[發明專利]一種足式機器人抗擾平衡裝置及其控制方法

有效

• 申請號: 201810769006.3
• 申請日: 2018-07-13
• 公開（公告）號: CN109263744B
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 李清都;楊洋;盧青高;楊鑫;劉宋;柯梅花;王成剛;王赟
• 申請（專利權）人: 重慶郵電大學
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032
• 代理公司: 重慶市恒信知識產權代理有限公司 50102
• 代理人: 劉小紅;陳棟梁

本發明請求保護一種足式機器人抗擾平衡裝置及其控制方法，本發明可以用來調節機器人身體的平衡，使其不那么容易摔倒，雖然現有的平衡算法中也有機器人自身的平衡算法，但是其存在的缺陷是：通用性較差，算法的復雜度極高，對機器人本體要求也較高。本發明與現存的輔助平衡裝置，例如陀螺平衡裝置，有控制算法簡單，質量較輕，成本低廉等特點。同時本發明還可以作為足式機器人奔跑過程中空中姿態平衡調節裝置，較好的解決機器人在奔跑騰空后，出現的身體發生翻轉的問題，同時可以調整其落地時的姿態，使機器人更加平穩的落地。另外，還可以作為機器人加、減速裝置。

技術領域

本發明屬于機器人控制領域，具體屬于足式機器人平衡裝置，可應用與軍事及工業等領域。

背景技術

國內能夠行走和奔跑的機器人較少，其主要的技術難點在于，其運動過程中的姿態平衡調整問題。其可以通過自身的機器人平衡算法進行優化和調整，其存在技術壁壘問題，而且不同類型的機器人無法做到通用性。同時也有利用外圍平衡裝置，例如陀螺平衡裝置，來作為其姿態平衡的調整方式的，但是其結構復雜，實現較為復雜，整個裝置的自重較大，使用到機器人上會影響機器人整體的質量配比，特別是對于能夠奔跑的機器人其適用性更低。

因此，設計一種足式機器人抗擾平衡裝置，解決足式機器人行走過程和奔跑過程中姿態平衡的問題，實時估計自身和外界干擾，并能消除干擾，有效提高機器人行走以及奔跑過程中的抗擾和平衡能力。

發明內容

本發明旨在解決以上現有技術的問題。提出了一種輕量化和控制簡單化的平衡裝置，既能作為機器人的行走輔助平衡的裝置，也能作為機器人奔跑過程的騰空階段的姿態調整的足式機器人抗擾平衡裝置及其控制方法。本發明的技術方案如下：

一種足式機器人抗擾平衡裝置，其包括：風扇電機、風扇電機外框、同步輪、牽引電機、軸承、風扇電機的導電滑環及陀螺儀，其中風扇電機設置于風扇電機外框內，所述導電滑環套在風扇電機外框的旋轉軸上給風扇電機供電，軸承設置于風扇電機下方并與風扇電機的旋轉軸相連接，風扇電機外框的旋轉軸和牽引電機輸出軸都分別放置一個同步輪，兩同步輪之間采用同步帶進行傳動，這樣牽引電機旋轉就可以帶動風扇電機外框旋轉從而控制風扇電機所產生力的方向，牽引電機的安裝可固定在機器人本體上，陀螺儀安裝在機器人本體重心平衡處，同步輪用于牽引電機通過同步輪帶動同步帶，軸承用于將整個平衡裝置與機器人固定和安裝，同時滿足平衡裝置旋轉要求，所述陀螺儀的傳感器檢測機器人身體姿態，控制牽引電機轉動，進行方向位置控制，當機器人身體朝某個方向發生傾倒時，使風扇電機朝向該方向，再根據機器人傾倒的角度和角速度，根據受力分析控制風扇電機轉速，即控制其所提供的反向力的大小，使機器人重新恢復平衡狀態。

進一步的，所述同步輪有兩個，兩個同步輪之間設置有同步帶輪。

進一步的，所述陀螺儀安裝與平衡裝置一體，或單獨安裝在機器人本體的重心部分。

進一步的，所述陀螺儀的平衡狀態與機器人的平衡狀態重合.

進一步的，所述再根據機器人傾倒的角度和角速度，根據受力分析控制風扇電機轉速，具體包括：

α和β分別為陀螺儀測得的俯仰角和滾轉角，γ機器人本體傾斜狀態時與垂直狀態的夾角。根據受力分析可知風扇電機提供的牽引力F＞mg×sinγ機器人本體即可恢復平衡狀態，根據風扇電機的參數得到其F與轉速的關系。

一種基于前述足式機器人抗擾平衡裝置的控制方法，其包括以下步驟：

S1：當機器人身體發生傾斜，陀螺儀會檢測到相應的傾角和傾倒的角速度，將數據傳輸給控制系統；

S2：控制系統將角度數據中的偏航角提取出來，用來給牽引電機作為位置控制的目標值，牽引電機則會通過PID的位置閉環控制，牽引風扇電機與機器人傾角相同；