CN105015643A - 由单电机驱动的半被动行走器及其行走控制方法 - 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行走控制方法，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行走控制方法

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行走控制方法。

背景技术

对于机器人的研究一直是国内外科技研究的热点，其中被动行走机器人以其结构和控制简单，步态自然，节能和在非结构化环境中具有更好的移动能力等特点引起广大学者的极大关注。目前国内外被动行走机器人的研究都取得了一定成果，如Cornell大学的Ranger、MIT的Mike和Delft大学的Leo等。但是这些已有的的被动行走模型仍然避免不了摆动腿擦地的问题，而且结构复杂，能耗较高；并且这些被动行走模型都是靠多电机驱动，控制困难，稳定性差。因此研究一种结构简单，控制方便的半被动行走器十分必要。

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，除了能够在平面、斜面稳定行走外，其足部使用点触地方式，还能完美的解决摆动腿擦地的问题，具有结构简单，能耗更低的优点，而实际运用中有着更广的空间。

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架内；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下方，所述电源固定在支撑板的上方；所述电机通过同步带轮机构与长轴链接。

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，所述足部为四个完全相同的倒三角柱，所述倒三角柱与地面线接触设置。

进一步，所述数据采集装置包括用于采集内外直腿之间的夹角的编码器和和设于足部用于感应地面情况的触地传感器。

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和主控装置提供动力。

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。

本发明的优点在于：

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为本发明的仰视图；

图4为本发明的行走控制示意图；

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。

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；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架内；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做摆动运动；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下方，所述电源固定在支撑板的上方；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，由固定设置在长轴上的圆齿带轮以及连接带轮与电机转子的同步带组成。

具体的，本发明的半被动行走器，包括行走机构、驱动装置、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、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。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，所述长直腿的下端固定设有足部23，所述足部为四个完全相同的倒三角柱，所述倒三角柱与地面线接触设置，从而实现二维空间内点足触底方式，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用于采集内外直腿之间的夹角的编码器和和设于足部用于感应地面情况的触地传感器。

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和主控装置提供动力。

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4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，即长中短轴在同一水平面上，如图4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4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4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4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4中序号5；

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

S7反之，如图4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4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4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4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4中序号5；

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

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架内；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下方，所述电源固定在支撑板的上方；所述电机通过同步带轮机构与长轴链接。

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，所述足部为四个完全相同的倒三角柱，所述倒三角柱与地面线接触设置。

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用于采集内外直腿之间的夹角的编码器和和设于足部用于感应地面情况的触地传感器。

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和主控装置提供动力。

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行走控制的方法，其特征是：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提，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。