CN104973163B - 全地貌行走器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全地貌行走器及其控制方法，包括依次连接的至少四套行走机构单元；所述行走机构单元包括用于行走的直腿以及驱动直腿上下移动和摆动的髋部，所述髋部之间通过联轴器连接。本发明通过驱动可实现直腿上下移动和摆动的被动行走器，具有被动行走过程中自稳定性高，步态自然、高效节能的动力学特性；同时，还具有结构简单，操作方便的优点，能够在康复医疗上，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

全地貌行走器及其控制方法

技术领域

本发明涉及康复医疗，玩具，军事应用领域，具体涉及一种全地貌行走器及其控制方法。

背景技术

现今，机器人技术是世界各国研究的热点，尤其是被动行走机器人的研究更是该领域的前沿科技。目前，国内外在被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)Cornell大学研制的一款2D被动行走机器人“突击队员(Ranger)”，通过巧妙旋转踝关节解决行走擦地问题，该结构最大的不足是传动结构复杂，不宜实际大规模推广；(2)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，其耗能很大，不适合实际应用；(3)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 walkingrobots by means of a bisecting hip mechanism》中介绍的半被动行走机器人Mike(2002年)，其双腿膝关节有复杂的自锁定结构，该结构最大的问题是腿部膝关节设计复杂。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被动行走装置是非常有必要的。

发明内容

鉴于以上所述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种全地貌行走器及其控制方法，具体的是通过齿轮传动机构实现伸缩腿的被动行走装置，其结构简单，可适应多地形行走(平面、斜面、凹凸面等)，甚至可以越过一定高度的障碍物。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明一种全地貌行走器，包括依次连接的至少四套行走机构单元；所述行走机构单元包括用于行走的直腿以及驱动直腿上下移动和摆动的髋部，所述髋部之间通过联轴器连接。

进一步，所述髋部包括用于驱动直腿上下移动的电机Ⅰ、用于驱动直腿摆动的电机Ⅱ以及用于向电机Ⅰ和Ⅱ提供动力的电源；所述电机Ⅰ定子固定设置在髋部的顶部，其转子上设有传动齿轮，所述直腿上设有与所述传动齿轮配合的齿条；所述电机Ⅱ定子固定设置在髋部内，其转子贯穿于髋部并与联轴器连接。

进一步，所述直腿为中空的薄壁管，且由弹性材料制成。

进一步，所述直腿的两端均设有足部，所述足部为弧形，所述足部与地面的接触方式为面接触或线接触。

进一步，所述足部的底部设有用于检测足部触地情况的触地传感器。

进一步，所述髋部还包括用于收集行走机构单元行走数据的数据采集装置以及用于为行走机构单元提供实时行走方案的主控装置；所述数据采集装置包括用于采集两直腿间的夹角数据的编码器；所述主控装置包括用于向行走器发出指令的微控制单元、用于驱动电机Ⅰ和电机Ⅱ的驱动单元、用于为行走器提供丰富的扩展口的外围接口单元以及用于控制行走器各装置电压的电源管理单元。

进一步，所述电源设置于髋部内；所述电源为蓄电池；所述电源还向数据采集装置和主控装置提供动力。

进一步，所述四套行走机构单元由内侧的两条直腿组成内腿，其外侧的两条直腿组成外腿或由单数的两条直腿组成内腿，其双数的两条直腿组成外腿；所述内腿和外腿以相互交替的方式切换成支撑腿和摇动腿。

进一步，所述内腿与外腿间的夹角为数值φ，所述支撑腿与地面垂线间的夹角为数值θ。

进一步，利用全地貌行走器行走的控制方法，包括如下步骤：

S1连接好各装置，并将内外腿叉开与地面成一定角度而处于静态平衡状态；假设内腿作为摆动腿朝后放置，外腿作为支撑腿超前放置；

S2向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，使行走器启动；

S3控制摆动腿的两条直腿的作同步摆动运动，即控制摆动腿的电机Ⅱ顺时针旋转，其摆动腿朝后摆动蹬地，同时，摆动腿的电机Ⅰ正转使摆动腿向下伸长一定距离，其髋部围绕支撑腿向前倒立摆，使得整体重心向前移动；

S4继续控制摆动腿的两条直腿作同步摆动运动，摆动腿的电机Ⅱ逆时针旋转使摆动腿向前摆动离开地面，同时，控制摆动腿的电机Ⅰ反转使摆动腿向上伸长一定距离，其髋部围绕外腿继续向前倒立摆，使得整体重心向前移动；

S5摆动腿向前摆动的过程中，主控装置实时处理编码器采集的数据，当摆动腿与支撑腿重合，即夹角φ和θ为0°时，控制摆动腿的电机Ⅱ卸载，同时，摆动腿的电机Ⅰ正转使摆动腿向下伸长一定距离；

S6靠重力和惯性作用，摆动腿向前摆动伸长触地，控制摆动腿的电机Ⅰ卸载，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；

S7继续执行步骤S3至S6的动作，使行走器完成持续前移。

本发明的有益效果在于：

1、本发明行走器通过采用齿轮传动结构带动摆动腿上下移动和直接采用电机旋转带动摆动腿离地摆动的方式解决了摆动腿擦地的问题。

2、本发明行走器的腿部采用直腿结构，减少关节连接和控制，具有良好的稳定性，且长直腿为中空的薄壁管，使得腿部质量更小，能够有效的降低能耗。

3、本发明行走器通过采用电机为行走器行走提供动力，从而实现行走，该行走器利用了被动行走的自稳定性，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，不仅可以实现多地形(平面、斜坡、凹凸面等等)行走，还可以实现越障功能。

4、基于本发明行走器行走效率高的优点，其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。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

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是本发明的三维立体图；

图3是本发明的行走过程的侧视图；

图4是图3的俯视图；

其中，1-直腿；2-髋部；3-联轴器；4-电机Ⅰ，41-传动齿轮，42-齿条；5-电机Ⅱ；6-电源；7-数据采集装置；8-主控装置；9-足部；10-触底传感器。

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，一种全地貌行走器，包括依次连接的至少四套行走机构单元；所述行走机构单元包括用于行走的直腿1以及驱动直腿上下移动和摆动的髋部2，所述髋部之间通过联轴器3连接。本发明行走器利用了被动行走的自稳定性，步态自然、高效节能的动力学特性，不仅可以实现多地形(平面、斜坡、凹凸面等等)行走，还可以实现越障功能。

本实施中，所述髋部包括用于驱动直腿上下移动的电机Ⅰ4、用于驱动直腿摆动的电机Ⅱ5以及用于向电机Ⅰ和Ⅱ提供动力的电源6；所述电机Ⅰ定子固定设置在髋部的顶部，其转子上设有传动齿轮41，所述直腿上设有与所述传动齿轮配合的齿条42；所述电机Ⅱ定子固定设置在髋部内，其转子贯穿于髋部并与联轴器连接。本发明行走器通过采用齿轮传动结构带动摆动腿上下移动和直接采用电机旋转带动摆动腿离地摆动的方式解决了摆动腿擦地的问题。

本实施中，所述直腿为中空的薄壁管，且由弹性材料制成，使得腿部质量更小，能够有效的降低能耗。

本实施中，所述直腿的两端均设有足部9，所述足部为弧形，所述足部与地面的接触方式为面接触或线接触。

本实施中，所述足部的底部设有用于检测足部触地情况的触地传感器10。

本实施中，所述髋部还包括用于收集行走机构单元行走数据的数据采集装置7以及用于分析数据采集装置收集的数据而为行走机构单元提供实时行走方案的主控装置8；所述数据采集装置包括用于采集两直腿间的夹角数据的编码器；所述主控装置包括用于向行走器发出指令的微控制单元、用于驱动电机Ⅰ和电机Ⅱ的驱动单元、用于为行走器提供丰富的扩展口的外围接口单元以及用于控制行走器各装置电压的电源管理单元。

本实施中，所述电源设置于髋部内；所述电源为蓄电池；所述电源还向数据采集装置和主控装置提供动力。

本实施中，所述四套行走机构单元由内侧的两条直腿组成内腿，其外侧的两条直腿组成外腿，所述内腿和外腿的两条直腿作同步运动，所述内腿和外腿以相互交替的方式切换成支撑腿和摇动腿。

本实施中，所述内腿与外腿间的夹角为数值φ，所述支撑腿与地面垂线间的夹角为数值θ。

本实施中，如图3、4所示，利用全地貌行走器向前行走的控制方法，包括如下步骤：

S1连接好各装置，并将内外腿叉开与地面成一定角度而处于静态平衡状态；假设内腿作为摆动腿朝后放置，外腿作为支撑腿超前放置，如图3中序号1；

S2向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，使行走器启动；

S3控制摆动腿的两条直腿的作同步摆动运动，即控制摆动腿的电机Ⅱ顺时针旋转，其摆动腿朝后摆动蹬地，同时，摆动腿的电机Ⅰ正转使摆动腿向下伸长一定距离，其髋部围绕支撑腿向前倒立摆，使得整体重心向前移动，如图3中序号2，行走器开始向前起步；

S4继续控制摆动腿的两条直腿作同步摆动运动，摆动腿的电机Ⅱ逆时针旋转使摆动腿向前摆动离开地面，同时，控制摆动腿的电机Ⅰ反转使摆动腿向上伸长一定距离，其髋部围绕外腿继续向前倒立摆，使得整体重心向前移动；如图3中序号3；

S5摆动腿向前摆动的过程中，主控装置实时处理编码器采集的数据，当摆动腿与支撑腿重合，即夹角φ和θ为0°时，控制摆动腿的电机Ⅱ卸载，同时，摆动腿的电机Ⅰ正转使摆动腿向下伸长一定距离；如图3中序号4，行走器完成向前半步行走；

S6靠重力和惯性作用，摆动腿向前摆动伸长触地，控制摆动腿的电机Ⅰ卸载，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；如图3中序号5、6、7，行走器完成向前半步行走；

S7继续执行步骤S3至S6的动作，之后重复图中1-2-3-4-5-6-7的顺序，使行走器完成持续前移。

反之，该行走器向后行走的控制方法，包括如下步骤：

A1连接好各装置，并将内外腿叉开与地面成一定角度而处于静态平衡状态；假设外腿作为支撑腿朝后放置，内腿作为摆动腿超前放置，如图3中序号7；

A2向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，使行走器启动；

A3控制摆动腿的两条直腿的作同步摆动运动，即控制摆动腿的电机Ⅱ逆时针旋转，其摆动腿朝前摆动蹬地，同时，摆动腿的电机Ⅰ正转使摆动腿向下伸长一定距离，其髋部围绕支撑腿向后倒立摆，使得整体重心向后移动，如图3中序号6，行走器开始向后起步；

A4继续控制摆动腿的两条直腿作同步摆动运动，摆动腿的电机Ⅱ顺时针旋转使摆动腿向前摆动离开地面，同时，控制摆动腿的电机Ⅰ反转使摆动腿向上伸长一定距离，其髋部围绕外腿继续向后倒立摆，使得整体重心向后移动；如图3中序号5；

A5摆动腿向前摆动的过程中，主控装置实时处理编码器采集的数据，当摆动腿与支撑腿重合，即夹角φ和θ为0°时，控制摆动腿的电机Ⅱ卸载，同时，摆动腿的电机Ⅰ正转使摆动腿向下伸长一定距离；如图3中序号4，行走器完成向后半步行走；

A6靠重力和惯性作用，摆动腿向后摆动伸长触地，控制摆动腿的电机Ⅰ卸载，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；如图3中序号3、2、1，行走器完成向后半步行走；

A7继续执行步骤A3至A6的动作，之后重复图中7-6-5-4-3-2-1的顺序，使行走器完成持续后移。

当然，本发明的行走器还可以由单数的两条直腿组成内腿，其双数的两条直腿组成外腿，所述摆动腿的两条直腿还可作非同步运动或者在电机Ⅱ的驱动下实现旋转运动，以使行走器适应不同的行走环境(如平面、斜坡、凹凸面等)，甚至翻越一些高障碍物，其行走控制方法就不在累述了。基于本发明行走器行走效率高的优点，其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 (9)

1.全地貌行走器，其特征在于：包括依次连接的至少四套行走机构单元；所述行走机构单元包括用于行走的直腿以及驱动直腿上下移动和摆动的髋部，所述髋部之间通过联轴器连接；所述髋部包括用于驱动直腿上下移动的电机Ⅰ、用于驱动直腿前后摆动的电机Ⅱ以及用于向电机Ⅰ和Ⅱ提供动力的电源；所述电机Ⅰ定子固定设置在髋部的顶部，其转子上设有传动齿轮，所述直腿上设有与所述传动齿轮配合的齿条；所述电机Ⅱ定子固定设置在髋部内，其转子贯穿于髋部并与联轴器连接。

2.根据权利要求1所述全地貌行走器，其特征在于：所述直腿为中空的薄壁管，且由弹性材料制成。

3.根据权利要求1所述全地貌行走器，其特征在于：所述直腿的两端均设有足部，所述足部为弧形，所述足部与地面的接触方式为线接触。

4.根据权利要求3所述全地貌行走器，其特征在于：所述足部的底部设有用于检测足部触地情况的触地传感器。

5.根据权利要求1所述全地貌行走器，其特征在于：所述髋部还包括用于收集行走机构单元行走数据的数据采集装置以及用于为行走机构单元提供实时行走方案的主控装置；所述数据采集装置包括用于采集两直腿间的夹角数据的编码器；所述主控装置包括用于向行走器发出指令的微控制单元、用于驱动电机Ⅰ和电机Ⅱ的驱动单元、用于为行走器提供丰富的扩展口的外围接口单元以及用于控制行走器各装置电压的电源管理单元。

6.根据权利要求5所述全地貌行走器，其特征在于：所述电源设置于髋部内；所述电源为蓄电池；所述电源还向数据采集装置和主控装置提供动力。

7.根据权利要求1所述全地貌行走器，其特征在于：所述四套行走机构单元由内侧的两条直腿组成内腿，其外侧的两条直腿组成外腿或由单数的两条直腿组成内腿，其双数的两条直腿组成外腿；所述内腿和外腿以相互交替的方式切换成支撑腿和摇动腿。

8.根据权利要求7所述全地貌行走器，其特征在于：所述内腿与外腿间的夹角为数值φ，所述支撑腿与地面垂线间的夹角为数值θ。

9.利用权利要求1-8任一项所述全地貌行走器行走的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1连接好各装置，并将内外腿叉开与地面成一定角度而处于静态平衡状态；假设内腿作为摆动腿朝后放置，外腿作为支撑腿超前放置；

S2向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，使行走器启动；

S3控制摆动腿的两条直腿的作同步摆动运动，即控制摆动腿的电机Ⅱ顺时针旋转，其摆动腿朝后摆动蹬地，同时，摆动腿的电机Ⅰ正转使摆动腿向下伸长一定距离，其髋部围绕支撑腿向前倒立摆，使得整体重心向前移动；

S4继续控制摆动腿的两条直腿作同步摆动运动，摆动腿的电机Ⅱ逆时针旋转使摆动腿向前摆动离开地面，同时，控制摆动腿的电机Ⅰ反转使摆动腿向上伸长一定距离，其髋部围绕外腿继续向前倒立摆，使得整体重心向前移动；

S5摆动腿向前摆动的过程中，主控装置实时处理编码器采集的数据，当摆动腿与支撑腿重合，即夹角φ和θ为0°时，控制摆动腿的电机Ⅱ卸载，同时，摆动腿的电机Ⅰ正转使摆动腿向下伸长一定距离；

S6靠重力和惯性作用，摆动腿向前摆动伸长触地，控制摆动腿的电机Ⅰ卸载，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；

S7继续执行步骤S3至S6的动作，使行走器完成持续前移。