CN103707952B - 窄足被动行走装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种窄足被动行走装置，包括髋部、驱动装置、固定架、数据采集装置和主控板；所述髋部包括左髋部和右髋部，每个髋部固定连接一条直腿，每条直腿固定连接一个足部；所述驱动装置为行走装置行走提供动力；所述主控板根据数据采集装置采集到的数据进行分析以便控制直腿的摆动频率和摆动角度；所述右髋部的顶端与固定架连接，左髋部与固定架活动连接。本发明具备完整的双足行走形态，并且装置很简洁，很巧妙，以一种全新的足部设计解决了行走时的侧向平衡问题，且不需要膝盖，利用了被动行走的自稳定，步态自然的动力学特性，控制方式也比较简单。该装置在腿足的康复医疗上，玩具领域上都有相当大的应用前景，甚至在军事应用上也是有很有价值的潜在应用的。

Description

窄足被动行走装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种行走装置，特别涉及一种可以实现三维行走面内行走的装置。

背景技术

目前，机器人的研究在世界各国都是一个热点，尤其对拟人形态的双足行走机器人的研究更是如火如荼。目前已面世的双足行走装置在仿人行走上已取得了许多值得认可的成就，但是一般都还是存在一些缺陷，例如（1）并不是完全意义上的双足机器人，包括像Cornell大学的Ranger，它是用四只腿来实现单纯两腿的功能，只能算是二维意义上的行走；（2）耗能太大，不适合实际应用，包括像日本HONDA公司的ASIMO，虽然具备完整的仿人形态，但是全主动式的机器人，耗能很大；（3）虽然具备完整的双足行走形态，但足部过于宽大，没有很好的形态学上的拟人效果，并且装置结构过于复杂，如：荷兰Delft大学的Denise,MIT的Toddler等。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供了一种窄足被动行走装置及其控制方法。

本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，窄足被动行走装置，包括髋部、驱动装置、固定架、数据采集装置和主控板；所述髋部包括左髋部和右髋部，每个髋部固定连接一条直腿，每条直腿固定连接一个足部；所述驱动装置为行走装置行走提供动力；所述主控板根据数据采集装置采集到的数据进行分析以便控制直腿的摆动频率和摆动角度；所述右髋部的顶端与固定架连接，左髋部与固定架活动连接。

进一步，所述驱动装置包括电源和电机，所述电源为各耗能器件供电，所述数据采集装置包括设置在电机上的编码器和设置在足部底端的触发式传感器组，所述编码器用于采集两直腿间的夹角数据，所述触发式传感器组用于检测足部落脚点位置。

进一步，所述电机设置于右髋部的内部，电机的定子固定在右髋部上，转子穿过右髋部内侧后与左髋部卡接；所述电源设置在左髋部内。

进一步，所述电机转轴上设置有滚动轴承，该滚动轴承位于右髋部内侧壁上。

进一步，所述左髋部的外侧壁上设置有向外延伸的凸块，该凸块上设置有滚动轴承，该滚动轴承固定在固定架上。

进一步，所述足部与行走装置前进的方向成夹角α。

进一步，所述行走装置在运动过程中足部的落脚点、腿足固定点和腿部质心在同一直线上；所述足部底面的方程使得装置行走时的前后摆动面与左右摆动面均稳定在落脚点处；所述足部底面的曲面方程在前后方向上的投影弧线方程为曲线方程1，足部底面的曲面方程在左右方向上的投影弧线方程为曲线方程2，方程1与方程2所代表的足部摆动路径具有相同的摆动频率。

进一步，所述足部前向摆动离开平衡点的角度最大为θ，足部后向摆动离开平衡点的角度最大为β，则双腿摆动夹角φ＝2θ。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的，窄足被动行走装置行走控制方法，包括以下步骤：

a)连接好装置，向主控板上的控制芯片下载控制程序，接通电源，装置启动；

b)给装置一个偏向支撑腿一侧的前向初始运动，于是装置开始了一个偏向支撑腿一侧的沿足部底曲面的动态平衡过程，支撑腿一侧的足部触发式传感器组的足部落脚点（足跟部位）部位触发，装置往支撑腿一侧的倾斜，摆动腿摆动过程开始；

c)主控板在足跟部位触发式传感器组被触发后，发送指令使电机在支撑腿一侧的运动部分不转动，同时摆动腿一侧的运动部分转动，所提供的力矩大小使双腿夹角φ＝2θ，摆动腿在电机提供的力矩下摆动，装置往支撑腿一侧的倾斜角度逐渐增大；

d)编码器实时检测双腿间夹角，当支撑腿足部转动达到最大角度θ时，φ＝2θ，摆动腿停止前摆，装置倾斜角度也达到最大；

e)摆动腿足部着地，摆动腿成为新的支撑腿，装置有偏向新支撑腿一侧的前向运动，接下来的步骤类似b)到d)。

由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点:

本发明提供一种行走效率比较高的半被动行走装置，该行走装置具备完整的双足行走形态，并且装置很简洁，很巧妙，以一种全新的足部设计解决了行走时的侧向平衡问题，且不需要膝盖，利用了被动行走的自稳定，步态自然的动力学特性，控制方式也比较简单。该装置在腿足的康复医疗上，玩具领域上都有相当大的应用前景，甚至在军事应用上也是有很有价值的潜在应用的。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是左右髋部的连接示意图；

图3是装置的行走流程图；

图4是装置的行走过程侧视图；

图5是装置行走过程中的侧向摆动图。

其中，1、左髋部；2、右髋部；3、直腿；4、足部；5、触发式传感器组；6、腿足固定点；7、编码器；8、电机；9、固定架；10、滚动轴承；11、电源；12、滚动轴承；13、主控板；14、凸块。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述；应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1、2所示，窄足被动行走装置，包括髋部、驱动装置、固定架9、数据采集装置和主控板13；所述髋部包括左髋部1和右髋部2，每个髋部固定连接一条直腿3，每条直腿3固定连接一个足部4；所述驱动装置为行走装置行走提供动力；所述主控板根据数据采集装置采集到的数据进行分析以便控制直腿的摆动频率和摆动角度；所述右髋部的顶端与固定架连接，左髋部与固定架活动连接。所述驱动装置包括电源11和电机8，所述电源为各耗能器件供电，所述数据采集装置包括设置在电机上的编码器7和设置在足部底端的触发式传感器组5，所述编码器用于采集两直腿间的夹角数据，所述触发式传感器组用于检测足部落脚点位置。所述电机设置于右髋部的内部，电机的定子固定在右髋部上，转子穿过右髋部内侧后与左髋部卡接；所述电源设置在左髋部内。所述电机转轴上设置有滚动轴承10，该滚动轴承位于右髋部内侧壁上。所述左髋部的外侧壁上设置有向外延伸的凸块14，该凸块上设置有滚动轴承12，该滚动轴承固定在固定架上。

本发明中，所述足部为窄弧形足部，两个足部呈外八字形连接在腿部上；腿部为直腿部，不需要膝盖，可以减少足部控制，利用足部的设计自稳定等方法实现装置自然节能。

本发明中，足部与行走装置前进方向成α度夹角，一般而言α应大于0度且不应大于45度，前提是应确保装置在行走过程中装置的质心向地面的投影不超出足部的支撑范围。

所述行走装置在运动过程中足部的落脚点（也即是足部触发式传感器组位于足跟的位置）、腿足固定点6和直腿质心在同一直线上；所述足部底面的方程使得行走装置行在走时前后摆动面与左右摆动面均稳定在落脚点处。

设足部底面的曲面方程在前后方向上的投影弧线方程为曲线方程1，足部底面的曲面方程在左右方向上的投影弧线方程为曲线方程2，方程1与方程2所代表的足部摆动路径具有相同的摆动频率。所述足部前后摆动的路径与左右摆动的路径具有相同的摆动频率。

足部底面方程为：z＝sqrt((R_f)²-x²)-R_f+sqrt((R_s)²-y²)-R_s，其中R_f,R_s分别是足部底面在侧向投影的曲线弧的半径和前向投影的曲线弧的半径，x,y,z分别表示行走装置前进方向，侧向，行走面垂直方向的坐标。

本发明的窄足被动行走装置的足部可以使装置在运动过程中有一个动态平衡过程，设足部前向摆动离开平衡点的角度最大为θ（θ约等于足跟部接触点到足尖的弧长与腿长的比值），足部后向摆动离开平衡点的角度最大为β,β=θ，则双腿摆动夹角φ＝2θ。

基于以上思想，本发明还提供一种窄足被动行走装置的控制方法，开始运动前装置的两个腿部是叉开与地面成一定角度处于静态平衡，其中一条腿定义为支撑腿，另一条腿定义为摆动腿。如图3、4、5所示，其行走控制过程如下：

a)连接好装置，向主控板上的控制芯片下载控制程序，接通电源，装置启动；

b)给装置一个偏向支撑腿一侧的前向初始运动，于是装置开始了一个偏向支撑腿一侧的沿足部底曲面的动态平衡过程，支撑腿一侧的足部触发式传感器组的足部落脚点（足跟部位）部位触发，装置往支撑腿一侧的倾斜，摆动腿摆动过程开始；

c)主控板在足跟部位触发式传感器组被触发后，发送指令使电机在支撑腿一侧的运动部分不转动，同时摆动腿一侧的运动部分转动，所提供的力矩大小使双腿夹角φ＝2θ，摆动腿在电机提供的力矩下摆动，装置往支撑腿一侧的倾斜角度逐渐增大；

d)编码器实时检测双腿间夹角，当支撑腿足部转动达到最大角度θ时，φ＝2θ，摆动腿停止前摆，装置倾斜角度也达到最大；

e)摆动腿足部着地，摆动腿成为新的支撑腿，装置有偏向新支撑腿一侧的前向运动，接下来的步骤类似b)到d)。

本发明提供一种行走效率比较高的半被动行走装置，该行走装置具备完整的双足行走形态，并且装置很简洁，很巧妙，以一种全新的足部设计解决了行走时的侧向平衡问题，且不需要膝盖，利用了被动行走的自稳定，步态自然的动力学特性，控制方式也比较简单。该装置在腿足的康复医疗上，玩具领域上都有相当大的应用前景，甚至在军事应用上也是有很有价值的潜在应用的。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.窄足被动行走装置，其特征在于：包括髋部、驱动装置、固定架、数据采集装置和主控板；所述髋部包括左髋部和右髋部，每个髋部固定连接一条直腿，每条直腿固定连接一个足部；所述驱动装置为行走装置行走提供动力；所述主控板根据数据采集装置采集到的数据进行分析以便控制直腿的摆动力矩；所述右髋部的顶端与固定架连接，左髋部与固定架活动连接；所述驱动装置包括电源和电机，所述电源为各耗能器件供电，所述数据采集装置包括设置在电机上的编码器和设置在足部底端的触发式传感器组，所述编码器用于采集两直腿间的夹角数据，所述触发式传感器组用于检测足部落脚点位置。

2.根据权利要求1所述的窄足被动行走装置，其特征在于：所述电机设置于右髋部的内部，电机的定子固定在右髋部上，转子穿过右髋部内侧后与左髋部卡接；所述电源设置在左髋部内。

3.根据权利要求2所述的窄足被动行走装置，其特征在于：所述电机转轴上设置有滚动轴承，该滚动轴承位于右髋部内侧壁上。

4.根据权利要求1所述的窄足被动行走装置，其特征在于：所述左髋部的外侧壁上设置有向外延伸的凸块，该凸块上设置有滚动轴承，该滚动轴承固定在固定架上。

5.根据权利要求1所述的窄足被动行走装置，其特征在于：所述足部与行走装置前进的方向成夹角α。

6.根据权利要求1所述的窄足被动行走装置，其特征在于：所述行走装置在运动过程中足部的落脚点、腿足固定点和腿部质心在同一直线上；所述足部底面的方程使得装置行走时的前后摆动面与左右摆动面均可稳定在落脚点处；所述足部底面的曲面方程在前后方向上的投影弧线方程为曲线方程1，足部底面的曲面方程在左右方向上的投影弧线方程为曲线方程2，方程1与方程2所代表的足部摆动路径具有相同的摆动频率。

7.根据权利要求1所述的窄足被动行走装置，其特征在于：所述足部前向摆动离开平衡点的角度最大为θ，足部后向摆动离开平衡点的角度最大为β，β＝θ，则双腿摆动夹角φ＝2θ。

8.窄足被动行走装置行走控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)连接好装置，向主控板上的控制芯片下载控制程序，接通电源，装置启动；

b)给装置一个偏向支撑腿一侧的前向初始运动，于是装置开始了一个偏向支撑腿一侧的沿足部底曲面的动态平衡过程，支撑腿一侧的足部触发式传感器组的足部落脚点部位触发，装置往支撑腿一侧的倾斜，摆动腿摆动过程开始；

c)主控板在足跟部位触发式传感器组被触发后，发送指令使电机在支撑腿一侧的运动部分不转动，同时摆动腿一侧的运动部分转动，所提供的力矩大小使双腿夹角φ＝2θ，摆动腿在电机提供的力矩下摆动，装置往支撑腿一侧的倾斜角度逐渐增大；

d)编码器实时检测双腿间夹角，当支撑腿足部转动达到最大角度θ时，φ＝2θ，摆动腿停止前摆，装置倾斜角度也达到最大；

e)摆动腿足部着地，摆动腿成为新的支撑腿，装置有偏向新支撑腿一侧的前向运动，重复步骤b)-d)。