一种适于斜坡路面的爬行机器人髋部装置及控制制造方法及图纸

一种适于斜坡路面的爬行机器人髋部装置及控制属于机器人技术领域；解决了现有技术中爬行机器人髋部缺乏高效的减震机构以及在斜坡路面对机身位姿调整效率低的问题；包括机身、支撑机构、调整关节以及控制系统；所述支撑机构包括支撑架、悬架、中心转轴、紧固装置；所述调整关节包括左调整关节和右调整关节；所述调整关节采用减震机构，在不影响行走效率的情况下能有效地缓冲地面对机体的冲击；所述控制系统针对机身位姿调整效率不高的问题，采用基于增速率的RBF整定PID控制，将增速率参数引入RBF整定PID中，并对PID参数限幅，既能保证机身位姿的调整精度又能提高调整效率，缩短了爬行机器人通过斜坡路面的时间，减少了步进电机的能量损耗。

Hip Device and Control of a Crawling Robot for Slope Pavement

【技术实现步骤摘要】
一种适于斜坡路面的爬行机器人髋部装置及控制
本专利技术属于机器人
，尤其涉及一种适于斜坡路面的爬行机器人髋部装置及控制。
技术介绍
我国地理环境复杂，多为山地、丘陵非结构化路面，机器人在代替人类完成防灾救援、侦查勘探工作时，需要在非结构化的斜坡上行走，爬行机器人由于重心低常被应用于斜坡路面中，在现有技术中，爬行机器人髋部缺乏高效的减震机构以及在斜坡路面对机身位姿调整效率低，国内主要通过对机器人机构和电机速度的控制方面进行优化。爬行机器人在斜坡路面行进时，由于地面的冲击，机身在斜坡路面有所起伏，负责驱动的步进电机能量损耗大，爬行机器人不能有效率地通过斜坡，髋部作为全身相对脆弱的一部分，在机构设计时没有考虑减震机构。对于步进电机控制，爬行机器人在斜坡路面行进时，往往采用PID控制，其算法相对简洁，鲁棒性也较好，但控制参数难以整定，影响髋部对机身位姿调整的精度，可以通过RBF神经网络在线学习训练，提供雅可比信息对PID参数进行在线调节，具有超调量小的特点，但基于RBF的PID控制在控制初期存在学习速度慢的问题，致使机身位姿调整效率明显降低。
技术实现思路
本专利技术克服了上述现有技术上的不足，提供一种适于斜坡路面的爬行机器人髋部装置及控制，在机构设计上采用减震机构，在不影响行走效率的同时减少了地面对机体的冲击，同时调整关节的模块化设计利于维护、修理以及性能的完善；在控制上，采用基于增速率的RBF整定PID控制，将增速率参数引入RBF整定PID中，并对PID参数限幅，既保证了机身位姿的调整精度又提高了调整效率，缩短了爬行机器人通过斜坡路面的时间，减少了步进电机的能量损耗。为了解决上述问题，本专利技术的第一目的在于提供一种适于斜坡路面的爬行机器人髋部装置，第二目的在于提供一种适于斜坡路面的爬行机器人髋部装置的控制方法。本专利技术所采取的第一技术方案是：一种适于斜坡路面的爬行机器人髋部装置，包括机身、支撑机构、调整关节以及控制系统；所述机身放置在支撑机构上面，调整关节与支撑机构连接；所述支撑机构包括支撑架、悬架、中心转轴、紧固装置；所述支撑架与机身固定连接，所述支撑架与悬架之间通过中心转轴转动连接，且中心转轴在支撑架的槽中可以上下滑动，所述中心转轴与紧固装置连接，紧固装置采用两个圆螺母；所述调整关节包括左调整关节和右调整关节；所述左调整关节和右调整关节左右对称分布在支撑架的两侧；所述控制系统包括主控芯片、左调整关节步进电机驱动芯片、右调整关节步进电机驱动芯片、六轴传感器芯片；所述主控芯片分别与左调整关节步进电机驱动芯片、右调整关节步进电机驱动芯片、六轴传感器芯片控制连接。进一步地，所述左调整关节和右调整关节的结构相同，以左调整关节为例，所述左调整关节包括左调整关节驱动机构、左调整关节减震机构、左调整关节外壳、左调整关节上端盖、左调整关节下连接板；所述左调整关节驱动机构与左调整关节外壳同轴配合，所述左调整关节减震机构分布在左调整关节驱动机构下方，且与左调整关节外壳同轴配合，所述左调整关节上端盖与左调整关节外壳固定连接，所述左调整关节下连接板一端与左调整关节外壳固定连接，一端与悬架固定连接；进一步地，所述左调整关节驱动机构包括左调整关节步进电机、左调整关节联轴器、左调整关节第一联接键、左调整关节齿轮轴、左调整关节第二联接键、左调整关节轴承、左调整关节轴承端盖、左调整关节齿条；所述左调整关节步进电机与左调整关节外壳固定连接，并与左调整关节联轴器同轴配合，周向通过左调整关节第一联接键固定，所述左调整关节联轴器与左调整关节齿轮轴同轴配合，周向通过左调整关节第二联接键固定，所述左调整关节齿轮轴与左调整关节齿条齿轮啮合，另一端与左调整关节轴承内圈同轴配合，所述左调整关节轴承外圈与左调整关节外壳同轴配合，并通过左调整关节轴承端盖进行轴向固定，所述左调整关节轴承端盖与左调整关节外壳固定连接，所述左调整关节齿条与支撑架固定连接；进一步地，所述主控芯片与左调整关节步进电机驱动芯片采用共阳极接法，主控芯片的PA0、PA1引脚分别与左调整关节步进电机驱动芯片的DIR-、PUL-引脚连接，用于左调整关节步进电机驱动芯片脉冲信号和方向信号的输入；所述主控芯片的PA2、PA3引脚分别与右调整关节步进电机驱动芯片的DIR-、PUL-引脚连接，用于右调整关节步进电机驱动芯片脉冲信号和方向信号的输入；所述主控芯片的PB8、PB9分别与六轴传感器芯片的SCL、SDA引脚连接，用于主控芯片和六轴传感器芯片IIC时钟通信和数据通信，通过DMP获取六轴传感器芯片的航向角、横滚角和俯仰角姿态数据；进一步地，所述左调整关节步进电机驱动芯片的A+、A-、B+、B-引脚分别与左调整关节步进电机的MOTOR1A+、MOTOR1A-、MOTOR1B+、MOTOR1B-引脚连接，用于控制左调整关节步进电机脉冲信号和正反转；进一步地，所述右调整关节步进电机驱动芯片的A+、A-、B+、B-引脚分别与右调整关节步进电机的MOTOR2A+、MOTOR2A-、MOTOR2B+、MOTOR2B-引脚连接，用于控制右调整关节步进电机脉冲信号和正反转。本专利技术所采取的第二技术方案是：所述一种适于斜坡路面的爬行机器人髋部装置实现的控制方法，包括以下步骤：步骤S1、爬行机器人在斜坡路面行进过程中，机身位姿发生改变，六轴传感器中的陀螺仪检测到机身的位姿，即偏转角α、俯仰角β、滚动角γ，并将机身位姿信息传递给主控芯片；步骤S2、主控芯片接收到位姿信息，并根据斜面坡度θ转化为髋部的实际角度qt，与髋部的期望角度qd形成髋部期望转动角度Δqd，髋部期望转动角度Δqd与髋部实际转动角度Δqout形成控制偏差e(t)；步骤S3、在控制偏差e(t)的基础上，主控芯片采用基于增速率的RBF整定PID控制算法对机器人调整关节步进电机进行控制，控制步进电机精准快速转动到期望角度；步骤S4、控制结果为机身快速恢复到期望位姿。进一步地，所述步骤S2中主控芯片接收到位姿信息，并根据斜面坡度θ转化为髋部的实际角度qt具体包括：步骤S2A1、根据机身的位姿，可得oRc，oRc为相对参考坐标系，机体坐标系各轴转动角度的描述矩阵，oRc＝Rot(z0,αcosθ)Rot(x0,βcosθ)Rot(y0,γcosθ)，θ为斜面坡度；步骤S2A2、爬行机器人足端位置在根关节坐标系∑G中的描述为GP，GP可由得到，oP为支撑腿在参考坐标系∑O中的位置，cPG为根关节在机体坐标系∑C中的位置；步骤S2A3、根据GP，运用单腿逆运动学得到髋部的实际角度qt。进一步地，所述步骤S2中髋部的期望角度qd的计算过程具体包括：步骤S2B1、oRcd为相对参考坐标系，机体坐标系各轴期望转动角的表述矩阵，oRcd＝Rot(z0,αdcosθ)Rot(x0,βdcosθ)Rot(y0,γdcosθ)，αd为机体期望偏转角、βd为机体期望俯仰角、γd为机体期望滚动角；步骤S2B2、GPd可根据得到，GPd为爬行机器人期望的足端位置在根关节坐标系∑G中的描述；步骤S2B3、GPd运用单腿逆运动学得到髋部的期望角度qd。进一步地，所述步骤S3中采用基于增速率的RBF整定PID控制，具体包括：PID控制器中输入e(t)与输出u(t)的关系为其中KP为比例增益本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适于斜坡路面的爬行机器人髋部装置，其特征在于，包括(1)机身、(2)支撑机构、(3)调整关节以及(4)控制系统；所述(1)机身放置在(2)支撑机构上面，(3)调整关节与(2)支撑机构连接；所述(2)支撑机构包括(2‑1)支撑架、(2‑2)悬架、(2‑3)中心转轴、(2‑4)紧固装置；所述(2‑1)支撑架与(1)机身固定连接，所述(2‑1)支撑架与(2‑2)悬架之间通过(2‑3)中心转轴转动连接，且(2‑3)中心转轴在(2‑1)支撑架的槽中可以上下滑动，所述(2‑3)中心转轴与(2‑4)紧固装置连接，(2‑4)紧固装置采用两个圆螺母；所述(3)调整关节包括(3‑1)左调整关节和(3‑2)右调整关节；所述(3‑1)左调整关节和(3‑2)右调整关节左右对称分布在(2‑1)支撑架的两侧；所述(4)控制系统包括主控芯片、左调整关节步进电机驱动芯片、右调整关节步进电机驱动芯片、六轴传感器芯片；所述主控芯片分别与左调整关节步进电机驱动芯片、右调整关节步进电机驱动芯片、六轴传感器芯片控制连接。

【技术特征摘要】
1.一种适于斜坡路面的爬行机器人髋部装置，其特征在于，包括(1)机身、(2)支撑机构、(3)调整关节以及(4)控制系统；所述(1)机身放置在(2)支撑机构上面，(3)调整关节与(2)支撑机构连接；所述(2)支撑机构包括(2-1)支撑架、(2-2)悬架、(2-3)中心转轴、(2-4)紧固装置；所述(2-1)支撑架与(1)机身固定连接，所述(2-1)支撑架与(2-2)悬架之间通过(2-3)中心转轴转动连接，且(2-3)中心转轴在(2-1)支撑架的槽中可以上下滑动，所述(2-3)中心转轴与(2-4)紧固装置连接，(2-4)紧固装置采用两个圆螺母；所述(3)调整关节包括(3-1)左调整关节和(3-2)右调整关节；所述(3-1)左调整关节和(3-2)右调整关节左右对称分布在(2-1)支撑架的两侧；所述(4)控制系统包括主控芯片、左调整关节步进电机驱动芯片、右调整关节步进电机驱动芯片、六轴传感器芯片；所述主控芯片分别与左调整关节步进电机驱动芯片、右调整关节步进电机驱动芯片、六轴传感器芯片控制连接。2.根据权利要求1所述一种适于斜坡路面的爬行机器人髋部装置，其特征在于，所述(3)调整关节包括(3-1)左调整关节和(3-2)右调整关节；(3-1)左调整关节和(3-2)右调整关节的结构相同，以(3-1)左调整关节为例，所述(3-1)左调整关节包括(3-11)左调整关节驱动机构、(3-12)左调整关节减震机构、(3-13)左调整关节外壳、(3-14)左调整关节上端盖、(3-15)左调整关节下连接板；所述(3-11)左调整关节驱动机构与(3-13)左调整关节外壳同轴配合，所述(3-12)左调整关节减震机构分布在(3-11)左调整关节驱动机构下方，且与(3-13)左调整关节外壳同轴配合，所述(3-14)左调整关节上端盖与(3-13)左调整关节外壳固定连接，所述(3-15)左调整关节下连接板一端与(3-13)左调整关节外壳固定连接，一端与(2-2)悬架固定连接；所述(3-11)左调整关节驱动机构包括(3-11A)左调整关节步进电机、(3-11B)左调整关节联轴器、(3-11C)左调整关节第一联接键、(3-11D)左调整关节齿轮轴、(3-11E)左调整关节第二联接键、(3-11F)左调整关节轴承、(3-11G)左调整关节轴承端盖、(3-11H)左调整关节齿条；所述(3-11A)左调整关节步进电机与(3-13)左调整关节外壳固定连接，并与(3-11B)左调整关节联轴器同轴配合，周向通过(3-11C)左调整关节第一联接键固定，所述(3-11B)左调整关节联轴器与(3-11D)左调整关节齿轮轴同轴配合，周向通过(3-11E)左调整关节第二联接键固定，所述(3-11D)左调整关节齿轮轴与(3-11H)左调整关节齿条齿轮啮合，另一端与(3-11F)左调整关节轴承内圈同轴配合，所述(3-11F)左调整关节轴承外圈与(3-13)左调整关节外壳同轴配合，并通过(3-11G)左调整关节轴承端盖进行轴向固定，所述(3-11G)左调整关节轴承端盖与(3-13)左调整关节外壳固定连接，所述(3-11H)左调整关节齿条与(2-1)支撑架固定连接；所述主控芯片与左调整关节步进电机驱动芯片采用共阳极接法，主控芯片的PA0、PA1引脚分别与左调整关节步进电机驱动芯片的DIR-、PUL-引脚连接，用于左调整关节步进电机驱动芯片脉冲信号和方向信号的输入；所述主控芯片的PA2、PA3引脚分别与右调整关节步进电机驱动芯片的DIR-、PUL-引脚连接，用于右调整关节步进电机驱动芯片脉冲信号和方向信号的输入；所述主控芯片的PB8、PB9分别与六轴传感器芯片的SCL、SDA引脚连接，用于主控芯片和六轴传感器芯片IIC时钟通信和数据通信，通过DMP获取六轴传感器芯片的航向角、横滚角和俯仰角姿态数据；所述左调整关节步进电机驱动芯片的A+、A-、B+、B-引脚分别与(3-11A)左调整关节步进电机的MOTOR1A+、MOTOR1A-、MOTOR1B+、MOTOR1B-引脚连接，用于控制左调整关节步进电机脉冲信号和正反转；所述右调整关节步进电机驱动芯片的A+、A-、B+、B-引脚分别与(3-21A)右调整关节步进电机的MOTOR2A+、MOTOR2A-、MOTOR2B+、MOTOR2B-引脚连接，用于控制右调整关节步进电机脉冲信号和正反转。3.一种基于权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鹏，宋春宵，翟士朋，刘孟琦，陈巨辉，张元，张鹏，
申请(专利权)人：哈尔滨理工大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23