CN104648515B - 一种伸缩腿节能2d欠驱动行走装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明请求保护一种伸缩腿节能2D欠驱动行走装置,包括腿部、髋部、驱动装置、数据采集装置和主控装置，所述髋部包括左右对称的左髋部和右髋部，所述驱动装置包括电池和T型双端同轴电机，所述电池设置在左髋部和右髋部内给所述行走装置供电，所述左髋部和右髋部通过曲轴摇杆连接腿部，所述曲轴摇杆包括N型曲轴与腿部旋转摇杆组成，所述T型双端同轴电机设置于左髋部和右髋部的内部，所述T型双端同轴电机的定子固定在左髋部和右髋部内，T型双端同轴电机的转子穿过左髋部和右髋部的外侧与曲轴摇杆连接，另一端转子过左髋部和右髋部内侧与左髋部和右髋部内曲轴摇杆连接为所述行走装置提供动力。本装置控制方便、结构简单。

Description

一种伸缩腿节能2D欠驱动行走装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种欠驱动行走装置，特别提出了以一种全新的机械结构实现伸缩腿欠驱动行走装置。
背景技术
现今，机器人技术是世界各国研究的热点，尤其是欠驱动行走机器人的研究更是该领域的前沿科技。目前，国内外在欠驱动行走机器人的研究上已经取得了不错的成果，也研发出非常具有代表性的物理样机原型。例如(1)2010年，Cornell大学研制的一款2D欠驱动行走机器人“突击队员(Ranger)”，通过巧妙旋转踝关节解决行走擦地问题，在11小时之内行走23公里，该结构最大的不足是传动结构复杂，需要同时控制三个电机，不宜实际大规模推广。例如(2)荷兰Delft大学从2002年以来开发了多款欠驱动行走机器人，文章《Addingan upper body to passive dynamic walking robots by means of a bisecting hipmechanism》中介绍的欠驱动行走机器人Mike(2002年)，其双腿膝关节有复杂的自锁定结构，以此避免摆动脚擦地问题；文章《Ankle springs instead of arc-shaped feet forpassive dynamic walkers》中介绍的Max(2003年)也是2D行走机器人样机，延续使用自锁定膝关节结构，以及最新的2D机器人Meta，也是采用了类似的结构，该结构最大的问题是腿部膝关节设计复杂，导致腿部质量较大，能耗较高。因此，设计一种控制方便、结构简单并且有效解决摆动腿擦地问题的2D欠驱动行走装置仍然存在一定的技术难度。
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通过曲轴摇杆结构实现伸缩腿的方便、简单尚未节能欠驱动行走装置及其控制方法。本发明的技术方案如下：一种伸缩腿节能2D欠驱动行走装置,包括腿部、髋部、驱动装置、数据采集装置和主控装置，所述髋部包括左右对称的左髋部和右髋部，其特征在于：所述驱动装置包括电池和T型双端同轴电机，所述电池设置在左髋部和右髋部内给所述行走装置供电，所述左髋部和右髋部通过曲轴摇杆连接腿部，所述曲轴摇杆包括N型曲轴与腿部旋转摇杆组成，所述T型双端同轴电机设置于左髋部和右髋部的内部，所述T型双端同轴电机的定子固定在左髋部和右髋部内，T型双端同轴电机的转子穿过左髋部和右髋部的外侧与曲轴摇杆连接，另一端转子过左髋部和右髋部内侧与左髋部和右髋部内曲轴摇杆连接为所述行走装置提供动力；所述数据采集装置包括髋部编码器和足部的触地传感器，所述编码器用于采集两直腿间的夹角数据，所述触地传感器用于检测足部触地；所述主控装置包括控制单元、电源管理单元、驱动单元和外围接口单元，所述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，所述腿部旋转摇杆间距d与N型曲轴(2)长度r的比例为κ，且κ取值为3-5。
一种对伸缩腿节能2D欠驱动行走装置的控制方法，其包括以下步骤：
a)连接好装置，打开电源，装置启动；
b)T型双端同轴电机(11)顺时针旋转，摆动腿蹬地，髋部围绕支撑腿向前旋转，使得整体重心向前移动；
c)T型双端同轴电机(11)逆时针旋转，摆动腿向前提腿摆动离开地面，髋部围绕支撑腿继续倒立摆；
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，当摆动腿与支撑腿重合，即夹角α、φ都为0时，主控装置发出电机卸载指令，摆动腿自由摆；
e)当摆动腿触地时，摆动腿转换为新的支撑腿，之前的支撑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：
本发明提供一种伸缩腿欠驱动行走装置，通过发动机曲轴与摇杆的组合，该曲轴摇杆结构实现行走过程中自动收腿；腿部为直腿部，可减少膝关节控制；该装置利用了欠驱动行走的自稳定性，步态自然、高效节能的动力学特性，并且控制方式也非常简单。
附图说明
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是伸缩腿欠驱动行走装置的行走过程姿势图。
其中，1、左髋部；2、“N”型曲轴；3、内侧腿部旋转摇杆结构；4、编码器；5、左外侧直腿；6、左内侧直腿；7、触地传感器(足部)；8、髋部旋转轴承；9、外侧腿部旋转摇杆结构；10、电池(电源)；11、T型双端同轴电机；12、主控板(控制装置)。
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、2所示，伸缩腿欠驱动行走装置，包括髋部、驱动装置、数据采集装置和主控装置12。所述髋部包括左髋部1和右髋部，每个髋部(左髋部1)通过曲轴摇杆连接内外两条直腿(左外侧直腿5、左内侧直腿6)，每条直腿固定连接一个足部7；所述髋部为左右完全对称两部分组成，左(右)髋部用于固定左(右)驱动装置及实现腿部的曲轴摇杆结构；所述驱动装置包括电源(电池10)和电机(T型双端同轴电机11)，所述电源(电池10)设置在左(右)髋部内，为各耗能器件供电，所述电机为行走提供足够的动力；所述数据采集装置包括髋部编码器5和足部的触地传感器7，所述编码器5用于采集两直腿间的夹角数据，所述触地传感器7用于检测足部触地。所述电机为T型双端同轴输出电机11，设置于左(右)髋部的内部，电机的定子固定在左(右)髋部内，转子穿过左(右)髋部外侧与左(右)髋部外侧曲轴摇杆连接，另一端转子过左(右)髋部内侧与左(右)髋部内曲轴摇杆连接；所述曲轴摇杆为“N”型曲轴2与腿部旋转摇杆组成，髋部“N”型曲轴2用于连接内外侧腿部；所述腿部旋转摇杆结构(内侧腿部旋转摇杆结构3)为滚动轴承(髋部旋转轴承8)与髋部构成的旋转连接，实现腿与髋部的伸缩滑动。
如图1、2所示，伸缩腿欠驱动行走装置，所述摇杆间距d与曲轴长度r的比例为κ，系数κ取值至关重要，直接影响行走能耗，理论与实验同时证明系数κ取值为3-5时，欠驱动行走装置存在稳定的周期步态。
基于以上思想，本发明还提一种供伸缩腿欠驱动行走装置的控制方法，开始运动前装置的内外侧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。图3为简易原理图(为图2左下角侧视角度的简化效果图)，定义行走过程中的动态参数；图4为行走的控制框图，其描述了行走装置的控制流程，其行走控制过程如下：
a)连接好装置，打开电源，装置启动；
b)电机顺时针旋转，摆动腿蹬地，髋部围绕支撑腿向前旋转，使得整体重心向前移动；
c)电机逆时针旋转，摆动腿向前提腿摆动离开地面，髋部围绕支撑腿继续倒立摆；
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，当摆动腿与支撑腿重合，即夹角α、φ都为0时，主控装置发出电机卸载指令，摆动腿自由摆。
e)当摆动腿触地时，摆动腿转换为新的支撑腿，之前的支撑腿转换为新的摆动腿，装置继续完成b)到d)的动作步骤。
行走装置具体的行走过程具体姿态如图5所示。
本发明提供一种行走效率高的伸缩腿欠驱动行走装置，该行走装置通过曲轴摇杆结构实现行走过程中自动收腿；腿部为直腿部，可减少膝关节控制；该装置利用了欠驱动行走的自稳定性，步态自然、高效节能的动力学特性，并且控制方式也非常简单。
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 (3)

1.一种伸缩腿节能2D欠驱动行走装置,包括腿部、髋部、驱动装置、数据采集装置和主控装置，所述髋部包括左右对称的左髋部和右髋部，其特征在于：所述驱动装置包括电池(10)和T型双端同轴电机(11)，所述电池(10)设置在左髋部和右髋部内给所述行走装置供电，所述左髋部和右髋部通过曲轴摇杆连接腿部，所述曲轴摇杆包括N型曲轴(2)与腿部旋转摇杆，所述T型双端同轴电机(11)设置于左髋部和右髋部的内部，所述T型双端同轴电机(11)的定子固定在左髋部和右髋部内，T型双端同轴电机(11)的一端转子穿过左髋部的外侧和右髋部的外侧与曲轴摇杆连接，另一端转子穿过左髋部内侧和右髋部内侧与曲轴摇杆连接为所述行走装置提供动力；所述数据采集装置包括髋部编码器(5)和足部的触地传感器(7)，所述编码器(5)用于采集两直腿间的夹角数据，所述触地传感器(7)用于检测足部触地；所述主控装置包括控制单元、电源管理单元、驱动单元和外围接口单元，所述控制单元用于向驱动单元发出控制指令，所述电源管理单元用于给欠驱动行走装置提供供电电压，所述驱动单元用于驱动直流电机的转动，所述外围接口单元用于提供扩展接口。
2.根据权利要求1所述的一种伸缩腿节能2D欠驱动行走装置，其特征在于：所述曲轴摇杆的腿部旋转摇杆间距d与N型曲轴(2)长度r的比例为κ，且κ取值为3-5，腿部旋转摇杆间距d指的是：T型双端同轴电机(11)的输出旋转轴与外侧腿部旋转摇杆(9)的旋转轴质心M的中心距离。
3.一种对权利要求1所述伸缩腿节能2D欠驱动行走装置的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
a)连接好伸缩腿节能2D欠驱动行走装置，打开电源，装置启动；
b)T型双端同轴电机(11)顺时针旋转，摆动腿蹬地，髋部围绕支撑腿向前旋转，使得整体重心向前移动；
c)T型双端同轴电机(11)逆时针旋转，摆动腿向前提腿摆动离开地面，髋部围绕支撑腿继续倒立摆；
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，当摆动腿与支撑腿重合时主控装置发出电机卸载指令，摆动腿自由摆；
e)当摆动腿触地时，摆动腿转换为新的支撑腿，之前的支撑腿转换为新的摆动腿，装置继续完成b)到d)的动作步骤。
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