一种能回收支撑相下压动作能量的机器人及其控制方法
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体地说，涉及一种能回收多足步行机器人在支撑相下压动作的能量的控制方法及多足步行机器人。
背景技术
移动机器人由于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的机械腿上的液压控制系统结构，申请人在公开号为CN105545828A的专利文献中公开了一种可吸收着地冲击的多足机器人液压驱动单元，在该液压驱动单元中，与现有技术相比，其基于所增设的蓄能器及连接在液压缸的无杆油腔与有杆油腔之间的阻尼阀，从而能在工作过程中，能充分利用阻尼阀所形成的导通机构而缓解着地冲击，并充分利用蓄能器将超过其蓄能压力的部分压力能量回收，以提高能量的利用率。但是，该液压驱动单元在工作过程中，存在相当部分的能量浪费，尤其是该多足步行机器人在支撑态下压动作时，其躯体重心降低所减少的势能会转换成热量浪费掉。
此外，该液压驱动单元在工作过程中，支撑态与摆动态均基于同一压力的液压源，将导致其存在阀口节流损失而降低能量利用率，且因基于单个电液比例阀控制液压缸的动作，导致其进出阀口存在耦合，不仅限制了系统的响应，且提高整体系统的能量消耗。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种机器人的控制方法，以基于其液压管路结构及控制方法的改进，能有效地提高该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机器人，以基于其结构的改进，而能有效提高该机器人的能量利用率。
为了实现上述主要目的，本发明提供机器人的控制方法能回收支撑相下压动作能量，该机器人包括液压源及用于驱使其机械腿在支撑相与摆动相之间切换的液压执行器，液压执行器的缸体上设有无杆油腔接口与有杆油腔接口；液压源包括高压油供给接口，低压油供给接口，与低压油供给接口连通的低压蓄能器，及用于控制液压源向液压执行器供油的状态的控制执行器；该控制方法包括以下步骤：
摆动相动作控制步骤，在机械腿处于摆动相时，控制控制执行器而利用低压油供给接口所供给的低压油液驱使液压执行器伸缩动作；
支撑相动作控制步骤，在机械腿处于支撑相且为伸长动作时，控制控制执行器而利用高压油供给接口所供给的高压油液驱使液压执行器伸长动作；而在机械腿处于支撑相且为缩短动作时，控制控制执行器构建出三通连接结构，而连通无杆油腔接口、有杆油腔接口及低压蓄能器的进油口。
基于上述技术方案可知，在支撑相且液压执行器处于缩短动作时，即此时该机器人躯体重心位置将下降，将有杆油腔与无杆油腔连通并与低压蓄能器连通，从而利用活塞杆所占用空间大小，从而在活塞在缸体内移动一定间距时，使得无杆油腔的体积缩小大于有杆油腔的体积变化，即利用躯体重心势能的降低对该部分油液进行加压，从而充入低压蓄能器内，存储能量，从而有效地提高能量的利用率，且其能利用低压蓄能器的弹性性能而吸收冲击等。此外，基于高压油供给接口所供给的高压油进行支撑相伸长动作的控制，且基于低压油供给接口所供给的低压油进行摆动相的控制，从而能实现高低压两级供油方式，即能为支撑相与摆动相供给所需的高低压力，而能有效地降低阀口节流损失，进一步地提高能量的利用效率。
具体的方案为控制执行器包括高压三位四通阀、低压三位四通阀及低压两位四通阀；高压三位四通阀的一侧双管接头中的一者与油箱的进口连通，另一者与高压油供给接口连通，另一侧双管接头对应地与无杆油腔接口连通及有杆油腔接口连通；低压三位四通阀的一侧双管接头中的一者与油箱的进口连通，另一者与低压油供给接口连通，另一侧双管接头对应地与无杆油腔接口连通及有杆油腔接口连通；低压两位四通阀的一侧双管接头通过三通连接结构与低压油供给接口连通，另一侧双管接头对应地与无杆油腔接口及有杆油腔接口连通。
基于上述技术方案，即在该结构下的控制执行器，其可以实现对阀负载口的独立控制，即利用负载口独立控制地对进油和回油口进行分别节流控制，从而能够有效地降低节流损失，进一步地提高该机器人的能量利用率。
更具体的方案为在摆动相动作控制步骤中，控制高压三位四通阀与低压两位四通阀切断管路连接，而控制低压三位四通阀连通无杆油腔接口与有杆油腔接口中的一者与低压油供给接口，而另一者与油箱连通；在支撑相动作控制步骤中，且液压执行器为伸长动作时，控制低压三位四通阀与低压两位四通阀切断管路连接，而控制高压三位四通阀连通无杆油腔接口与高压油供给接口，及连通有杆油腔接口与油箱；在支撑相动作控制步骤中，且液压执行器为缩短动作时，控制低压三位四通阀与高压三位四通阀切断管路连接，而控制低压两位四通阀连通无杆油腔接口与有杆油腔接口。
另一个具体的方案为控制执行器包括高压三位三通阀、第一低压三位三通阀及第二低压三位三通阀；高压三位三通阀的双管接头中的一者与油箱的进口连通，另一者与高压油供给接口连通，单管接头与无杆油腔接口连通；第一低压三位三通阀的双管接头中的一者与油箱的进口连通，另一者与低压油供给接口连通，单管接头与无杆油腔接口连通；第二低压三位三通阀的双管接头中的一者与低压油供给接口连通，另一者与油箱的进口连通，单管接头与有杆油腔接口连通。
基于上述技术方案，即在该结构下的控制执行器，其可以实现对阀负载口的独立控制，即利用负载口独立控制地对进油和回油口进行分别节流控制，从而能够有效地降低节流损失，进一步地提高该机器人的能量利用率。
更具体的方案为在摆动相动作控制步骤中，控制高压三位三通阀切断管路连接，而控制第一低压三位三通阀仅连通无杆油腔接口与低压油供给接口，且控制第二低压三位三通阀仅连通有杆油腔接口与油箱；或而控制第二低压三位三通阀仅连通有杆油腔接口与低压油供给接口，且控制第一低压三位三通阀仅连通无杆油腔接口与油箱；在支撑相动作控制步骤中，且液压执行器为伸长动作时，控制第一低压三位三通阀切断管路连接，而控制高压三位三通阀仅连通无杆油腔接口与高压油供给接口，且控制第二低压三位三通阀仅连通有杆油腔接口与油箱；在支撑相动作控制步骤中，且液压执行器为缩短动作时，控制高压三位三通阀切断管路连接，而控制第一低压两位四通阀连通无杆油腔接口与低压油供给接口，且控制第二低压两位四通阀连通有杆油腔接口与低压油供给接口。
优选的方案为液压源包括与高压油供给接口连通的高压蓄能器。通过增设高压蓄能器，与低压蓄能器配合，起到减小液压冲击和压力脉动的作用。
为了实现上述另一目的，本发明提供的机器人包括液压源及用于驱使其机械腿在支撑相与摆动相之间切换的液压执行器，液压执行器的缸体上设有无杆油腔接口与有杆油腔接口；液压源包括高压油供给接口，低压油供给接口，与低压油供给接口连通的低压蓄能器，及用于控制液压源向液压执行器供油状态的控制执行器；控制执行器在机械腿处于支撑相且为缩短动作时，能构建出用于连通无杆油腔接口、有杆油腔接口及低压蓄能器的进油口的三通连接结构。
基于对机器人进行上述结构的改进，使其在运动过程中，尤其是在支撑相且液压执行器处于缩短动作时，即此时该机器人躯体重心位置将下降，基于控制执行器所构建的三通连接结构，而能将有杆油腔与无杆油腔连通并与低压蓄能器连通，从而利用活塞杆所占用空间大小，从而在活塞在缸体内移动一定间距时，使得无杆油腔的体积缩小大于有杆油腔的体积变化，即利用躯体重心势能的降低对该部分油液进行加压，从而充入低压蓄能器内，存储能量，从而有效地提高能量的利用率，且其能利用低压蓄能器的弹性性能而吸收冲击等。此外，在工作过程中，该机器人能基于高压油供给接口所供给的高压油进行支撑相伸长动作的控制，且能基于低压油供给接口所供给的低压油进行摆动相的控制，从而能采用高低压两级供油方式，即为支撑相与摆动相供给所需的高低压力，而能有效地降低阀口节流损失，进一步地提高能量的利用效率。
具体的方案为控制执行器包括高压三位四通阀、低压三位四通阀及低压两位四通阀；高压三位四通阀的一侧双管接头中的一者与油箱的进口连通，另一者与高压油供给接口连通，另一侧双管接头对应地与无杆油腔接口连通及有杆油腔接口连通；低压三位四通阀的一侧双管接头中的一者与油箱的进口连通，另一者与低压油供给接口连通，另一侧双管接头对应地与无杆油腔接口连通及有杆油腔接口连通；低压两位四通阀的一侧双管接头通过三通连接结构与低压油供给接口连通，另一侧双管接头对应地与无杆油腔接口及有杆油腔接口连通。
基于上述技术方案，即在该结构下的控制执行器，其可以实现对阀负载口的独立控制，即利用负载口独立控制地对进油和回油口进行分别节流控制，从而能够有效地降低节流损失，进一步地提高该机器人的能量利用率。
另一个具体的方案为控制执行器包括高压三位三通阀、第一低压三位三通阀及第二低压三位三通阀；高压三位三通阀的双管接头中的一者与油箱的进口连通，另一者与高压油供给接口连通，单管接头与无杆油腔接口连通；第一低压三位三通阀的双管接头中的一者与油箱的进口连通，另一者与低压油供给接口连通，单管接头与无杆油腔接口连通；第二低压三位三通阀的双管接头中的一者与低压油供给接口连通，另一者与油箱的进口连通，单管接头与有杆油腔接口连通。
基于上述技术方案，即在该结构下的控制执行器，其可以实现对阀负载口的独立控制，即利用负载口独立控制地对进油和回油口进行分别节流控制，从而能够有效地降低节流损失，进一步地提高该机器人的能量利用率。
优选的方案为液压源包括与高压油供给接口连通的高压蓄能器。通过增设高压蓄能器，与低压蓄能器配合，起到减小液压冲击和压力脉动的作用。
附图说明
图1为本发明实施例1中机器人的液压执行器、液压源与控制执行器的管路连接结构示意图；
图2为本发明实施例1中控制方法的工作流程图；
图3为本发明实施例2中控制执行器的结构示意图。
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。
实施例
参见图1，本发明机器人为多足步行机器人，具体结构可参照申请人申请且已公开的公开号为CN109501881A等的专利文献所公开的结构，主要包括躯体及安装在该躯体上的机械腿及液压源1。其中，机械腿采用现有技术的结构进行构建，例如公开号为CN104029745A等专利文献所公开的机械腿结构，具体包括大腿杆、小腿杆及用于控制该两腿杆绕铰接关节摆动的液压执行器2。
其中，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机械腿上的传感器所发送的检测数据，控制液压源1工作，而驱使液压执行器2执行伸缩动作，从而控制整个机械腿在支撑相与摆动相之间切换。
如图1所示，液压源1包括高压泵11、低压泵12、高压泵驱动电机13、低压泵驱动电机14、高压溢流阀15、低压溢流阀16、压力检测传感器17、压力检测传感器18、高压油供给接口101，低压油供给接口102，与低压油供给接口102连通的低压蓄能器104，与高压油供给接口101连通的高压蓄能器103，及用于控制该液压源1向液压执行器2供油的状态的控制执行器。
高压油供给接口101、压力检测传感器17的检测端及高压溢流阀15的管路接口均与高压泵11的泵油口连通，低压油供给接口102、压力检测传感器18的检测端及低压溢流阀16的管路接口均与低压泵12的泵油口连通。高压溢流阀15与低压溢流阀16的出油口均与油箱100的进油口连通。
如果图1所示结构，在本实施例中，液压源1基于高压泵11与低压泵12二者的供油压力差，从而提供了高低两级油压的油液；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13与低压泵驱动电机14均配置为转速可调电机。从而可依据压力传感器向控制单元所输出压力检测数据，控制两个泵驱动电机的转速，使输出压力恒定，而能获取与当前驱动所需流量的油液，有效地降低溢流损耗，而提高整体系统的能量利用率，对于泵电机转速由安装在该泵驱动电机上的转速传感器所获取。即在本实施例中，可以根据需要而实现定流量控制与变流量控制两种控制模式，以根据实际需要而选择其中一种控制模式，从而有效地提高整体系统的能量利用率，具体为(1)，在定流量控制方案中，控制高压泵驱动电机13按照预设高压转速恒定地转动，至高压泵11所泵出油液的油压高于高压溢流阀15的溢流油压，从而使高压油供给接口101的供油油压恒定在该溢流油压值；控制低压泵驱动电机14按照低压转速恒定转动，至低压泵12所泵出的油液油压高于低压溢流阀16的溢流油压，从而使低压供油接口102的供油油压恒定在该溢流油压值；且驱使高压泵11与低压泵12的输出流量均大于多足步行机器人所需的平均流量；(2)而在变流量控制方案中，基于压力传感器17与压力传感器18所输出的油压检测数据，改变高压泵驱动电机13与低压泵驱动电机14的转速，至高压泵11与低压泵12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15与低压溢流阀16的溢流油压。
在上述定流量控制方案中，高压泵驱动电机13和低压泵驱动电机14转速恒定，高压泵11和低压泵12输出流量恒定且大于机器人所需平均流量；而高压溢流阀15和低压溢流阀16均有流量通过，而用于设定高低压两级压力。从而能为液压执行器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。
而在变流量控制方案中，通过调节高压泵驱动电机13和低压泵驱动电机14的转速使输出压力恒定，且使高压泵11和低压泵12输出流量与机器人所需流量相匹配，而高压溢流阀15和低压溢流阀16作为安全阀使用而无流量通过。其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。
此外，低压泵12的出油口与高压泵11的进油口连通，从而构成串联供油结构，有效地提高高压泵11的出油口处的输出油压。基于高压溢流阀15与低压溢流阀16的溢流效果，从而构建出用于提供高低两级压力的高压油供给接口101与低压油供给接口102。
如图1所示，液压执行器2包括缸体20及可沿轴向往复移动地置于缸体20内的活塞21与活塞杆22，活塞21将缸体20的内腔分隔为有杆油腔200与无杆油腔201，在有杆油腔200上设有外联用的有杆油腔接口203，而在无杆油腔201上对应地设有无杆油腔接口204。在工作过程中，由于活塞杆22具有一定的体积，当活塞21沿缸体20的轴向移动预定间距时，无杆油腔201的容积变化要大于有杆油腔200的容积变化。
如图1所示，控制执行器包括高压三位四通阀41、低压三位四通阀42及低压两位四通阀43。
其中，高压三位四通阀41的下侧双管接头中的一者与油箱100的进口连通，另一者与高压油供给接口101连通；上侧双管接头中的一者与无杆油腔接口204连通，另一者与有杆油腔接口203连通。低压三位四通阀42的下侧双管接头中的一者与油箱100的进口连通，另一者与低压油供给接口102连通；上侧双管接头中的一者与无杆油腔接口204连通，另一者与有杆油腔接口203连通。低压两位四通阀43的下侧双管接头通过三通连接结构49与低压油供给接口102连通；上侧双管接头中的一者与无杆油腔接口204，另一者与有杆油腔接口203连通。在该段的连接描述中，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2所示，基于上述对液压系统进行改进后的结构，对该机器人进行控制的方法包括摆动相动作控制步骤S1与支撑相动作控制步骤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：
摆动相动作控制步骤S1，在机械腿处于摆动相时，控制控制执行器而利用低压油供给接口102所供给的低压油液驱使液压执行器2伸缩动作。
该步骤的具体过程如下：在摆动相动作控制步骤中，控制高压三位四通阀41与低压两位四通阀43均位于当前图中所示位置，而切断管路连接，而控制低压三位四通阀42的阀芯相对图中当前位置朝右步进，而连通无杆油腔接口204与油箱100，同时连通有杆油腔接口203与低压油供给接口102，从而驱使液压执行器2为缩短动作；或者，控制低压三位四通阀42的阀芯相对图中当前位置朝左步进，而连通无杆油腔接口204与低压油供给接口102，同时连通有杆油腔接口203与油箱100，从而驱使液压执行器2为伸长动作。
支撑相动作控制步骤S2，在机械腿处于支撑相且为液压执行器2位伸长动作时，控制控制执行器而利用高压油供给接口101所供给的高压油液驱使液压执行器2伸长动作；而在机械腿处于支撑相且为缩短动作时，控制控制执行器构建出三通连接结构，而连通无杆油腔接口204、有杆油腔接口203及低压蓄能器104的进油口。
该步骤的具体过程如下：
(1)在支撑相动作控制步骤中，且液压执行器2为伸长动作时，控制低压三位四通阀42与低压两位四通阀43的阀芯位于当前图中所示位置，而切断管路连接，并控制高压三位四通阀41的阀芯相对当前图中所示位置朝右步进，而连通无杆油腔接口204与高压油供给接口101，同时连通有杆油腔接口203与油箱100。
(2)在支撑相动作控制步骤中，且液压执行器2为缩短动作时，控制低压三位四通阀42与高压三位四通阀41的阀芯位于当前图中所示位置，而切断管路连接，而控制低压两位四通阀43的阀芯相对当前图中所示位置朝左步进，而连通无杆油腔接口204与有杆油腔接口203，从而使能利用两侧容积变化差而将多余的部分油液挤入低压蓄能器104中，进行蓄能，所蓄能量可以用于后续液压执行器2的驱动，以提高能量利用率。
从上述工作过程的描述可知，本实施例机器人能够基于高低压两级功能，而匹配支撑相与摆动相所需的压力，有效地减少节流损失，及基于控制执行器的结构与低压蓄能器而充分地利用支撑相下压动作的能量，有效地提高整体系统的能量利用率。此外，可基于低压蓄能器104与高压蓄能器103而，起到减小液压冲击和压力脉动的作用。
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，即为对控制执行器的结构进行改进。
如图3所示，在本实施例，控制执行器4包括高压三位三通阀41、第一低压三位三通阀42及第二低压三位三通阀43。
其中，高压三位三通阀41的双管接头中的一者与油箱100的进口连通，另一者与高压油供给接口101连通，单管接头与无杆油腔接口204连通，具体为通过三通连接结构46连接。第一低压三位三通阀42的双管接头中的一者与油箱100的进口连通，另一者与低压油供给接口102连通，具体为通过三通连接结构45连接；单管接头与无杆油腔接口204连通，具体为通过三通连接结构46连接。第二低压三位三通阀43的双管接头中的一者与低压油供给接口101连通，具体为通过三通连接结构45连接，另一者与油箱100的进口连通，单管接头与有杆油腔接口203连通。
基于该结构的改进，工作过程中的具体控制方法包括以下步骤：
(1)在摆动相动作控制步骤中，控制高压三位三通阀41的阀芯位于当前图中所示位置，而切断管路连接，同时控制第一低压三位三通阀42的阀芯相对当前图中所示位置朝右步进，而仅连通无杆油腔接口204与低压油供给接口102，及控制第二低压三位三通阀43的阀芯相对当前图中所示位置朝左步进，仅连通有杆油腔接口203与油箱10，以控制液压执行器2伸长动作；或，控制高压三位三通阀41的阀芯位于当前图中所示位置，而切断管路连接，同时控制第二低压三位三通阀43的阀芯相对当前图中所示位置朝右步进，仅连通有杆油腔接口203与低压油供给接口102，且控制第一低压三位三通阀42的阀芯相对当前图中所示位置朝左步进，仅连通无杆油腔接口204与油箱100，以控制液压执行器2缩短动作。
(2)在支撑相动作控制步骤中，且液压执行器2为伸长动作时，控制第一低压三位三通阀42的阀芯位于当前图中所示位置，而切断管路连接，而控制高压三位三通阀41的阀芯相对当前图中所示位置朝右步进，而仅连通无杆油腔接口204与高压油供给接口101，且控制第二低压三位三通阀43的阀芯相对当前图中所示位置朝左步进，而仅连通有杆油腔接口203与油箱100。
(3)在支撑相动作控制步骤中，且液压执行器2为缩短动作时，控制高压三位三通阀41的阀芯位于当前图中所示位置，而切断管路连接，而控制第一低压两位四通阀42的阀芯相对当前图中所示位置朝右步进，而连通无杆油腔接口204与低压油供给接口102，且控制第二低压两位四通阀43的阀芯相对当前图中所示位置朝右步进，而连通有杆油腔接口203与低压油供给接口102。
