阅读说明：本技术 一种多足步行机器人及其步行控制方法 (Multi-foot walking robot and walking control method thereof ) 是由 金波 翟硕 董峻魁 刘子祺 于 2020-04-15 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种多足步行机器人及其步行控制方法,属于机器人技术领域。该步行控制方法包括：(1)控制高压泵至其输出油压高于连接在其出油口处的高压溢流阀的溢流油压,及控制低压泵至其输出油压高于连接在其出油口处的低压溢流阀的溢流油压,且二者的输出流量均大于该机器人所需的平均流量；(2)基于油压检测数据,改变泵驱动电机的转速至输出油压符合控制需求,且输出油压均低于溢流阀的溢流油压；且在上述两个步骤中,在支撑态时,利用高压泵为液压执行器供给高压油液；而在摆动态时,利用低压泵为液压执行器供给低压油液。该控制方法能有效地提高能量利用率,可广泛应用于机器人技术领域中。(The invention relates to a multi-foot walking robot and a walking control method thereof, belonging to the technical field of robots. The walking control method comprises the following steps: (1) controlling the high-pressure pump to output oil pressure higher than the overflow oil pressure of a high-pressure overflow valve connected to an oil outlet of the high-pressure pump, and controlling the low-pressure pump to output oil pressure higher than the overflow oil pressure of a low-pressure overflow valve connected to the oil outlet of the low-pressure pump, wherein the output flow of the high-pressure pump and the output flow of the low-pressure overflow valve are both larger than the average flow required by the robot; (2) based on the oil pressure detection data, changing the rotating speed of a pump driving motor until the output oil pressure meets the control requirement, wherein the output oil pressure is lower than the overflow oil pressure of an overflow valve; in the two steps, high-pressure oil is supplied to the hydraulic actuator by using the high-pressure pump in a supporting state; and when the pendulum is in a dynamic state, low-pressure oil is supplied to the hydraulic actuator by using the low-pressure pump. The control method can effectively improve the energy utilization rate and can be widely applied to the technical field of robots.)

一种多足步行机器人及其步行控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体地说，涉及一种结构改进的多足步行机器人及其步行控制方法。

背景技术

移动机器人是目前应用最为广泛的一种机器人，它可以代替人类完成危险、复杂及高强度的工作，根据论文《多足步行机器人液压控制系统研究现状与发展趋势》所记载的内容可知，当前移动机器人在地面上的移动方式主要有轮式、履带式、足式、蠕动式及混合式等；相较于轮式等其他移动方法，由于足式步行机器人采用如公布号为CN104029745A等专利文献所公开的液压机械腿进行行走，以能在行走过程中仅需离散的落足点，且可像足式动物一样行走于具有障碍物的崎岖地面，拥有更好的复杂环境适应性和灵活性，而得到较快地发展及广泛地使用。

对于多足步行机器人而言，其主要驱动方式有电驱动与液压驱动，例如，公告号为CN209535276U的专利文献所公开的一种小型电动六足机器人；相对电驱动而言，采用液压作为驱动方式的多足步行机器人具有功率密度大、负载高、高带宽、响应快及抗扰动能力强等优势，使其适于构建重型机器人。

目前，多足机器人普遍采用单一定转速泵源的阀控液压系统，但在机器人运动过程中，能量转换效率较低；况且，机器人行走过程中，液压机械腿在支撑阶段，由于需承受机器人的自身重量及其负载重量，需要泵源输出较大压力的油液，而在摆动阶段，液压机械腿反而需要压力较低的油液，此时阀口压降较大，大量液压能由于节流损失转换为热能，使得能量利用率偏低。

此外，由于多足步行机器人在运动过程中，所需流量具有不均匀的特点，定转速泵源会输出流量大于所需平均流量，导致液压系统溢流能量损失较大。

发明内容

本发明的主要目的是提供一种用于控制多足步行机器人的步行控制方法，不仅能更好地适应其液压机械腿在支撑态与摆动态时的压力需求，且能根据实际需求按所需流量供给液压油，而降低阀口节流损失与系统溢流损失，而提高机器人的能量利用率；

本发明的另一目的为提供一种结构改进的多足步行机器人，不仅能更好地适应其液压机械腿在支撑态与摆动态时的压力需求，且能根据实际需求按所需流量供给液压油，而降低阀口节流损失与系统溢流损失，而提高机器人的能量利用率。

为了实现上述主要目的，本发明提供步行控制方法用于控制多足步行机器人，该多足步行机器人包括躯体、液压机械腿及液压系统，液压机械腿包括腿杆组件及用于控制腿杆组件屈伸的液压执行器，液压系统包括液压泵、泵驱动电机、控制阀组件；液压泵包括高压泵与低压泵，泵驱动电机包括高压泵驱动电机与低压泵驱动电机，该方法包括以下步骤：

定流量控制步骤，控制高压泵驱动电机按照预设高压转速恒定转动，至泵出油压高于连接在高压泵的出油口处的高压溢流阀的溢流油压；控制低压泵驱动电机按照低压转速恒定转动，至泵出油压高于连接在低压泵的出油口处的低压溢流阀的溢流油压；且高压泵与低压泵的输出流量均大于多足步行机器人所需的平均流量；

变流量控制步骤，基于连接在泵的出油口处的压力传感器所输出的油压检测数据，改变泵驱动电机的转速至输出油压符合控制需求，且输出油压均低于该泵出油口处的溢流阀的溢流油压；

且在上述两个控制步骤中，在液压机械腿处于支撑态时，控制控制阀组件与高压泵驱动电机工作，而利用高压泵为液压执行器供给高压油液；在液压机械腿处于摆动态时，控制控制阀组件与低压泵驱动电机工作，而利用低压泵为液压执行器供给低压油液。

具体的方案为低压泵的出油口与高压泵的进油口连通；高压溢流阀的油路接口与高压泵的出油口连通，溢流口与低压泵的出油口连通；低压溢流阀的油路接口与低压泵的出油口连通，溢流口与油箱的进油口连通。

优选的方案为控制阀组件包括相串联布置的第一比例阀与第二比例阀；第一比例阀为三位三通比例阀，其双管接头中的一者与高压泵的出油口连通，另一者与低压泵的出油口连通；第二比例阀为三位四通比例阀，其第一侧双管接头中的一者与第一比例阀的单管接头连通，另一者与油箱的进油口连通；第二比例阀的第二侧双管接头对应地与液压执行器的有杆油腔及无杆油腔的油口连通；当液压机械腿处于支撑态且液压执行器伸长动作时，控制第一比例阀与第二比例阀的阀芯的位置切换，至连通高压泵的出油口与无杆油腔，及连通有杆油腔与油箱；当液压机械腿处于支撑态且液压执行器缩短动作时，控制第一比例阀与第二比例阀的阀芯的位置切换，至连通高压泵的出油口与有杆油腔，及连通无杆油腔与油箱；当液压机械腿处于摆动态且液压执行器伸长动作时，控制第一比例阀与第二比例阀的阀芯的位置切换，至连通低压泵的出油口与无杆油腔，及连通有杆油腔与油箱；当液压机械腿处于摆动态且液压执行器缩短动作时，控制第一比例阀与第二比例阀的阀芯的位置切换，至连通低压泵的出油口与有杆油腔，及连通无杆油腔与油箱。

优选的方案为控制阀组件包括相并联布置且均为三位四通比例阀的第一比例阀与第二比例阀；第一比例阀的第一侧双管接头中的一者与高压泵的出油口连通，另一者与油箱的进油口连通，第二侧双管接头对应地与液压执行器的有杆油腔及无杆油腔的油口连通；第二比例阀的第一侧双管接头中的一者与低压泵的出油口连通，另一者与油箱的进油口连通，第二侧双管接头对应地与液压执行器的有杆油腔及无杆油腔的油口连通；当液压机械腿处于支撑态且液压执行器伸长动作时，控制第一比例阀的阀芯位置切换，至连通高压泵的出油口与无杆油腔，及连通有杆油腔与油箱；当液压机械腿处于支撑态且液压执行器缩短动作时，控制第一比例阀的阀芯位置切换，至连通高压泵的出油口与有杆油腔，及连通无杆油腔与油箱；当液压机械腿处于摆动态且液压执行器伸长动作时，控制第二比例阀的阀芯位置切换，至连通低压泵的出油口与无杆油腔，及连通有杆油腔与油箱；当液压机械腿处于摆动态且液压执行器缩短动作时，控制第二比例阀的阀芯的位置切换，至连通低压泵的出油口与有杆油腔，及连通无杆油腔与油箱。

为了实现上述另一目的，本发明提供的多足步行机器人包括控制单元、躯体、液压机械腿及液压系统，液压机械腿包括腿臂组件及用于控制腿臂组件屈伸的液压执行器，液压系统包括液压泵、泵驱动电机及控制阀组件，控制单元包括处理器与存储器，存储器存储有计算机程序；液压泵包括高压泵与低压泵，泵驱动电机包括高压泵驱动电机与低压泵驱动电机；计算机程序被处理器执行时，能实现上述任一技术方案所描述的步行控制方法的步骤。

为了实现上述另一目的，本发明提供的多足步行机器人包括控制单元、躯体、液压机械腿及液压系统，液压机械腿包括腿臂组件及用于控制腿臂组件屈伸的液压执行器，液压系统包括液压泵、泵驱动电机及控制阀组件；液压泵包括高压泵与低压泵，泵驱动电机包括高压泵驱动电机与低压泵驱动电机，在高压泵的出油口处连接有高压溢流阀与压力传感器，在低压泵的出油口处连接有低压溢流阀与压力传感器，压力传感器向控制单元输出压力检测数据；控制单元用于在液压机械腿处于支撑态时，控制高压泵工作至输出油压高于高压溢流阀的溢流油压，与控制控制阀组件工作而为液压执行器供给高压油液；用于在液压机械腿处于摆动态时，控制低压泵工作至输出油压高于低压溢流阀的溢流油压，与控制控制阀组件工作而为液压执行器供给低压油液；及用于在所需油压低于溢流阀的溢流油压时，基于压力检测数据，改变泵驱动电机的转速。

具体的方案为低压泵的出油口与高压泵的进油口连通。

更具体的方案为高压溢流阀的油路接口与高压泵的出油口连通，溢流口与低压泵的出油口连通；低压溢流阀的油路接口与低压泵的出油口连通，溢流口与油箱的进油口连通。

优选的方案为控制阀组件包括相串联布置的第一比例阀与第二比例阀；第一比例阀为三位三通比例阀，其双管接头中的一者与高压泵的出油口连通，另一者与低压泵的出油口连通；第一比例阀用于高低液油源的选择；第二比例阀为三位四通比例阀，其第一侧双管接头中的一者与第一比例阀的单管接头连通，另一者与油箱的进油口连通；第二比例阀的第二侧双管接头对应地与液压执行器的有杆油腔及无杆油腔的油口连通；第二比例阀用于控制液压执行器的工作状态。

优选的方案为控制阀组件包括相并联布置且均为三位四通比例阀的第一比例阀与第二比例阀；第一比例阀的第一侧双管接头中的一者与高压泵的出油口连通，另一者与油箱的进油口连通，第二侧双管接头对应地与液压执行器的有杆油腔及无杆油腔的油口连通；第一比例阀用于利用高压泵所提供的高压液油控制液压执行器的工作状态；第二比例阀的第一侧双管接头中的一者与低压泵的出油口连通，另一者与油箱的进油口连通，第二侧双管接头对应地与液压执行器的有杆油腔及无杆油腔的油口连通；第二比例阀用于利用低压泵所提供的低压液油控制液压执行器的工作状态。

附图说明

图1为本发明实施例1中步行控制方法实施例的工作流程图；

图2为本发明实施例1中步行机器人的液压机械腿与液压系统的连接结构示意图；

图3为本发明实施例1中液压泵及连接管路的结构示意图；

图4为本发明实施例1中控制阀组件的结构示意图；

图5为本发明实施例2中控制阀组件的结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

本发明的主要构思是对多足步行机器人的液压系统的管路结构与步行控制方法进行改进，以能提高其工作效率，基于此构思，对于多足步行机器人的机械结构参照现有产品进行设计。

实施例1

参见图2至图4，本发明多足步行机器人包括控制单元、躯体、液压机械腿及液压系统1。其中，液压机械腿采用现有技术的结构进行构建，具体包括腿杆组件及用于控制该腿杆组件屈伸的液压执行器2；液压系统1包括油液供给单元3及控制阀组件4；控制单元包括处理器与存储器，在存储器内存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时，能够基于所接受的控制指令及安装在躯体与液压机械腿上的传感器所发送的检测数据，控制液压系统1工作，而驱使液压执行器2执行伸缩动作，从而控制腿杆组件在支撑态与摆动态之间切换位姿。

如图3所示，油液供给单元3包括液压泵与用于驱使该液压泵运行的液压泵驱动电机；在本实施例中，油液供给单元3至少能提高高低两级油压的油液；具体为，将液压泵配置成包括高压泵31与低压泵32的同时，将泵驱动电机配置成包括高压泵驱动电机33与低压泵驱动电机34；此外，为了能够根据需要改变输出油量与输出油压，将高压泵驱动电机33与低压泵驱动电机34均配置为转速可调电机。在高压泵31的出油口处连接有高压溢流阀35与压力传感器36，而在低压泵32的出油口处连接有低压溢流阀37与压力传感器38，压力传感器向控制单元输出压力检测数据。

低压泵32的出油口与高压泵31的进油口连通，从而构成串联供油结构，有效地提高高压泵31的出油口处的输出油压；高压溢流阀35的油路接口与高压泵31的出油口连通，溢流口与低压泵32的出油口连通；低压溢流阀37的油路接口与低压泵32的出油口连通，溢流口与油箱100的进油口连通，从而构建出用于提供高低两级压力的高压供油接口301与低压供油接口302。

如图4所示，控制阀组件4包括相串联布置的第一比例阀40与第二比例阀41，在本实施例中，第一比例阀41为三位三通比例阀，其双管接头中的一个管接头412与高压供油接口301连通，即与高压泵31的出油口连通，另一个管接头411与低压供油接口302连通，即与低压泵32的出油口连通。第二比例阀42为三位四通比例阀，其第一侧双管接头中的一个管接头421与第一比例阀41的单管接头413连通，另一个管接头422与油箱100的进油口连通。

如图2及图4所示，第二比例阀42的第二侧双管接头对应地与液压执行器2的有杆油腔20的油口201及无杆油腔21的油口210连通，即管接头423与油口201连通，而管接头424与油口210连通。

在上述连接描述中，各部件接口均通过油管连接，从而在两者将构建出连通油路。

如图1所示，基于上述对液压系统进行改进后的结构，对该多足步行机器人进行步行控制的方法包括定流量控制步骤S1与变流量控制步骤S2，即处理器执行存储在存储器内的计算机程序，能够实现该两个步骤，具体过程如下：

定流量控制步骤S1，控制高压泵驱动电机33按照预设高压转速恒定地转动，至高压泵31所泵出油液的油压高于高压溢流阀35的溢流油压，从而使高压供油接口301的供油油压恒定在该溢流油压值；控制低压泵驱动电机34按照低压转速恒定转动，至低压泵32所泵出的油液油压高于低压溢流阀37的溢流油压，从而使低压供油接口302的供油油压恒定在该溢流油压值；且驱使高压泵31与低压泵32的输出流量均大于多足步行机器人所需的平均流量。

基于该控制步骤，能为液压执行器2的工作提供最大的油液压力，从而有效地提供其在负载工作、爬坡、迅速启动等工况时所需的油液量与压力。

在该定流量控制步骤S1中，高压泵驱动电机33和低压泵驱动电机34转速恒定，高压泵31和低压泵32输出流量恒定且大于机器人所需平均流量；而高压溢流阀35和低压溢流阀37均有流量通过，而用于设定高低压两级压力。

变流量控制步骤S2，基于压力传感器36与压力传感器38所输出的油压检测数据，改变高压泵驱动电机33与低压泵驱动电机34的转速，至高压泵31与低压泵32的输出油压符合控制需求，且输出油压均低于该泵出油口处的高压溢流阀35与低压溢流阀36的溢流油压。

即在该步骤中，基于通过改变泵驱动电机的转速而匹配当前工作所需的油液压力与油液量，例如空载、行走环境不断变化等工况时的工作状态，从而在提供适当油压的同时，能有效地节省能量。

在该变流量控制步骤S2中，通过调节高压泵驱动电机33和低压泵驱动电机34的转速使输出压力恒定，且使高压泵31和低压泵32所述输出流量与机器人所需流量相匹配，而高压溢流阀35和低压溢流阀37作为安全阀使用而无流量通过。

在上述定流量控制步骤S1与变流量控制步骤S2中，在液压机械腿处于支撑态时，控制控制阀组件4与高压泵驱动电机33工作，而利用高压泵31为液压执行器2的工作供给高压油液；而在液压机械腿处于摆动态时，控制控制阀组件4与低压泵驱动电机34工作，而利用低压泵32为液压执行器2的工作供给低压油液，具体工作过程如下：

(1)当液压机械腿处于支撑态且液压执行器2为伸长动作时，控制第一比例阀41与第二比例阀42的阀芯的位置切换，至连通高压泵31的出油口与无杆油腔21，及连通有杆油腔20与油箱100；在本实施例中具体为，控制阀致动器驱使第一比例阀41的阀芯相对当前位置朝右步进，而控制阀致动器驱使第二比例阀42的阀芯相对当前位置朝左步进。

(2)当液压机械腿处于支撑态且液压执行器缩短动作时，控制第一比例阀41与第二比例阀42的阀芯的位置切换，至连通高压泵31的出油口与有杆油腔20，及连通无杆油腔21与油箱100。在本实施例中具体为，控制阀致动器驱使第一比例阀41的阀芯相对当前位置朝右步进，而控制阀致动器驱使第二比例阀42的阀芯相对当前位置朝右步进。

(3)当液压机械腿处于摆动态且液压执行器执行伸长动作时，控制第一比例阀41与第二比例阀42的阀芯的位置切换，至连通低压泵32的出油口与无杆油腔21，及连通有杆油腔20与油箱100；在本实施例中具体为，控制阀致动器驱使第一比例阀41的阀芯相对当前位置朝左步进，而控制阀致动器驱使第二比例阀42的阀芯相对当前位置朝左步进。

(4)当液压机械腿处于摆动态且液压执行器执行缩短动作时，控制第一比例阀41与第二比例阀42的阀芯的位置切换，至连通低压泵32的出油口与有杆油腔20，及连通无杆油腔21与油箱100；在本实施例中具体为，控制阀致动器驱使第一比例阀41的阀芯相对当前位置朝左步进，而控制阀致动器驱使第二比例阀42的阀芯相对当前位置朝右步进。

由上述四个步骤的调整可知，第一比例阀41用于高低液油源的选择，具体为在支撑态时选择高压泵31供给高压油液，而在摆动态时选择低压泵32供给低压油液；而第二比例阀42用于控制液压执行器的工作状态，即通过将供油接口接入无杆油腔而驱使液压执行器2执行伸长动作，而接入有杆油腔而驱使液压执行器2执行缩短动作。

基于上述描述可知，在上述步行控制过程中，控制单元用于在液压机械腿处于支撑态时，控制高压泵31工作至输出油压高于高压溢流阀35的溢流油压，与控制控制阀组件4工作而为液压执行器2供给高压油液；用于在液压机械腿处于摆动态时，控制低压泵32工作至输出油压高于低压溢流阀37的溢流油压，与控制控制阀组件4工作而为液压执行器2供给低压油液；及用于在所需油压低于高压溢流阀35及低压溢流阀37的溢流油压时，基于压力传感器36与压力传感器38所输出的压力检测数据，改变泵驱动电机的转速。

实施例2

作为对本发明实施例2的说明，以下仅对与上述实施例1的不同之处进行说明，即为对控制阀组件的结构进行改进。

如图5所示，在本实施例，将采用两个并联布置的比例构建控制阀组件3，且第一比例阀41与第二比例阀42均为三位四通比例阀。

其中，参照图2及图3所示结构，第一比例阀41的第一侧双管接头中的一个管接头411与高压供油接口301连通，即与高压泵的出油口连通，另一个管接头412与油箱100的进油口连通；而第二侧双管接头的两个管接头413、414对应地与液压执行器2的有杆油腔20及无杆油腔21的油口连通；在本实施例中具体为，管接头413与油口210连通，而管接头414与油口201连通。

而第二比例阀42的第一侧双管接头中的一个管接头421与低压供油接口302连通，即与低压泵32的出油口连通，另一个管接头与油箱100的进油口连通，而第二侧双管接头上的两个管接头423、424对应地与液压执行器2的有杆油腔20及无杆油腔21的油口连通；在本实施例中具体为，管接头423与油口210连通，而管接头424与油口201连通。

如图5所示，管接头413、423通过三通连接结构与外接接头308连通，从而与油口210连通；而管接头414、424通过三通连接结构与外接接头309连通，从而与油口201连通。

基于上述结构的控制阀组件，具体工作过程如下：

(1)当液压机械腿处于支撑态且液压执行器2执行伸长动作时，控制第一比例阀41的阀芯位置切换，至连通高压泵31的出油口与无杆油腔21，及连通有杆油腔20与油箱100在本实施例中具体为，控制阀致动器驱使第一比例阀41的阀芯相对当前位置朝左步进，而第二比例阀42的阀芯保持当前位置。

(2)当液压机械腿处于支撑态且液压执行器2执行缩短动作时，控制第一比例阀41的阀芯位置切换，至连通高压泵31的出油口与有杆油腔20，及连通无杆油腔21与油箱100；在本实施例中具体为，控制阀致动器驱使第一比例阀41的阀芯相对当前位置朝右步进，而第二比例阀42的阀芯保持当前位置。

(3)当液压机械腿处于摆动态且液压执行器执行伸长动作时，控制第二比例阀42的阀芯的位置切换，至连通低压泵32的出油口与无杆油腔21，及连通有杆油腔20与油箱100；在本实施例中具体为，控制阀致动器驱使第二比例阀42的阀芯相对当前位置朝右步进，而第一比例阀41的阀芯保持当前位置。

(4)当液压机械腿处于摆动态且液压执行器执行缩短动作时，控制第二比例阀42的阀芯的位置切换，至连通低压泵31的出油口与有杆油腔20，及连通无杆油腔21与油箱100；在本实施例中具体为，控制阀致动器驱使第二比例阀42的阀芯相对当前位置朝左步进，而第一比例阀41的阀芯保持当前位置。

基于上述工作过程描述可知，在本实施例中，第一比例阀41利用高压泵31所提供的高压液油独立地控制液压执行器2的工作状态；而第二比例阀42利用低压泵32所提供的低压液油独立地控制液压执行器2的工作状态。

本发明基于上述结构与控制方法的改进，采用高低压两级供油方式，降低阀口节流损失；采用液压泵恒压变转速控制，降低液压系统溢流损失；从而能有效地降低能耗，使之更能适应多足步行机器人的需要。