1.本发明属于智能足式巡检机器人领域，特别涉及一种智能足式巡检机器人及其步态控制方法。
背景技术：
2.变电站作为电力传输系统的重要枢纽，其可靠性与安全性一直被人们所关注。变电站的巡检工作占据了电网变电站工作的40％左右，随着变电站数量的不断增加，不仅巡检效率从根本上降低，巡检的及时性与有效性也难以保证。随着机器人技术的快速发展，越来越多的智能巡检机器人被用于电力设备检测与监控，从而降低巡检的人工工作量，减少巡检过程中出现的误差，从根本上提升巡检的质量与效率，提升变电站运动的稳定性与有效性。
3.智能巡检机器人通过携带的多种传感器获取外界环境信息，检测变电站的相应指标数据，并将相关数据传输到中控室。目前智能巡检机器人主要分为轨道式、地面移动式等。其中地面移动式智能巡检机器人能够适用于室内室外两种环境，是当前巡检机器人应用较为广泛。地面移动式智能巡检机器人又根据机器人本体的形式分为轮式、履带式和足式三种典型结构，其实轮式机器人本体具有较高的运动效率，目前在变电站巡检中应用较多，但轮式机器人的环境适应性较差；履带式机器人本体能够克服一定的复杂环境，但运行过程中存在较大的震动，对搭载的仪器设备有较大的影响；相比其他两种类型的机器人本体，足式机器人本体能够适应复杂环境下智能巡检任务，满足变电站室内室外的多变环境，具有更高的灵活性及便捷性，可更大程度代替人工巡检作业。现有四足机器人多数采用三自由度腿与刚性躯干的配置，保证了四足机器人机体运动的稳定性，但刚性躯干也使得四足机器人的运动灵活性较差。在自然界中，四足动物的躯干并非刚性，研究表明四足动物的脊柱在奔跑、转弯、平衡稳定等方面起着至关重要的作用。因此，四足机器人要实现灵活、高效的运动，需要具备一个高负载、轻量化、主动可控的躯干。综上所示，亟待发明设计一种一种具备主动躯干的智能足式巡检机器人，并设计一种步态控制方法实现四足机器人的灵活、稳定运动控制。
4.以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本技术的新颖性和创造性。
技术实现要素：
5.本发明所要解决的技术问题在于，克服现有技术在智能足式巡检机器人的运动灵活性和步态转换等方面的缺陷和不足，提供一种具备主动躯干的智能足式巡检机器人及步态控制方法，该智能足式巡检机器人采用六自由度并联躯干结构，能够实现躯干伸长、转弯、上翻等功能，有效地提升了智能足式巡检机器人的运动灵活性。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种智能足式巡检机器人，包括依次连接的前体
机架、六自由度并联躯干结构、后体机架，以及分别位于左前、右前、左后、右后共计四条结构相同的机械腿，所述六自由度并联躯干结构包括连接所述前体机架的前平台支撑板、六根并行的电缸伸缩结构、连接所述后体机架的后平台支撑板，其中，任一所述电缸伸缩结构通过万向节连接至所述前平台支撑板和所述后平台支撑板。
7.进一步地，任一所述电缸伸缩结构包括驱动电机、滑块、丝杠、限位固定块和末端连接件，所述滑块设置于所述丝杠上，所述驱动电机通过旋转所述丝杠带动所述滑块滑动、从而实现所述电缸伸缩结构的伸缩。
8.进一步地，六根并行的所述电缸伸缩结构采用正六边形布局对称分布。
9.进一步地，任一所述机械腿包括由大腿连杆、小腿连杆、足端球体组成的骨架支撑部分和由横向髋关节、纵向髋关节、膝关节组成的自由关节部分。
10.进一步地，所述横向髋关节、所述纵向髋关节和所述膝关节均由关节驱动电机和齿轮结构组成，所述大腿连杆两端分别与所述纵向髋关节和所述膝关节连接，所述小腿连杆两端分别与所述膝关节和所述足端球体连接，所述纵向髋关节通过三角支撑架与所述横向髋关节相连接。
11.进一步地，任一所述机械腿通过其横向髋关节连接至前体机架或后体机架。
12.进一步地，还包括前机架固定板和后机架固定板，位于左前和右前的机械腿的横向髋关节通过所述前机架固定板固定连接在所述前体机架之上，位于左后和右后的机械腿的横向髋关节通过所述后机架固定板固定连接在所述后体机架之上。
13.本发明另一方面提供了一种智能足式巡检机器人的步态控制方法，适用于上述的智能足式巡检机器人，每一所述机械腿的运动相互耦合，基于六根并行的电缸伸缩结构的瞬间结构参数，调整各电缸伸缩结构的伸缩量和旋转角度。
14.进一步地，每一所述机械腿的纵向髋关节与相邻腿的纵向髋关节对应的中枢模式发生器神经元相互耦合，每一所述机械腿的纵向髋关节、横向髋关节与膝关节对应的中枢模式发生器神经元双向串行耦合。
15.进一步地，所述瞬间结构参数包括ri，pi，xj，l
ij
，其中，
16.ri＝[br
xi bryi brzi
]
t
(i＝0,1
…
6)为后平台支撑板的第i个万向节中心bi在静坐标系{b}中的位置矢量；
[0017]
pi＝[mp
xi m
p
yi m
p
zi
]
t
(i＝0,1
…
6)为前平台支撑板的第i个万向节中心ai在动坐标系{m}中的位置矢量；
[0018]
xj＝[bx
j byj b
zj]
t
为前平台支撑板在j位姿时动坐标系{m}的原点在静坐标系{b}中的位置矢量；
[0019]
l
ij
＝[bl
xij b
l
yij b
l
zij
]
t
为电缸伸缩结构在后平台支撑板坐标系{b}的位置矢量。
[0020]
本发明具有以下有益效果：一、智能足式巡检机器人具有模块化结构，膝关节可以进行角度控制，形成内膝外肘、全肘式或全膝式，具备六自由度并联躯干结构，易于实现小半径转弯运动；二、六自由度并联躯干结构具备轻量化的结构，具有较好的负载能力，能够提高智能足式巡检机器人的运动稳定度和灵活性；三、基于中枢模式发生器的控制方法能够协调控制智能足式巡检机器人的18个自由度，实现稳定的运动控制。
附图说明
[0021]
图1是本发明的四足机器人整体结构图；
[0022]
图2是本发明的四足机器人侧视图；
[0023]
图3是本发明的四足机器人俯视图；
[0024]
图4是本发明的前体机身等轴测视图；
[0025]
图5是本发明的后体机身等轴测视图；
[0026]
图6是本发明的腿部结构图；
[0027]
图7是本发明的六自由度并联躯干结构的等轴测视图；
[0028]
图8是本发明的六自由度并联躯干结构内部单个电缸的结构图；
[0029]
图9时本发明的中枢模式发生器控制框图。
具体实施方式
[0030]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”“上”、“下”、“前”、“后”“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“顶部”、“底部”、“顶面”、“底面”、“内”、“外”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
[0032]
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到术语“第一”、“第二”、“第三”只是用于描述目的以及区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
[0033]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面根据本发明的整体结构，对其实施例进行说明。
[0034]
参见图1、图2、图3所示，本发明提供了一种具有六自由度并联躯干结构的智能足式巡检机器人，其结构包括前体机架1、六自由度并联躯干结构2、后体机架3、以及四条相同结构的机械腿，分别为左前腿4、右前腿5、左后腿6、右后腿7。
[0035]
参见图3、图4、图6所示，所述前体机架1、后体机架3均为刚性结构；所述左前腿4、右前腿5的腿部横向髋关节15均通过前机架固定板8固定连接在前体机架1之上，构成四足机器人的前体机身。
[0036]
参见图3、图5、图6所示，所述左后腿6、右后腿7的腿部横向髋关节15均通过后机架固定板10固定连接在后体机架3之上，构成四足机器人的后体机身。
[0037]
参见图1所示，所述前体机架1、后体机架3通过中部六自由度并联躯干结构2进行连接，组成四足机器人整体。
[0038]
参见图6所示，所述具有相同结构的左前腿4、右前腿5、左后腿6、右后腿7四条机械腿，其结构包括由大腿连杆12、小腿连杆13、足端球体14组成的骨架支撑部分和由横向髋关节15、纵向髋关节16、膝关节17组成的自由关节部分；其中，所述横向髋关节15由关节驱动电机18和齿轮结构21所组成，所述纵向髋关节16由关节驱动电机19和齿轮结构22所组成，所述膝关节17由关节驱动电机20和齿轮结构23所组成。所述大腿连杆12两端分别固定有所述纵向髋关节16和所述膝关节17，所述小腿连杆13两端分别与所述膝关节17和所述足端球体14相连接；所述纵向髋关节16通过三角支撑架24与所述横向髋关节15相连接，组成整体腿部机械结构。
[0039]
参见图4、图5所示，所述机械腿4、5、6、7通过各自的横向髋关节15与前体机架1和后体机架3固定连接，相对于所述四足机器人机架1、3均具有三个自由度，分别为横向髋关节15侧摆、纵向髋关节16转动、膝关节17转动。所述横向髋关节15侧摆通过控制关节驱动电机18带动横向髋关节15内部齿轮组21转动，传动至与所述纵向髋关节16进行连接的三角支撑架24，带动所述三角支撑架24及与其连接的所述腿部结构相对于前体机架1和后体机架3进行转动，体现为横向髋关节15带动腿部结构横向侧摆的模式；所述纵向髋关节16转动通过控制关节驱动电机19带动纵向髋关节16内部齿轮组22转动，传动至所述大腿连杆12，带动大腿连杆12相对于机架1、3进行纵向转动；所述膝关节17转动通过控制关节驱动电机20带动膝关节17内部齿轮组23转动，传动至小腿连杆13，带动小腿连杆13相对于大腿连杆12进行纵向转动。
[0040]
参见图1、图7、图8所示，所述六自由度并联躯干结构2，其机械结构包括前平台支撑板25、后平台支撑板27、万向节28、以及六根并联的相同结构电缸26；所述前体机架1通过四根刚性支撑柱9与所述腰结构前平台支撑板25固定连接，所述后体机架3通过四根刚性支撑柱11与所述腰结构后平台支撑板27固定连接；所述并联的六根相同结构电缸26两端均连接有万向节28，构成带万向节电缸，并通过两端万向节28与所述前平台支撑板25、后平台支撑板27进行连接；其中，所述并联的六根相同结构电缸26采用正六边形布局对称分布，以上下两根电缸26所在平面为对称面，其余四根对称分布两侧，且相邻两电缸26夹角均为60
°
。
[0041]
参见图8所示，所述电缸26，其结构包括驱动电机29、滑块30、丝杠31、两根固定支撑杆32、固定块33、两根滑动伸长杆34及末端连接件35；其中，所述驱动电机29通过所述丝杠31及两根固定支撑杆32穿过滑块30后，与所述固定块33相连接，即所述滑块30固定于所述丝杠31及两根固定支撑杆32上，且位于所述驱动电机29与固定块33之间，可通过控制驱动电机29带动丝杠31的旋转，从而控制滑块30进行沿丝杠31方向的滑动；所述滑块30又通过两根滑动伸长杆34穿过固定块33后与末端连接件35固定，组成电缸26主体，可通过控制所述滑块30的滑动，带动所述滑动伸长34运动以实现电缸26的伸缩运动，电缸26两端均链接有末端连接件35，用于连接万向节28，构成带万向节电缸26。
[0042]
参见图7所示，所述六自由度并联躯干结构2具有六个自由度，可通过控制正六边形排列的电缸26伸缩运动带动腰结构前平台支撑板25、后平台支撑板27进行多方向运动，以辅助机身运动。
[0043]
本发明的智能足式巡检机器人的步态控制方法是基于中枢模式发生器的控制方
法，中枢模式发生器的神经元数学模型如下：
[0044][0045]
其中，参数θ表示中枢模式发生器神经元相位的状态变量，参数ω是中枢模式发生器神经元的角频率；参数w
ij
为中枢模式发生器神经元i与中枢模式发生器神经元j间的耦合强度，为简化模型，各中枢模式发生器神经元的耦合强度w
ij
都设置为等值w，参数是中枢模式发生器神经元i与中枢模式发生器神经元j间的相位差，且函数f(
·
)是关节曲线的映射方程。
[0046]
如图9所示，智能足式巡检机器人每个腿的纵向髋关节与相邻腿的纵向髋关节对应的中枢模式发生器神经元相互耦合，每个腿的纵向髋关节、横向髋关节与膝关节对应的中枢模式发生器神经元双向串行耦合，根据纵向髋关节对应的中枢模式发生器神经元相位控制的不同，可以实现行走、小跑等典型四足动物的步态。
[0047]
六自由度并联躯干结构2具有六个驱动电机，分别对应六个不同的中枢模式发生器神经元，呈现逆时针顺序，相邻的中枢模式发生器神经元相互耦合，并且形成一个环形结构，其中1号中枢模式发生器神经元s1与左前腿的纵向髋关节对应的中枢模式发生器神经元相互耦合，6号中枢模式发生器神经元s6与右前腿的纵向髋关节对应的中枢模式发生器神经元相互耦合，3号中枢模式发生器神经元s3与左后腿的纵向髋关节对应的中枢模式发生器神经元相互耦合，4号中枢模式发生器神经元s4与右后腿的纵向髋关节对应的中枢模式发生器神经元相互耦合。但由于智能足式巡检机器人的躯干运动在不同的运动模式下，其运动控制动作也不同，具体的控制方式步骤如下：
[0048]
为实现智能足式巡检机器人的躯干控制，首先针对六自由度并联躯干结构2进行运动学建模，建模过程如下：
[0049]
(1)建立六自由度并联躯干结构2运动学模型，作如下定义：
[0050]ri
＝[br
xi bryi brzi
]
t
(i＝0,1
…
6)为后平台支撑板27的第i个万向节中心bi在静坐标系{b}中的位置矢量；
[0051]
pi＝[mp
xi m
p
yi m
p
zi
]
t
(i＝0,1
…
6)为前平台支撑板25的第i个万向节中心ai在动坐标系{m}中的位置矢量；
[0052]
xj＝[bx
j byj b
zj]
t
为前平台支撑板25在j位姿时动坐标系{m}的原点在静坐标系{b}中的位置矢量；
[0053]
l
ij
＝[bl
xij b
l
yij b
l
zij
]
t
为电缸26伸缩结构在后平台支撑板27坐标系{b}的位置矢量；
[0054]
向量ri，pi，xj，l
ij
构成了一个封闭的空间向量环，这个向量环可表示为:
[0055]
l
ij
＝rjpi x
j-r
i i＝1,2...6；j＝1,2...n (1)
[0056]
式中，rj为前平台支撑板25第j个位姿时动坐标系{mj}相对于静坐标系{b}的旋转变换矩阵。假设位姿j是在静坐标系{b}的基础上，先绕着z轴旋转角度α，再绕新的y轴旋转角度β，再绕着新的x轴旋转角度γ，用矢量表示为cj＝[αβγ]
t
,则此时前平台支撑板25在空间中的状态用欧拉角描述为：
[0057][0058]
(2)求解六自由度并联躯干结构2的逆运动学：
[0059]
j位姿下六自由度并联躯干结构2的第i个电缸26长度为：
[0060][0061]
第j个位姿下第i个电缸26方向上的单位矢量：
[0062][0063]
将开始零位的r0和x带入式(3)可以得到电缸26的初始长度l0，通过式(5)可以算出电缸26的伸长量：
[0064]
δl
ij
＝l
ij-l
0i (5)
[0065]
设l
oi
为第i个电缸26的开始零位长度，δl
0i
为第j个位姿下第i个电缸26的长度变化量，则式(3)可以写成：
[0066]
(vl
ij
l
0i
)2＝(rjpi x
j-ri)
t
(rjpi x
j-ri) (6)
[0067]
由上式可知，假设已知六自由度并联躯干结构2的初始结构参数ri，pi，l
0i
，和前平台支撑板25第j个位姿即可求出六个电缸26长度的变化量δl
ij
。
[0068]
(3)六自由度并联躯干结构2的控制模式：
[0069]
模式一、智能足式巡检机器人在常规的行走、小跑等直线运动步态下，六自由度并联躯干结构2保持六自由度的小幅值摆动，能够保证智能足式巡检机器人的重心始终保持在稳定区域内，进而实现智能足式巡检机器人的稳定运动；
[0070]
模式二、智能足式巡检机器人的转弯步态目前主要时通过左、右两侧腿的步幅实现转向，本发明通过控制六自由度并联躯干结构2的左、右转向角度，可以实现智能足式巡检机器人的转弯步态，同时转弯半径更小。
[0071]
具体地，图9中的lf表示左前腿、rf表示右前腿、lh表示左后腿、rh表示右后腿，左前腿、右前腿、左后腿、右后腿中相邻的机械腿对应的中枢模式发生器神经元互相耦合、互相影响，具体表现为左前腿与右前腿、左后腿互相影响，右前腿与左前腿、右后腿互相影响，依次类推，确保了四条机械腿之间的互相联动，保持该智能足式巡检机器人在巡检过程中的稳定；而每一条腿内部，则是由三个关节的中枢模式发生器神经元互相联动，例如左前腿的横向髋关节的中枢模式发生器神经元lf1联动纵向髋关节的中枢模式发生器神经元lf2，纵向髋关节的中枢模式发生器神经元lf2联动膝关节的中枢模式发生器神经元lf3，其他机械腿的运作模式相同。对于六自由度并联躯干结构而言，则是六根并行的电缸伸缩结构的中枢模式发生器神经元s1至s6对相邻的电缸伸缩结构进行耦合、进行影响，例如1号中枢模式发生器神经元s1对2号中枢模式发生器神经元s2和6号中枢模式发生器神经元s6进行影响，其他依次类推；而对于躯干和腿部之间，则是由1号中枢模式发生器神经元s1与左前腿
的纵向髋关节对应的中枢模式发生器神经元lf1相互耦合，6号中枢模式发生器神经元s6与右前腿的纵向髋关节对应的中枢模式发生器神经元rf1相互耦合，3号中枢模式发生器神经元s3与左后腿的纵向髋关节对应的中枢模式发生器神经元lh1相互耦合，4号中枢模式发生器神经元s4与右后腿的纵向髋关节对应的中枢模式发生器神经元rh1相互耦合。
[0072]
本发明具有以下有益效果：一、智能足式巡检机器人具有模块化结构，膝关节可以进行角度控制，形成内膝外肘、全肘式或全膝式，具备六自由度并联躯干结构，易于实现小半径转弯运动；二、六自由度并联躯干结构具备轻量化的结构，具有较好的负载能力，能够提高智能足式巡检机器人的运动稳定度和灵活性；三、基于中枢模式发生器的控制方法能够协调控制智能足式巡检机器人的18个自由度，实现稳定的运动控制。
[0073]
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的，这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化，尽管已经示出和描述了本发明的实施例，但本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对发明的限制，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合，对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够在阅读完本说明书后可在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下，可以根据需要对实施例做出没有创造性贡献的修改、替换、变型以及各种不同的选择和改变，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。