CN105015642B - 由单电机驱动的半被动行走器及其转向控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种由单电机驱动的半被动行走器及其转向控制方法，包括行走机构、用于驱动行走机构行走的驱动装置、用于行走器转向的转向装置、用于收集行走机构行走数据的数据采集装置以及用于为行走机构提供实时行走方案的主控装置；本发明解决了摆动腿擦地的问题，同时，驱动装置由单电机为行走器行走提供动力，并通过同步带轮机构转动曲轴而带动摇杆摆动，从而实现行走；本发明还通过多连杆机构使內腿在触地时发生扭动，再依据足底部的弧形设计达到实现转向的目的；本发明具有结构简单、操作简易、行走稳定、腿部质量小、且能耗低的优点，可广泛应用于救援、玩具、医疗等领域。

Description

由单电机驱动的半被动行走器及其转向控制方法

技术领域

本发明属于被动行走机器人领域，具体涉及一种由单电机驱动的半被动行走器及其转向控制方法。

背景技术

机器人技术的研究热情在世界各地已经经历了很长一段时间，如今依旧未减。仿人行走作为机器人的一种移动方式，在机器人研究中占据重要方面；在这一领域中，世界上很多学者都提出了自己的想法，并且制作出了相关的样机，起初制造的机器人行走模型大都是主动控制，例如日本的ASIMO，但由于其耗能较大，被动行走原理就被提出并应用于机器人行走，包括DELFT大学的机器人LEO、密歇根大学的机器人MABEL等；不过目前已有的被动行走模型都不可避免的设计到了摆动腿擦地的问题，而且结构比较复杂，腿部质量较大，使得能耗依旧较高；另外这些被动行走模型都是靠多电机驱动，控制难度大，稳定性和鲁棒性差。因而研究一种结构简单，控制容易且兼具稳定性和鲁棒性的半被动行走装置依旧具有很大挑战。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种由单电机进行驱动的半被动行走器以及对其进行行走控制，同时，鉴于单电机驱动的同步性很高的特点，本发明还提供一种较容易的转向控制方法。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

由单电机驱动的半被动行走器，包括行走机构、用于驱动行走机构行走的驱动装置、用于行走器转向的转向装置、用于收集行走机构行走数据的数据采集装置以及用于为行走机构提供实时行走方案的主控装置；

所述行走机构包括腿部和髋部；所述腿部包括两条长直腿组成的内腿和两条长直腿组成的外腿；所述内腿和外腿通过曲轴连接，所述曲轴包括一段长轴、两段中轴和两段短轴；所述髋部包括用于承载驱动装置、采集装置以及主控装置的支撑板、用于支撑曲轴的支架以及用于限制外腿摆动幅度的摇块；所述支撑板上还对称开设有用于限制内腿摆动幅度的两个通孔；所述摇块可转动的设于支撑板的两侧；所述长轴可转动的设于支架内，所述短轴可转动的设于支架内，所述长轴和短轴在同一水平中心线上，所述中轴通过两端设有的摇杆分别与长轴和短轴连接；所述内腿可转动的设置在中轴上并穿过支撑板上的通孔与地面接触；所述外腿通过摇杆可转动的设置在短轴上并穿过摇块与地面接触；

所述驱动装置包括电机以及用于向电机提供动力的电源，所述电机通过支架固定安装在支撑板的上方，所述电源固定悬挂在支撑板的下方；所述电机通过同步带轮机构与长轴链接；

所述转向装置包括固定连接内腿的多连杆机构、设置在多连杆机构上方用于支撑内腿的横梁以及设置在横梁正中心用于驱动多连杆机构伸缩的转动舵机。

进一步，所述长直腿为中空的薄壁管，且由弹性材料制成。

进一步，所述长直腿的下端固定设有足部，所述足部的底面为弧形，且与地面的接触方式为线接触。

进一步，所述数据采集装置包括编码器和陀螺仪。

进一步，所述主控装置包括用于向行走器发出指令的微控制单元、用于驱动电机和舵机转动的驱动单元、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，所述电源为蓄电池，所述电源还为数据采集装置、主控装置以及转动舵机提供动力。

进一步，所述内腿和外腿通过驱动装置的作用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，一种由单电机驱动的半被动行走器行走控制的方法，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；假设内腿朝前放置作为前腿，外腿超后放置作为后退；

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控制电机反向旋转，带动曲轴旋转，使其前腿作为支撑腿向前做倒立摆，而后腿作为摆动腿蹬地前摆上升，使得整体重心向前移动，完成前进起步；

S4主控装置实时处理编码器和陀螺仪采集的数据，当摆动腿与支撑腿重合时，电机卸载，即夹角φ和θ都为0°时，完成半步前进行走；

S5靠重力和惯性作用使支持腿向前做倒立摆，而摆动腿前摆下沉，使得整体重心向前移动，当摆动腿自然摆动到着地位置，支撑腿与摆动腿完成角色切换；其势能转换为前进动能，完成半步前进行走；

S6不断重复S3、S4、S5步骤，行走器将持续向前行走；

S7反之，在步骤S3中，控制电机正向旋转，使其后腿作为支撑腿向后做倒立摆，而前腿作为摆动腿蹬地回摆上升，使得整体重心向后移动，完成后退起步；

S8主控装置实时处理编码器和陀螺仪采集的数据，当摆动腿与支撑腿重合时，电机卸载，即夹角φ和θ都为0°时，完成半步后退行走；

S9靠重力和惯性作用使支持腿向后做倒立摆，而摆动腿后摆下沉，使得整体重心向后移动，当摆动腿自然摆动到着地位置，支撑腿与摆动腿完成角色切换；其势能转换为后退动能，完成半步后退行走；

S10不断重复S7、S8、S9步骤，行走器将持续向后行走。

进一步，一种由单电机驱动的半被动行走器转向控制的方法，包括如下步骤：

A1当外腿做支撑腿，内腿做摆动腿时；即内腿前摆或后摆未着地前，通过控制转动舵机转动一定角度，进而通过多连杆机构将转动传递给內腿，使内腿的两条长直腿产生一定的扭动变形，而转动舵机的转动方向与內腿的扭动方向相反；

A2当內腿着地时，即带有弧形的足部着地，其落地方向与原前进方向形成一夹角；

A3当內腿切换做支撑腿，外腿做摆动腿抬起摆动后，行走器沿着足部的方向移动，从而实现转向运动。

本发明的有益效果在于：

1、本发明被动行走器通过采用曲轴摇杆机构的传动方式解决了摆动腿擦地的问题。

2、本发明被动行走器通过采用单电机作为驱动装置为行走器行走提供动力，并通过同步带轮机构转动曲轴而带动摇杆摆动，从而实现行走，具有结构简单的优点。

3、本发明被动行走器通过多连杆机构使內腿在触地时发生扭动，再依据足底部的弧形设计达到实现转向的目的，具有操作方便的优点。

4、本发明被动行走器的腿部采用长直腿结构，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。

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为本发明结构示意图；

图2为本发明的曲轴结构示意图；

图3为本发明的转向装置结构示意图；

图4为本发明的足部结构示意图；

图5为本发明的行走控制平面示意图；

图6为与图5对应的行走控制三维示意图；

其中，1-髋部，11-支撑板，12-支架，13-摇块；2-腿部，21-内腿，22-外腿，23-足部；3-曲轴，31-长轴，32-中轴，33-短轴，34-摇杆；41-电机，42-同步带轮机构，43-电源；5-数据采集装置；6-主控装置；7-转向装置，71-横梁，72-多连杆机构，73-转动舵机。

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、3所示，由单电机驱动的半被动行走器，包括行走机构、用于驱动行走机构行走的驱动装置、用于行走器转向的转向装置7、用于收集行走机构行走数据的数据采集装置5以及用于为行走机构提供实时行走方案的主控装置6；所述行走机构包括腿部2和髋部1；所述腿部包括两条长直腿组成的内腿21和两条长直腿组成的外腿22；所述内腿和外腿通过曲轴3连接，所述曲轴包括一段长轴31、两段中轴32和两段短轴33；所述髋部包括用于承载驱动装置、采集装置以及主控装置的支撑板11、用于支撑曲轴的支架12以及用于限制外腿摆动幅度的摇块13；所述支撑板上还对称开设有用于限制内腿摆动幅度的两个通孔；所述摇块通过轴承可转动的设于支撑板的两侧；所述长轴通过轴承可转动的设于支架内，所述短轴通过轴承可转的动设于支架内，所述长轴和短轴在同一水平中心线上，所述中轴通过两端设有的摇杆34分别与长轴和短轴连接；所述内腿通过轴承可转动的设置在中轴上并穿过支撑板上的通孔与地面接触；所述外腿通过摇杆34上的轴承可转动的设置在短轴上并穿过摇块与地面接触；使得内外腿在通孔和摇块中只作摆动运动；所述驱动装置包括电机41以及用于向电机提供动力的电源43，所述电机通过支架固定安装在支撑板的上方，所述电源固定悬挂在支撑板的下方；所述电机通过同步带轮机构42与长轴链接；所述同步带轮机构为圆齿型同步带轮机构，由固定设置在长轴上的带轮以及连接带轮与电机转子的同步带组成；所述转向装置7包括固定连接内腿21的多连杆机构72、设置在多连杆机构上方用于支撑内腿的横梁71以及设置在横梁正中心用于驱动多连杆机构伸缩的转动舵机73。

具体的，本发明的半被动行走器，包括行走机构、驱动装置、转向装置、数据采集装置和主控装置，其机械结构是由一个由曲柄摇杆机构衍生来的双摇块导杆机构；本发明被动行走器通过采用单电机作为驱动装置为行走器行走提供动力，并通过同步带转动曲轴而带动摇杆摆动，从而实现行走和解决了摆动腿擦地的问题，具有结构简单的优点；而通过多连杆机构使內腿在触地时发生扭动，再依据足底部的弧形设计达到实现转向的目的，具有操作方便的优点，同时，所述主控装置分析数据采集装置提供的数据为行走器提供实时的行走和转向方案。

本实施例中，所述长直腿为中空的薄壁管，且由弹性材料制成，即构成内外腿的四条长直腿的形状大小一致，优选的长直腿的腿长设计为1000mm。在行走过程中，内腿或者外腿与地面接触的为支撑腿，离开地面的为摆动腿，且所述内腿的两条长直腿作同步运动，所述外腿的两条长直腿也做同步运动。本发明被动行走器的腿部采用长直腿结构，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。

本实施例中，如图4所示，所述长直腿的下端固定设有足部23，所述足部的底面为弧形，且与地面的接触方式为线接触。优选的，所述足部底部弧度半径为950mm，弧度为9.5°，足宽200mm，其在运动过程中足底部与地面不发生滑动，靠两者之间的反作用摩擦力推动行走器行走。

本实施例中，所述数据采集装置包括编码器和陀螺仪。

本实施例中，所述主控装置包括用于向行走器发出指令的微控制单元、用于驱动电机和舵机转动的驱动单元、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。

本实施例中，所述电源为蓄电池，所述电源还为数据采集装置、主控装置以及转动舵机提供动力。

本实施例中，所述内腿和外腿通过驱动装置的作用以相互交替的方式切换成支撑腿和摇动腿。

本实施例中，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。

本实施例中，如图5、6所示，所述行走器的行走方式为以下几个步骤：

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，如图5中序号1；假设内腿朝前放置作为前腿，外腿超后放置作为后退；

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控制电机反向旋转，带动曲轴旋转，使其前腿作为支撑腿向前做倒立摆，而后腿作为摆动腿蹬地前摆上升，使得整体重心向前移动，完成前进起步，如图5中序号2；

S4主控装置实时处理编码器和陀螺仪采集的数据，当摆动腿与支撑腿重合时，电机卸载，即夹角φ和θ都为0°时，完成前半步前进行走，如图5中序号3；

S5靠重力和惯性作用使支持腿向前做倒立摆，而摆动腿前摆下沉，使得整体重心向前移动，如图5中序号4；当摆动腿自然摆动到着地位置，支撑腿与摆动腿完成角色切换；其势能转换为前进动能，完成后半步前进行走，如图5中序号5；

S6不断重复S3、S4、S5步骤，之后重复图中1-2-3-4-5的顺序，行走器将持续向前行走；

S7反之，如图5序号9为初始位，在步骤S3中，控制电机正向旋转，使其后腿作为支撑腿向后做倒立摆，而前腿作为摆动腿蹬地回摆上升，使得整体重心向后移动，完成后退起步，如图5中序号8；

S8主控装置实时处理编码器和陀螺仪采集的数据，当摆动腿与支撑腿重合时，电机卸载，即夹角φ和θ都为0°时，完成前半步后退行走，如图5中序号7；

S9靠重力和惯性作用使支持腿向后做倒立摆，而摆动腿后摆下沉，使得整体重心向后移动，如图5中序号6；当摆动腿自然摆动到着地位置，支撑腿与摆动腿完成角色切换；其势能转换为后退动能，完成后半步后退行走，如图5中序号5；

S10不断重复S7、S8、S9步骤，之后重复图中9-8-7-6-5的顺序，行走器将持续向后行走。

本实施例中，所述行走器的转向方式为以下几个步骤：

A1当外腿做支撑腿，内腿做摆动腿时；即内腿前摆或后摆未着地前，通过控制转动舵机转动一定角度，进而通过多连杆机构将转动传递给內腿，使内腿的两条长直腿产生一定的扭动变形，而转动舵机的转动方向与內腿的扭动方向相反；

A2当內腿着地时，即带有弧形的足部着地，其落地方向与原前进方向形成一夹角，优选的夹角为3度；

A3当內腿切换做支撑腿，外腿做摆动腿抬起摆动后，行走器沿着足部的方向移动，同时，在足部对地面摩擦的反作用力下，从而实现转向运动。

具体的，本发明通过特定机构使內腿在内足部触地时发生扭动，再依据足底部的弧形设计达到实现转向的目的；优选的，其转向装置距离地面高度为35cm，包括一个转动舵机以及连接转动舵机和內腿的两条长直腿之间的多连杆机构，转动舵机的转动扭力通过多连杆机构传递到內腿，从而带动內腿转动，再通过足部对地面摩擦的反作用力，实现上体扭动，并在下一步摆动时实现转弯的目的。而转动舵机位于內腿的中间位置，即內腿的两条长直腿转动的“轴线”上；多连杆机构整体关于舵机对称，各连杆之间为转动副，转动舵机与连杆之间以及连杆与內腿的两条长直腿之间均为固接，可传递扭力。

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.由单电机驱动的半被动行走器，其特征在于：包括行走机构、用于驱动行走机构行走的驱动装置、用于行走器转向的转向装置、用于收集行走机构行走数据的数据采集装置以及用于为行走机构提供实时行走方案的主控装置；

所述行走机构包括腿部和髋部；所述腿部包括两条长直腿组成的内腿和两条长直腿组成的外腿；所述内腿和外腿通过曲轴连接，所述曲轴包括一段长轴、两段中轴和两段短轴；所述髋部包括用于承载驱动装置、采集装置以及主控装置的支撑板、用于支撑曲轴的支架以及用于限制外腿摆动幅度的摇块；所述支撑板上还对称开设有用于限制内腿摆动幅度的两个通孔；所述摇块可转动的设于支撑板的两侧；所述长轴可转动的设于支架内，所述短轴可转动的设于支架内，所述长轴和短轴在同一水平中心线上，所述中轴通过两端设有的摇杆分别与长轴和短轴连接；所述内腿可转动的设置在中轴上并穿过支撑板上的通孔与地面接触；所述外腿通过摇杆可转动的设置在短轴上并穿过摇块与地面接触；

所述驱动装置包括电机以及用于向电机提供动力的电源，所述电机通过支架固定安装在支撑板的上方，所述电源固定悬挂在支撑板的下方；所述电机通过同步带轮机构与长轴链接；

所述转向装置包括固定连接内腿的多连杆机构、设置在多连杆机构上方用于支撑内腿的横梁以及设置在横梁正中心用于驱动多连杆机构伸缩的转动舵机。

2.根据权利要求1所述由单电机驱动的半被动行走器，其特征在于：所述长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所述由单电机驱动的半被动行走器，其特征在于：所述长直腿的下端固定设有足部，所述足部的底面为弧形，且与地面的接触方式为线接触。

4.根据权利要求1所述由单电机驱动的半被动行走器，其特征在于：所述数据采集装置包括编码器和陀螺仪。

5.根据权利要求1所述由单电机驱动的半被动行走器，其特征在于：所述主控装置包括用于向行走器发出指令的微控制单元、用于驱动电机和转动舵机的驱动单元、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1所述由单电机驱动的半被动行走器，其特征在于：所述电源为蓄电池，所述电源还为数据采集装置、主控装置以及转动舵机提供动力。

7.根据权利要求1所述由单电机驱动的半被动行走器，其特征在于：所述内腿和外腿通过驱动装置的作用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所述由单电机驱动的半被动行走器，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任一项所述由单电机驱动的半被动行走器的转向控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

A1当外腿做支撑腿，内腿做摆动腿时；即内腿前摆或后摆未着地前，通过控制转动舵机转动一定角度，进而通过多连杆机构将转动传递给內腿，使内腿的两条长直腿产生一定的扭动变形，而转动舵机的转动方向与內腿的扭动方向相反；

A2当內腿着地时，即带有弧形的足部着地，其落地方向与原前进方向形成一夹角；

A3当內腿切换做支撑腿，外腿做摆动腿抬起摆动后，行走器沿着足部的方向移动，从而实现转向运动。