一種重型載人足式機(jī)器人的線控轉(zhuǎn)向操縱平臺(tái)及操縱方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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(pán)的模式來(lái)駕駛足式機(jī)器人完成行進(jìn)間轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)方法，并且方向盤(pán)的操控信息是以電信號(hào)的方式進(jìn)行傳輸。
【背景技術(shù)】
[0002]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(diǎn)已成為機(jī)器人領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)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(jì)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(dòng)機(jī)器人得以投入使用之前亟待解決的問(wèn)題之一。
[0003]面向諸多復(fù)雜工況下對(duì)機(jī)器人通過(guò)性的需求而設(shè)計(jì)出的多種操縱模式當(dāng)中，針對(duì)足式機(jī)器人在轉(zhuǎn)向環(huán)節(jié)所開(kāi)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(guò)足-地接觸作用及各關(guān)節(jié)間協(xié)調(diào)配合的方式來(lái)支撐機(jī)體進(jìn)行轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，使用操縱桿或按鍵等模式來(lái)控制機(jī)體進(jìn)行轉(zhuǎn)向時(shí)，由于機(jī)器人轉(zhuǎn)向過(guò)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(guò)程中的模態(tài)變化，所以本發(fā)明基于人類(lèi)多年來(lái)駕駛汽車(chē)的操控習(xí)慣，引入了方向盤(pán)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(guò)程中模態(tài)聯(lián)合工作的原因，不可使用機(jī)械傳動(dòng)的方式來(lái)設(shè)計(jì)方向盤(pán)操縱足式機(jī)器人的控制模式，所以最終嘗試將汽車(chē)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(méi)有通過(guò)方向盤(pán)輸出的方式來(lái)操縱重型載人足式機(jī)器人的先例。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]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(dòng)問(wèn)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(tái)及操縱方法。
[0005]—種重型載人足式機(jī)器人的線控轉(zhuǎn)向操縱平臺(tái)基于模塊化的思想進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要分為三部分:方向盤(pán)模塊、運(yùn)動(dòng)控制單元模塊及轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊。
[0006]方向盤(pán)模塊又包括方向盤(pán)、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(pán)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(lái)，并將路感信息傳遞到方向盤(pán)上；
扭矩傳感器用于測(cè)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(cè)量方向盤(pán)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(duì)路面信息的真實(shí)模擬；
減速器用于在路感模擬過(guò)程中減小轉(zhuǎn)速，增加轉(zhuǎn)矩； 電機(jī)電流傳感器用于測(cè)量路感電機(jī)的電樞電流值。
[0007]運(yùn)動(dòng)控制單元模塊又包括運(yùn)動(dòng)規(guī)劃單元及運(yùn)動(dòng)控制器:
運(yùn)動(dòng)規(guī)劃單元負(fù)責(zé)通過(guò)其內(nèi)嵌的足式機(jī)器人以任意半徑轉(zhuǎn)向的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來(lái)解析出與方向盤(pán)輸出轉(zhuǎn)角所對(duì)應(yīng)的支撐相的目標(biāo)足端坐標(biāo)及擺動(dòng)相的目標(biāo)足端軌跡；
運(yùn)動(dòng)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(yǔ)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。
[0008]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(dòng)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(dòng)控制器面向單腿所輸出的運(yùn)動(dòng)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(dòng)控制單元模塊；
三自由度液壓驅(qū)動(dòng)腿是由基節(jié)、大腿、小腿三部分組成，它們之間各自由一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)相連，用于擺動(dòng)尋找下一時(shí)刻的落足點(diǎn)及支撐機(jī)體完成相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)；
旋轉(zhuǎn)變壓器用于測(cè)量足式機(jī)器人腿部各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度；
壓力傳感器用于測(cè)量液壓缸兩腔內(nèi)的壓力差；
位移傳感器用于測(cè)量液壓缸內(nèi)活塞桿的位移。
[0009]根據(jù)一種重型足式機(jī)器人的線控轉(zhuǎn)向操縱平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的操縱方法，該方法包括以下步驟:
步驟1、駕駛員通過(guò)操縱方向盤(pán)模塊內(nèi)的方向盤(pán)輸出目標(biāo)轉(zhuǎn)角，通過(guò)轉(zhuǎn)角傳感器將目標(biāo)轉(zhuǎn)角以電信號(hào)的形式發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制單元；
步驟2、運(yùn)動(dòng)控制單元模塊接收到方向盤(pán)模塊以電信號(hào)形式發(fā)送的目標(biāo)轉(zhuǎn)角值，其內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃單元建立了方向盤(pán)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(guò)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(dòng)學(xué)模型，推導(dǎo)出方向盤(pán)目標(biāo)轉(zhuǎn)角與機(jī)器人轉(zhuǎn)向過(guò)程中支撐相的目標(biāo)足端坐標(biāo)及擺動(dòng)相的目標(biāo)足端軌跡；
步驟3、通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制單元模塊內(nèi)的運(yùn)動(dòng)控制器將步驟2解算出的足端信息以控制指令的形式發(fā)送到轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊內(nèi)部的單腿控制器，通過(guò)其內(nèi)部嵌入的單腿運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，可解算出機(jī)器人轉(zhuǎn)向過(guò)程中支撐相及擺動(dòng)相的目標(biāo)足端信息所對(duì)應(yīng)的單腿上各個(gè)關(guān)節(jié)的目標(biāo)轉(zhuǎn)角；
步驟4、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊內(nèi)的三自由度液壓驅(qū)動(dòng)腿基于接收到單腿控制器發(fā)送的目標(biāo)轉(zhuǎn)角值，通過(guò)液壓缸的布置方式及驅(qū)動(dòng)方式，推導(dǎo)出腿部各個(gè)液壓缸內(nèi)活塞桿的目標(biāo)伸縮量；步驟5、單腿控制器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)腿完成指定動(dòng)作，從而支撐機(jī)體完成轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)；
步驟6、轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊內(nèi)的各個(gè)傳感器將采集到的腿部信息發(fā)送到運(yùn)動(dòng)控制單元模塊，通過(guò)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃單元內(nèi)的足-地接觸力學(xué)模型及轉(zhuǎn)向過(guò)程中的足端位置信息可解算出足-地接觸力作用在機(jī)體重心處的力矩信息，最后由運(yùn)動(dòng)控制器控制路感電機(jī)，將此力矩信息路感電機(jī)輸出的阻力矩形式反饋給駕駛員，指導(dǎo)駕駛員更穩(wěn)定、更精準(zhǔn)的操縱足式機(jī)器人完成指定轉(zhuǎn)向動(dòng)作。
[0010]本發(fā)明有以下有益效果:
所述重型載人足式移動(dòng)平臺(tái)的線控轉(zhuǎn)向操縱裝置的設(shè)計(jì)，相比于采用操縱桿或按鈕等硬件實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行進(jìn)間轉(zhuǎn)向的操縱方式，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的方法通過(guò)引入方向盤(pán)來(lái)操控機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)向，從而提高了足式機(jī)器人在轉(zhuǎn)向過(guò)程中的柔順性，借鑒人類(lèi)長(zhǎng)年操控汽車(chē)而養(yǎng)成的駕駛習(xí)慣來(lái)操控足式機(jī)器人進(jìn)行轉(zhuǎn)向，增加了駕駛員的駕駛舒適性;針對(duì)方向盤(pán)組件的傳動(dòng)需求，以線控的方式取代機(jī)械連接的方式，從而減輕了駕駛員的操縱負(fù)擔(dān)，增加了足式機(jī)器人轉(zhuǎn)向駕駛的靈活性。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1為重型載人足式機(jī)器人線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為方向盤(pán)模塊簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為足式機(jī)器人機(jī)體、腿部坐標(biāo)系及簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為足式機(jī)器人行進(jìn)間的轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)規(guī)劃示意圖；
圖5為足式機(jī)器人轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊的控制框圖；
圖6為重型載人足式機(jī)器人單腿結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]其中1-1、路感電機(jī)，1-2、電機(jī)電流傳感器，1-3、方向盤(pán)，1-4、傳角傳感器，1-5、扭矩傳感器，1-6、減速器，1-7、旋轉(zhuǎn)變壓器，1-8、壓力傳感器，1-9、位移傳感器，2-1、路感電機(jī)，2-2、減速器，2-3、扭矩傳感器，2-4、轉(zhuǎn)角傳感器，2-5、轉(zhuǎn)向軸，2-6、方向盤(pán)，6-1、基節(jié)液壓缸，6-2、大腿液壓缸，6-3、膝關(guān)節(jié)，6-4、根關(guān)節(jié)，6-5、髖關(guān)節(jié)，6-6、小腿液壓缸，6-7、足端。
【具體實(shí)施方式】
[0013]【具體實(shí)施方式】1:參照附圖1具體說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的重型載人足式機(jī)器人的線性轉(zhuǎn)向操縱平臺(tái)，包括方向盤(pán)模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊及轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊，所述的方向盤(pán)模塊由方向盤(pán)、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)電流傳感器組成;所述的運(yùn)動(dòng)控制單元模塊由運(yùn)動(dòng)規(guī)劃單元及運(yùn)動(dòng)控制器組成;所述的轉(zhuǎn)向執(zhí)行模塊由單腿控制器、三自由度液壓驅(qū)動(dòng)腿、旋轉(zhuǎn)變壓器、壓力傳感器及位移傳感器組成。
[0014]【具體實(shí)施方式】2:本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】I所述的一種重型載人足式機(jī)器人的線控轉(zhuǎn)向操縱平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的操縱方法作進(jìn)一步說(shuō)明，參照附圖2具體說(shuō)明本實(shí)施方案，方向盤(pán)模塊內(nèi)的方向盤(pán)通過(guò)鍵連接與轉(zhuǎn)向軸的一端相固定，起作用表現(xiàn)為兩方面，一方面將駕駛員輸入的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)向角度并輸出；另一方面將路感信息反饋給駕駛員。
[0015]【具體實(shí)施方式】3:本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】I所述的一種重型載人足式機(jī)器人的線控轉(zhuǎn)向操縱平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的操縱方法作進(jìn)一步說(shuō)明，參照附圖2具體說(shuō)明本實(shí)施方案，方向盤(pán)模塊內(nèi)的轉(zhuǎn)向軸作為剛性連接件，用于將模塊內(nèi)其他器件串連起來(lái)，并將路感電機(jī)所模擬出的路面信息施加到方向盤(pán)上。
[0016]【具體實(shí)施方式】4:本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】I所述的一種重型載人足式機(jī)器人的線控轉(zhuǎn)向操縱平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的操縱方法作進(jìn)一步說(shuō)明，參照附圖2具體說(shuō)明本實(shí)施方案，方向盤(pán)模塊內(nèi)的扭矩傳感器通過(guò)聯(lián)軸器固定在轉(zhuǎn)向軸上，用于測(cè)量路感電機(jī)施加在轉(zhuǎn)向軸上力矩的大小及方向。
[0017]【具體實(shí)施方式】5:本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】I所述的一種重型載人足式機(jī)器人的線控轉(zhuǎn)向操縱平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的操縱方法作進(jìn)一步說(shuō)明，參照附圖2具體說(shuō)明本實(shí)施方案，方向盤(pán)模塊內(nèi)的轉(zhuǎn)角傳感器通過(guò)聯(lián)軸器固定與轉(zhuǎn)向軸上，用于測(cè)量方向盤(pán)在駕駛員操控下的輸出轉(zhuǎn)角。
[0018]【具體實(shí)施方式】6:本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】I所述的一種重型載人足式機(jī)器人的線控轉(zhuǎn)向操縱平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的操縱方法作進(jìn)一步說(shuō)明，參照附圖2具體說(shuō)明本實(shí)施方案，方向盤(pán)模塊內(nèi)的路感電