[发明专利]一种重型载人足式机器人的线控转向操纵平台及操纵方法

说明书

技术领域

本发明属于足式机器人操纵技术领域，具体涉及一种以操纵方向盘的模式来驾驶足式机器人完成行进间转向运动方法，并且方向盘的操控信息是以电信号的方式进行传输。

背景技术

重型载人足式机器人因其在全工况地形下的良好适应性，大承载能力，高稳定性等特点已成为机器人领域内的研究热点之一。作为一种有人驾驶的、多关节冗余的足式机器人，现有的智能控制算法还不能很好的保证机器人在极其复杂的环境下自主完成驾驶员所指定的任务，所以设计出一套可靠、便捷的操纵系统就成为了重型载人足式移动机器人得以投入使用之前亟待解决的问题之一。

面向诸多复杂工况下对机器人通过性的需求而设计出的多种操纵模式当中，针对足式机器人在转向环节所开发出的操纵方式最具独特性，其原因在于足式机器人通过足-地接触作用及各关节间协调配合的方式来支撑机体进行转向运动，使用操纵杆或按键等模式来控制机体进行转向时，由于机器人转向过程中的离散化程度较高，不能准确、直观的为驾驶员反映出机体转向过程中的模态变化，所以本发明基于人类多年来驾驶汽车的操控习惯，引入了方向盘的转向操纵模式。另外，出于机器人腿部在支撑机体转向过程中模态联合工作的原因，不可使用机械传动的方式来设计方向盘操纵足式机器人的控制模式，所以最终尝试将汽车领域内的线控转向技术引入到足式机器人的转向操纵模式当中。目前还没有通过方向盘输出的方式来操纵重型载人足式机器人的先例。

发明内容

本发明是为了解决驾驶员不能很柔顺、很便捷的操纵重型足式机器人执行转向运动问题，现提供一种重型载人足式机器人的线控转向操纵平台及操纵方法。

一种重型载人足式机器人的线控转向操纵平台基于模块化的思想进行设计，主要分为三部分：方向盘模块、运动控制单元模块及转向执行模块。

方向盘模块又包括方向盘、转向轴、扭矩传感器、转角传感器、路感电机、减速器及电机电流传感器：

方向盘用于操纵机器人机体左右转向，并将路感电机所模拟出的路面信息反馈给驾驶员；

转向轴用于将模块内其他器件串连起来，并将路感信息传递到方向盘上；

扭矩传感器用于测量路感电机施加在转向轴上力矩的大小及方向；

转角传感器用于测量方向盘在驾驶员操控下的输出转角；

路感电机用于模拟足-地接触力作用在机体重心处的解析力矩，传递给驾驶员，从而完成对路面信息的真实模拟；

减速器用于在路感模拟过程中减小转速，增加转矩；

电机电流传感器用于测量路感电机的电枢电流值。

运动控制单元模块又包括运动规划单元及运动控制器：

运动规划单元负责通过其内嵌的足式机器人以任意半径转向的运动学模型来解析出与方向盘输出转角所对应的支撑相的目标足端坐标及摆动相的目标足端轨迹；

运动控制器负责将控制函数由解析表达式转换成逻辑语言，最终以控制指令的形式输出给转向执行模块，并将采集到的机器人状态信息转换成足-地接触信息以电机输出的阻力矩形式反馈给驾驶员。

转向执行模块又包括单腿控制器、三自由度液压驱动腿、旋转变压器、压力传感器及位移传感器：

单腿控制器一方面用于接收运动控制器面向单腿所输出的运动控制指令，另一方面负责采集腿部各传感器的反馈数据，并发送给运动控制单元模块；

三自由度液压驱动腿是由基节、大腿、小腿三部分组成，它们之间各自由一个转动关节相连，用于摆动寻找下一时刻的落足点及支撑机体完成相应的运动；

旋转变压器用于测量足式机器人腿部各个关节的转动角度；

压力传感器用于测量液压缸两腔内的压力差；

位移传感器用于测量液压缸内活塞杆的位移。

根据一种重型足式机器人的线控转向操纵平台实现的操纵方法，该方法包括以下步骤：

步骤1、驾驶员通过操纵方向盘模块内的方向盘输出目标转角，通过转角传感器将目标转角以电信号的形式发送到运动控制单元；

步骤2、运动控制单元模块接收到方向盘模块以电信号形式发送的目标转角值，其内部的运动规划单元建立了方向盘目标转角与转向半径之间的一一映射关系，再通过本发明所规划出的足式机器人以任意半径转向的运动学模型，推导出方向盘目标转角与机器人转向过程中支撑相的目标足端坐标及摆动相的目标足端轨迹；