一种具有悬挂减振功能的主动作动式轮足机器人 |
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| 申请号 | CN202410221817.5 | 申请日 | 2024-02-28 | 公开(公告)号 | CN117963030A | 公开(公告)日 | 2024-05-03 |
| 申请人 | 浙江大学; | 发明人 | 纵怀志; 马佰周; 张军辉; 刘津源; 艾吉昆; 王丹丹; 徐兵; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种具有悬挂减振功能的主动作动式轮足 机器人 ，包括 机身 骨架、柔性脊柱和轮腿结构，柔性脊柱安装于机身骨架内和轮腿结构上，轮腿结构安装于机身骨架的两侧；柔性脊柱包括 弹簧 减震器、同步 传动轴 和液压阻尼作动器，同步传动轴穿过 框架 前端和后端的腿部承托 块 ；液压阻尼作动器包括液压驱动部分和阻尼部分；弹簧减震器的一端固定于同步传动轴，两个弹簧减震器的另一端分别与液压阻尼作动器的液压驱动部分连接，液压阻尼作动器的阻尼部分固定于 支撑 板上。与 现有技术 相比，本发明提高了机器人适应各类地形的能 力 ，解决了液压 阀 控缸系统的欠阻尼问题，且实现悬架减震功能，有效降低机身震动，提高快速移动时的系统 稳定性 。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种具有悬挂减振功能的主动作动式轮足机器人，其特征在于，该轮足机器人包括机身骨架(1)、柔性脊柱和轮腿结构，所述柔性脊柱安装于机身骨架(1)内和轮腿结构上，所述轮腿结构安装于机身骨架(1)的两侧； |
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| 说明书全文 | 一种具有悬挂减振功能的主动作动式轮足机器人技术领域背景技术[0002] 轮足式机器人是将足式机器人的机器腿足端替换成了轮毂，进而可以通过轮子在地面上的滚动使机器人产生移动，该机器人也保留了机械腿运动部件。这种结构不仅汲取了足式机器人具有离散落足点的优势，以适应复杂崎岖的地形，而且具有轮式机器人移动速度快、运动效率高的优点，以实现在平整路面的快速移动，其拓宽了机器人的应用场景和作业范围，近年来成为了国内外机器人学者的研究热点。然而，轮足式机器人从轮毂到机身均为刚性结构件，不具有轮式机器人必备的悬架减震系统。因此，若轮足式机器人采用轮式运动模式，其在较快的移动速度且路面不平整或从某一高度下落时，则轮子与地面的震动将会通过腿部结构直接传递给机身，引起机身较大的震动，不仅会严重影响机身零件使用寿命，甚至会导致机身侧翻，影响整体运动的稳定性。 [0003] 专利CN110667724A公开了一种全地形移动机器人，包括机器人骨架、及设置于机器人骨架上的一套以上机械腿总成；所述机械腿总成包括髋关节组件、大腿组件、小腿组件和移动组件；所述大腿组件通过髋关节组件连接机器人骨架；所述小腿组件一端连接大腿组件，小腿组件另一端连接移动组件。虽然该专利采用了轮腿组合的方式提高了地形的适应能力，但是腿部驱动关节采用电机驱动，削减了机器人的负载能力，减少了大负载工况下的应用；同时，该专利的腿部关节不具备减震功能，若在轮式模式下高速行驶，不平整路面将会对机身产生较大震动，不仅影响机器人的运动控制精度，同时降低机身各元器件寿命。 [0004] 专利CN220302625U公开了一种基于流道可变式磁流变阻尼器的液压腿，主要包括大、小腿液压阻尼作动器、大腿护板、小腿；大小腿液压阻尼作动器分别由液压作动器和磁流变阻尼器通过共用端盖及活塞杆的形式串联而成，液压作动器驱动液压腿的运动，磁流变阻尼器减小在运动过程中振动、冲击引起的位移误差；磁流变阻尼器包括变阻尼活塞、活塞杆、阻尼套筒，变阻尼活塞有多级流道阻尼环和可变阻尼结构组成，通过改变阻尼套筒内壁与阻尼活塞的间隙实现通电流或断电流后的阻尼可调功能；可变阻尼结构包括复位弹簧和可挤压式橡胶圈组成。但该专利没有采用轮式结构，不具备快速的移动能力；同时，该专利的阻尼部分为单出杆结构，因此在运动过程中，阻尼活塞左右腔体积无法达到平衡，严重影响驱动关节的位移控制精度。 发明内容[0005] 本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的至少一种缺陷而提供一种具有悬挂减振功能的主动作动式轮足机器人，本发明提高了机器人适应各类地形的能力，解决了液压阀控缸系统的欠阻尼问题，且实现悬架减震功能，有效降低机身震动，提高快速移动时的系统稳定性。 [0006] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现： [0007] 本发明的技术方案之一在于，提供一种具有悬挂减振功能的主动作动式轮足机器人，该轮足机器人包括机身骨架、柔性脊柱和轮腿结构，所述柔性脊柱安装于机身骨架内和轮腿结构上，所述轮腿结构安装于机身骨架的两侧，用于整个机身结构的支撑； [0009] 所述柔性脊柱包括弹簧减震器、同步传动轴和液压阻尼作动器，所述同步传动轴穿过框架前端和后端的腿部承托块； [0010] 所述液压阻尼作动器包括液压驱动部分和阻尼部分，所述液压驱动部分实现活塞杆的伸出与收缩运动，所述阻尼部分实现对活塞杆运动的阻碍作用； [0011] 所述弹簧减震器的一端固定于同步传动轴，两个弹簧减震器的另一端分别与液压阻尼作动器的液压驱动部分连接，所述液压驱动部分的伸出/收缩会带动弹簧减震器的伸出/收缩，所述液压阻尼作动器的阻尼部分垂直固定于支撑板上； [0012] 所述轮腿结构包括腿部结构和轮式结构，所述轮式结构安装于腿部结构的末端。 [0013] 作为优选的技术方案，所述主管架构成的框架采用方形框架。 [0014] 作为优选的技术方案，所述主管架采用方管，所述副管架采用圆管。 [0015] 作为优选的技术方案，所述框架前后端的腿部承托块开设有通孔，所述同步传动轴穿过通孔，且可在通孔内自由转动。 [0016] 作为优选的技术方案，所述弹簧减震器的一端垂直固定于同步传动轴的中间，另一端开设有通孔，该通孔与同步传动轴的轴线平行； [0017] 所述液压阻尼作动器的液压驱动部分通过铰链分别与两个弹簧减震器连接，所述铰链安装于弹簧减震器的通孔内，所述液压阻尼作动器的阻尼部分垂直固定于支撑板上。 [0019] 进一步地，所述轮腿结构还包括液压阻尼作动器； [0021] 所述大腿与小腿之间设有液压阻尼作动器，该液压阻尼作动器中的液压驱动部分与小腿连接，驱动膝关节产生旋转运动，阻尼部分与大腿连接，起缓冲作用以用于抵抗足端与地面的接触力。 [0022] 进一步地，所述轮腿结构还包括液压摆动缸，所述髋关节处设有液压摆动杠； [0023] 所述同步传动轴的两端即在腿部承托块的外侧均安装有法兰盘，该法兰盘跟随同步传动轴一起转动，所述液压摆动缸固定于法兰盘的外侧。 [0025] 作为优选的技术方案，所述液压阻尼作动器收缩时，通过铰链使弹簧减震器收缩并带动同步传动轴绕腿部承托块的通孔轴线转动一定角度，进而同步传动轴通过法兰盘带动机械腿转动一定角度； [0026] 所述液压阻尼作动器伸出时，通过铰链使弹簧减震器伸出并带动同步传动轴绕腿部承托块的通孔轴线转动一定角度，进而同步传动轴通过法兰盘带动机械腿转动一定角度。 [0027] 作为优选的技术方案，当轮足式机器人执行跳跃或奔跑步态时，后半部分机械腿的髋关节与膝关节协调运动，使机械腿呈显出后摆动作，通过调节机身骨架内的液压阻尼作动器的活塞杆收缩，并通过铰链带动弹簧减震器收缩，促使同步传动轴与法兰盘转动，转动方向与机械腿摆动方向相同，进而加快了机械腿的摆动速度，同时收缩的弹簧减震器具有更大的刚度，提高了在执行跳跃或奔跑步态下的跳跃速度；在活塞杆快速动作后，为抑制弹簧减震器与液压阻尼作动器之间的弹性抖动，通过抑制阻尼活塞的运动进而抑制活塞杆的运动，降低轮足式机器人跳跃后在空中状态时，由弹性抖动引发的机械腿抖动现象； [0028] 当轮足式机器人落地时，前半部分机械腿的髋关节与膝关节协调运动，使机械腿呈显出后摆动作，后半部分机械腿的髋关节与膝关节协调运动，使机械腿呈显出前摆动作；此时快速调节机身骨架内的液压阻尼作动器的活塞杆伸出，并通过铰链带动弹簧减震器伸出，促使同步传动轴与法兰盘转动，转动方向与机械腿摆动方向相同，进而加快了机械腿的摆动速度，同时伸出的弹簧减震器具有较小的刚度，提高了轮足式机器人在落地后的整体柔性；在活塞杆快速动作后，为抑制弹簧减震器与液压阻尼作动器之间的弹性抖动，通过抑制阻尼活塞的运动进而抑制活塞杆的运动，降低轮足式机器人落地后由弹性抖动引发的机械腿抖动现象。 [0029] 作为优选的技术方案，所述液压摆动缸与轮腿结构上的液压阻尼作动器的液压驱动部分主要使腿部结构带动机身越过崎岖复杂路面，并实现机器人的奔跑、跳跃等复杂步态；轮毂电机通过旋转运动使机器人在路面快速行走，并通过左右轮差速的形式实现转向功能，减少侧摆关节；所述液压阻尼作动器的阻尼部分主要通过产生的阻尼力实现对液压驱动部分工作时的抖动抑制，同时也可以起到机器人落地时的缓冲作用。 [0030] 作为优选的技术方案，所述抑制液压驱动部分抖动是指：当轮足式机器人为液压驱动的步态行走时，足端与底面的接触力会通过大腿、小腿结构传递给活塞杆，进而导致活塞杆抖动；所述阻尼部分产生所需阻尼力，通过抑制阻尼活塞的位移进而抑制活塞杆抖动。 [0031] 作为优选的技术方案，所述缓冲作用是指：当轮足式机器人为轮毂电机驱动移动时，其若在崎岖颠簸路面或从某一高度落下，所述轮腿结构上的液压阻尼作动器作为悬挂减震器，所述液压驱动部分顺应腿部结构所受到的冲击力使机身具有一定的柔顺性，进而对机身起缓冲作用；所述阻尼部分则产生一定阻尼力，消耗机身震动过程中的惯性能，降低系统震动。 [0032] 进一步地，所述液压驱动部分包括活塞杆、端盖、油缸筒和活塞，所述油缸筒一端开口一端封闭，所述活塞杆穿过油缸筒的封闭端伸出，所述端盖嵌设于油缸筒的开口端； [0033] 所述活塞套设于活塞杆上，并设置于油缸筒内。 [0034] 作为优选的技术方案，所述油缸筒的封闭端轴向开设有通孔，所述活塞杆穿过通孔伸出。 [0035] 作为优选的技术方案，所述活塞与活塞杆为一体式结构，所述活塞两端的活塞杆直径相等，液压驱动部分的油口位于油缸筒两端的侧面。 [0036] 进一步地，所述阻尼部分设置于油缸筒的封闭端，包括阻尼缸筒、导线杆、阻尼端盖和阻尼活塞，所述阻尼缸筒嵌套于油缸筒上； [0037] 所述阻尼活塞与油缸活塞共用一个活塞杆； [0038] 所述阻尼端盖的一端嵌套于阻尼缸筒上； [0039] 所述导线杆连接阻尼活塞，并穿过阻尼端盖伸出。 [0040] 作为优选的技术方案，所述阻尼端盖面开设有通孔及螺栓孔； [0041] 双头螺栓的一端连接油缸筒，另一端穿过阻尼端盖的螺栓孔并通过螺母将其压紧； [0042] 所述导线杆穿过阻尼端盖的通孔伸出，所述导线杆的末端与支撑座的通孔不重合。 [0044] 进一步地，所述阻尼部分还包括平衡杆，所述平衡杆穿过阻尼活塞，并嵌套入活塞杆内，且可在活塞杆内自由移动，所述平衡杆的另一端固定于阻尼端盖上； [0045] 所述平衡杆和导线杆的横截面积之和与活塞杆包含内部空腔的横截面积相等，实现了阻尼活塞左右两腔体积平衡。 [0046] 作为优选的技术方案，所述平衡杆的另一端通过螺纹连接固定于阻尼端盖上。 [0048] 进一步地，所述活塞杆穿过端盖伸出的一端设置有鱼眼轴承作为连接端； [0049] 所述阻尼端盖的一端设置有支撑座作为连接端。 [0050] 作为优选的技术方案，所述端盖开设有通孔，所述活塞杆穿过通孔伸出的一端设置有鱼眼轴承作为连接端，所述鱼眼轴承上开设有通孔，该通孔轴线与端盖面平行。 [0051] 作为优选的技术方案，所述支撑座上开设有通孔，该通孔轴线与端盖面平行。 [0052] 进一步地，所述阻尼活塞设置于阻尼缸筒内，包括阻尼活塞第一端盖、隔磁套筒、阻尼活塞第二端盖、线圈支架、隔磁环和导磁环，所述阻尼活塞第一端盖和阻尼活塞第二端盖设置于线圈支架的两端，所述阻尼活塞第一端盖和阻尼活塞第二端盖之间通过隔磁套筒封闭，所述线圈支架与隔磁套筒之间设置有导磁环和隔磁环； [0053] 所述线圈支架上缠绕有线圈绕组，在通入电流后线圈绕组在磁流变液流道内产生磁场，进而使磁流变液产生磁流变效应，以阻碍阻尼活塞两端的磁流变液在阻尼活塞内部的流动；阻碍阻尼活塞运动的力成为阻尼力。 [0054] 磁流变液具有磁流变效应，在磁场作用下可以由流体状态转化成类固体状态，且这种转化响应迅速、可逆可控。因此，由磁流变液制成的磁流变阻尼器，在较小励磁电流下便可发挥较为优越的性能，其已经在航空航天、土木工程、车辆悬架等领域有着广泛的应用。将磁流变阻尼器推广应用于轮足式机器人的液压系统并实现运动过程的柔顺性，这种方法将具有广阔的应用价值。 [0055] 作为优选的技术方案，所述阻尼活塞第一端盖和阻尼活塞第二端盖与隔磁套筒、线圈支架的连接处通过密封圈密封。 [0056] 作为优选的技术方案，所述导磁环和线圈支架均为导磁材料，在线圈绕组通电下形成闭合磁场。 [0057] 进一步地，所述阻尼活塞第一端盖和阻尼活塞第二端盖上开设有环形孔，所述导磁环和隔磁环均设置有内外两层，内外两层之间的间隙与阻尼活塞第一端盖和阻尼活塞第二端盖的环形孔共同组成磁流变液流道。 [0058] 作为优选的技术方案，所述导磁环和隔磁环的内外两层均设置于同一轴线上。 [0059] 进一步地，所述导磁环与隔磁环相间分布，使得磁流变液流道内形成S形蜿蜒磁场，提高了磁场利用率。 [0060] 本发明的技术方案之一在于，提供一种具有悬挂减振功能的主动作动式轮足机器人的工作模式，包括以下状况： [0062] 轮足式机器人为液压驱动的步态行走：当轮足式机器人执行跳跃或奔跑步态时，后半部分机械腿的髋关节与膝关节执行器协调运动，使机械腿呈显出后摆动作，此时快速调节液压控制系统使机身骨架内的液压阻尼作动器的上油口通入高压油，下油口接通油箱，高压油推动活塞向下运动，进而带动活塞杆收缩，并通过铰链带动弹簧减震器收缩，促使同步传动轴与法兰盘转动，转动方向与机械腿摆动方向相同，进而加快了机械腿的摆动速度；在活塞杆快速动作后，由于机械腿的运动惯性会使弹簧减震器与液压阻尼作动器之间存在弹性抖动，从而使活塞杆上下运动，也会带动阻尼活塞的运动，则会使阻尼缸筒内部的磁流变液通过阻尼活塞由一端流入另一端；此时根据活塞杆的抖动误差，控制器向线圈绕组内通入所需电流，进而在磁流变液流道内形成闭环磁场，当流道内部有磁场作用时，流道内部的磁流变液由液态转化成类固态，阻碍了磁流变液从阻尼活塞一端流入另一端，进而阻碍阻尼活塞的运动，最终抑制了活塞杆的抖动；当抖动显出后，控制器断开线圈绕组，变阻尼控制结束； [0063] 当轮足式机器人落地时，前半部分机械腿的髋关节与膝关节执行器协调运动，使机械腿呈显出后摆动作，后半部分机械腿的髋关节与膝关节执行器协调运动，使机械腿呈显出前摆动作；此时快速调节液压控制系统使机身骨架内的液压阻尼作动器的活塞杆伸出，并通过铰链带动弹簧减震器伸出，促使同步传动轴与法兰盘转动，转动方向与机械腿摆动方向相同，进而加快了机械腿的摆动速度，同时收缩的弹簧减震器具有较小的刚度，提高了轮足式机器人在落地后的整体柔性；在活塞杆快速动作后，为抑制弹簧减震与液压阻尼作动器之间的弹性抖动，此时同时需要通过控制器向线圈绕组内通入电流，通过抑制阻尼活塞的运动进而抑制活塞杆的运动，降低轮足式机器人落地后由弹性抖动引发的机械腿抖动现象；当抖动消失后，控制器断开线圈绕组内部电流，变阻尼控制结束； [0064] 在落地的同时，足端冲击力会通过腿部关节作用在轮腿结构上的液压阻尼作动器上，进而会推动各关节的活塞杆产生一定的位移差，活塞杆带动阻尼活塞移动，从而使阻尼活塞一腔的磁流变液通过磁流变液流道流入另一腔；此时控制器根据采集的位移差大小向线圈绕组内通入所需电流，磁流变液流道内部产生磁场，在磁场作用下，磁流变液发生磁流变效应变为类固态，进一步阻碍磁流变液在流道内的流动；此阻碍作用会使阻尼活塞两端产生相应压差以阻碍阻尼活塞的继续移动，进而抵消活塞杆所受到的冲击力，抑制活塞杆的抖动；当冲击力消失后，控制器断开电流输入，磁流变液流道内的磁场消失，磁流变液恢复为流体状态，高压腔的磁流变液通过磁流变液流道流入低压腔使得阻尼活塞两端压差恢复平衡，则阻尼力消失，液压执行部分继续运动； [0065] 轮足式机器人为轮毂电机驱动：其若在崎岖颠簸路面或从某一高度落下，地面与轮子接触时的冲击力会通过腿部关节作用在轮腿结构上的液压阻尼作动器上，此时柔性脊柱的工作原理与跳跃着地时相同，液压阻尼作动器的液压驱动部分会顺应冲击力作用的方向，即活塞杆位移方向与所受冲击力方向相同，进而提高机身的柔顺性，控制器根据采集的位移大小向线圈绕组内通入所需电流，磁流变液流道内部产生磁场，在磁场作用下，磁流变液发生磁流变效应变为类固态，进一步阻碍磁流变液在流道内的流动；此阻碍作用会使阻尼活塞两端产生相应压差以阻碍阻尼活塞的运动，进而消耗震动过程中惯性能，减少震动幅值，在机身表现出较好的柔顺性的同时快速提高机身稳定性；当震动消失或机身垂落完成，控制器断开电流输入，机身恢复平衡。 [0066] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： [0067] (1)本发明将轮式结构应用于足式机器人，在保证足式机器人具有功重比高、复杂地形适应能力强等优点的前提下，又汲取了轮式结构在平整路面特有的较快移动速度和运行稳定性，这种组合方式提高了机器人在各类地形下的移动速度，拓宽了机器人的应用场景和作业范围； [0068] (2)本发明为改善腿式结构中液压阀控缸系统的欠阻尼特性，将磁流变阻尼器引入液压驱动的轮足式机器人中，可以有效抑制机器人在步态控制时由于足地冲击问题引起的足端抖动现象，提高了腿部结构的抗冲击能力和足端步态控制精度； [0069] (3)本发明在轮式运动模式下，可以配合液压系统，通过腿式结构实现悬架减震功能，有效降低机身震动，提高快速移动时的系统稳定性； [0070] (4)本发明通过同步传动轴分别使前后腿两两串联，并与弹簧减震器共同构成柔性脊柱，使腿部关节具有一定的柔顺性，该结构保证机身大型部件在运动过程中较小的惯性，进而降低运动控制的复杂程度； [0071] (5)本发明将液压阻尼作动器用于柔性脊柱设计，其中液压驱动部分可以主动改变弹簧减震器伸缩量，进而改变机身刚度，使足式机器人能够适应各种复杂工况；阻尼部分可以抑制变刚度过程中引起的震动，消耗机身运动过程中的惯性能量，提高机身的运动稳定性； [0072] (6)本发明将液压摆动杠应用于髋关节，可有效降低机身的设计复杂程度，同时，通过变刚度变阻尼的调节方式，使柔性脊柱对液压摆动杠具有一定的保护作用，使其具有一定的柔顺性，降低了足底冲击过程中液压摆动缸内部的压力波动； [0073] (7)本发明通过共用活塞杆的形式将阻尼部分与液压驱动部分连接，提高了液压阻尼作动器结构的紧凑性，并设计平衡杆与导线杆，不仅可以将线圈绕组导线从阻尼腔内引出，而且可以实现阻尼活塞两端左右腔容积平衡，提高了液压阻尼作动器的控制精度。附图说明 [0074] 图1为本发明实施例中具有悬挂减振功能的主动作动式轮足机器人的整体结构示意图； [0075] 图2为本发明实施例中轮腿结构与柔性脊柱的配合示意图； [0076] 图3为本发明实施例中柔性脊柱的主视结构示意图； [0077] 图4为本发明实施例中柔性脊柱的俯视结构示意图； [0078] 图5为本发明实施例中液压阻尼作动器的剖视结构示意图； [0079] 图6为本发明实施例中液压阻尼作动器的主视结构示意图； [0080] 图7为本发明实施例中阻尼活塞的剖视结构示意图。 [0081] 图中标记说明： [0082] 1—机身骨架、1‑1—主管架、1‑2—腿部承托块、1‑3—副管架； [0083] 2—支撑板、3—弹簧减震器、4—同步传动轴、5—法兰盘、6—液压摆动杠、7—大腿； [0084] 8—液压阻尼作动器、8‑1—活塞杆、8‑2—端盖、8‑3—油缸筒、8‑4—活塞、8‑5—阻尼缸筒、8‑6—双头螺栓、8‑7—导线杆、8‑8—平衡杆、8‑9—阻尼端盖、8‑10—鱼眼轴承； [0085] 9—阻尼活塞、9‑1—阻尼活塞第一端盖、9‑2—隔磁套筒、9‑3—磁流变液流道、9‑4—阻尼活塞第二端盖、9‑5—线圈绕组、9‑6—线圈支架、9‑7—密封圈、9‑8—隔磁环、9‑9—导磁环； [0086] 10—小腿、11—轮式结构、12—螺母、13—螺栓。 具体实施方式[0087] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。 [0088] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等用来描述共同的对象，仅表示指代相同对象的不同实例，而并不是要暗示这样描述的对象必须采用给定的顺序，无论是时间地、空间地、排序地或任何其它方式。 [0089] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。 [0090] 实施例： [0091] 一种具有悬挂减振功能的主动作动式轮足机器人，如图1所示，包括机身骨架1、柔性脊柱和轮腿结构，柔性脊柱安装于机身骨架1内和轮腿结构上，轮腿结构安装于机身骨架1的两侧，用于整个机身结构的支撑； [0092] 机身骨架1包括主管架1‑1构成的方形框架和固定于方形框架四角的腿部承托块1‑2，并通过双排副管架1‑3分别连接方形框架前后端的腿部承托块1‑2以加固机身骨架1，双排副管架1‑3之间设置有支撑板2； [0093] 在本实施例中，主管架1‑1选用方管，副管架1‑3选用圆管； [0094] 轮腿结构包括液压摆动缸6、腿部结构、液压阻尼作动器8和轮式结构11； [0095] 腿部结构包括大腿7和小腿10，大腿7通过髋关节处的法兰盘5与机身支架1连接，小腿10通过膝关节与大腿7连接； [0096] 髋关节处设有液压摆动杠6，大腿7与小腿10之间设有液压阻尼作动器8，其中液压驱动部分与小腿10连接，驱动膝关节产生旋转运动，阻尼部分与大腿7连接，起缓冲作用以用于抵抗足端与地面的接触力； [0097] 轮式结构11包括轮毂电机支架和轮毂电机，轮毂电机支架安装于小腿10的末端，轮毂电机的定子安装于轮毂支架上，且其转子可绕定子自由转动，转子的外侧嵌套有轮胎。 [0098] 如图2至图4所示，柔性脊柱包括弹簧减震器3、同步传动轴4和液压阻尼作动器8，方形框架前后端的腿部承托块1‑2开设有通孔，两个同步传动轴4分别穿过通孔，且可在通孔内自由转动； [0099] 同步传动轴4的两端即在腿部承托块1‑2的外侧均安装有法兰盘5，法兰盘5跟随同步传动轴4一起转动，液压摆动缸6通过螺母12和螺栓13固定于法兰盘5的外侧； [0100] 弹簧减震器3的一端垂直固定于同步传动轴4的中间，另一端开设有通孔，通孔与同步传动轴4的轴线平行； [0101] 液压阻尼作动器8的液压驱动部分通过铰链分别与两个弹簧减震器3连接，铰链安装于弹簧减震器3的通孔内，液压驱动部分的伸出/收缩会带动弹簧减震器3的伸出/收缩，液压阻尼作动器8的阻尼部分垂直固定于支撑板2上； [0102] 液压阻尼作动器8收缩时，其通过铰链使弹簧减震器3收缩并带动同步传动轴4绕腿部承托块1‑2的通孔轴线转动一定角度，进而同步传动轴4通过法兰盘5带动机械腿转动一定角度； [0103] 液压阻尼作动器8伸出时，其通过铰链使弹簧减震器3伸出并带动同步传动轴4绕腿部承托块1‑2的通孔轴线转动一定角度，进而同步传动轴4通过法兰盘5带动机械腿转动一定角度。 [0104] 当轮足式机器人执行跳跃或奔跑步态时，后半部分机械腿的髋关节与膝关节协调运动，使机械腿呈显出后摆动作，通过调节机身骨架1内的液压阻尼作动器8的活塞杆8‑1收缩，并通过铰链带动弹簧减震器3收缩，促使同步传动轴4与法兰盘5转动，转动方向与机械腿摆动方向相同，进而加快了机械腿的摆动速度，同时收缩的弹簧减震器具有更大的刚度，提高了在执行跳跃或奔跑步态下的跳跃速度；在活塞杆8‑1快速动作后，为抑制弹簧减震器3与液压阻尼作动器8之间的弹性抖动，通过抑制阻尼活塞9的运动进而抑制活塞杆8‑1的运动，降低轮足式机器人跳跃后在空中状态时，由弹性抖动引发的机械腿抖动现象； [0105] 当轮足式机器人落地时，前半部分机械腿的髋关节与膝关节协调运动，使机械腿呈显出后摆动作，后半部分机械腿的髋关节与膝关节协调运动，使机械腿呈显出前摆动作；此时快速调节机身骨架1内的液压阻尼作动器8的活塞杆8‑1伸出，并通过铰链带动弹簧减震器3伸出，促使同步传动轴4与法兰盘5转动，转动方向与机械腿摆动方向相同，进而加快了机械腿的摆动速度，同时伸出的弹簧减震器3具有较小的刚度，提高了轮足式机器人在落地后的整体柔性；在活塞杆8‑1快速动作后，为抑制弹簧减震器3与液压阻尼作动器8之间的弹性抖动，通过抑制阻尼活塞9的运动进而抑制活塞杆8‑1的运动，降低轮足式机器人落地后由弹性抖动引发的机械腿抖动现象。 [0106] 液压摆动缸6与轮腿结构上的液压阻尼作动器8的液压驱动部分主要使腿部结构带动机身越过崎岖复杂路面，并实现机器人的奔跑、跳跃等复杂步态；轮毂电机通过旋转运动使机器人在路面快速行走，并通过左右轮差速的形式实现转向功能，减少侧摆关节；液压阻尼作动器8的阻尼部分主要通过产生的阻尼力实现对液压驱动部分工作时的抖动抑制，同时也可以起到机器人落地时的缓冲作用。 [0107] 抑制液压驱动部分抖动是指：当轮足式机器人为液压驱动的步态行走时，足端与底面的接触力会通过大腿7、小腿10结构传递给活塞杆8‑1，进而导致活塞杆8‑1抖动；阻尼部分产生所需阻尼力，通过抑制阻尼活塞9的位移进而抑制活塞杆8‑1抖动。 [0108] 缓冲作用是指：当轮足式机器人为轮毂电机驱动移动时，其若在崎岖颠簸路面或从某一高度落下，轮腿结构上的液压阻尼作动器8作为悬挂减震器，其中液压驱动部分顺应腿部结构所受到的冲击力使机身具有一定的柔顺性，进而对机身起缓冲作用；阻尼部分则产生一定阻尼力，消耗机身震动过程中的惯性能，降低系统震动。 [0109] 如图5至图7所示，液压阻尼作动器8包括液压驱动部分和阻尼部分，液压驱动部分实现活塞杆8‑1的伸出与收缩运动，阻尼部分实现对活塞杆8‑1运动的阻碍作用； [0110] 液压驱动部分包括活塞杆8‑1、端盖8‑2、油缸筒8‑3和活塞8‑4，油缸筒8‑3一端开口一端封闭，封闭端轴向开设有通孔，活塞杆8‑1穿过通孔伸出，端盖8‑2嵌设于油缸筒8‑3的开口端； [0111] 端盖8‑2开设有通孔，活塞杆8‑1穿过通孔伸出的一端设置有鱼眼轴承8‑10作为连接端，鱼眼轴承8‑10上开设有通孔，通孔轴线与端盖面平行； [0112] 活塞8‑4套设于活塞杆8‑1上，并设置于油缸筒8‑3内； [0113] 活塞8‑4与活塞杆8‑1为一体式结构，活塞8‑4两端的活塞杆8‑1直径相等，液压驱动部分的油口位于油缸筒8‑3两端的侧面； [0114] 阻尼部分设置于油缸筒8‑3的封闭端，包括阻尼缸筒8‑5、导线杆8‑7、平衡杆8‑8、阻尼端盖8‑9和阻尼活塞9，阻尼缸筒8‑5嵌套于油缸筒8‑3上； [0115] 阻尼活塞9与油缸活塞8‑4共用一个活塞杆8‑1，平衡杆8‑8穿过阻尼活塞9，并嵌套入活塞杆8‑1内，且可在活塞杆8‑1内自由移动； [0116] 平衡杆8‑8和导线杆8‑7的横截面积之和与活塞杆8‑1包含内部空腔的横截面积相等，实现了阻尼活塞9左右两腔体积平衡； [0117] 阻尼端盖8‑9面开设有通孔及螺栓孔，其一端嵌套于阻尼缸筒8‑5上； [0118] 阻尼端盖8‑9的一端设置有支撑座作为连接端，支撑座上开设有通孔，通孔轴线与端盖面平行； [0119] 双头螺栓8‑6的一端连接油缸筒8‑5，另一端穿过阻尼端盖8‑9的螺栓孔并通过螺母将其压紧； [0120] 导线杆8‑7设置于阻尼活塞第二端盖9‑4的一端，通过螺纹固定于阻尼活塞第二端盖9‑4的轴线外侧； [0121] 导线杆8‑7穿过阻尼端盖8‑9的通孔伸出，其末端与支撑座的通孔不重合； [0122] 阻尼活塞9设置于阻尼缸筒8‑5内，包括阻尼活塞第一端盖9‑1、隔磁套筒9‑2、阻尼活塞第二端盖9‑4、线圈支架9‑6、隔磁环9‑8和导磁环9‑9，阻尼活塞第一端盖9‑1和阻尼活塞第二端盖9‑4设置于线圈支架9‑6的两端，并开设有环形孔，阻尼活塞第一端盖9‑1和阻尼活塞第二端盖9‑4之间通过隔磁套筒9‑2封闭，线圈支架9‑6与隔磁套筒9‑2之间设置有导磁环9‑9和隔磁环9‑8； [0123] 阻尼活塞第一端盖9‑1和阻尼活塞第二端盖9‑4与隔磁套筒9‑2、线圈支架9‑6的连接处可通过密封圈9‑7密封； [0124] 导磁环9‑9与隔磁环9‑8相间分布，导磁环9‑9和隔磁环9‑8均设置有内外两层，内外两层均设置于同一轴线上，其之间的间隙与阻尼活塞第一端盖9‑1和阻尼活塞第二端盖9‑4的环形孔共同组成磁流变液流道9‑3； [0125] 线圈支架9‑6上缠绕有线圈绕组9‑5，在通入电流后线圈绕组9‑5可在磁流变液流道9‑3内产生磁场，进而使磁流变液产生磁流变效应，以阻碍阻尼活塞9两端的磁流变液在阻尼活塞9内部的流动；阻碍阻尼活塞9运动的力成为阻尼力。 [0126] 在本实施例中，平衡杆8‑8的另一端通过螺纹连接固定于阻尼端盖8‑9上，可根据控制需要将平衡杆8‑8替换为LVDT直线位移传感器，以提高液压阻尼作动器结构的紧凑性。 [0127] 在本实施例中，导磁环9‑9和线圈支架9‑6均为导磁材料，在线圈绕组9‑5通电下形成闭合磁场； [0128] 导磁环9‑9与隔磁环9‑8相间分布，使得磁流变液流道9‑3内形成S形蜿蜒磁场，提高了磁场利用率。 [0129] 上述具有悬挂减振功能的主动作动式轮足机器人的工作原理，具体状况如下： [0130] 首先，根据所需应用工况，调节机身骨架1内的液压阻尼作动器8的活塞杆8‑1伸出位置，进而调节弹簧减震器3处于该工况下的最优刚度；随后，分别调节多自由度机械腿使轮足式机器人处于支撑态； [0131] 轮足式机器人为液压驱动的步态行走：当轮足式机器人执行跳跃或奔跑步态时，后半部分机械腿的髋关节与膝关节执行器协调运动，使机械腿呈显出后摆动作，此时快速调节液压控制系统使机身骨架1内的液压阻尼作动器8的上油口通入高压油，下油口接通油箱，高压油推动活塞8‑4向下运动，进而带动活塞杆8‑1收缩，并通过铰链带动弹簧减震器3收缩，促使同步传动轴4与法兰盘5转动，转动方向与机械腿摆动方向相同，进而加快了机械腿的摆动速度；在活塞杆8‑1快速动作后，由于机械腿的运动惯性会使弹簧减震器3与液压阻尼作动器8之间存在弹性抖动，从而使活塞杆8‑1上下运动，也会带动阻尼活塞9的运动，则会使阻尼缸筒8‑5内部的磁流变液通过阻尼活塞9由一端流入另一端；此时根据活塞杆8‑1的抖动误差，控制器向线圈绕组9‑5内通入所需电流，进而在磁流变液流道9‑3内形成闭环磁场，当流道内部有磁场作用时，流道内部的磁流变液由液态转化成类固态，阻碍了磁流变液从阻尼活塞9一端流入另一端，进而阻碍阻尼活塞9的运动，最终抑制了活塞杆8‑1的抖动；当抖动显出后，控制器断开线圈绕组9‑5，变阻尼控制结束； [0132] 当轮足式机器人落地时，前半部分机械腿的髋关节与膝关节执行器协调运动，使机械腿呈显出后摆动作，后半部分机械腿的髋关节与膝关节执行器协调运动，使机械腿呈显出前摆动作；此时快速调节液压控制系统使机身骨架1内的液压阻尼作动器8的活塞杆8‑1伸出，并通过铰链带动弹簧减震器3伸出，促使同步传动轴4与法兰盘5转动，转动方向与机械腿摆动方向相同，进而加快了机械腿的摆动速度，同时收缩的弹簧减震器3具有较小的刚度，提高了轮足式机器人在落地后的整体柔性；在活塞杆8‑1快速动作后，为抑制弹簧减震3与液压阻尼作动器8之间的弹性抖动，此时同时需要通过控制器向线圈绕组9‑5内通入电流，通过抑制阻尼活塞9的运动进而抑制活塞杆8‑1的运动，降低轮足式机器人落地后由弹性抖动引发的机械腿抖动现象；当抖动消失后，控制器断开线圈绕组9‑5内部电流，变阻尼控制结束； [0133] 在落地的同时，足端冲击力会通过腿部关节作用在轮腿结构上的液压阻尼作动器8上，进而会推动各关节的活塞杆8‑1产生一定的位移差，活塞杆8‑1带动阻尼活塞9移动，从而使阻尼活塞9一腔的磁流变液通过磁流变液流道9‑3流入另一腔；此时控制器根据采集的位移差大小向线圈绕组9‑5内通入所需电流，磁流变液流道9‑3内部产生磁场，在磁场作用下，磁流变液发生磁流变效应变为类固态，进一步阻碍磁流变液在流道9‑3内的流动；此阻碍作用会使阻尼活塞9两端产生相应压差以阻碍阻尼活塞9的继续移动，进而抵消活塞杆8‑ 1所受到的冲击力，抑制活塞杆8‑1的抖动；当冲击力消失后，控制器断开电流输入，磁流变液流道9‑3内的磁场消失，磁流变液恢复为流体状态，高压腔的磁流变液通过磁流变液流道 9‑3流入低压腔使得阻尼活塞9两端压差恢复平衡，则阻尼力消失，液压执行部分继续运动； [0134] 轮足式机器人为轮毂电机驱动：其若在崎岖颠簸路面或从某一高度落下，地面与轮子接触时的冲击力会通过腿部关节作用在轮腿结构上的液压阻尼作动器8上，此时柔性脊柱的工作原理与跳跃着地时相同，液压阻尼作动器8的液压驱动部分会顺应冲击力作用的方向，即活塞杆8‑1位移方向与所受冲击力方向相同，进而提高机身的柔顺性，控制器根据采集的位移大小向线圈绕组9‑5内通入所需电流，磁流变液流道9‑3内部产生磁场，在磁场作用下，磁流变液发生磁流变效应变为类固态，进一步阻碍磁流变液在流道9‑3内的流动；此阻碍作用会使阻尼活塞9两端产生相应压差以阻碍阻尼活塞9的运动，进而消耗震动过程中惯性能，减少震动幅值，在机身表现出较好的柔顺性的同时快速提高机身稳定性；当震动消失或机身垂落完成，控制器断开电流输入，机身恢复平衡。 [0135] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。 |
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