CN114313050B - 一种轮腿机器人的关节驱动装置、控制方法及轮腿机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种轮腿机器人的关节驱动装置、控制方法及轮腿机器人，包括髋关节旋转执行器、膝关节旋转执行器以及电机，所述髋关节旋转执行器通过髋关节电静液执行器进行位移闭环控制伸展/收缩，所述膝关节旋转执行器通过膝关节电静液执行器进行位移闭环控制伸展/收缩，所述膝关节旋转执行器通过膝关节电静液执行器进行力闭环控制减振，所述电机通过控制器带动车轮转动/停止。目的在于以轮式模态运行为主，简单的步式模态运动为辅，且在轮式模态下能够很好的实现减振功能，在步式模态下能够很好的实现腿伸缩功能，从而兼顾轮腿机器人在实际使用过程中的灵活性和功能性。

Description

一种轮腿机器人的关节驱动装置、控制方法及轮腿机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种轮腿机器人的关节驱动装置、控制方法及轮腿机器人。

背景技术

轮腿式机器人是指在机器人腿的末端加上了轮子，此种机器人充分结合了轮与腿的优势，既能够快速高效的通过车辆路面，又能够利用腿的腿步态翻越障碍物，实现非结构环境下的通过。相对于足式机器人来讲在路面环境下，具有更快的行进速度及能效，故轮腿式机器人的研究得到了越来越广泛的关注。

目前，轮腿机器人一般是基于四足或者两足机器人的基础上进行开发，其腿部关节配置与足式机器人相同，而且现有的轮腿机器人的本体及负载质量较小，腿部关节均为电机驱动，其重点是展示轮腿机器人控制技术，而非以实际应用为目标。由于足式机器人只能以步式模态移动，为了使其运动时保持平衡，腿部一般至少有三种关节执行器，分别是髋关节摆动执行器、髋关节旋转执行器以及膝关节旋转执行器，三种关节执行器一般采用柔顺控制来减缓地面对机器人的冲击力。一般来讲，对于轻载足式机器人(本体与负载总质量≤100kg)，其关节执行器一般采用电传动方式，具体类型可分为三种，直驱电机、电机减速器串联弹性体、电机与高减速比减速器；而对于重载足式机器人(本体与负载总质量≥100kg)，其关节执行器一般采用液压传动方式，具体类型为伺服阀控缸。

但重载足式机器人采用伺服阀控缸执行器，以上两点存在以下问题：1、轮腿机器人特别是重载轮腿机器人，其体积与质量较大，当其以轮式模式运行时，相对于足式机器人具有较高的能量利用率，故为了实现系统的能量效益最大化，重载轮腿机器人以轮式模态运动为主，且实际路面大部分是平坦的，适合轮式模态运行工况；重载轮腿机器人的步式模态仅用于跨越障碍物。故重载轮腿机器人与足式机器人的工作模式不同，对其腿部关节的功能需求也不同。重载轮腿机器人对腿部关节执行器的需求类似于车辆对其底盘的需求—即良好的减振性能。故目前足式机器人的关节配置及其控制方式无法满足这一性能需求；2、现有轮腿机器人的腿部关节配置与足式机器人相同，每条腿有三个驱动关节，再增加轮滚动的关节，则每条腿有四个需要控制的关节自由度，这极大的增加了控制的难度；3、重载足式机器人的关节执行器目前均采用伺服阀控缸，通过伺服阀的节流来对液压缸实现精确的输出力/速度的控制，存在较大的节流功率损耗，液压系统传递效率低，机器人的有效能量利用率低。如果重载轮腿机器人的腿部关节执行器采用伺服阀控缸，当其腿部运动时，会消耗大量的能量，降低机器人的能量利用率。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种轮腿机器人的关节驱动装置、控制方法及轮腿机器人：一方面较好的满足了重载轮腿机器人的工作模式，即以轮式模态运行为主，简单的步式模态运动为辅，且在轮式模态下能够很好的实现减振功能，在步式模态下能够很好的实现腿伸缩功能；另一方面重载轮腿机器人的每条腿仅包含髋关节旋转执行器、膝关节旋转执行器以及轮毂电机，去掉了髋关节摆动执行器，减少了关节执行器数量，降低了对腿部的控制难度，同时从结构上降低了系统的复杂度；此外，本发明中，重载轮腿机器人的髋关节旋转执行器以及膝关节旋转执行器都采用电静液闭式回路，基于伺服泵控原理工作，相对于伺服阀控缸执行器具有较高的传动效率，同时具有较高的力密度比，配合连杆机构，在较小的质量及体积下输出较大的力矩。

本发明所采用的技术方案是：一种轮腿机器人的关节驱动装置，包括髋关节旋转执行器、膝关节旋转执行器以及电机，所述髋关节旋转执行器通过髋关节电静液执行器进行位移闭环控制伸展/收缩，所述膝关节旋转执行器通过膝关节电静液执行器进行位移闭环控制伸展/收缩，所述膝关节旋转执行器通过膝关节电静液执行器进行力闭环控制减振，所述电机通过控制器带动车轮转动/停止。

优选的，所述髋关节电静液执行器包括髋关节控制器、髋关节角位移传感器和髋关节旋转执行器阀块，所述髋关节控制器与控制器连接，所述髋关节控制器通过髋关节旋转执行器阀块控制髋关节旋转执行器伸展/收缩；所述髋关节角位移传感器与髋关节控制器连接，所述髋关节角位移传感器设置在车体与大腿的铰接位置。

优选的，所述髋旋转关节执行器的两端分别与车体和大腿连接，所述髋旋转关节执行器包括第一液压缸和第一活塞杆，所述第一活塞杆设置在第一液压缸内并将第一液压缸分隔成第一腔体和第二腔体；所述髋关节旋转执行器阀块包括第一油路、第二油路，所述第一油路和第二油路分别与第一腔体和第二腔体连通；所述第一活塞杆通过液压油交替进入第一腔体和第二腔体内实现伸展/收缩。

优选的，所述髋关节旋转执行器阀块还包括第一电机，所述第一油路和第二油路与第一液压泵连接，所第一液压泵与第一电机连接；所述第一油路和第二油路上均设置有两位两通电磁开关阀，所述第一油路和第二油路上设置有溢流阀。

优选的，所述膝关节电静液执行器包括膝关节控制器、膝关节角位移传感器和膝关节旋转执行器阀块，所述膝关节控制器与控制器连接，所述膝关节控制器通过膝关节旋转执行器阀块控制膝关节旋转执行器伸展/收缩；所述膝关节角位移传感器与膝关节控制器连接，所述膝关节角位移传感器设置在大腿和小腿的铰接位置。

优选的，所述膝关节旋转执行器两端分别与大腿和小腿连接，所述膝关节旋转执行器包括第二液压缸和第二活塞杆，所述第二活塞杆设置在第二液压缸内并将第二液压缸分隔成第三腔体和第四腔体；所述膝关节旋转执行器阀块包括第三油路、第四油路，所述第三油路和第四油路分别与第三腔体和第四腔体连通；所述第二活塞杆通过液压油交替进入第三腔体和第四腔体连内实现伸展/收缩。

优选的，所述膝关节旋转执行器阀块还包括第二电机，所述第三油路和第四油路与第二液压泵连接，所第二液压泵与第二电机连接；所述第三油路和第四油路上设置有溢流阀，所述第三油路或第四油路上设置有蓄能器。

优选的，所述膝关节电静液执行器还包括第一压力传感器和第二压力传感器，所述第一压力传感器设置在第三油路上，所述第二压力传感器设置在第四油路上，所述第一压力传感器和第二压力传感器与膝关节控制器连接。

根据上述一种轮腿机器人关节驱动装置的控制方法为：

平坦路面行驶状态下：轮腿机器人的髋关节旋转执行器、膝关节旋转执行器处于收缩状态，所述髋关节旋转执行器上的第一活塞杆处于锁紧状态，所述膝关节旋转执行器上的第二活塞杆处于力控减振位，所述膝关节旋转执行器通过膝关节电静液执行器进行力闭环控制减振，所述电机通过控制器带动车轮转动；

障碍路面行驶状态下：所述电机通过控制器处于制动状态，所述髋关节旋转执行器上的第一活塞杆处于解锁状态，所述髋关节旋转执行器和膝关节旋转执行器分别通过髋关节电静液执行器和膝关节电静液执行器进行位移闭环控制伸展/收缩；

颠簸起伏路面行驶状态下：所述髋关节旋转执行器上的第一活塞杆处于解锁状态，所述髋关节旋转执行器通过髋关节电静液执行器进行位移闭环控制伸展/收缩，所述膝关节旋转执行器通过膝关节电静液执行器进行力闭环控制减振，所述电机通过控制器带动车轮转动。

优选的，所述髋关节电静液执行器和膝关节电静液执行器均通过PID算法调节所对应电机的转速。

一种轮腿机器人，包括车体、控制器、大腿、小腿和车轮；所述车体与大腿铰接，所述车体和大腿之间连接髋关节旋转执行器，所述大腿和小腿之间连接膝关节旋转执行器，所述车轮设置在小腿上，所述车轮通过电机带动转动。

本发明的有益之处在于：

1)相对于目前现有的轮腿机器人，本发明所提出的轮腿机器人关节执行器配置及其控制方法，通过髋关节旋转执行器、膝关节旋转执行器以及轮毂电机的设置，能够更好的满足各种工作模态的需求，即轮腿机器人以轮式模态工作为主，轮腿复合模态以及腿部式模态为辅，从而应对平坦、障碍和颠簸路面；也即髋关节旋转执行器的功能是通过执行器活塞杆的伸缩来带动髋关节旋转，进而控制髋关节旋转到指令角度；膝关节旋转执行器的功能除了伸缩带动膝关节旋转外还具有减振功能，其减振功能能够确保轮腿机器人在轮式行驶模态及轮腿复合模态时车体的稳定，而其伸缩功能则保证了在步式模态下的需求；

2)相对于目前现有的轮腿机器人，本发明所提出的轮腿机器人每条腿上有三个关节执行器，分别为髋关节旋转执行器、膝关节旋转执行器以及轮毂电机，相比于现有的轮腿机器人在关节执行器配置上，减少了每条腿的关节执行器数量，从而降低了轮腿机器人的结构复杂度，同时减小了对每条腿控制的难度；

3)本发明所提出的关节执行器均采用了电静液闭式回路方案，基于伺服泵控原理工作，结合了电传动控制灵活方便与液压高功率密度比的优势，具有较高的力密度比、良好的抗冲击性能，且由于没有阀控节流损耗，传动效率较高，无节流损耗，尤其是针对重载轮腿机器人，在保证关节执行器高力密度比的同时，提高了关节执行器的效率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图及不同路面的运动形态；

图2为髋关节旋转执行器工作原理图；

图3为髋关节旋转执行器控制方法；

图4为膝关节旋转执行器工作原理图；

图5为膝关节旋转执行器控制方法。

图中：1-车体；2-控制器；3-大腿；4-小腿；5-髋旋转关节；6-膝旋转关节；7-髋关节角位移传感器；8-膝关节角位移传感器；9-髋关节旋转执行器；10-膝关节旋转执行器；11-第一液压缸；12-髋关节旋转执行器阀块；13-第一活塞杆；14-第二液压缸；15-膝关节旋转执行器阀块；16-第二活塞杆；17-弹簧；18-电机；19-第一电机；20-第一液压泵；21-两位两通电磁开关阀；22-溢流阀；23-第一压力传感器；24-蓄能器；25-第二压力传感器；26-第一腔体；27-第二腔体；28-第一油路；29-第二油路；30-第三腔体；31-第四腔体；32-第三油路；33-第四油路；34-第二电机；35-第二液压泵。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1-5所示，为一种轮腿机器人，该轮腿机器人主要包括车体1、控制器2、大腿3、小腿4、髋旋转关节5、膝旋转关节6，车体1与大腿3铰接的位置形成髋旋转关节5，大腿3与小腿4铰接的位置形成膝旋转关节6，小腿4处连接车轮，车轮由电机18控制转动。轮腿机器人可能有两条腿或三条腿或四条腿，图1中仅用一条腿进行示例说明。

髋关节角位移传感器7用于测量髋旋转关节5处的角位移，膝关节角位移传感器8用于测量膝旋转关节6处的角位移。

该轮腿机器人的关节驱动装置包括髋关节旋转执行器9、膝关节旋转执行器10以及电机18，所述髋关节旋转执行器9通过髋关节电静液执行器进行位移闭环控制伸展/收缩，所述膝关节旋转执行器10通过膝关节电静液执行器进行位移闭环控制伸展/收缩，所述膝关节旋转执行器10通过膝关节电静液执行器进行力闭环控制减振，所述电机18通过控制器2带动车轮转动/停止。

所述髋关节旋转执行器9的两端分别与车体1和大腿3连接，所述髋旋转关节执行器9包括第一液压缸11和第一活塞杆13，所述第一活塞杆13设置在第一液压缸11内并将第一液压缸11分隔成第一腔体26和第二腔体27，通过第一活塞杆13的伸缩运动可以实现髋旋转关节5的旋转，髋关节电静液执行器通过位移闭环控制，带动第一活塞杆13伸缩，从而实现髋旋转关节执行器9的伸展或收缩。

所述膝关节旋转执行器10的两端分别与大腿3和小腿4连接，所述膝关节旋转执行器10包括第二液压缸14和第二活塞杆16，所述第二活塞杆16设置在第二液压缸14内并将第二液压缸14分隔成第三腔体30和第四腔体31；第二活塞杆16的伸缩带动膝旋转关节6的旋转，在第二活塞杆16上还套设有弹簧17，弹簧17的一端固定安装在第二液压缸14上，另一端安装于小腿4的铰接位，从而提供减振效果；膝关节电静液执行器通过位移闭环控制带动第二活塞杆16伸缩，从而实现膝关节旋转执行器10的伸展或收缩；所述膝关节旋转执行器10还可以通过膝关节电静液执行器进行力闭环控制，从而实现减振，保证轮腿机器人运行在颠簸路面上时，具有良好的减振效果，所述电机18通过控制器2带动车轮转动/停止，电机18安装于小腿4的末端，电机18的旋转带动车轮滚动从而使车体1前进。

所述髋关节电静液执行器包括髋关节控制器、髋关节角位移传感器7和髋关节旋转执行器阀块12，所述髋关节控制器与控制器2连接，所述髋关节控制器通过髋关节旋转执行器阀块12控制髋关节旋转执行器9伸展/收缩；所述髋关节角位移传感器7与髋关节控制器连接，所述髋关节角位移传感器7设置在车体1与大腿3的铰接位置。

所述髋关节旋转执行器阀块12包括第一油路28、第二油路29，所述第一油路28和第二油路29分别与第一腔体26和第二腔体27连通；所述第一活塞杆13通过液压油交替进入第一腔体26和第二腔体27内实现伸展/收缩。

所述髋关节旋转执行器阀块12还包括第一电机19，所述第一油路28和第二油路29与第一液压泵20连接，所第一液压泵20与第一电机19连接；所述第一油路28和第二油路29上均设置有两位两通电磁开关阀21，所述第一油路28和第二油路29上设置有溢流阀22。第一电机19带动第一液压泵20旋转，从而使第一液压泵20吸入低压油液排出高压油液，第一液压泵20通过第一油路28和第二油路29与第一液压缸11的第一腔体26和第二腔体27连通，通过两位两通电磁开关阀21的连通或者断开，使得第一活塞杆13处于解锁或锁定状态，第一液压缸11为双活塞杆液压缸，当第一油路28和第二油路29上的两位两通电磁开关阀21处于断开位时，第一活塞杆13处于锁定状态，此时髋旋转关节5被锁死，不能转动，大腿3和车体1之间角度不变；当第一油路28和第二油路29上的两位两通电磁开关阀21处于连通位时，通过控制第一电机19的转速，可以调节第一液压泵20输出流量的大小，进而控制第一活塞杆13的伸缩，带动髋旋转关节5转动。溢流阀22作为安全阀以防止第一液压缸11中的压力超过某一设定压力值，在第一油路28和第二油路29上还可以增设压力传感器，压力传感器用于测量第一液压缸11上两腔的压力。

所述膝关节电静液执行器包括膝关节控制器、膝关节角位移传感器8和膝关节旋转执行器阀块15，所述膝关节控制器与控制器2连接，所述膝关节控制器通过膝关节旋转执行器阀块15控制膝关节旋转执行器10伸展/收缩；所述膝关节角位移传感器8与膝关节控制器连接，所述膝关节角位移传感器8设置在大腿3和小腿4的铰接位置。

所述膝关节旋转执行器阀块15包括第三油路32、第四油路33，所述第三油路32和第四油路33分别与第三腔体30和第四腔体31连通；所述第二活塞杆16通过液压油交替进入第三腔体30和第四腔体31连内实现伸展/收缩。

所述膝关节旋转执行器阀块15还包括第二电机34，所述第三油路32和第四油路33与第二液压泵35连接，所第二液压泵35与第二电机34连接；所述第三油路32和第四油路33上设置有溢流阀22，所述第三油路32或第四油路33上设置有蓄能器24。第二液压缸14为单活塞杆液压缸，弹簧17的一端固定在第二液压缸14的缸筒上，另一端固定在小腿4上，这样弹簧17随着第二活塞杆16伸缩，通过控制第二电机34的转速可调节第二液压泵35的输出流量的大小，进而使第二活塞杆16伸缩以驱动膝旋转关节6旋转。第三腔体30和第四腔体31分别为有杆腔和无杆腔，本实施例中，优选蓄能器24设置在连接无杆腔的油路上，当第二活塞杆16伸出时，第二液压泵35吸入第二液压缸14有杆腔中的油液，将高压油液排出到第二液压缸14的无杆腔中，由于无杆腔中需要的油液体积要大于从有杆腔中吸入的油液体积，所以此时多余的油液由蓄能器24中排出到无杆腔中；而当第二活塞杆16缩回时，第二液压泵35将从第二液压缸14的无杆腔中吸入低压油液，排入到第二液压缸14的有杆腔中，由于有杆腔中需要的油液体积要小于从无杆腔中吸入的油液体积，所以此时从无杆腔中吸入的多余油液将排入到蓄能器24中，由此可见，由于第二液压缸14的两腔中油液体积的不对称，需要蓄能器24对其进行补偿。

所述膝关节电静液执行器还包括第一压力传感器23和第二压力传感器25，所述第一压力传感器23和第二压力传感器25与膝关节控制器连接，第一压力传感器23设置在第三油路32上，第二压力传感器25设置在第四油路33上。

所述控制器2给膝关节控制器发送力指令，此力指令是为了实现车体1减振而对膝关节旋转执行器10的输出力提出的要求，膝关节控制器接收到力指令后将输出对应的驱动电流来驱动第二电机34旋转，第二电机34的旋转扭矩驱动第二液压泵35旋转输出一定压力的高压油液，从而改变第二液压缸14两腔的压力，此压力值由第一压力传感器23和第二压力传感器25进行检测，经过比较计算后可计算出第二活塞杆16作用在小腿4上的实际输出力，此实际输出力与力指令在膝关节控制器内部进行比较后，由PID算法对输出电流进行调节，由此形成了膝关节旋转执行器10的输出力闭环控制，且力闭环控制的目标是为了减小车体振动。

根据上述的一种轮腿机器人的关节驱动装置的轮腿机器人控制方法为：

平坦路面行驶状态下：轮腿机器人的髋关节旋转执行器9、膝关节旋转执行器10处于收缩状态，所述髋关节旋转执行器9上的第一活塞杆13处于锁紧状态，所述膝关节旋转执行器10上的第二活塞杆16处于力控减振位，所述膝关节旋转执行器10通过膝关节电静液执行器进行力闭环控制实现减振，所述电机18通过控制器2带动车轮转动。

在一般的路面情况下，如图1中(c)所示，为了使轮腿机器人获得较快的行驶速度同时具有较高的能量利用率，轮腿机器人将工作于轮式车辆形式模态，髋关节旋转执行器9的第一活塞杆13完全缩回，此时髋旋转关节5的角位移最小；膝关节旋转执行器10的第二活塞杆16接近于完全缩回的位置，但此时还是可以在缩回的方向上继续运动。轮式模态下轮腿机器人各关节控制方法如下：首先，髋关节旋转执行器9的第一活塞杆13完全缩回且髋旋转关节5被锁死。主要通过以下方法实现，如图2所示，上位机控制器2控制两个两位两通电磁开关阀21都工作于导通位，使第一液压缸11与第一液压泵20连通，控制第一电机19逆时针旋转，使第一液压泵20从第一液压缸11的下腔吸油并排入到上腔，使第一活塞杆13完全缩回。当第一活塞杆13完全缩回后，控制两个两位两通电磁开关阀21都工作于截止位，将髋旋转关节5锁死；其次，膝关节旋转执行器10的第二活塞杆16运动到力控减振位(距离第二液压缸14的底部相离一定距离，图4中第二活塞杆16虚线所示位置)，随后在上位机控制器2的控制下工作于力控减振模式。力控减振模式通过以下方法实现，如图4所示，在车体1重力作用下，第二液压缸14的无杆腔高压油液驱动第二电机34旋转从而使第二活塞杆16缩回，当其到达力控减振位时，上位机控制器2控制第二电机34停止转动，从而使车体的高度到达图1中的(c)所示高度；接着，机控制器2控制轮毂电机18旋转，使轮腿机器人以轮式模态前进，在此同时膝关节旋转执行器10进入力控减振控制模式，控制方法如图5所示，上位机控制器2给膝关节控制器发送力指令，此力指令是为了实现车体1减振而对膝关节旋转执行器10的输出力提出的要求，膝关节控制器接收到力指令后将输出对应的驱动电流来驱动第二电机34旋转，第二电机34的旋转扭矩驱动第二液压泵35旋转输出一定压力的高压油液，从而改变第二液压缸14两腔的压力，此压力值由第一压力传感器23和第二压力传感器25进行检测，经过比较计算后可计算出第二活塞杆16作用在小腿4上的实际输出力，此实际输出力与力指令在膝关节控制器内部进行比较后，由PID算法对输出电流进行调节，由此形成了膝关节旋转执行器10的输出力闭环控制，且力闭环控制的目标是为了减小车体振动。膝关节角位移传感器8时刻检测膝旋转关节6的角位移并传送到膝关节控制器中，以对膝关节角度进行监测，防止第二活塞杆16运动到第二液压缸14的行程末端位置与缸体产生碰撞。

障碍路面行驶状态下：所述电机18通过控制器2处于制动状态，所述髋关节旋转执行器9上的第一活塞杆13处于解锁状态，所述髋关节旋转执行器9和膝关节旋转执行器10分别通过髋关节电静液执行器和膝关节电静液执行器进行位移闭环控制实现伸展/收缩。

在遇到有障碍物的路面，如图1中(b)所示路面，车轮无法通过时，轮腿机器人需工作在步式模态下，如图1中(b)所示形态，此时髋关节旋转执行器9以及膝关节旋转执行器10均采用位移闭环控制，其第一活塞杆13及第二活塞杆16根据步态控制需要在其工作行程范围内的伸缩运动。步式模态下轮腿机器人各关节控制方法如下：髋关节旋转执行器9中的两个两位两通电磁开关阀21在控制器2的控制下工作于导通位，使第一液压泵20与第一液压缸11连通；在步式模态下，控制器2会给髋关节旋转执行器9以及膝关节旋转执行器10分别发送角位移轨迹指令，髋/膝关节控制器接收到指令后输出对应电流驱动相应的电机旋转，相应的液压泵吸入排出液压缸两腔中的油液使活塞杆伸出或缩回，同样的液压泵吸入排出液压缸两腔中的油液使活塞杆伸出或缩回，通过大腿3及小腿4的连杆作用使髋旋转关节5及膝旋转关节6旋转到期望角位移，髋/膝旋转角位移传感器检测出实际角位移反馈到髋/膝关节控制器中与角位移指令进行比较，由PID算法对相应的电机转速进行调节，使实际角位移跟随角位移指令变化，由此形成了髋/膝旋转关节执行器的位移闭环控制，使其满足步式模态下关节轨迹跟踪的要求，压力传感器此时用于监测髋/膝旋转关节执行器的状态。而此时轮毂电机18工作于制动状态，禁止轮滚动。

颠簸起伏路面行驶状态下：所述髋关节旋转执行器9上的第一活塞杆13处于解锁状态，所述髋关节旋转执行器9通过髋关节电静液执行器进行位移闭环控制实现伸展/收缩，所述膝关节旋转执行器10通过膝关节电静液力执行器进行闭环控制实现减振，所述电机18通过控制器2带动车轮转动。

在遇到连续起伏坡度路面时，如图1中(a)所示路面，轮腿机器人无法在轮式模态下快速通过，此时应工作于轮腿复合模态下慢速通过此种路面，以确保轮腿机器人的平稳，如图1中(a)所示形态，髋旋转关节5不锁死，髋关节旋转执行器9采用位移闭环控制，而膝关节旋转执行器10采用力闭环控制，以此来实现轮腿复合模态下车体的减振，相对于轮式模态，在轮腿复合模态下由于腿未完全收缩，车体相对于地平面的高度较高，导致整个轮腿机器人的重心较高，快速行驶时其动态平衡控制难度较大，因此在轮腿复合模态下，轮腿机器人只能慢速行驶。轮腿复合模态下，各关节控制方法如下：髋关节旋转执行器9采用位移闭环控制策略，如图3所示，此时两个两位两通电磁开关阀21在控制器2的控制下工作于导通位，第一液压泵20与第一液压缸11的两腔连通。上位机控制器2将角位移指令发送到髋关节控制器，随后驱动第一电机19旋转，第一液压泵20旋转使第一液压缸11的第一活塞杆13伸出或缩回运动，从而使髋旋转关节5旋转，髋关节角位移传感器7测量髋关节角位移传输到髋关节控制器中与角位移指令进行比较，经过PID算法调节第一电机19转速，使髋旋转关节5的实际角位移跟随角位移指令变化；膝关节旋转执行器10采用力闭环控制策略，如图5所示，控制器2将力跟踪指令发送到膝关节控制器，膝关节控制器输出电流驱动第二电机34旋转，第二液压泵35旋转使第二液压缸14的第二活塞杆16伸出或缩回运动，从而使膝旋转关节6旋转，通过第一压力传感器23和第二压力传感器25检测第二液压缸14两腔的压力，计算出膝关节旋转执行器10的实际输出力后，传输到膝关节控制器中，与力指令比较，经过PID算法调节输出电流的大小，以使膝关节旋转执行器10的输出力跟随力指令的变化；轮毂电机18在控制器2的控制下慢速旋转，从而使轮腿机器人慢速前进。在轮腿复合模态下，轮腿机器人相对于轮式模态，其车体高度较高，因此此时只能慢速行驶，此时采用膝旋转关节执行器力闭环控制与髋旋转关节执行器位移闭环控制可以达到较好的减振效果。

本发明轮腿机器人运行在不同的模态下，各关节的控制方法：在轮式模态下，髋关旋转节执行器9的第一活塞杆13完全收缩，两个两位两通电磁开关阀21工作于截止位将髋关节旋转运动锁死，髋关节不能旋转；膝关节旋转执行器10的第二活塞杆16收缩到某一位置，膝关节旋转执行器10采用基于力的闭环控制，实现减振功能，保证车体的稳定；电机18运行带动车轮滚动使车体快速前进。在步式模态下，髋关节旋转执行器9与膝关节旋转执行器10均工作于伸缩功能，采用基于角位移的闭环控制，实现空间轨迹跟踪；而此时电机18处于制动状态下以禁止轮子滚动。在轮腿复合模态下，髋关节旋转执行器9采用基于角位移的闭环控制，通过其第一活塞杆13的伸缩来实现髋关节旋转从而实现车体高度的调节；膝关节旋转执行器10采用基于力的闭环控制来实现车体1的减振，以确保轮腿复合模态下车体的平稳；电机18带动轮子滚动使车体慢速前进。

上述实施方式是优选的实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种轮腿机器人的关节驱动装置，其特征在于：包括髋关节旋转执行器（9）、膝关节旋转执行器（10）以及电机（18），所述髋关节旋转执行器（9）通过髋关节电静液执行器进行位移闭环控制伸展/收缩，所述膝关节旋转执行器（10）通过膝关节电静液执行器进行位移闭环控制伸展/收缩，所述膝关节旋转执行器（10）通过膝关节电静液执行器进行力闭环控制减振；

所述膝关节电静液执行器包括膝关节控制器、膝关节角位移传感器(8)、膝关节旋转执行器阀块（15）、第一压力传感器（23）和第二压力传感器（25），所述膝关节控制器与控制器（2）连接；

所述膝关节旋转执行器（10）两端分别与大腿（3）和小腿（4）连接，所述膝关节旋转执行器（10）包括第二液压缸（14）和第二活塞杆（16），所述膝关节旋转执行器阀块（15）包括第二电机（34），所述第二电机（34）与第二液压泵（35）连接；

所述控制器（2）向所述膝关节控制器发送力指令，所述膝关节控制器接收到力指令后输出对应的驱动电流来驱动第二电机（34）旋转，所述第二电机（34）的旋转扭矩驱动第二液压泵（35）旋转输出一定压力的高压油液来改变所述第二液压缸（14）两腔的压力，此压力值由经第一压力传感器（23）和第二压力传感器（25）检测，比较计算后计算出第二活塞杆（16）的实际输出力，所述膝关节控制器内部比较实际输出力与力指令，由PID算法进行调节，所述电机（18）通过控制器（2）带动车轮转动/停止。

2.根据权利要求1所述的轮腿机器人的关节驱动装置，其特征在于：所述髋关节电静液执行器包括髋关节控制器、髋关节角位移传感器（7）和髋关节旋转执行器阀块（12），所述髋关节控制器与控制器（2）连接，所述髋关节控制器通过髋关节旋转执行器阀块（12）控制髋关节旋转执行器（9）伸展/收缩；所述髋关节角位移传感器（7）与髋关节控制器连接，所述髋关节角位移传感器（7）设置在车体（1）与大腿（3）的铰接位置。

3.根据权利要求2所述的轮腿机器人的关节驱动装置，其特征在于：所述髋关节旋转执行器（9）的两端分别与车体（1）和大腿（3）连接，所述髋关节旋转执行器（9）包括第一液压缸（11）和第一活塞杆（13），所述第一活塞杆（13）设置在第一液压缸（11）内并将第一液压缸（11）分隔成第一腔体（26）和第二腔体（27）；所述髋关节旋转执行器阀块（12）包括第一油路（28）、第二油路（29），所述第一油路（28）和第二油路（29）分别与第一腔体（26）和第二腔体（27）连通；所述第一活塞杆（13）通过液压油交替进入第一腔体（26）和第二腔体（27）内实现伸展/收缩。

4.根据权利要求3所述的轮腿机器人的关节驱动装置，其特征在于：所述髋关节旋转执行器阀块（12）还包括第一电机（19），所述第一油路（28）和第二油路（29）与第一液压泵（20）连接，所述第一液压泵（20）与第一电机（19）连接；所述第一油路（28）和第二油路（29）上均设置有两位两通电磁开关阀（21），所述第一油路（28）和第二油路（29）上设置有溢流阀（22）。

5.根据权利要求1所述的轮腿机器人的关节驱动装置，其特征在于：所述膝关节控制器通过膝关节旋转执行器阀块（15）控制膝关节旋转执行器（10）伸展/收缩；所述膝关节角位移传感器（8）与膝关节控制器连接，所述膝关节角位移传感器（8）设置在大腿（3）和小腿（4）的铰接位置。

6.根据权利要求5所述的轮腿机器人的关节驱动装置，其特征在于：所述第二活塞杆（16）设置在第二液压缸（14）内并将第二液压缸（14）分隔成第三腔体（30）和第四腔体（31）；所述膝关节旋转执行器阀块（15）包括第三油路（32）、第四油路（33），所述第三油路（32）和第四油路（33）分别与第三腔体（30）和第四腔体（31）连通；所述第二活塞杆（16）通过液压油交替进入第三腔体（30）和第四腔体（31）连内实现伸展/收缩。

7.根据权利要求6所述的轮腿机器人的关节驱动装置，其特征在于：所述第三油路（32）和第四油路（33）与第二液压泵（35）连接；所述第三油路（32）和第四油路（33）上设置有溢流阀（22），所述第三油路（32）或第四油路（33）上设置有蓄能器（24）。

8.根据权利要求7所述的轮腿机器人的关节驱动装置，其特征在于：所述第一压力传感器（23）设置在第三油路（32）上，所述第二压力传感器（25）设置在第四油路（33）上，所述第一压力传感器（23）和第二压力传感器（25）与膝关节控制器连接。

9.根据上述权利要求1-8任一项所述的一种轮腿机器人关节驱动装置的控制方法，其特征在于，控制方法为：

平坦路面行驶状态下：轮腿机器人的髋关节旋转执行器（9）、膝关节旋转执行器（10）处于收缩状态，所述髋关节旋转执行器（9）上的第一活塞杆（13）处于锁紧状态，所述膝关节旋转执行器（10）上的第二活塞杆（16）处于力控减振位，所述膝关节旋转执行器（10）通过膝关节电静液执行器进行力闭环控制减振，所述电机（18）通过控制器（2）带动车轮转动；

障碍路面行驶状态下：所述电机（18）通过控制器（2）处于制动状态，所述髋关节旋转执行器（9）上的第一活塞杆（13）处于解锁状态，所述髋关节旋转执行器（9）和膝关节旋转执行器（10）分别通过髋关节电静液执行器和膝关节电静液执行器进行位移闭环控制伸展/收缩；

颠簸起伏路面行驶状态下：所述髋关节旋转执行器（9）上的第一活塞杆（13）处于解锁状态，所述髋关节旋转执行器（9）通过髋关节电静液执行器进行位移闭环控制伸展/收缩，所述膝关节旋转执行器（10）通过膝关节电静液执行器进行力闭环控制减振，所述电机（18）通过控制器（2）带动车轮转动。

10.根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于：所述髋关节电静液执行器和膝关节电静液执行器均通过PID算法调节所对应电机的转速。

11.一种轮腿机器人，包括权利要求1-8任一项所述的轮腿机器人的关节驱动装置，其特征在于：包括车体（1）、控制器（2）、大腿（3）、小腿（4）和车轮；所述车体（1）与大腿（3）铰接，所述车体（1）和大腿（3）之间连接髋关节旋转执行器（9），所述大腿（3）和小腿（4）之间连接膝关节旋转执行器（10），所述车轮设置在小腿（4）上，所述车轮通过电机（18）带动转动。