[发明专利]一种基于超级电容的足式机器人单腿柔顺控制方法及系统

说明书

本发明公开了一种基于超级电容的足式机器人单腿柔顺控制方法及系统，本发明基于超级电容的足式机器人单腿柔顺控制方法包括在单腿系统的关节电机处于发电模式下利用超级电容吸收能量时的缓冲特性吸收单腿系统触地时关节电机反转带来的冲击能量达到被动柔顺的效果；在单腿系统的关节电机处于电动模式下控制超级电容为关节电机供电；此外，还包括进行主动柔顺，以及关节电机处于电动模式下的超级电容和蓄电池的混合供电控制策略等。本发明能够提升足式机器人柔顺控制性能，回收单腿触地时的冲击能量及机体势能，延长足式机器人的电池续航时间，并在需要时补偿尖峰功率，提升足式机器人的运动性能。

技术领域

本发明涉及基于超级电容的足式机器人单腿控制技术，具体涉及一种基于超级电容的足式机器人单腿柔顺控制方法及系统。

背景技术

目前，超级电容以其充放电速度快、功率密度大的优点，被用作储能装置吸收电驱动系统的再生能量，并在系统处于耗能工况时对尖峰功率进行补偿，以此达到节能及提升系统驱动能力的目的。已有研究将超级电容用于电梯、叉车、工程钻机、起重机等电力系统中，以回收势能并补偿尖峰功率。如果能够将超级电容应用在足式机器人的柔顺控制中，则不仅能够吸收足端与地面接触时产生的冲击能量及机体势能，达到足端与地面柔顺接触的目的，且能够在机器人跳跃或者攀爬时将能量释放出去以补充尖峰功率，达到节能的目的。但目前关于超级电容的研究主要集中于应用在工作模式简单、工作流程固定的系统中，而机器人系统为高精度伺服控制系统，对超级电容的应用提出了严峻挑战。具体表现在：（1）传统的足式机器人柔顺控制主要依赖于被动的弹簧阻尼器及主动柔顺控制算法，超级电容在回收能量时如何实现柔顺控制；（2）电驱动足式机器人主要以蓄电池为供能能源，蓄电池与超级电容组成的混合能源如何优化管理，才能将回收的能量重新利用，在需要时补偿尖峰功率；（3）利用超级电容吸收冲击能量及机体势能时需要切换机器人的供电模式，如何保证切换时对机器人运动控制无扰动。

发明内容

本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种基于超级电容的足式机器人单腿柔顺控制方法及系统，本发明能够提升足式机器人柔顺控制性能，回收单腿触地时的冲击能量及机体势能，延长足式机器人的电池续航时间，并在需要时补偿尖峰功率，提升足式机器人的运动性能。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于超级电容的足式机器人单腿柔顺控制方法，包括在单腿系统的关节电机处于发电模式下控制超级电容处于充电模式以利用超级电容吸收单腿系统触地时关节电机反转带来的冲击能量达到被动柔顺的效果；在单腿系统的关节电机处于电动模式下控制超级电容处于放电模式并为关节电机供电；所述在单腿系统的关节电机处于发电模式下控制超级电容处于充电模式时，还包括根据单腿系统触地时足端受力的大小动态调节关节电机、超级电容之间的电容充电电流控制器的开关管占空比的大小以实现主动柔顺控制的步骤。

可选地，所述根据单腿系统触地时足端受力的大小动态调节关节电机、超级电容之间的电容充电电流控制器的开关管占空比的大小以实现主动柔顺控制的步骤包括：1）将单腿系统的期望力矩^Ef_d减去单腿系统触地时足端受力的力矩^Ef得到力矩差Δ^Ef；将力矩差Δ^Ef输入预设的阻抗模型，得到对应的足端修正位置；将足端修正位置和期望机器人足端位移做差得到所需的机器人足端位移；2）将所需的机器人足端位移、实际机器人足端位移做差后输入预设的位置控制器，并通过位置控制器的控制输出量输出至调节关节电机、超级电容之间的电容充电电流控制器的开关管占空比的大小以实现主动柔顺控制。

可选地，所述预设的阻抗模型的函数表达式为：