[发明专利]仿人双足机器人步态切换控制系统及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种仿人双足机器人步态切换控制系统及控制方法。

背景技术

近年来，随着机器人技术的发展，机器人应用领域日趋广泛，而仿人机器人是机器人研究中的重要分支，其涉及到机器人制造中的各个领域。仿人机器人要应用在各个领域，首先要解决的就是机器人步态切换的问题，当机器人在不同路况，不同外力扰动(比如被踢了一脚)下，不同速度下如何进行步态切换，切换成何种步态都是难点中的难点。现有的机器人都只能在已知的环境中完成规定的步态，而机器人在实际运动过程中，有时会由于外界的未知扰动，或者路面的突然变化，导致机器人偏离了原来的状态轨迹；有时会因为路面障碍，不得不改变前进方向；而有时为了跟踪一个实时变化的目标，机器人需要实时调整自己的运动状态，这些问题都涉及到双足行走的步态切换问题。而步态切换最关键的问题是如何解决切换瞬间因关节位移、速度和加速度突变导致的机器人失稳，甚至摔倒的问题。

机器人两杆件间通常由关节连接，当机器人关节速度发生变化时，组成关节的两杆件之间将产生很大的冲击力，很容易损坏机器人硬件结构，尤其当机器人关节速度变化很大时，如从走路到跑步或者跳跃等步态切换的瞬间，这一现象更为显著。

专利号为CN101618547A的中国专利公开了一种基于磁流变技术的踝关节缓冲装置。该专利中将电机与安装在壳体内的片簧固接，脚底板相对于电机的转轴，当地面冲击力很大时，励磁线圈电流增大，磁流变阻尼器阻尼增大，片簧发生形变，对转轴产生阻尼作用。该踝关节缓冲装置主要通过产生与电机相反的扭矩来缓冲地面冲击力，而地面冲击力通常垂直地面向上，此种缓冲装置的效率较低，能耗高，并且片簧在缓冲过程中发生形变，当励磁线圈电流为零时，磁流变液成流体状，发生形变的片簧将恢复原状，释放的能量会影响关节角度，使机器人控制出现偏差，影响其稳定性。

专利号为CN104552312A的中国专利公开了一种机器人关节的磁流变柔顺控制器，采用两组齿轮，一组齿轮布置在充满磁流变液的密封腔内，另一组齿轮布置在密封腔外，分别与关节两杆件相连和驱动组件相连，实现机器人关节两杆件的相对运动。该装置采用了多个齿轮及齿轮轴，结构复杂，且只能用于齿轮驱动；同时，该发明只能用于机械臂或机器人上肢关节等无需考虑机器人稳定性的场合，应用范围有限。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种仿人双足机器人步态切换控制系统，包括至少一个柔顺控制器，所述柔顺控制器连接机器人大腿、小腿、躯干或其它关节杆件的上部与下部，用于帮助机器人完成步态切换。

具体的，所述柔顺控制器包括长度调节单元和反馈回路；

所述长度调节单元包括固定于所述机器人关节杆件上部底端的法兰盘，固定于所述机器人关节杆件下部顶端的隔磁铜罩及设于所述隔磁铜罩内的磁流变单元、吸盘及电磁阀；

所述磁流变单元包括缸体、配置于缸体内的活塞、连接于活塞顶部的活塞杆、设于缸体内的磁流变液以及绕制于缸体上的励磁线圈；所述缸体的底端固定于所述隔磁铜罩底部，所述电磁阀固定于所述隔磁铜罩的顶部，所述电磁阀和隔磁铜罩顶部的中心处均设有开孔，所述活塞杆经所述开孔穿出后连接所述法兰盘；所述吸盘固定于所述活塞杆上，且位于所述缸体顶端和电磁阀之间；

所述反馈回路包括位移传感器、加速度传感器，控制器和检测控制电路；所述位移传感器和加速度传感器设于所述法兰盘的中心处，通过信号线与所述控制器相连，所述控制器通过控制线与励磁线圈相连；所述控制检测电路用于处理所述位移传感器和加速度传感器检测到的信号，并转化为标准的电流或者电压信号，所述控制器根据所述电流或者电压信号发出控制指令改变所述励磁线圈中的励磁电流和所述电磁阀的控制电流，从而改变所述磁流变液的阻尼和电磁阀的磁场。

本发明的仿人双足机器人步态切换控制系统，其工作原理为：在机器人进行步态切换的过程中，当关节杆件上部相对于关节杆件下部向下运动时，活塞向下运动，电磁阀断电，同时通过调节励磁线圈中的励磁电流控制活塞的运动速度，改变杆件质心的位置和运动速度，同时吸收关节之间冲击力；

当关节杆件上部相对于关节杆件下部向上运动时，给电磁阀充电，电磁阀给固定于活塞杆上的吸盘施加一个向上的磁力，实现活塞杆的向上运动，通过调节电磁阀电流控制磁力大小，从而调节杆件质心的位置和运动速度。