[發(fā)明專(zhuān)利]一種液壓機(jī)器人主動(dòng)柔順足部機(jī)構(gòu)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610150872.5
• 申請(qǐng)日: 2016-03-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105691485B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-02-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王軍政;何玉東;汪首坤;沈偉;李金倉(cāng)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): B62D57/032
• 分類(lèi)號(hào): B62D57/032
• 代理公司: 北京理工正陽(yáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11639
• 代理人: 王民盛

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種液壓機(jī)器人主動(dòng)柔順足部機(jī)構(gòu)，屬于液壓足式機(jī)器人領(lǐng)域。

背景技術(shù)

足式機(jī)器人相對(duì)于輪式、履帶式等機(jī)器人具有更強(qiáng)的地形適應(yīng)能力。對(duì)于仿人的雙足機(jī)器人或者仿動(dòng)物的四足或多足機(jī)器人，其足部都是機(jī)器人與環(huán)境進(jìn)行接觸的重要機(jī)構(gòu)。在進(jìn)行環(huán)境接觸時(shí)，希望機(jī)器人與環(huán)境間的相互作用力小，震蕩次數(shù)少，即實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與環(huán)境之間的柔順性接觸。因此，設(shè)計(jì)合理的機(jī)器人足部機(jī)構(gòu)是減小相互作用力和震蕩次數(shù)的關(guān)鍵。

足式機(jī)器人有多種驅(qū)動(dòng)方式，包括電機(jī)、氣動(dòng)以及液壓等。電機(jī)和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)由于其功率體積比小，在大負(fù)載、高動(dòng)態(tài)機(jī)器人領(lǐng)域受到限制。液壓驅(qū)動(dòng)的足式機(jī)器人是實(shí)現(xiàn)大負(fù)載、高動(dòng)態(tài)行走的有效解決方案。但是，傳統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)是典型的剛性驅(qū)動(dòng)，其位置控制剛度大，在進(jìn)行環(huán)境接觸時(shí)將產(chǎn)生較大沖擊力，帶來(lái)機(jī)器人上平臺(tái)的不穩(wěn)定。因此，為實(shí)現(xiàn)液壓足式機(jī)器人的大負(fù)載高動(dòng)態(tài)行走，首先要解決其足端與環(huán)境之間的接觸力問(wèn)題。

傳統(tǒng)的足式機(jī)器人足部結(jié)構(gòu)一般為無(wú)柔順或被動(dòng)柔順結(jié)構(gòu)，如剛性結(jié)構(gòu)或剛性結(jié)構(gòu)加柔性足端，或者足端加入不可變剛度的彈簧。這些方法不具備任何適應(yīng)環(huán)境變化的能力，不能主動(dòng)調(diào)整足端的剛度以及阻尼。在負(fù)載以及環(huán)境變化時(shí)，足端與環(huán)境的接觸過(guò)程也不可以主動(dòng)調(diào)整，從而產(chǎn)生較大的相互作用力或者產(chǎn)生機(jī)器人上平臺(tái)震蕩。

中國(guó)專(zhuān)利CNIO2582714A公開(kāi)了一種具有負(fù)重能力的液壓驅(qū)動(dòng)雙足機(jī)器人下肢機(jī)構(gòu)，采用純剛性足部，在與地面接觸時(shí)將產(chǎn)生較大的接觸力從而影響機(jī)器人上平臺(tái)穩(wěn)定。

中國(guó)專(zhuān)利CNIO3407514A公開(kāi)了一種四足仿生機(jī)器人腿，其足端采用剛性結(jié)構(gòu)加彈簧的方式來(lái)進(jìn)行緩沖和減震。其彈簧剛度不可調(diào)，沒(méi)有加入阻尼，從而在負(fù)載變化時(shí)需要手動(dòng)更換彈簧以適應(yīng)負(fù)載，并且無(wú)阻尼的觸地過(guò)程將導(dǎo)致機(jī)器人平臺(tái)的多次震蕩。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決足端與地面接觸力大以及震蕩導(dǎo)致上平臺(tái)不穩(wěn)定的問(wèn)題，提供一種液壓機(jī)器人主動(dòng)柔順足部機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)還能夠?qū)崿F(xiàn)變負(fù)載情況下的阻尼以及剛度可調(diào)。

本發(fā)明的目的是通過(guò)下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

一種液壓機(jī)器人主動(dòng)柔順足部機(jī)構(gòu)，包括：足部套筒，液壓缸，伺服閥，力傳感器，滑塊，彈簧，預(yù)緊螺絲，足端桿，足端半球，位移傳感器；所述液壓缸由液壓缸缸筒和液壓缸缸桿組成；

還包括減壓閥，液壓泵，溢流閥，油箱；

所述足部套筒為底端開(kāi)口的中空套筒，頂部有突臺(tái)，突臺(tái)上開(kāi)有插銷(xiāo)孔用于與機(jī)器人腿部關(guān)節(jié)連接，足部套筒的筒壁上設(shè)有開(kāi)口，開(kāi)口與液壓缸相對(duì)應(yīng)；液壓缸置于足部套筒內(nèi)部，液壓缸缸筒與足部套筒固定連接；位移傳感器位于液壓缸內(nèi)；伺服閥通過(guò)足部套筒的開(kāi)口與液壓缸固定連接；液壓缸缸桿依次與力傳感器、滑塊、彈簧、足端桿和足端半球連接；預(yù)緊螺絲用于固定足端桿，且調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力；

液壓泵將液壓油從油箱中泵出；液壓油通過(guò)減壓閥減壓后流經(jīng)伺服閥的進(jìn)油口，進(jìn)而流入液壓缸中；液壓油通過(guò)溢流閥溢流回油箱；

所述足端桿為T(mén)形結(jié)構(gòu)或十字形結(jié)構(gòu)；

所述滑塊為一字形結(jié)構(gòu)或T形結(jié)構(gòu)；

所述的力傳感器一側(cè)為內(nèi)螺紋一側(cè)為外螺紋，內(nèi)螺紋與所述液壓缸缸桿相連，外螺紋與所述滑塊相連。

所述足端半球采用橡膠材料增大與地面摩擦力。

工作過(guò)程具體步驟如下：

步驟一、為整個(gè)系統(tǒng)上電，通過(guò)液壓泵將液壓油通過(guò)減壓閥泵入伺服閥，多余的液壓油從溢流閥溢流回油箱。

步驟二、通過(guò)位移傳感器檢測(cè)液壓缸缸桿的位置信息，將該位置信息反饋到液壓缸的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)通過(guò)伺服閥對(duì)液壓缸進(jìn)行位置控制，使得液壓缸缸桿到達(dá)給定的位置。

步驟三、當(dāng)足端半球與地面發(fā)生接觸時(shí)，帶動(dòng)足端桿、彈簧和滑塊向上運(yùn)動(dòng)，彈簧被壓縮，力傳感器檢測(cè)到?jīng)_擊力。將力傳感器檢測(cè)到的沖擊力反饋到液壓缸的控制系統(tǒng)，通過(guò)算法控制伺服閥，使得液壓缸缸桿向上縮回，以減小沖擊力。

步驟四、結(jié)合位移傳感器和力傳感器的信息，通過(guò)伺服閥控制液壓油的流量，以調(diào)節(jié)液壓缸缸桿的伸出和縮回，使得足端連桿上下運(yùn)動(dòng)，以適應(yīng)不同的足端半球與地面的接觸力。

有益效果

本發(fā)明的一種液壓機(jī)器人主動(dòng)柔順足部機(jī)構(gòu)，在足端觸地以后，通過(guò)彈簧進(jìn)行緩沖，并將力傳感器檢測(cè)的沖擊力和位置傳感器檢測(cè)的位置信號(hào)引入液壓缸的控制系統(tǒng)，利用主動(dòng)柔順控制方法控制液壓缸缸桿的伸出和縮回，從而為足部機(jī)構(gòu)加入可調(diào)整的剛度和阻尼。當(dāng)足端半球觸地導(dǎo)致受力變化時(shí)，力傳感器將力的變化實(shí)時(shí)傳遞給液壓缸的控制器，從而通過(guò)伺服閥調(diào)節(jié)液壓缸缸桿的位置，實(shí)現(xiàn)所述主動(dòng)柔順足部的對(duì)外界受力的適應(yīng)性。