CN105774939A - 一种新型的半被动四足机器人转弯结构及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型的半被动四足机器人转弯结构及其控制方法，包括行走机构、转向装置、用于驱动四足机器人行走的驱动装置、用于采集行走数据的数据采集装置和为行走机构提供实时行走方案的主控装置。行走机构包括腿部和髋部，腿部由两条内侧腿和两条外侧腿组成，左右两部分完全对称。本发明通过主控装置发出命令，驱动装置为四足机器人的行走机构提供动力，带动左边两条腿交替向前(后)走，而右边两条腿交替向后(前)走，过程中保证两边的左右腿同时抬起或落地，从而实现四足机器人的原地转弯。本发明具有结构简洁、操作简易、行走稳定且节约能量的优点，可广泛应用于救援、玩具和医疗等领域。

Description

一种新型的半被动四足机器人转弯结构及其控制方法
技术领域
本发明属于被动行走机器人领域，特别提出了一种新型的半被动四足机器人转弯结构及其控制方法。本发明可用于康复医疗、玩具、军事应用领域。
背景技术
现今，对机器人的研究是世界各国研究的热点，主流的足式行走机器人主要分为两类，一类是以日本HONDA公司生产制作的Asimo为代表，被称为主动行走机器人，它能模拟人类行走的各种动作，但是它们都涉及到使用大力矩的驱动系统和高增益的反馈控制；另一类是近年来研究较多的被动行走机器，与传统机器人相比，被动行走机器人具有更简单的结构和更高的能量效率，而且被动行走机器人的行走步态更加自然，与人的行走步态更加相似。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，也研发出非常有代表性的物理样机原型。例如(1)2010年，Cornell大学研制的一款被动行走机器人“突击队员(Ranger)”，该结构最大的不足是传动结构复杂，不宜实际大规模的推广。(2)荷兰Delft大学从2002年以来研发了多款被动行走机器人，文章《Addinganupperbodytopassivedynamicwalkingrobotsbymeansofabisectinghipmechanism》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，设计一种结构简单、控制容易且兼具稳定性和鲁棒性的半被动四足机器人的转弯结构，使半被动机器人能更灵活的投入应用是非常有必要的。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种新型的半被动四足机器人转弯结构及其控制方法。
为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：一种新型的半被动四足机器人转弯结构，包括行走机构、用于驱动行走机构行走的驱动装置、用于四足机器人转向的转向装置、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制装置，所述行走机构包括腿和髋部，其中所述腿由四条长直腿组成，包括外腿Ⅰ、外腿Ⅱ、内腿Ⅰ和内腿Ⅱ，所述外腿Ⅰ和内腿Ⅰ、外腿Ⅱ和内腿Ⅱ的上部分为两个髋部；所述髋部的连接方式为，所述外腿Ⅰ和内腿Ⅰ的上部分别穿过摇块Ⅰ和摇块Ⅱ，摇块Ⅰ和摇块Ⅱ之间连接支撑板的一端，支撑板的另一端分别通过两个曲柄连接外腿Ⅰ和内腿Ⅰ的顶部；外腿Ⅱ和内腿Ⅱ的连接方式与外腿Ⅰ和内腿Ⅰ相同；所述两个髋部之间设置转向装置。根据以上描述所述髋部主要包括摇块、曲柄和支撑板。
本发明的具体实施例中，所述转向装置包括转向杆Ⅰ、转向杆Ⅱ和连接件，所述转向杆Ⅰ与转向杆Ⅱ之间通过连接件连接，保证转向杆Ⅰ和转向杆Ⅱ之间可相对转动，转向杆Ⅰ的另一端连接内腿Ⅰ上的摇块，转向杆Ⅱ的另一端连接内腿Ⅱ上的摇块。
在本发明的结构中，所述外腿Ⅰ、外腿Ⅱ、内腿Ⅰ和内腿Ⅱ均为中空的薄壁管，由弹性材料制成。所述外腿Ⅰ、外腿Ⅱ、内腿Ⅰ和内腿Ⅱ的下端分别设置有足部，所述足部的底面为弧形，足部与地面的接触方式为线接触。
进一步，所述驱动装置包括电机以及用于向电机提供动力的电源，所述电源为蓄电池。
进一步，所述数据采集装置包括触地式传感器组和陀螺仪，所述触地式传感器组设置于足部，用于检测足部触地情况；所述陀螺仪设置于转向装置上的连接模块上。
进一步，所述主控装置包括用于向四足机器人发出指令的微控制单元、用于驱动电机的驱动单元、用于为四足机器人提供扩展口的外围接口单元以及用于控制四足机器人各装置电压的电源管理单元。
一种新型的半被动四足机器人转弯结构的控制方法，包括以下步骤：
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；
S2向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，使四足机器人启动；
S3控制电机转动，带动机器人的外腿Ⅰ和内腿Ⅱ分别往前和往后迈一步，机器人整体发生扭动，内腿Ⅰ和外腿Ⅱ作为支撑腿；
S4主控装置实时处理陀螺仪和足部传感器组采集的数据，
S5主控制装置发出命令，电机继续带动机器人的内腿Ⅰ和外腿Ⅱ分别往前和往后迈一步，外腿Ⅰ和内腿Ⅱ作为支撑腿；
S6不断重复S3、S4和S5步骤，实现四足机器人转弯。
本发明结构简洁、操作简易、行走稳定且节约能量。
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为本发明的结构示意图；
图2为本发明的转向装置结构示意图；
图3为本发明的髋部装置示意图；
图4为本发明的转弯控制流程图；
图中：1-外腿Ⅰ、2-内腿Ⅰ、3-内腿Ⅱ、4-外腿Ⅱ、5-摇块Ⅰ、6-摇块Ⅱ、7，12-曲柄、8-支撑板、9-转向杆Ⅰ、10转向杆Ⅱ、11-连接模块。
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，一种新型的半被动四足机器人转弯结构，包括行走机构、用于驱动行走机构行走的驱动装置、用于四足机器人转向的转向装置、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和髋部，其中所述腿由四条长直腿组成，包括外腿Ⅰ1、外腿Ⅱ4、内腿Ⅰ2和内腿Ⅱ3，所述外腿Ⅰ1和内腿Ⅰ2、外腿Ⅱ4和内腿Ⅱ3的上部分为两个髋部；所述髋部的连接方式为，所述外腿Ⅰ1和内腿Ⅰ2的上部分别穿过摇块Ⅰ5和摇块Ⅱ6，摇块Ⅰ5和摇块Ⅱ6之间连接支撑板8的一端，支撑板8的另一端分别通过两个曲柄7，12连接外腿Ⅰ1和内腿Ⅰ2的顶部；外腿Ⅱ4和内腿Ⅱ3的连接方式与外腿Ⅰ1和内腿Ⅰ2相同；所述两个髋部之间设置转向装置。所述髋部还包括用于限制外腿摆动幅度的摇块和用于连接内腿和转向装置的摇块以及曲柄和支撑板；所述转向装置由两根可相对转动的转向杆Ⅰ9、转向杆Ⅱ10和连接两转向杆的连接模块11；所述驱动装置包括电机和向电机提供动力的电源(图中未画出)。
具体的，本发明的半被动四足机器人转弯结构，包括行走机构、用于驱动行走机构行走的驱动装置、用于四足机器人转向的转向装置、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。本发明解决半被动四足机器人原地转弯的问题，具有结构简单的优点；通过机器人两部分的左右腿的运动使机器人发生扭动，再依据足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四足机器人提供实时的转向方案。
本实施例中，所述长直腿为中空的薄壁管，且由弹性材料构成，即构成内外腿的四条长直腿的形状大小一致。在转弯过程中，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，且所述机器人左右两部分腿部作同步运动。本发明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，所述用于四足机器人转向的转向装置，包括连接两摇块的两根转向杆及位于两转向杆中间的连接模块，所述连接模块连接两根转向杆，保证两转向杆之间有相对转动。
本实施例中，所述长直腿足部的地面为弧形，且与地面的接触方式为线接触。
本实施例中，所述数据采集装置包括陀螺仪和足部传感器组(即触地式传感器组)，所述陀螺仪设置于连接模块上；所述足部传感器组设置于四足机器人足底部。
本实施例中，所述主控装置包括用于向机器人发出指令的微控制单元、用于驱动电机转动的驱动单元、用于为机器人提供丰富的扩展口的外围接口单元以及用于控制机器人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，所述电源为数据采集装置、主控装置及驱动装置提供动力。
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为支撑腿和摆动腿。
如图4所示，所述机器人的转弯过程分为以下几个步骤：
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；假设内腿朝前放置作为前腿，外腿朝后放置作为后腿，即左部分的左腿朝后，左部分的右腿朝前，右部分的左腿朝前，右部分的右腿朝后；
S2向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，使四足机器人启动；
S3控制电机转动，(1)若左部分的左腿往前迈，同时右部分的左腿往后迈；机器人左右两部分完全对称，且通过转向装置有相对转动，接着，左部分的右腿往前的同时右部分的右腿继续往后走；两部分的左右腿通过驱动装置的作用以相互交替的方式切换为支撑腿和摆动腿；四足机器人持续往右转；(2)若左部分的右腿往后迈，同时右部分的右腿往前迈；通过转向装置有相对转动，接着，左部分的左腿往后迈的同时右部分的左腿往前走；两部分的左右腿通过驱动装置的作用以相互交替的方式切换为支撑腿和摆动腿；四足机器人持续向左转；
S4主控装置实时处理陀螺仪和足部传感器组采集的数据，为四足机器人提供实时转向行走方案；
S5不断重复S3、S4步骤，将实现四足机器人的原地转弯；
S6反之，在步骤S1中，若外腿朝前放置作为前腿，内腿朝后放置作为后腿，即左部分的左腿朝前，左部分的右腿朝后，右部分的左腿朝后，右部分的右腿朝前；内外腿叉开与地面成一定角度而处于静态平衡状态；
S7向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，使四足机器人启动；
S8控制电机转动，(1)若左部分的右腿往前迈，同时右部分的右腿往后迈，机器人左右两部分完全对称，且通过转向装置有相对转动，机器人有向右的趋势；接着，左部分的左腿往前的同时右部分的左腿继续往后走；两部分的左右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摆动腿；四足机器人持续往右转；(2)若左部分的左腿往后迈，同时右部分的左腿往前迈；通过转向装置有相对转动，机器人有向左运动的趋势；接着，左部分的右腿往后迈的同时右部分的右腿往前走；两部分的左右腿通过驱动装置的作用以相互交替的方式切换为支撑腿和摆动腿；四足机器人持续向左转；
S9主控装置实时处理陀螺仪和足部传感器组采集的数据，为四足机器人提供实时行走方案；
S10不断重复S8、S9步骤，可实现四足机器人的原地转弯。
具体的，本发明通过特定机构使四足机器人在腿部运动时发生扭动，再依据足底部的弧形设计实现转向的目的。转向装置的转向扭力传递到内腿，从而带动四足机器人的转动再通过足部对地面摩擦的反作用力实现转弯的目的。
该装置在腿足的康复医疗、玩具领域上都有相当大的应用前景，甚至在军事上也是有很大价值的潜在应用。
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)

1.一种新型的半被动四足机器人转弯结构，包括行走机构、用于驱动行走机构行走的驱动装置、用于四足机器人转向的转向装置、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制装置，其特征在于：所述行走机构包括腿和髋部，其中所述腿由四条长直腿组成，包括外腿Ⅰ(1)、外腿Ⅱ(4)、内腿Ⅰ(2)和内腿Ⅱ(3)，所述外腿Ⅰ(1)和内腿Ⅰ(2)、外腿Ⅱ(4)和内腿Ⅱ(3)的上部分为两个髋部；所述髋部的连接方式为，所述外腿Ⅰ(1)和内腿Ⅰ(2)的上部分别穿过摇块Ⅰ(5)和摇块Ⅱ(6)，摇块Ⅰ(5)和摇块Ⅱ(6)之间连接支撑板(8)的一端，支撑板(8)的另一端分别通过两个曲柄(7，12)连接外腿Ⅰ(1)和内腿Ⅰ(2)的顶部；外腿Ⅱ(4)和内腿Ⅱ(3)的连接方式与外腿Ⅰ(1)和内腿Ⅰ(2)相同；所述两个髋部之间设置转向装置。
2.根据权利要求1所述一种新型的半被动四足机器人转弯结构，其特征在于：所述转向装置包括转向杆Ⅰ(9)、转向杆Ⅱ(10)和连接模块(11)，所述转向杆Ⅰ(9)与转向杆Ⅱ(10)之间通过连接模块(11)连接，转向杆Ⅰ(9)的另一端连接内腿Ⅰ(2)上的摇块，转向杆Ⅱ(10)的另一端连接内腿Ⅱ(3)上的摇块。
3.根据权利要求1所述一种新型的半被动四足机器人转弯结构，其特征在于：所述外腿Ⅰ(1)、外腿Ⅱ(4)、内腿Ⅰ(2)和内腿Ⅱ(3)均为中空管，由弹性材料制成。
4.根据权利要求1到3任一项所述一种新型的半被动四足机器人转弯结构，其特征在于：所述外腿Ⅰ(1)、外腿Ⅱ(4)、内腿Ⅰ(2)和内腿Ⅱ(3)的下端分别设置有足部，所述足部的底面为弧形，足部与地面的接触方式为线接触。
5.根据权利要求1所述一种新型的半被动四足机器人转弯结构，其特征在于：所述驱动装置包括电机以及用于向电机提供动力的电源。
6.根据权利要求4所述一种新型的半被动四足机器人转弯结构，其特征在于：所述数据采集装置包括触地式传感器组和陀螺仪，所述触地式传感器组设置于足部，用于检测足部触地情况，所述陀螺仪设置于连接模块(11)上。
7.根据权利要求5所述一种新型的半被动四足机器人转弯结构，其特征在于：所述主控装置包括用于向四足机器人发出指令的微控制单元、用于驱动电机的驱动单元、用于为四足机器人提供扩展口的外围接口单元以及用于控制四足机器人各装置电压的电源管理单元。
8.根据权利要求7所述一种新型的半被动四足机器人转弯结构，其特征在于：所述电源为蓄电池。
9.一种新型的半被动四足机器人转弯结构的控制方法，包括以下步骤：
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；
S2向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，使四足机器人启动；
S3控制电机转动，带动机器人的外腿Ⅰ(1)和内腿Ⅱ(3)分别往前和往后迈一步，机器人整体发生扭动，内腿Ⅰ(2)和外腿Ⅱ(4)作为支撑腿；
S4主控装置实时处理陀螺仪和足部传感器组采集的数据，
S5主控制装置发出命令，电机继续带动机器人的内腿Ⅰ(2)和外腿Ⅱ(4)分别往前和往后迈一步，外腿Ⅰ(1)和内腿Ⅱ(3)作为支撑腿；
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