[发明专利]一种两级减振踝足一体并联低冲击行走足机构及控制方法

说明书

本发明提供了一种两级减振踝足一体并联低冲击行走足机构及控制方法，可以有效降低足地冲击力，并能进行主动控制。行走足机构包括足腿连接平台、足端底部连接平台、三组移动副、三组转动副、三组球副，下平台模拟机器人足端，移动副为驱动副，模拟机器人腿部，足端底部连接平台下表面镶嵌具有摩擦力的减振垫，为第一级减振，三组移动副的布置方式为镜像对称，移动副包括液压缸、弹簧阻尼器、伺服阀和控制器，弹簧阻尼器套在液压缸的缸活塞杆上，为第二级减振，从而整体构成三自由度构型的少自由度并联机构，能够实现延x，y方向的两个转动自由度以及一个z向的平移自由度。本发明使得机器人规划和控制灵活、可靠、稳定性高。

技术领域

本发明涉及一种两级减振踝足一体并联低冲击行走足机构及控制方法。

背景技术

足式机器人的移动行为具有非连续支撑的特点，使其能够跨越障碍、沟壑，适应各种崎岖的地面环境，具有非常强的地形适应性，是轮式、履带式装备不可达地形的最佳装备形式。足式机器人在行走过程中频繁的发生着足端与接触地面的碰撞，足端的有效负载在支撑相和摆动相时相差极为悬殊，更为重要的是在支撑相和摆动相切换瞬间存在非常大的冲击。若不能及时、有效地进行吸收，瞬时冲击将传递到足式机器人机体等部分，影响行走稳定性并可能造成机械系统的破坏，尤其在高速动步态模式下足端性能影响愈发明显。现有足端多采用单级弹簧阻尼机制、踝足串联、被动控制或部分自由度主动控制设计，存在踝足刚度低、足地承压面积不可调、足地接触角度不可控等问题，进而导致：1)腿足刚度匹配设计困难，否则足地冲击将大幅传递到机体；2)足地接触对机体姿态的影响即使通过机器人顶层规划，也会因足端被动适应导致调整失效；3)难以形成足端的推进、减速以及有效反射，使得足式机器人控制复杂。因此上，提出踝足一体、两级减振的并联低冲击行走足具有重要的应用价值。

发明内容

基于以上不足之处，本发明的目的是提供一种两级减振踝足一体并联低冲击行走足机构及控制方法，在解决足式机器人在行进过程中产生的瞬时巨大冲击力问题的前提下，提高对地面的适应性，辅助机器人行进运动。

本发明所采用的技术如下：一种两级减振踝足一体并联低冲击行走足机构，行走足机构构成机器人足端，包括足腿连接平台、足端底部连接平台、三组移动副、三组转动副、三组球副，足端底部连接平台模拟机器人足端，移动副为驱动副，模拟机器人腿部，足端底部连接平台安装有多维力传感器，足端底部连接平台下表面镶嵌具有摩擦力的减振垫，为第一级减振，足端底部连接平台通过三组球副与三组移动副的下端连接，每组移动副的上端通过转动副与足腿连接平台连接，三组移动副的布置方式为镜像对称，移动副包括液压缸、弹簧阻尼器、伺服阀和控制器，液压缸上安装有伺服阀，伺服阀与控制器电气连接，作为液压缸的控制执行单元；弹簧阻尼器套在液压缸的缸活塞杆上，为第二级减振，从而整体构成三自由度构型的少自由度并联机构，能够实现延x，y方向的两个转动自由度以及一个z向的平移自由度。

本发明还具有如下技术特征：

1、以行走足机构瞬时有效缓冲、避免回跳现象为前提，其参数间的关系如下：

M：躯干质量，m：行走足质量，K：腿部刚度，k：并联行走足底刚度，c₁：腿部阻尼，c₂：并联行走足底阻尼，Y：腿部位移，y：并联行走足底位移；

并联行走足机构的集总参数匹配设计准则：

避免回跳条件为：π²VKm/2k>emv、k/K<5V/ev，其中e是模型与地面的回弹系数，满足关系式e＝exp(-c₁/2)，V：腿部下落速度，v：足底下落速度；参数最佳匹配为：质量比m/M＝0.2，刚度比k/K＝4～5，阻尼比c₁/c₂＝0.25，足端将最大限度抑制振动幅值、降低冲击力。