dāng)中。目前還沒有通過方向盤輸出的方式來操縱重型載人足式機(jī)器人的先例。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了解決駕駛員不能很柔順、很便捷的操縱重型足式機(jī)器人執(zhí)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動問題，現(xiàn)提供一種重型載人足式機(jī)器人的線控轉(zhuǎn)向操縱平臺及操縱方法。

一種重型載人足式機(jī)器人的線控轉(zhuǎn)向操縱平臺基于模塊化的思想進(jìn)行設(shè)計，主要分為三部分：方向盤模塊、運(yùn)動控制單元模塊及轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊。

方向盤模塊又包括方向盤、轉(zhuǎn)向軸、扭矩傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器、路感電機(jī)、減速器及電機(jī)電流傳感器：

方向盤用于操縱機(jī)器人機(jī)體左右轉(zhuǎn)向，并將路感電機(jī)所模擬出的路面信息反饋給駕駛員；

轉(zhuǎn)向軸用于將模塊內(nèi)其他器件串連起來，并將路感信息傳遞到方向盤上；

扭矩傳感器用于測量路感電機(jī)施加在轉(zhuǎn)向軸上力矩的大小及方向；

轉(zhuǎn)角傳感器用于測量方向盤在駕駛員操控下的輸出轉(zhuǎn)角；

路感電機(jī)用于模擬足-地接觸力作用在機(jī)體重心處的解析力矩，傳遞給駕駛員，從而完成對路面信息的真實模擬；

減速器用于在路感模擬過程中減小轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩；

電機(jī)電流傳感器用于測量路感電機(jī)的電樞電流值。

運(yùn)動控制單元模塊又包括運(yùn)動規(guī)劃單元及運(yùn)動控制器：

運(yùn)動規(guī)劃單元負(fù)責(zé)通過其內(nèi)嵌的足式機(jī)器人以任意半徑轉(zhuǎn)向的運(yùn)動學(xué)模型來解析出與方向盤輸出轉(zhuǎn)角所對應(yīng)的支撐相的目標(biāo)足端坐標(biāo)及擺動相的目標(biāo)足端軌跡；

運(yùn)動控制器負(fù)責(zé)將控制函數(shù)由解析表達(dá)式轉(zhuǎn)換成邏輯語言，最終以控制指令的形式輸出給轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊，并將采集到的機(jī)器人狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換成足-地接觸信息以電機(jī)輸出的阻力矩形式反饋給駕駛員。

轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊又包括單腿控制器、三自由度液壓驅(qū)動腿、旋轉(zhuǎn)變壓器、壓力傳感器及位移傳感器：

單腿控制器一方面用于接收運(yùn)動控制器面向單腿所輸出的運(yùn)動控制指令，另一方面負(fù)責(zé)采集腿部各傳感器的反饋數(shù)據(jù)，并發(fā)送給運(yùn)動控制單元模塊；

三自由度液壓驅(qū)動腿是由基節(jié)、大腿、小腿三部分組成，它們之間各自由一個轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)相連，用于擺動尋找下一時刻的落足點及支撐機(jī)體完成相應(yīng)的運(yùn)動；

旋轉(zhuǎn)變壓器用于測量足式機(jī)器人腿部各個關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動角度；

壓力傳感器用于測量液壓缸兩腔內(nèi)的壓力差；

位移傳感器用于測量液壓缸內(nèi)活塞桿的位移。

根據(jù)一種重型足式機(jī)器人的線控轉(zhuǎn)向操縱平臺實現(xiàn)的操縱方法，該方法包括以下步驟：

步驟1、駕駛員通過操縱方向盤模塊內(nèi)的方向盤輸出目標(biāo)轉(zhuǎn)角，通過轉(zhuǎn)角傳感器將目標(biāo)轉(zhuǎn)角以電信號的形式發(fā)送到運(yùn)動控制單元；

步驟2、運(yùn)動控制單元模塊接收到方向盤模塊以電信號形式發(fā)送的目標(biāo)轉(zhuǎn)角值，其內(nèi)部的運(yùn)動規(guī)劃單元建立了方向盤目標(biāo)轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)向半徑之間的一一映射關(guān)系，再通過本發(fā)明所規(guī)劃出的足式機(jī)器人以任意半徑轉(zhuǎn)向的運(yùn)動學(xué)模型，推導(dǎo)出方向盤目標(biāo)轉(zhuǎn)角與機(jī)器人轉(zhuǎn)向過程中支撐相的目標(biāo)足端坐標(biāo)及擺動相的目標(biāo)足端軌跡；