CN104512493A - 一种齿轮传动对分上体节能被动行走装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种齿轮传动对分上体节能被动行走装置，包括上体、腿部、驱动装置、数据采集装置，还包括髋部、膝盖、主控装置及弹簧装置；所述驱动装置包括电池、直流电机和伺服电机；其中所述机器人上体与髋部直接相连；所述髋部为对称结构，两边分别与腿部相连，同时与上体进行连接；所述髋部包括部分腿部连接轴、轴承、绝对式编码器连接轴及伞齿；所述髋部的伞齿为三伞齿对称结构，左右对称的两个伞齿通过部分腿部连接轴分别与两条腿部相连，部分腿部连接轴与轴承相连，第三个伞齿直接与电机传动轴相连，该装置是一种结构简洁，设计精巧，节约能量的双足行走装置。

Description

一种齿轮传动对分上体节能被动行走装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人控制技术领域，特别提出了以一种齿轮传动对分上体节能被动行走装置及其控制方法

背景技术

现今，机器人技术是世界各国研究的热点，尤其是拟人形态的双足行走机器人的研究更是该领域的最前沿科技。目前，各国在双足机器人的研究上已经取得了不错的成果，但从整体而言仍存在不少缺陷。例如(1)不是被动行走装置，能耗大，不适合具体应用，如日本HONDA的ASIMO，他虽然具备完整的拟人形态，但属于全主动式机器人，能量消耗过大；

例如(2)并不是完全意义上的拟人行走机器人，该类机器人通过结构的改进，只需要考虑前后方向的平衡问题，因此，该类机器人属于2D被动行走机器人。如Cornell大学的ranger机器人，荷兰Delft大学从2002年以来开发了多款被动行走机器人，文章《Adding an upper body to passive dynamic walking robots by means of a bisecting hip mechanism》中介绍的半被动行走机器人Mike(2002年)分别在双腿膝关节和踝关节具有自由度，因此属于2D被动行走机器人；文章《Ankle springs instead of arc-shaped feet for passive dynamic walkers》中介绍的Max(2003年)也是2D行走机器人样机，上体采用联动机构使其总处于两腿的角平分线上，通过气动人工肌肉实现了稳定行走，这类机器人只是单纯的模拟人类行走的步态，没有完全的拟人化；例如(3)结构上属于3D被动行走机器人，但由于结构设计复杂，控制难度大，造成不必要的能量损耗，没有真正实现节能行走的目标，如IEEE机器人与自动化国际会议记录中记录的Delft大学的半被动行走机器人Flame，重15kg，高1.3m，带有侧向自由度，实现了3D动态行走,由于该机器人结构复杂，只是实现了3D行走，并没有对机器人的能耗进行优化。因此，设计一种结构简单合理，控制方便的3D被动行走装置仍然存在一定的技术难度，本发明则主要对结构和控制方法进行了创新。

发明内容

针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种提高了能量的利用率。并且该控制方式也比较简单的齿轮传动对分上体节能被动行走装置及其控制方法，本发明的技术方案如下：一种齿轮传动对分上体节能被动行走装置，包括机器人上体、腿部、驱动装置、数据采集装置，其还包括髋部、膝盖、主控装置及弹簧装置；所述驱动装置包括电池、直流电机和伺服电机；其中所述机器人上体与髋部直接相连；所述髋部为对称结构，两边分别与腿部相连，同时与上体进行连接；所述髋部包括部分腿部连接轴、轴承、绝对式编码器连接轴及伞齿；所述髋部的伞齿为三伞齿对称结构，左右对称的两个伞齿通过部分腿部连接轴分别与两条腿部相连，部分腿部连接轴与轴承相连，第三个伞齿直接与电机传动轴相连，，绝对式编码器连接轴和伞齿与直流电机轴连接，直流电机转动带动三个伞齿相互转动，当电机正转时，左腿向前转动，右腿向后转动；相反，电机反转时，右腿向前转动，左腿向后转动。

进一步的，所述驱动装置中的电池(4)给整个装置提供电源，所述直流电机为腿部的摆动提供扭力，所述伺服电机为膝关节和踝关节的摆动提供扭力。

进一步的，所述数据采集装置包括位置式编码器、绝对式编码器和足底红外传感器。所述位置式编码器位于直流电机尾部用于检测电机的转速，所述位置式编码器与直流电机轴相连，用于检测腿部的摆动幅度，所述足底红外传感器用于检测足部触地与否。

进一步的，所述主控装置包括微控制单元、电源管理单元、电机驱动单元和外围接口单元，所述微控制单元向装置发出控制指令，所述电源管理单元为装置提供供电电压，所述电机驱动单元用于驱动直流电机的转动，所述外围接口单元为装置提供扩展接口。

进一步的，所述两条腿部中摆动腿向前摆动的最大角度为α，所述上体的位置始终位于摆动腿与立足腿夹角的角平分线的延长线上。

一种对权利要求1所述齿轮传动对分上体节能被动行走装置的控制方法，其 包括以下步骤：

a)连接好装置，向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，装置启动；

b)将摆动腿脚踝向后蹬地，同时立足腿脚踝配合转动，使得上体重心向前移动；

c)将摆动腿脚踝向前摆动，小腿向后弯曲，使得摆动腿可以离开地面，同时摆动腿大腿向前摆动，立足腿配合向前摆动，双臂配合摆动；

d)摆动腿向前摆动的过程中，主控装置实时处理绝对式编码器采集的数据，当检测到摆动腿的摆动角度达到α时，大腿停止摆动，小腿伸直与大腿处于同一直线，摆动腿脚踝的角度为π/2+α，立足腿脚踝的角度为π/2-α；

e)当足底红外传感器触发时，摆动腿转换为新的立足腿，之前的立足腿转换为新的摆动腿，装置继续完成b)到d)的动作步骤。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提供一种带上体的被动行走装置，以简洁的齿轮结构实现了一种全新的对分上体结构，左右对称的两个伞齿通过部分腿部连接轴分别与两条腿部相连，第三个伞齿直接与电机传动轴相连，该结构完美对称，通过齿轮间的相互转动，使得装置的上体始终位于两腿的角平分线上，即对分上体。相比于其他对分上体设计，本发明结构简洁，传动效率高，节能效率明显；该装置设计了膝关节和踝关节，膝关节和踝关节处分别通过一个舵机的转动实现关节的前后摆动，舵机可以精确的控制脚步和腿部的摆动角度，避免了在行走的过程中脚步出现意外擦地的情况，整个装置更加的巧妙，更加的拟人化；该装置利用了被动行走的自稳定性，步态自然的动力学特性，装置启动后，可以根据自身的稳定性和周期性，在施加控制的情况下即可实现稳定、高效的行走，控制方式简单。

附图说明

图1是本发明的结构图；

图2是髋部内部机械结构图；

图3是对分上体实现方式简图；

图4是控制方法流程图；

图5是装置步态模拟图。

其中，1、主控装置；2、位置式编码器；3、直流电机；4、电池；5、髋部(5-1、腿部连接轴；5-2、滚动轴承；5-3、绝对式编码器连接轴；5-4、伞齿)；6、绝对式编码器；7、大腿；8、膝关节伺服电机；9、膝关节连接件；10、小腿；11、踝关节伺服电机；12、踝关节连接件；13、足部红外传感器、14、足部；15、上体(头部、手臂和背部)。

具体实施方式

下面结合附图给出一个非限定的实施例对本发明作进一步的阐述。但是应该理解，这些描述只是示例的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

如图1所示，整个装置包括髋部5、腿部、上体15、驱动装置、数据采集装置和主控装置1。所述髋部是本发明的核心之一，也是本发明的关键创新点，通过髋部的机械结构可以实现该装置的对分上体结构，具体实现方法将在图2中说明；所述腿部包括大腿8、小腿11和足部14；所述上体15与髋部连接，同时固定驱动装置和控制装置；所述驱动装置用于为行走提供动力；所述控制装置根据数据采集装置提供的数据进行处理后为行走装置提供实时的行走方案。所述驱动装置包括电池4、直流电机3和伺服电机(膝关节伺服电机8和踝关节伺服电机12)。所述电池为整个装置提供动力，所述直流电机为腿部的摆动提供足够的扭力，所述伺服电机为膝关节和踝关节的摆动提供扭力；所述电池位于直流电机两侧，所述膝关节伺服电机位于腿部大腿与小腿之间通过膝关节连接件9连接；所述踝关节伺服电机位于小腿与足部之间通过踝关节连接件12连接。所述数据采集装置包括位置式编码器2、绝对式编码器6和足底红外传感器13，所述位置式编码器位于直流电机尾部用于检测电机的转速，所述位置式编码器 与直流电机轴相连，用于检测腿部的摆动幅度，所述足底红外传感器用于检测足部的触地情况。所述主控装置1包括微控制单元、电源管理单元、电机驱动单元和外围接口单元。所述微控制单元向装置发出控制指令，所述电源管理单元为装置提供合适的供电电压，所述电机驱动单元用于驱动直流电机的转动，所述外围接口单元为装置提供丰富的扩展接口。所述上体15包括头部、手臂和背部，背部低部与髋部连接，确保实现对分上体功能；中部固定电池和直流电机，对称分布，确保重心位于中心；上部固定主控装置，上中下结构质量分布均匀。

如图2，3所示，主要阐释了用以实现对分上体功能的髋部机械结构和对分上体效果简图。如图2所示，髋部的内部为对称结构，其主要包括部分腿部连接轴5-1、轴承5-2、绝对式编码器连接轴5-3、伞齿5-4，所有部件通过髋部盒子进行固定。腿部连接轴与伞齿和滚动轴承进行连接，腿部固定于连接轴上；绝对式编码器连接轴和伞齿与直流电机轴连接，电机转动带动三个伞齿相互转动，当电机正转时，左腿向前转动，右腿向后转动；相反，电机反转时，右腿向前转动，左腿向后转动，利用力之间的相互作用，即可实现上体处于两腿夹角间的二分之一处，即对分上体。如图3所示，摆动腿与竖直方向的夹角为β，立足腿与竖直方向的夹角为α，两腿之间的夹角的二分之一即为θ＝(α+β)/2，此时上体的位置即为两夹角的角平分线的延长线上。如果两腿间的夹角发生变化，上体的角度也同时发生变化，且一直处于夹角的二分之一处。

基于以上思想，本发明还提供了一种对分上体被动行走装置的控制方法，开始运动前两腿叉开到设定的最大角度α，两腿与竖直方向的夹角相等，此时上体处于竖直状态，其中，前腿定义为立足腿，后退定义为摆动腿。如图4,5所示，其具体行走控制过程如下：

a)连接好装置，向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，装置启动；

b)将摆动腿脚踝向后蹬地，同时立足腿脚踝配合转动，使得上体重心向前 移动。

c)将摆动腿踝关节舵机向前转动，此时脚踝向前摆动，同时膝关节舵机向后转动，小腿实现向后弯曲，踝关节和膝关节的配合摆动使得摆动腿可以离开地面，此时装置单脚触地，整体重心靠前，于此同时电机转动，齿轮结构前后转动实现摆动腿大腿向前摆动，立足腿配合向前摆动，上体角度向后倾斜，为保证重心一直向前，双臂此时配合前后摆动。

d)摆动腿向前摆动的过程中，主控装置实时处理绝对式编码器采集的数据，编码器的数据代表着摆动腿与竖直方向的夹角，当检测到摆动腿的摆动角度达到α时，电机停止工作，此时大腿停止摆动，同时摆动腿膝关节舵机向前转动，使得小腿伸直与大腿处于同一直线，摆动腿踝关节舵机向后转动，使得脚踝的角度为π/2+α，立足腿踝关节舵机向后转动，使得脚踝的角度为π/2-α。

e)主控装置实时处理触地传感器采集的数据，当足底红外传感器触发时，表明装置双腿已经落地，此时启动下一个行走循环，将摆动腿转换为新的立足腿，之前的立足腿转换为新的摆动腿，装置继续完成b)到d)的动作步骤。

本发明提供一种带上体的被动行走装置，以简洁的齿轮结构实现了一种全新的对分上体结构，同时该装置设计了膝关节和踝关节，整个装置更加的巧妙，更加的拟人化；该装置利用了被动行走的自稳定性，步态自然的动力学特性，控制方式简单。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种齿轮传动对分上体节能被动行走装置，包括机器人上体(15)、腿部、驱动装置、数据采集装置，其特征在于：还包括髋部(7)、膝盖、主控装置(2)及弹簧装置；所述驱动装置包括电池(4)、直流电机(3)和伺服电机；其中所述机器人上体(1)与髋部(5)直接相连；所述髋部(5)为对称结构，两边分别与腿部相连，同时与上体进行连接；所述髋部(5)包括部分腿部连接轴(5-1)、轴承(5-2)、绝对式编码器连接轴(5-3)及伞齿(5-4)；所述髋部(5)的伞齿(5-4)为三伞齿对称结构，左右对称的两个伞齿(5-4)通过部分腿部连接轴(5-1)分别与两条腿部相连，部分腿部连接轴(5-1)与轴承(5-2)相连，第三个伞齿(5-4)直接与电机传动轴相连，，绝对式编码器连接轴(5-3)和伞齿(5-4)与直流电机(3)轴连接，直流电机(3)转动带动三个伞齿(5-4)相互转动，当电机正转时，左腿向前转动，右腿向后转动；相反，电机反转时，右腿向前转动，左腿向后转动。

2.根据权利要求1所述的齿轮传动对分上体节能被动行走装置，其特征在于：所述驱动装置中的电池(4)给整个装置提供电源，所述直流电机(3)为腿部的摆动提供扭力，所述伺服电机为膝关节和踝关节的摆动提供扭力。

3.根据权利要求1所述的齿轮传动对分上体节能被动行走装置，其特征在于：所述数据采集装置包括位置式编码器、绝对式编码器和足底红外传感器。所述位置式编码器位于直流电机尾部用于检测电机的转速，所述位置式编码器与直流电机轴相连，用于检测腿部的摆动幅度，所述足底红外传感器用于检测足部触地与否。

4.根据权利要求1所述的齿轮传动对分上体节能被动行走装置，其特征在于：所述主控装置包括微控制单元、电源管理单元、电机驱动单元和外围接口单元，所述微控制单元向装置发出控制指令，所述电源管理单元为装置提供供电电压，所述电机驱动单元用于驱动直流电机的转动，所述外围接口单元为装置提供扩展接口。

5.根据权利要求1所述的齿轮传动对分上体节能被动行走装置，其特征在于：所述两条腿部中摆动腿向前摆动的最大角度为α，所述上体的位置始终位 于摆动腿与立足腿夹角的角平分线的延长线上。

6.一种对权利要求1所述齿轮传动对分上体节能被动行走装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

a)连接好装置，向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，装置启动；

b)将摆动腿脚踝向后蹬地，同时立足腿脚踝配合转动，使得上体重心向前移动；

c)将摆动腿脚踝向前摆动，小腿向后弯曲，使得摆动腿可以离开地面，同时摆动腿大腿向前摆动，立足腿配合向前摆动，双臂配合摆动；

d)摆动腿向前摆动的过程中，主控装置实时处理绝对式编码器采集的数据，当检测到摆动腿的摆动角度达到α时，大腿停止摆动，小腿伸直与大腿处于同一直线，摆动腿脚踝的角度为π/2+α，立足腿脚踝的角度为π/2-α；

e)当足底红外传感器触发时，摆动腿转换为新的立足腿，之前的立足腿转换为新的摆动腿，装置继续完成b)到d)的动作步骤。