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

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

可选地，所述预设的阻抗模型的函数表达式为：

上式中，Δ

可选地，所述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时，还包括控制超级电容和蓄电池共同为关节电机供电，以及控制蓄电池为超级电容充电使得超级电容中的剩余能量保持在能够使关节电机再次加速到最大速度的程度。

可选地，所述控制超级电容和蓄电池共同为关节电机供电的步骤包括：将关节电机当前的速度

上式中，

可选地，所述控制蓄电池为超级电容充电的步骤包括：判断下述条件Г

上式中，(

此外，本发明还提供一种基于超级电容的足式机器人单腿柔顺控制系统，包括关节电机、超级电容、蓄电池、混合能源拓扑结构以及控制单元，所述混合能源拓扑结构分别与关节电机、超级电容以及蓄电池相连，所述混合能源拓扑结构的控制端与控制单元相连，所述控制单元被编程或配置以执行所述的基于超级电容的足式机器人单腿柔顺控制方法的步骤。

可选地，所述混合能源拓扑结构包括电容降压桥

可选地，所述控制单元包括再生制动复合控制器和多个PWM发生器，所述PWM发生器的控制端与再生制动复合控制器相连，所述蓄电池的电量检测端、关节电机的速度检测端分别与再生制动复合控制器相连，所述电容降压桥

可选地，所述蓄电池为锂电池。

和现有技术相比，本发明主要具有下述优点：本发明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，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。

附图说明

图1为本发明实施例方法的基本流程示意图。

图2为本发明实施例中超级电容、关节电机的拓扑结构示意图。

图3为本发明实施例中的主动柔顺控制原理示意图。

图4为本发明实施例中的超级电容-蓄电池混合能源管理机制原理示意图。

图5为本发明实施例中的基于跟踪微分器的切换控制原理示意图。

图6为本发明实施例系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例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1处于发电模式下控制超级电容2处于充电模式以利用超级电容2吸收单腿系统触地时关节电机1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1处于电动模式下控制超级电容2处于放电模式并为关节电机1供电。本实施例基于超级电容的足式机器人单腿柔顺控制方法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。

如图2所示，基于超级电容的足式机器人的单腿控制系统包括关节电机1、超级电容2、蓄电池3以及混合能源拓扑结构，关节电机1的电机特性决定着当其转子线圈通过电流时会产生磁场驱动转子转动，此时为能量的输入；当外界转动转子时则会在线圈产生感应电动势，此时为能量的回馈；混合能源拓扑结构分别与关节电机1、超级电容2、蓄电池3相连，用于控制超级电容2的充放电以及蓄电池3的放电。单腿系统之间的能量交换通过混合能源拓扑结构完成：超级电容2可向单腿系统供能(图2中标识b所示)，也能吸收单腿系统触地时电机反转带来的冲击能量达到被动柔顺的效果(图2中标识a所示)，蓄电池3为单腿系统的主要供电能源(图2中标识d所示)，在超级电容2电量不多（在超级电容电量不足以继续驱动单腿系统时）时也可向超级电容2充能(图2中标识c所示)。该系统利用超级电容能量缓冲特性吸收机器人足端与地面接触时电机反转带来的冲击能量及机体势能达到被动柔顺的效果。

在被动柔顺的基础上，为了进一步提升对足式机器人单腿柔顺控制的效果，本实施例中在单腿系统的关节电机1处于发电模式下控制超级电容2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1、超级电容2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。通过前述的被动柔顺和此处的主动柔顺控制相结合，能够进一步提升对足式机器人单腿柔顺控制的效果。

参见图2，可同时通过控制混合能源拓扑结构中超级电容充电电流控制器达到控制足端力的效果，而足端受力的大小由主动柔顺控制计算得出，可实现基于超级电容的机器人单腿节能柔顺性控制。如图3所示，本实施例中根据单腿系统触地时足端受力的大小动态调节关节电机1、超级电容2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

本实施例中，预设的阻抗模型的函数表达式为：

上式中，Δ

为使超级电容吸收冲击能量时电流可控，即足端力可控，并在需要时可与蓄电池共同驱动机器人单腿系统，补充额外的能量，提升机器人运动性能，本实施例中设计了超级电容-蓄电池混合能源管理机制，该机制主要体现在两个方面：策略一，控制超级电容2和蓄电池3共同为关节电机1供电；策略二，控制蓄电池3为超级电容2充电。

策略一：

在单腿系统的关节电机1处于电动模式下控制超级电容2处于放电模式时，还包括控制超级电容2和蓄电池3共同为关节电机1供电，以及控制蓄电池3为超级电容2充电使得超级电容2中的剩余能量保持在能够使关节电机1再次加速到最大速度的程度。

参见图4，控制超级电容2和蓄电池3共同为关节电机1供电的步骤包括：将关节电机1当前的速度

上式中，

其中，自抗扰控制器也简称为ADRC，是一种现有的控制技术，自抗扰控制器的作用是对关节电机速度的变化做出响应，如电机速度受外界扰动出现波动时自抗扰控制器会调整超级电容输出的电流抵抗扰动，增强电机控制的鲁棒性。自抗扰控制器有着抗干扰能力强、结构简单、控制精度高等特点，在电机伺服控制系统中被广泛应用。因为在单轮驱动控制系统中对电机速度的控制为一阶模型，所以本实施例的自抗扰控制器设计为一阶自抗扰控制器。

策略二：

参见图4，控制蓄电池3为超级电容2充电的步骤包括：判断下述条件Г

上式中，(

本实施例中设计的超级电容-蓄电池混合能源管理机制的优点包括：混合能源控制与关节电机控制紧密结合，外界对电机速度的扰动量直接反馈到超级电容电流控制器，大大增加了电机系统的鲁棒性，同时将足式机器人单腿柔顺控制与混合能源管理结合，利用超级电容能量缓冲特性达到被动柔顺效果，且可通过主动控制关节电机位置达到主动柔顺控制效果；合理的电流分配策略，在控制电机的过程中使尖峰、纹波电流由超级电容提供，平稳的电流由蓄电池提供；超级电容瞬间大功率特性被完全利用来抵抗外界扰动。

此外，由于本实施例中涉及到多种不同控制模式之间及不同能源之间的切换问题，为避免切换时对系统带来扰动，因此提出一种简单实用的无扰切换控制结构，该结构包含使控制输入信号平滑的跟踪微分器，即在单腿系统的关节电机1处于电动模式下，将输出到关节电机1的控制信号经过串接的跟踪微分器后在输出给关节电机1，以确保在超级电容-蓄电池混合能源管理机制发生模式切换（控制超级电容2和蓄电池（3）共同为关节电机1供电，以及控制蓄电池3为超级电容2充电两种模式）时电流平稳过渡以确保关节电机1的柔顺效果。众所周知，由于跟踪微分器的固有特性，可以合理地安排过渡过程，使其输出值不会突然改变。因此，使用跟踪微分器来平滑切换控制输入信号，带跟踪微分器的切换控制系统如图5所示。其中，

如图6所示，本实施例还提供一种基于超级电容的足式机器人单腿柔顺控制系统，包括关节电机1、超级电容2、蓄电池3、混合能源拓扑结构4以及控制单元5，混合能源拓扑结构4分别与关节电机1、超级电容2以及蓄电池3相连，混合能源拓扑结构4的控制端与控制单元5相连，控制单元5被编程或配置以执行前述基于超级电容的足式机器人单腿柔顺控制方法的步骤。

如图6所示，本实施例中的混合能源拓扑结构4包括电容降压桥

如图6所示，本实施例中的控制单元5包括再生制动复合控制器51和多个PWM发生器52，PWM发生器52的控制端与再生制动复合控制器51相连，蓄电池3的电量检测端、关节电机1的速度检测端分别与再生制动复合控制器51相连，电容降压桥

本实施例中，蓄电池3为锂电池，可采用锂离子电池或锂聚合物电池。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可读存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

上述只是本发明的系统框架，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。