CN104648514A - 一种弹性节能对分上体的被动行走装置及其控制方法 - Google Patents

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王平
李清都
李永
刁建
唐俊
胡文亚
刘国栋
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    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B62D57/032—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid

Abstract

本发明请求保护一种弹性节能对分上体的被动行走装置，包括：髋部、腿部、膝盖、上体、弹簧装置、驱动装置、数据采集装置和主控装置，上体与髋部直接相连，并且一起固定驱动装置，驱动装置通过主传动轮-从传动轮-大腿的顺序传动，并且左侧带传动为反向传动，右侧带传动为正向传动，大腿分别固定在髋部支架下端左右两侧，由于大腿通过传动轴分别连接于左右两侧的从传动轮L与R，通过这个结构实现左右两侧大腿前后摆动的幅度实时相等，并且在上体摆动过程中，连接于皮带之上的弹簧装置，一直在储能和释放能量，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

一种弹性节能对分上体的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，特别提出了以一种全新的机械机构实现柔性对分上体的被动行走装置。
背景技术
目前，机器人动力学问题的研究在世界各国都是一个热点，其中传统机器人采用跟踪预设关节轨迹的主动控制方法，虽然可实现类人类行走和跑步，但实际能耗很高。例如。本田公司的ASIMO仿生机器人的行走能耗就是人类行走能耗的十倍以上。继而出现被动行走机器人，被动行走系统是仅依靠重力来被动地转动机器人各关节，因此能量的消耗大为减少，并且具有自然的稳定性；这其中有许多优秀的基于被动动力学的双足行走机器人被设计出来,包括荷兰Delft大学的机器人Leo；美国密歇根大学的机器人MABEL；英国斯特灵大学的机器人Runbot等。
这些机器人都实现了双足类人类行走，但是都没有完全考虑到，机器人在行走的过程中与地面的碰撞，会很大程度上造成能量的损失，如果能把这部分能量利用起来，那么会使得被动行走机器人更加的节省能量。
因此，本发明意图提供一种弹性节能对分上体的被动行走装置，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，以一种全新的皮带轮设计实现了被动行走中对分上体的结构，并以一种简单的结构实现弹性上体，使得上体在摆动过程中，通过弹簧的储能特性，把机器人与地面发生碰撞时的能量收集起来，并有效的利用到机器人行走的能耗中去，大大的提高了能量的利用率。并且该控制方式也比较简单，易于实现。
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弹性节能对分上体的被动行走装置及其控制方法，本发明的技术方案如下：一种弹性节能对分上体的被动行走装置，包括机器人上体、腿部、驱动装置、电池、数据采集装置、髋部、膝盖、主控装置及弹簧装置，所述驱动装置包括直流电机及齿轮Ⅰ；其中所述机器人上体与髋部直接相连；所述髋部包括齿轮Ⅱ、主传动轮R、皮带R、髋部支架、从传动轮R、传动轴R、传动轴X、主传动轮L、皮带L、从传动轮L、传动轴L及轴承；所述主传动轮L和从传动轮L分别由两个并排固定且同步转动的传动轮组成，所述主传动轮L和从传动轮L通过皮带L交叉相连，主传动轮L的一侧反向传动、相对的另一侧主传动轮R正向传动，两侧从传动轮L和从传动轮R分别跟腿部相连，同时主传动轮R与机器人上体相连接；所述驱动装置的齿轮Ⅰ与齿轮Ⅱ啮合，传动至主传动轮L与主传动轮R，所述主控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路线；
进一步的，所述腿部包括大腿L和大腿R、小腿L和小腿R、足部L和足部R，大腿固定在从传动轴上，小腿通过膝盖与大腿相连，足部直接与小腿相连，弹簧装置包括弹簧装置L与R；弹簧装置L位于皮带L之上连接皮带L；弹簧装置R位于皮带R上连接皮带R；数据采集装置包括位于电机尾部的位置式编码器、绝对式编码器和足底红外传感器；
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。所述微控制单元向控制装置发出控制指令，所述电源管理单元为整个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。
进一步的，所述膝盖是一个可插接的门闩结构，控制膝盖的弯曲与打直。
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。
一种对所述弹性节能对分上体的被动行走装置的控制方法，其包括以下步骤：
连接好所述对分上体的被动行走装置，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；
将摆动腿向后摆动到角度ω0，且摆动腿门闩释放，并使上体重心向前移动，同时使上体具有初速度υ0。
将支撑腿放于地上，此时足底红外传感器触发，根据控制程序，此时摆动腿开始摆动，由于摆动腿的大腿摆动速度比小腿快，膝盖弯曲，当大腿摆动到最大角度α时停止转动并固定在这个角度，小腿由于惯性继续向前摆动，直到与大腿处于一条直线，此时门闩卡住膝盖，膝盖无法弯曲；此时上体继续向前运动，直至摆动腿着地并触发足底红外传感器；
当足底红外传感器触发时，摆动腿转换成新的支撑腿、之前的支撑腿转换成新的摆动腿，装置继续完成b)到c)的动作步骤。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明上体与髋部直接相连，并且一起固定驱动装置，驱动装置通过主传动轮-从传动轮-大腿的顺序传动，并且左侧带传动为反向传动，右侧带传动为正向传动，大腿分别固定在髋部支架下端左右两侧，由于大腿通过传动轴分别连接于左右两侧的从传动轮L与R，通过这个结构实现左右两侧大腿前后摆动的幅度实时相等，并且在上体摆动过程中，连接于皮带之上的弹簧装置19和6，一直在储能和释放能量，这样通过上体的摆动带动整个身体运动，并且在足部着地时通过上体的摆动和弹簧的共同作用起到了软着陆的效果，减少了触地时能量的损耗，这样便节约了很大一部分能量，并把这部分能量用于机器人的行走，提高了能量的利用率。同时，上体在一个柔性的方式下，一直处于两腿夹角平分线的反向延长线上，从而实现了对分上体的被动行走装置。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，用一种简单的机械结构实现半被动行走，并且有效地解决了二分之一上体结构。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例的结构图；
图2是髋部内部机械结构图；
图3是二分之一上体实现方式简图；
图4是控制方法流程图；
图5是装置步态模拟图。
其中，1、上体；2、主控装置；3、驱动装置(3-1、直流电机；3-2、齿轮1)；4、上臂；5、电池；6、弹簧装置R；7、髋部(7-1、齿轮2；7-2主传动轮R；7-3、皮带R；7-4、髋部支架；7-5、从传动轮R；7-6、传动轴R；7-7、传动轴L；7-8从传动轮L；7-9皮带L；7-10、主传动轮L；7-11传动轴X；7-12、轴承)；8、大腿R；9、膝盖R；10、小腿R；11、足部传感器(右)；12、足部(右)；13、足部(左)；14、足部传感器(左)；15、小腿L；16、膝盖L；17、大腿L；18、绝对式编码器；19、弹簧装置L。
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(7)、腿部、膝盖(9、16)、上体(1)、弹簧装置(6、19)、驱动装置(3)、数据采集装置(11、14、18)和主控装置(2)；所述髋部是本发明的核心之一，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；
1.上体1直接与髋部相连，并且跟髋部一起固定直流电机3，主控装置2固定在上体上。
2.腿部包括大腿L(17)和大腿R(8)、小腿L(15)和小腿R(10)、足部L(13)和足部R(12)。大腿固定在从传动轴上，小腿通过膝盖与大腿相连，足部直接与小腿相连，其中L和R代号与L和R代号的机构分别相连。
3.弹簧装置包括弹簧装置L与R；弹簧装置L位于皮带L之上连接皮带L；弹簧装置R位于皮带R上连接皮带R，弹簧装置用于增加两腿分开与闭合之间的柔性力，，以及上体摆动时储存前后摆动时产生的势能，为上体的回复提供额外的动力，从而起到节约能量的作用。
4.数据采集装置包括位置式编码器(位于电机尾部，跟电机是一体的)、绝对式编码器18和足底红外传感器11、14。所述位置式编码器，用于检测电机的转速；所述绝对式编码器，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
5.主控装置2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。所述微控制单元向控制装置发出控制指令，所述电源管理单元为整个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。
如图2所示，髋部是本发明的核心之一，通过髋部的机械结构可以实现该装置的对分上体结构，具体包括：7-1、齿轮2；7-2主传动轮R；7-3、皮带R；7-4、髋部支架；7-5、从传动轮R；7-6、传动轴R；7-7、传动轴L；7-8从传动轮L；7-9皮带L；7-10、主传动轮L；7-11传动轴X；7-12、轴承；整个髋部由髋部支架(7-4)支撑，髋部上部与上体直接相连，与上部共同固定驱动装置3，驱动装置通过齿轮(齿轮3-2与齿轮7-1)啮合，传动至主传动轮L与主传动轮R，主传动轮L是有两个传动轮并排固定安放的实现同步旋转。两个主传动轮与传动轴X(7-11)固定在一起，实现同步转动，主传动轴X通过轴承(7-12)与髋部支架相连。主传动轮通过左右两边的皮带(7-9、7-3)分别和从传动轮L与从传动轮R相连，左边的皮带为交叉相连，右边皮带为正常相连,从传动轮L为两个传动轮并排安放，通过皮带(7-9)与主传动轮L交叉相连，实现与主传动轮L反向传动。左右从传动轴都是通过轴承固定在髋部支架上。大腿17与大腿8分别与从传动轴L(7-7)与从传动轴R(7-6)固定在一起，实现同步旋转。绝对式编码器18定子固定在髋部支架上，转子固定在从传动轴L上，负责检测腿部与髋部支架之间的夹角。
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，髋部如上面介绍的，当驱动装置开始工作后，将旋转力传递给主传动轴X，主传动轴正向旋转，并带动主传动轮L与R正向旋转，由于主传动轮L与从传动轮L是通过皮带交叉连接，实现反向传递扭矩；而主传动轮R与从传动轮R则是通过皮带正常连接，实现同向传递旋转。所以当旋转传递到从传动轮后，从传动轴L反向旋转，从传动轴R正向旋转，并且旋转的角度实时相等。并由从传动轴带动左右大腿摆动。假设从传动轴正向旋转，则带动大腿向前摆动，那么在此情况下，大腿L向后摆动、大腿R向前摆动，且摆动幅度实时相等。在此过程中，位于皮带上的弹簧装置L拉伸，弹簧装置R收缩，实现上体柔性摆动，当大腿L摆到一定位置停止摆动后，上体借由使能继续想前摆动，并带动整个身体向前摆动，足部L着地后，继续带动大腿R抬起。当摆动到平衡位置时，上体也回归到平衡位置，此时实现左右腿交换角色，弹簧装置L收缩，弹簧装置R拉伸，继续实现上述过程，此过程便实现了弹性储能对分上体。
基于以上思想，本发明还提供了一种弹性节能对分上体的被动行走装置的行走控制方法，包括以下具体步骤：
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)将摆动腿向后摆动到角度ω0，且摆动腿门闩释放，并使上体重心向前移动，同时使上体具有初速度υ0。
c)将支撑腿放于地上，此时促发足底红外传感器，根据控制程序，此时摆动腿开始摆动，由于摆动腿的大腿摆动速度比小腿快，膝盖弯曲，当大腿摆动到最大角度α时停止转动并固定在这个角度，小腿由于惯性继续向前摆动，直到与大腿处于一条直线，此时门闩卡住膝盖，膝盖无法弯曲；此时对整体而言，由于惯性和重心的原因，上体继续向前运动，直至摆动腿着地并触发足底红外传感器。
d)当足底红外传感器触发时，摆动腿转换成新的支撑腿、之前的支撑腿转换成新的摆动腿，装置继续完成b)到c)的动作步骤。
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)

1.一种弹性节能对分上体的被动行走装置，包括机器人上体(1)、腿部、驱动装置(3)、电池(5)、数据采集装置、髋部(7)、膝盖、主控装置(2)及弹簧装置，所述驱动装置(3)包括直流电机(3-1)及齿轮Ⅰ(3-2)；其中所述机器人上体(1)与髋部(7)直接相连；所述髋部(7)包括齿轮Ⅱ(7-1)、主传动轮R(7-2)、皮带R(7-3)、髋部支架(7-4)、从传动轮R(7-5)、传动轴R(7-6)、传动轴X(7-11)、主传动轮L(7-10)、皮带L(7-9)、从传动轮L(7-8)、传动轴L(7-7)及轴承(7-12)；所述主传动轮L(7-10)和从传动轮L(7-8)分别由两个并排固定且同步转动的传动轮组成，所述主传动轮L(7-10)和从传动轮L(7-8)通过皮带L(7-9)交叉相连，主传动轮L(7-10)的一侧反向传动、相对的另一侧主传动轮R(7-2)正向传动，两侧从传动轮L(7-8)和从传动轮R(7-5)分别跟腿部相连，同时主传动轮R(7-2)与机器人上体(1)相连接；所述驱动装置(3)的齿轮Ⅰ(3-2)与齿轮Ⅱ(7-1)啮合，传动至主传动轮L与主传动轮R，所述主控装置(2)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路线。
2.根据权利要求1所述的弹性节能对分上体的被动行走装置，其特征在于：所述腿部包括大腿L(17)和大腿R(8)、小腿L(15)和小腿R(10)、足部L(13)和足部R(12)，大腿固定在从传动轴上，小腿通过膝盖与大腿相连，足部直接与小腿相连，弹簧装置包括弹簧装置L与R；弹簧装置L位于皮带L之上连接皮带L；弹簧装置R位于皮带R上连接皮带R；数据采集装置包括位于电机尾部的位置式编码器、绝对式编码器和足底红外传感器。
3.根据权利要求1所述的弹性节能对分上体的被动行走装置，其特征在于：所述主控装置2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。所述微控制单元向控制装置发出控制指令，所述电源管理单元为整个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。
4.根据权利要求1所述的弹性节能对分上体的被动行走装置，其特 征在于：所述膝盖是一个可插接的门闩结构，控制膝盖的弯曲与打直。
5.根据权利要求1所述的弹性节能对分上体的被动行走装置，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所述弹性节能对分上体的被动行走装置的控制方法，其特征在于：
a)连接好所述对分上体的被动行走装置，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)将摆动腿向后摆动到角度ω0，且摆动腿门闩释放，并使上体重心向前移动，同时使上体具有初速度v0。
c)将支撑腿放于地上，此时足底红外传感器触发，根据控制程序，此时摆动腿开始摆动，由于摆动腿的大腿摆动速度比小腿快，膝盖弯曲，当大腿摆动到最大角度α时停止转动并固定在这个角度，小腿由于惯性继续向前摆动，直到与大腿处于一条直线，此时门闩卡住膝盖，膝盖无法弯曲；此时上体继续向前运动，直至摆动腿着地并触发足底红外传感器；
d)当足底红外传感器触发时，摆动腿转换成新的支撑腿、之前的支撑腿转换成新的摆动腿，装置继续完成b)到c)的动作步骤。
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