CN106080832A - 半被动行走装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半被动行走装置及其控制方法，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为行走提供实时行走方案的主控装置；本发明通过丝杆的上下移动解决了摆动腿脚擦地的问题。同时，驱动装置由多电机为行走装置提供动力，并通过同步带轮机构带动内外腿的摆动，从而实现行走；本发明具有结构简单、设计精巧、行走稳定的优点，可广泛应用于工业、救援、玩具、医疗等领域。

Description

半被动行走装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及康复医疗，玩具，军事应用领域，具体涉及一种半被动行走装置及其控制方法。
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。
发明内容
针对以上现有技术的不足，本发明的目的是提供一种控制方便、结构简单并且有效解决摆动腿擦地问题的半被动行走装置及其控制方法。
为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：半被动行走装置，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，以及为行走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，所述髋部包括支撑板、连接杆、直线轴承座A、直线轴承座B、控制块和固定杆，所述腿部由一对内腿和一对外腿组成，每条腿的顶端都固定连接丝杆，丝杆上设置有滑块，所述内腿的上部与直线轴承座A固连，外腿的上部与直线轴承座B固连，直线轴承座A通过连接件与直线轴承座B转动连接，连接件穿过设置在直线轴承座A与直线轴承座B之间的支撑板，所述连接杆的两端分别与一对固定在两内腿上的直线轴承座A连接，控制块设置于滑块上方，控制块与直线轴承座A和控制块与直线轴承座B之间均设置有固定杆。
所述驱动装置包括带动外腿前后摆动的直流电机Ⅰ、带动内腿前后摆动的直流电机Ⅱ、固定设置在控制块上的直流电机Ⅲ和电源，直流电机Ⅲ的转子上设置有齿轮，齿轮与设置在滑块上的齿条配合。
所述数据采集装置、主控装置和电源设置在连接杆上。所述内腿和外腿为由弹性材料制成的中空的薄壁管状结构。
具体地，所述内腿和外腿的下端设有足部，所述足部为圆弧形，足部与地面的接触方式为线接触。
所述数据采集装置包括编码器和陀螺仪，用编码器采集内腿和外腿间的夹角φ，陀螺仪支撑腿与地面垂线间的夹角θ。
基于上述装置，本发明还提供了一种半被动行走装置的控制方法，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；假设外腿作为摆动腿朝后放置，内腿作为支撑腿朝前放置。
S2、向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，使行走装置启动。
S3、控制摆动腿的两条直腿作同步摆动运动，及控制电机Ⅰ顺时针旋转使摆动腿向前摆动离开地面，使得整体重心向前移动，同时，控制摆动腿的电机Ⅲ顺时针转动，通过齿轮传动机构使摆动腿向上伸长一定距离，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，直流电机Ⅰ和直流电机Ⅲ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；在此过程中，摆动腿的直流电机Ⅲ逆时针转动，摆动腿还原为原有长度。
S6、控制电机Ⅱ正向旋转，内腿作为摆动腿向前摆动离开地面，使得整体重心向前移动，同时控制摆动腿的电机Ⅲ顺时针转动，通过齿轮传动机构使摆动腿向上伸长一定距离，完成前进起步。
S7、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，直流电机Ⅱ和直流电机Ⅲ卸载，即夹角φ和θ都为0°时，完成半步前进行走。
S8、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；在此过程中，摆动腿的直流电机Ⅲ逆时针转动，摆动腿还原为原有长度。
S9、不断重复S3、S4、S5、S6、S7、S8步骤，行走器将持续向前行走。
本发明基于以上技术方案，具有以下有益技术效果：
1、本发明行走装置通过丝杆与长直腿组合采用齿轮传动机构带动腿的上下移动解决了摆动腿擦地的问题。
2、本发明行走装置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、本发明行走装置通过多电机为行走提供动力，并通过同步带轮机构带动外腿以及内腿的前后摆动，从而实现行走。本发明具有结构简单、设计精巧、行走稳定、腿部灵活的优点，可广泛应用于工业、救援、玩具、医疗等领域。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的具体实施方式中进行阐述，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为本发明髋部结构示意图；
图3为本发明行走结构示意图；
图4位本发明局部结构示意图；
其中，1、腿部；1-1、外腿；1-2、内腿；1-3、丝杆；1-4、滑块；2、髋部；2-1、支撑板；2-2、连接杆；2-3、直线轴承座A；2-4、直线轴承座B；2-5、控制块；2-6、固定杆；3、驱动装置；3-1、直流电机Ⅰ；3-2、直流电机Ⅱ；3-3、直流电机Ⅲ；3-4、齿轮；3-5、电源；4、数据采集装置；5、主控装置。
具体实施方式
下面结合附图给出一种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，而非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略的对公知结构和技术的描述，以避免不要混淆本发明的概念。
如图1、图2、图3和图4所示，对于本发明的半被动行走装置，为四足行走装置，包括行走机构、用于驱动行走机构行走的驱动装置3、用于收集行走机构行走数据的数据采集装置4，以及为行走提供实时行走方案的主控装置5，所述行走机构包括腿部1和髋部2，所述髋部2包括支撑板2-1、连接杆2-2、直线轴承座A2-3、直线轴承座B2-4、控制块2-5和固定杆2-6，所述腿部1由一对内腿1-2和一对外腿1-1组成，每条腿的顶端都固定连接丝杆1-3，丝杆1-3上设置有滑块1-4，所述内腿1-2的上部与直线轴承座A2-3固连，外腿1-1的上部与直线轴承座B2-4固连，直线轴承座A2-3通过连接件与直线轴承座B2-4转动连接，连接件穿过设置在直线轴承座A2-3与直线轴承座B2-4之间的支撑板2-1，所述连接杆2-2的两端分别与一对固定在两内腿上的直线轴承座A2-3连接，控制内外腿摆动幅度的控制块2-5设置于滑块1-4上方，控制块2-5与直线轴承座A2-3和控制块2-5与直线轴承座B2-4之间均设置有固定杆2-6。
所述驱动装置3包括带动外腿前后摆动的直流电机Ⅰ3-1、带动内腿前后摆动的直流电机Ⅱ3-2、固定设置在控制块2-5上的直流电机Ⅲ3-3和电机提供动力的电源3-5，直流电机Ⅲ3-3的转子上设置有齿轮3-4，齿轮3-4与设置在滑块1-4上的齿条配合，通过齿轮传动机构实现内外腿的上下伸缩移动。直流电机Ⅰ3-1和直流电机Ⅱ3-2固定设置在支撑板上。所述数据采集装置4、主控装置5和电源3-5设置在连接杆2-2上。
本实施例中，所述腿部的下端设有足部，所述足部为圆弧形，所述足部与地面的接触方式为线接触，减少行走摆动过程中与地面的摩擦。
本实施例中，所述半被动行走装置，所述主控装置包括向行走器发出指令的微控制单元、用于驱动直流电机的驱动单元、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。
本实施例中，所述内腿和外腿以相互交替的方式切换成支撑腿和摆动腿。
本实施例中，所述数据采集装置4包括编码器和陀螺仪，用编码器采集内腿和外腿间的夹角φ，陀螺仪支撑腿与地面垂线间的夹角θ。
具体的，本发明的半被动行走装置，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为行走提供实时行走方案的主控装置。本发明行走装置通过丝杆与长直腿组合采用齿轮传动机构带动腿的上下移动解决了摆动腿擦地的问题。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。该装置通过多电机为行走提供动力，并通过同步带轮机构带动外腿以及内腿的前后摆动，从而实现行走。本发明具有结构简单、设计精巧、行走稳定、腿部灵活的优点，可广泛应用于工业、救援、玩具、医疗等领域。
本发明的另一具体实施例中，半被动行走装置的行走控制方法，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；假设外腿作为摆动腿朝后放置，内腿作为支撑腿朝前放置。
S2、向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，使行走装置启动。
S3、控制摆动腿的两条直腿作同步摆动运动，及控制电机Ⅰ顺时针旋转使摆动腿向前摆动离开地面，使得整体重心向前移动，同时，控制摆动腿的电机Ⅲ顺时针转动，通过齿轮传动机构使摆动腿向上伸长一定距离，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，直流电机Ⅰ和直流电机Ⅲ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；在此过程中，摆动腿的直流电机Ⅲ逆时针转动，摆动腿还原为原有长度。
S6、控制电机Ⅱ正向旋转，内腿作为摆动腿向前摆动离开地面，使得整体重心向前移动，同时控制摆动腿的电机Ⅲ顺时针转动，通过齿轮传动机构使摆动腿向上伸长一定距离，完成前进起步。
S7、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，直流电机Ⅱ和直流电机Ⅲ卸载，即夹角φ和θ都为0°时，完成半步前进行走。
S8、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；在此过程中，摆动腿的直流电机Ⅲ逆时针转动，摆动腿还原为原有长度。
S9、不断重复S3、S4、S5、S6、S7、S8步骤，行走器将持续向前行走。
在以上步骤中摆动腿的伸缩控制为，电机Ⅲ顺时针旋转，通过齿轮传动，滚珠丝杆的滑块顺时针转，丝杆向上移动，即腿向上缩，电机Ⅲ逆时针旋转，通过齿轮传动，滚珠丝杆的滑块逆时针转，丝杆向下移动，即腿向下伸。

Claims (6)

1.半被动行走装置，包括行走机构、用于驱动行走机构行走的驱动装置(3)、用于收集行走机构行走数据的数据采集装置(4)，以及为行走提供实时行走方案的主控装置(5)，所述行走机构包括腿部(1)和髋部(2)，其特征在于：所述髋部(2)包括支撑板(2-1)、连接杆(2-2)、直线轴承座A(2-3)、直线轴承座B(2-4)、控制块(2-5)和固定杆(2-6)，所述腿部(1)由一对内腿(1-2)和一对外腿(1-1)组成，每条腿的顶端都固定连接丝杆(1-3)，丝杆(1-3)上设置有滑块(1-4)，所述内腿(1-2)的上部与直线轴承座A(2-3)固连，外腿(1-1)的上部与直线轴承座B(2-4)固连，直线轴承座A(2-3)通过连接件与直线轴承座B(2-4)转动连接，连接件穿过设置在直线轴承座A(2-3)与直线轴承座B(2-4)之间的支撑板(2-1)，所述连接杆(2-2)的两端分别与一对固定在两内腿上的直线轴承座A(2-3)连接，控制块(2-5)设置于滑块(1-4)上方，控制块(2-5)与直线轴承座A(2-3)和控制块(2-5)与直线轴承座B(2-4)之间均设置有固定杆(2-6)；
所述驱动装置(3)包括带动外腿前后摆动的直流电机Ⅰ(3-1)、带动内腿前后摆动的直流电机Ⅱ(3-2)、固定设置在控制块(2-5)上的直流电机Ⅲ(3-3)和电源(3-5)，直流电机Ⅲ(3-3)的转子上设置有齿轮(3-4)，齿轮(3-4)与设置在滑块(1-4)上的齿条配合；
所述数据采集装置(4)、主控装置(5)和电源(3-5)设置在连接杆(2-2)上。
2.根据权利要求1所述半被动行走装置，其特征在于：所述内腿(1-2)和外腿(1-1)为中空的薄壁管状结构。
3.根据权利要求2所述半被动行走装置，其特征在于：所述内腿(1-2)和外腿(1-1)由弹性材料制成。
4.根据权利要求1或2或3所述半被动行走装置，其特征在于：所述内腿(1-2)和外腿(1-1)的下端设有足部，所述足部为圆弧形，足部与地面的接触方式为线接触。
5.根据权利要求4所述半被动行走装置，其特征在于：所述数据采集装置(4)包括编码器和陀螺仪，用编码器采集内腿(1-2)和外腿(1-1)间的夹角φ，陀螺仪支撑腿与地面垂线间的夹角θ。
6.根据权利要求1-5任一项所述半被动行走装置的控制方法，其特征在于，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；假设外腿作为摆动腿朝后放置，内腿作为支撑腿朝前放置；
S2、向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，使行走装置启动；
S3、控制摆动腿的两条直腿作同步摆动运动，及控制电机Ⅰ顺时针旋转使摆动腿向前摆动离开地面，使得整体重心向前移动，同时，控制摆动腿的电机Ⅲ顺时针转动，通过齿轮传动机构使摆动腿向上伸长一定距离，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，直流电机Ⅰ和直流电机Ⅲ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；在此过程中，摆动腿的直流电机Ⅲ逆时针转动，摆动腿还原为原有长度；
S6、控制电机Ⅱ正向旋转，内腿作为摆动腿向前摆动离开地面，使得整体重心向前移动，同时控制摆动腿的电机Ⅲ顺时针转动，通过齿轮传动机构使摆动腿向上伸长一定距离，完成前进起步；
S7、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，直流电机Ⅱ和直流电机Ⅲ卸载，即夹角φ和θ都为0°时，完成半步前进行走；
S8、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；在此过程中，摆动腿的直流电机Ⅲ逆时针转动，摆动腿还原为原有长度；
S9、不断重复S3、S4、S5、S6、S7、S8步骤，行走器将持续向前行走。
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