差分齒輪驅動機器人腿機構及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于差分齒輪驅動方式的機器人腿及控制方法，屬于機器人技術領域。本發(fā)明通過同時改變髖關節(jié)第一驅動電機（19）和髖關節(jié)第二驅動電機（20）的運動速度和方向，同時實現(xiàn)機器人大腿的前后和上下運動；通過膝關節(jié)驅動電機（7）實現(xiàn)小腿的運動，關節(jié)位置通過膝關節(jié)角度傳感器（4）、髖關節(jié)角度傳感器（14）測量后，通過PD控制算法實現(xiàn)；機器人腿運動過程中，通過嵌入小腿中的接觸傳感器（22）感知足與環(huán)境的接觸狀態(tài)，通過固定到小腿上的距離傳感器（21）感知足端與接觸面的距離，通過阻抗控制算法，實現(xiàn)足端與環(huán)境的柔順控制，有效減小接觸過程的沖擊。
【專利說明】
差分齒輪驅動機器人腿機構及控制方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種差分齒輪驅動機器人腿機構及控制方法，屬于特種機器人領域。可應用于反恐、搜救、狹小空間探測、安全保衛(wèi)、航空宇航和城市服務業(yè)和教育等領域。
技術背景
[0002]非結構環(huán)境下機動靈活的機器人具有廣泛而迫切的需求。足式機器人是其中重要類型，而在足式機器人中，四足機器人又是一個重要分支，而且得到了極大的關注，今年來也得到了長足的發(fā)展。尤其在國外，如美國谷歌公司收購的波士頓公司所開發(fā)的Bigdog機器人、后期的LS3機器人小隊以及獵豹機器人等，其他的如意大利的HyQ機器人和瑞士蘇黎世工學院的四足機器人等，都具有很高靈活性和機動性能和強穩(wěn)定性。為保證其高機動性、高適應性和負載能力，這些機器人多采用了液壓或者液壓-電機混合驅動的形式。
[0003]機器人靈巧的運動，不僅跟控制系統(tǒng)性能及其方法直接相關，而且其自身的機械特征更是其高性能的基礎，機器人的自身結構決定了其可能的性能。對足式機器人來說，腿是機器人的關鍵部件。驅動方式的規(guī)劃，腿各部分比重的設計直接影響機器人的性能。
[0004]機器人動力學方程中的哥氏力項是一項比較復雜部分，而且是多關節(jié)機器人動力學方程中必然出現(xiàn)的項。在機器人控制研究中，往往被直接忽略掉，而實際設計的機器人在運動過程中，這一部分也可能在動力學方程中占較大比例。如果哥氏力部分影響較大，直接簡化的動力學方程與實際系統(tǒng)相差較多，據(jù)此設計出來的控制方法也達不到理想的效果。因此，如果機器人機構設計不僅可以使機器人動力學方程簡化，而且也可以極大降低機器人控制系統(tǒng)中代碼的運算復雜度。

【發(fā)明內容】

[0005]基于上述背景，本發(fā)明提出了一種差分齒輪驅動機器人腿機構及控制方法。利用運動傳遞作用，把質量較重的電機等部件安裝在機身上，有效降低機器人腿的重量，使簡化哥氏力項后的機器人動力學方程仍能體現(xiàn)機器人特征，據(jù)此設計的控制方法能有效控制機器人的運動。
[0006]—種差分齒輪驅動機器人腿機構，包括大腿，小腿和足;其特征在于:上述足通過腳踝連接于所述小腿下方，所述的腳踝為彈簧阻尼結構，所述足為彈性小球;上述小腿通過膝關節(jié)與所述大腿相連，所述膝關節(jié)包括膝關節(jié)軸、膝關節(jié)從動錐齒輪、膝關節(jié)主動錐齒輪，膝關節(jié)從動錐齒輪與膝關節(jié)主動錐齒輪參數(shù)相同，膝關節(jié)從動錐齒輪安裝于膝關節(jié)軸上，膝關節(jié)主動錐齒輪安裝于膝關節(jié)驅動電機的輸出軸，膝關節(jié)驅動電機安裝于大腿上，膝關節(jié)驅動電機的輸出軸與膝關節(jié)軸垂直;上述大腿通過髖關節(jié)與機身相連，所述髖關節(jié)包括由髖關節(jié)從動錐齒輪、髖關節(jié)第一主動錐齒輪、髖關節(jié)第二主動錐齒輪組成的差分驅動機構;其中三個錐齒輪參數(shù)相同；髖關節(jié)從動錐齒輪安裝于髖關節(jié)軸上;髖關節(jié)從動錐齒輪分別與髖關節(jié)第一主動錐齒輪及髖關節(jié)第二主動錐齒輪嚙合;髖關節(jié)第一主動錐齒輪由髖關節(jié)第一驅動電機驅動，髖關節(jié)第二主動錐齒輪由髖關節(jié)第二驅動電機驅動;髖關節(jié)第一驅動電機和髖關節(jié)第二驅動電機均安裝于機身上；上述彈簧阻尼結構中間安裝接觸傳感器;上述膝關節(jié)軸上安裝膝關節(jié)角度傳感器;上述小腿上安裝有距離傳感器，距離傳感器與小腿平行;上述髖關節(jié)軸上安裝髖關節(jié)角度傳感器。
[0007]所述的差分齒輪驅動機器人腿機構，其特征在于:所述的髖關節(jié)軸安裝于機器人腿支撐架上，利用螺栓-滑塊機構微調髖關節(jié)軸徑向位置。
[0008]所述的差分齒輪驅動機器人腿機構，其特征在于:上述髖關節(jié)第一主動錐齒輪和髖關節(jié)第二主動錐齒輪上分別安裝同步輪;所述同步輪分別通過同步帶由髖關節(jié)第一驅動電機或髖關節(jié)第二驅動電機驅動。
[0009]所述的差分齒輪驅動機器人腿機構，其特征在于:上述膝關節(jié)驅動電機的輸出軸平行于大腿安裝。
[0010]所述的差分齒輪驅動機器人腿機構，其特征在于:上述膝關節(jié)驅動電機的輸出軸垂直于大腿安裝，通過同步輪，由同步帶傳動，帶動小腿運動。
[0011 ]所述的差分齒輪驅動機器人的控制方法，其特征在于:通過同時改變髖關節(jié)第一驅動電機和髖關節(jié)第二驅動電機的運動速度和方向，同時實現(xiàn)機器人大腿的前后和上下運動;通過膝關節(jié)驅動電機實現(xiàn)小腿的運動，關節(jié)位置通過膝關節(jié)角度傳感器、髖關節(jié)角度傳感器測量后，通過PD控制算法實現(xiàn);機器人腿運動過程中，通過嵌入小腿中的接觸傳感器感知足與環(huán)境的接觸狀態(tài)，通過固定到小腿上的距離傳感器感知足端與接觸面的距離，通過阻抗控制算法，實現(xiàn)足端與環(huán)境的柔順控制，有效減小接觸過程的沖擊。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)勢在于:把機器人大腿關節(jié)2個驅動電機布置在機身上，膝關節(jié)驅動電機布置到大腿上，增大機身重量的同時減小小腿質量，從而有效簡化機器人腿動力學方程。根據(jù)自然界中高速運動、具有高機性和適應性的動物的身體結構和關節(jié)自由度的分配，設計機器人腿的運動傳遞方式和結構，從而在滿足機器人運動性能要求的前提下，降低機器人腿部重量。根據(jù)機器人腿動力學方程的簡化要求，分配各部分的長度、質量等參數(shù)，使簡化的動力學方程在設計范圍內仍能體現(xiàn)機器人的機械特征，降低其運動控制的復雜度和算法的效率。
【附圖說明】
[0013]圖1本發(fā)明差分齒輪驅動機器人腿機構圖；
圖2本發(fā)明機器人腿傳感器安裝示意圖；
圖3本發(fā)明機器人同步帶調節(jié)部分安裝圖；
圖4本發(fā)明差分齒輪驅動系統(tǒng)裝配圖；
圖5本發(fā)明機器腿控制系統(tǒng)結構圖；
圖中標號名稱:1、足，2、腳踝，3、小腿，4、膝關節(jié)角度傳感器，5、膝關節(jié)從動錐齒輪，6、膝關節(jié)主動錐齒輪，7、膝關節(jié)驅動電機，8、第一大腿夾板，9、第二大腿夾板，10、髖關節(jié)從動錐齒輪，11、第一同步輪，12、髖關節(jié)第一主動錐齒輪，13、髖關節(jié)第二主動錐齒輪，14、髖關節(jié)第一角度角度傳感器，15、髖關節(jié)第二角度角度傳感器，16、第三同步輪，17、第二同步輪，18、第四同步輪，19、髖關節(jié)第一驅動電機，20、髖關節(jié)第二驅動電機，21、距離傳感器，22、接觸傳感器，23、腿支撐架，24、大腿軸，25、滑塊，26、螺釘，27、調節(jié)螺釘，28、第一連接軸，29、同步輪，30、軸承，31、銅套，32、螺母，33、第二連接軸。
【具體實施方式】
[0014]如圖1所示，差分驅動機器人腿機構主要包括髖關節(jié)、大腿、膝關節(jié)、小腿、踝關節(jié)和足，以及驅動電機組成。髖關節(jié)為差分齒輪驅動系統(tǒng)，主要包括髖關節(jié)從動錐齒輪10，髖關節(jié)第一主動錐齒輪12和髖關節(jié)第二主動錐齒輪13，帶動整個機器人腿運動。髖關節(jié)第一主動錐齒輪12和髖關節(jié)第二主動錐齒輪13上分別安裝第一同步輪11和第二同步輪17，通過同步帶與安裝在髖關節(jié)第一驅動電機19和髖關節(jié)第二驅動電機20上的第三同步輪16和第四同步輪18組成傳動系統(tǒng)。髖關節(jié)第一驅動電機19和髖關節(jié)第二驅動電機20的輸出軸上連接角度傳感器髖關節(jié)第二角度角度傳感器15和髖關節(jié)第一角度角度傳感器14，電機自身已經(jīng)安裝了減速箱和光電編碼器。通過同步控制髖關節(jié)第一驅動電機19和髖關節(jié)第二驅動電機20的轉動角度和速度來控制差分驅動系統(tǒng)髖關節(jié)從動錐齒輪10的運動位置和速度。大腿由兩塊夾板組成，主要根據(jù)關節(jié)的連接方式而設計。髖關節(jié)第一驅動電機19和髖關節(jié)第二驅動電機20安裝在機器人機身上，從而減小腿部的重量。
[0015]膝關節(jié)為一對錐齒輪傳動機構，由膝關節(jié)從動錐齒輪5、膝關節(jié)主動錐齒輪6組成，通過膝關節(jié)驅動電機7控制。膝關節(jié)驅動電機7安裝在大腿夾板上，電機輸出軸垂直于膝關節(jié)傳動軸，通過錐齒輪改變運動方向的作用，把電機轉動方向轉換到關節(jié)軸的轉動方向上。膝關機軸上安裝膝關節(jié)角度傳感器4，測量膝關節(jié)的轉動角度，利用膝關節(jié)驅動電機7的光電編碼器獲得電機的轉速，根據(jù)傳動比計算膝關節(jié)的轉動速度。
[0016]踝關節(jié)為一個被動關節(jié)，是彈簧-阻尼系統(tǒng)，通過結構設計減小機器人落足時的沖擊。腳踝2與小腿3間存在小幅直線運動。機器人的足I為一個柔性球，與腳踝固定在一起。
[0017]如圖2所示為機器人腿上傳感器的安裝。距離傳感器21固定在小腿上并與小腿平行，用于感知足端與接觸面的位置，通過采樣可分析出落足的速度，并提供數(shù)據(jù)給控制系統(tǒng)。接觸傳感器22安置足端的狀態(tài)，與距離傳感器21配合使用，檢測機器足端狀態(tài)的變化，用于機器人腿的運動控制。
[0018]如圖3所示為本發(fā)明機器人腿安裝支撐架的調節(jié)結構。機器人腿支撐架23通過螺栓固定在機器人機體上，大腿軸24連接髖關節(jié)第一主動錐齒輪12和髖關節(jié)第二主動錐齒輪13。由于傳送帶長度定制，調節(jié)距離不大。如圖安裝方式，通過螺栓26調節(jié)滑塊25的位置，從而調節(jié)微調帶的松緊程度。
[0019]如圖4所示為本發(fā)明差分齒輪驅動系統(tǒng)裝配圖。差分齒輪驅動系統(tǒng)中同步輪29裝配到主動錐齒輪上，通過軸承30與兩個主動輪的第二連接軸33配合安裝。螺栓32用于調節(jié)并固定主動輪的相對位置，安裝相對位置通過銅套31調節(jié)。差分驅動系統(tǒng)中被動錐齒輪通過第一連接軸28與主動輪相互裝配。第一連接軸上打孔，與第二連接軸垂直安裝，之間通過銅套過渡。被動輪與主動輪的安裝配合通過螺釘27調節(jié)。圖中表示了一半差分驅動系統(tǒng)的安裝，另外一半完全對稱。
[0020]圖5所示為機器人腿控制系統(tǒng)結構圖。機器人腿的運動控制結構上主要包括圖中所示的4部分，機器人腿運動規(guī)劃，電機控制，功率放大以及機器人腿機構相關傳感部分。由于需要較多計算以及機器人整體信息的融合，機器人腿運動規(guī)劃在PC-104上完成，通過CAN總線與電機控制部分進行數(shù)據(jù)交換，下發(fā)需要的電機運動數(shù)據(jù)，并接收機器人腿關節(jié)和足端相關的位置和狀態(tài)的數(shù)字信號。電機控制模塊通過FPGA實現(xiàn)，完成與上層系統(tǒng)的通信接口，接收腿運動規(guī)劃數(shù)據(jù)，反饋控制需要的腿關節(jié)位置及速度數(shù)據(jù)，并產(chǎn)生電機的控制信號，經(jīng)過功率放大后，驅動機器人腿上3個直流電機工作。機器人足端的阻抗控制在機器人腿運動規(guī)劃模塊中完成，通過采集安裝于機器人腿上的距離傳感器的數(shù)據(jù)，并推導出相應的速度和加速度值，獲得足端的運動相關參數(shù)，通過阻抗控制算法，結合機器人腿動力學模型，計算關節(jié)驅動力矩，最終實現(xiàn)機器人腿的適應性動態(tài)控制。
[0021]控制方法上，采用足端工作空間的阻抗控制，減小機器人足在落地時的沖擊，增強機器人的環(huán)境適應性，足端于地面的距離通過安裝在小腿上的距離傳感器獲得。運動過程中，足處于支撐相時，足端受力根據(jù)浮動基系統(tǒng)理論方法估算。機器人腿的運動通過FPGA控制，運動控制算法運行在上層單板機PCl04中。
[0022]差分齒輪驅動機器人腿機構及控制方法，其特征在于:所述的機械部分參考能高速靈活運動，具有高機動性的直立四足動物的身體結構，如狗，馬等。相對身體的重量，該類型動物的四條腿質量較輕，尤其小腿部分，大腿肌肉發(fā)達，控制大腿的運動，靠部分肌群的牽張帶動小腿的運動。從控制角度，這種結構的分配有效減小了運動關節(jié)間運動耦合的影響。
[0023]差分齒輪驅動機器人腿包含3個主動自由度和I個被動自由度。其中髖關節(jié)為控制機器人腿抬落和前后擺動的2個旋轉自由度，該關節(jié)為差分驅動機構，通過同軸布置的一對錐齒輪牽動另外一個錐齒輪，從而帶動連接在該齒輪上的機器人腿運動。小腿關節(jié)包括I個旋轉自由度，通過布置在大腿上的電機帶腿小腿的擺動。該關節(jié)可以為通過錐齒輪傳動的方式，也可以通過把電機軸平行于運動軸布置，通過同步輪、皮帶傳動。I個被動自由度布置在小腿和腳踝之間，利用彈簧阻尼系統(tǒng)，通過機械結構減小沖擊的同時，中間安裝接觸傳感器，感知足與地面的接觸情況。
[0024]結合差分驅動齒輪結構和其他部件安裝的便利，機器人大腿結構為兩塊金屬板，差分驅動齒輪系統(tǒng)安裝在機身上，利用滑塊調整驅動帶的松緊程度。考慮到小腿的運動范圍，小腿與大腿連接處設計具有一定弧度，從而小腿可以完全達到與身體平行的位置。
[0025]差分驅動機器人腿的控制系統(tǒng)包括上位機單板機PC104，電機控制FPGA模塊，功放模塊和機器人相關傳感部分。單板機和電機控制部分之間通過CAN總線交換數(shù)據(jù)，用于控制數(shù)據(jù)的下發(fā)和傳感數(shù)據(jù)的上傳。單板機上運行實時操作系統(tǒng)，進行機器人運動控制算法的實時計算。
【主權項】
1.一種差分齒輪驅動機器人腿機構，包括大腿，小腿和足;其特征在于: 上述足(I)通過腳踝(2)連接于所述小腿(3)下方，所述的腳踝為彈簧阻尼結構，所述足為彈性小球； 上述小腿通過膝關節(jié)與所述大腿相連，所述膝關節(jié)包括膝關節(jié)軸、膝關節(jié)從動錐齒輪(5)、膝關節(jié)主動錐齒輪(6)，膝關節(jié)從動錐齒輪(5)與膝關節(jié)主動錐齒輪(6)參數(shù)相同，膝關節(jié)從動錐齒輪(5)安裝于膝關節(jié)軸上，膝關節(jié)主動錐齒輪(6)安裝于膝關節(jié)驅動電機(7)的輸出軸，膝關節(jié)驅動電機(7)安裝于大腿上，膝關節(jié)驅動電機(7)的輸出軸與膝關節(jié)軸垂直； 上述大腿通過髖關節(jié)與機身相連，所述髖關節(jié)包括由髖關節(jié)從動錐齒輪(10)、髖關節(jié)第一主動錐齒輪(12)、髖關節(jié)第二主動錐齒輪(13)組成的差分驅動機構；其中三個錐齒輪參數(shù)相同；髖關節(jié)從動錐齒輪(10)安裝于髖關節(jié)軸(24)上;髖關節(jié)從動錐齒輪(10)分別與髖關節(jié)第一主動錐齒輪(12)及髖關節(jié)第二主動錐齒輪(13)嚙合； 髖關節(jié)第一主動錐齒輪(12)由髖關節(jié)第一驅動電機(19)驅動，髖關節(jié)第二主動錐齒輪(13)由髖關節(jié)第二驅動電機(20)驅動;髖關節(jié)第一驅動電機(19)和髖關節(jié)第二驅動電機(20)均安裝于機身上； 上述彈簧阻尼結構中間安裝接觸傳感器(22);上述膝關節(jié)軸上安裝膝關節(jié)角度傳感器(4);上述小腿上安裝有距離傳感器(21)，距離傳感器(21)與小腿平行；上述髖關節(jié)軸上安裝髖關節(jié)角度傳感器。2.根據(jù)權利要求1所述的差分齒輪驅動機器人腿機構，其特征在于: 所述的髖關節(jié)軸(24)安裝于機器人腿支撐架上，利用螺栓-滑塊機構微調髖關節(jié)軸(24)徑向位置。3.根據(jù)權利要求1所述的差分齒輪驅動機器人腿機構，其特征在于: 上述髖關節(jié)第一主動錐齒輪(12)和髖關節(jié)第二主動錐齒輪(13)上分別安裝同步輪;所述同步輪分別通過同步帶由髖關節(jié)第一驅動電機(19)或髖關節(jié)第二驅動電機(20)驅動。4.根據(jù)權利要求1所述的差分齒輪驅動機器人腿機構，其特征在于: 上述膝關節(jié)驅動電機(7)的輸出軸平行于大腿安裝。5.根據(jù)權利要求1所述的差分齒輪驅動機器人腿機構，其特征在于: 上述膝關節(jié)驅動電機(7)的輸出軸垂直于大腿安裝，通過同步輪，由同步帶傳動，帶動小腿運動。6.根據(jù)權利要求1所述的差分齒輪驅動機器人的控制方法，其特征在于: 通過同時改變髖關節(jié)第一驅動電機(19)和髖關節(jié)第二驅動電機(20)的運動速度和方向，同時實現(xiàn)機器人大腿的前后和上下運動;通過膝關節(jié)驅動電機(7)實現(xiàn)小腿的運動，關節(jié)位置通過膝關節(jié)角度傳感器(4)、髖關節(jié)角度傳感器(14)測量后，通過H)控制算法實現(xiàn)； 機器人腿運動過程中，通過嵌入小腿中的接觸傳感器(22)感知足與環(huán)境的接觸狀態(tài)，通過固定到小腿上的距離傳感器(21)感知足端與接觸面的距離，通過阻抗控制算法，實現(xiàn)足端與環(huán)境的柔順控制，有效減小接觸過程的沖擊。
【文檔編號】B62D57/032GK105947012SQ201610304924
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】李宏凱, 徐曉東, 李博涵, 施陽
【申請人】南京航空航天大學