CN106218749A - 一种新型半被动行走的跨障装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型半被动行走的跨障装置及其控制方法，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用于为行走机构提供实时行走方案的主控装置；该装置通过腿部与滚珠丝杆螺母的连接，使得腿的移动与丝杆上螺母的移动同步，即腿跨障时的伸缩。解决了加入膝关节后复杂控制问题，以简单的伸缩腿装置即可达到跨障的目的。本发明具有结构简单、操作简易、行走稳定、的优点，可广泛应用于救援、玩具、医疗等领域。

Description

一种新型半被动行走的跨障装置及其控制方法

技术领域

本发明属于机器人行走领域，具体涉及一种新型的半被动行走器跨障结构及其控制方法。

背景技术

目前，机器人的研究在世界各国都是一个热点。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加入膝关节后的复杂控制问题，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的半被动行走跨障装置是很有意义的。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明意图提供一种结构简单，容易控制，且行走稳定的新型半被动行走的跨障装置及其控制方法。

为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：一种新型半被动行走的跨障装置，包括行走机构、用于收集行走机构行走数据的数据采集装置、为行走机构提供实时行走方案的主控装置以及电源，所述行走机构包括髋部和腿部，所述腿部包括一对内腿、一对外腿和滚珠丝杆，所述髋部包括连接杆、摇块Ⅱ、摇块Ⅰ、曲柄和支撑板，所述内腿的上部与摇块Ⅱ固定连接，外腿的上部与摇块Ⅰ固定连接，每条腿的顶端都设置有滚珠丝杆，滚珠丝杆的尾部设置有直流电机，两个摇块Ⅱ之间通过连接杆连接，摇块Ⅱ与摇块Ⅰ转动连接，在摇块Ⅱ与摇块Ⅰ之间设置有支撑板，所述支撑板的上部两侧分别连接两个曲柄的一端，两个曲柄的另一端分别与固定在内腿顶端的滚珠丝杆和固定在外腿顶端的滚珠丝杆连接。在所述每条腿的上部沿腿的方向均设置有固定杆。

在以上结构中，所述每条腿均为长直腿。

具体地，所述数据采集装置包括摄像头、编码器、陀螺仪和压力传感器。本发明还提供了一种新型半被动行走的跨障装置的控制方法，包括以下步骤：

1)将内腿和外腿叉使之处于静态平衡状态；令两内腿作为支撑腿、两外腿作为摆动腿，或令两外腿作为支撑腿、两内腿作为摆动腿；

2)向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，使行走器启动行走；

3)根据数据采集装置采集的数据，当检测到前方出现障碍时，控制摆动腿顶端的直流电机转动，摆动腿收缩；

4)摆动腿向前摆动过程中，主控装置实时处理采集装置采集的数据，当检测到摆动腿与支撑腿之间的夹角达到预设值φ时，摆动腿伸长；

5)当摆动腿足底压力传感器触发时，摆动腿转换为新的支撑腿，之前的支撑腿切换为摆动腿，装置重复步骤3)和4)；

6)不断重复3)、4)、5)步骤，装置将跨越障碍前进行走。

在装置行走过程中，没有检测到前方出现障碍时，直流电机不转，腿部伸缩锁死，正常行走。

本发明的优点及有益效果为：本发明提供的装置，以简单的结构实现了半被动器的跨障行走。该装置长直腿与滚珠丝杆螺母连接，滚珠丝杆尾部与直流电机连接，直流电机转动，进而带动滚珠丝杆上的螺母向上向下移动；电机不转，腿部伸缩锁死，正常行走。腿的移动与丝杆上螺母的移动同步，即腿的伸缩。解决了加入膝关节后复杂控制问题，以简单的伸缩腿装置即可达到跨障的目的。相比于其他行走器跨障结构，本发明结构简单，容易控制，且行走稳定，可广泛应用于救援、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为本发明行走结构示意图；

其中，1、髋部；1-1、连接杆；1-2、摇块Ⅱ；1-3、摇块Ⅰ；1-4、曲柄；1-5、支撑板；2、腿部；2-1、外腿；2-2、内腿；2-3、固定杆；2-4、滚珠丝杆；3、直流电机；4、电源；5、采集装置；6、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、2所示，本新型半被动行走的跨障装置包括包括行走机构、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、电源4以及为行走机构提供实时行走方案的主控装置6；所述行走机构包括髋部1和腿部2，所述腿部2包括一对内腿2-2、一对外腿2-1、固定杆2-3和滚珠丝杆2-4，所述髋部1包括连接杆1-1、摇块Ⅱ1-2、摇块Ⅰ1-3、曲柄1-4和支撑板1-5，所述内腿2-2的上部与摇块Ⅱ1-2固定连接，外腿2-1的上部与摇块Ⅰ1-3固定连接，每条腿的顶端都设置有滚珠丝杆2-4，滚珠丝杆2-4的尾部设置有直流电机3，两个摇块Ⅱ1-2之间通过连接杆1-1连接，摇块Ⅱ1-2与摇块Ⅰ1-3转动连接，在摇块Ⅱ1-2与摇块Ⅰ1-3之间设置有支撑板1-5，所述支撑板1-5的上部两侧分别连接两个曲柄1-4的一端，两个曲柄1-4的另一端分别与固定在内腿2-2顶端的滚珠丝杆和固定在外腿2-1顶端的滚珠丝杆连接，采集装置5、电源4以及主控装置6设置在连接杆1-1上。每条腿的上部沿腿的方向均设置固定杆2-3，即竖直方向，用于固定滚珠丝杆的螺母移动方向。固定杆可限制螺母的转动，如果丝杆转，螺母也转，就不会有相对移动，所以限制螺母转动，丝杆转时，螺母上下移动，螺母与长直腿连接，即实现腿的伸缩。

本装置以简单的结构实现了半被动器的跨障行走。该装置内外腿与滚珠丝杆螺母连接，滚珠丝杆尾部与直流电机连接，直流电机旋转，进而带动滚珠丝杆上的螺母向上向下移动；直流电机不转，腿部伸缩锁死，正常行走。腿的移动与丝杆上螺母的移动同步，即腿的伸缩。解决了加入膝关节后复杂控制问题，以简单的伸缩腿装置即可达到跨障的目的。相比于其他行走器跨障结构，本发明结构更加巧妙、结构简单，容易控制，且行走稳定。

本实施例中，所述数据采集装置包括摄像头、编码器、陀螺仪和压力传感器。

摄像头是为了获取路况信息。主控装置对采集数据进行处理，判断前方是否有障碍出现，如有障碍，跨障启动。

编码器主要是为了测电机的转速，对电机实现精确控制。

陀螺仪是为了获取行走过程中腿的摆动角度以及速度。由主控装置对采集数据进行处理，对行走装置的行走进行控制。

压力传感器是为了检测行走过程中摆动腿是否触地，如触地，摆动腿与支撑腿进行切换。

本实施例中，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。

本发明另一实施例提供了半被动行走的跨障装置的跨障行走方式包括如下步骤：

1)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退，内腿为支撑腿，外腿为摆动腿。

2)向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，使装置启动行走。

3)根据数据采集装置采集的数据，当检测到前方出现障碍时，控制摆动腿上的直流电机转动，摆动腿收缩；电机转动带动丝杆转动，丝杆的转动使得螺母向上移动，螺母与长直腿连接，即腿收缩。

4)摆动腿向前摆动过程中，主控装置实时处理采集装置采集的数据，当检测到摆动腿的摆动角度达到预设值φ(根据摆动腿跨开距离设定)时，摆动腿伸长，恢复到初始状态。

5)当摆动腿足底压力传感器触发时，摆动腿转换为新的支撑腿，之前的支撑腿切换为摆动腿，装置继续完成3)、4)的动作步骤。

6)不断重复3)、4)、5)步骤，行走器将跨越障碍前进行走。

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 (6)

1.一种新型半被动行走的跨障装置，包括行走机构、用于收集行走机构行走数据的数据采集装置(5)、为行走机构提供实时行走方案的主控装置(6)以及电源(4)，所述行走机构包括髋部(1)和腿部(2)，其特征在于：所述腿部(2)包括一对内腿(2-2)、一对外腿(2-1)和滚珠丝杆(2-4)，所述髋部(1)包括连接杆(1-1)、摇块Ⅱ(1-2)、摇块Ⅰ(1-3)、曲柄(1-4)和支撑板(1-5)，所述内腿(2-2)的上部与摇块Ⅱ(1-2)固定连接，外腿(2-1)的上部与摇块Ⅰ(1-3)固定连接，每条腿的顶端都设置有滚珠丝杆(2-4)，滚珠丝杆(2-4)的尾部设置有直流电机(3)，两个摇块Ⅱ(1-2)之间通过连接杆(1-1)连接，摇块Ⅱ(1-2)与摇块Ⅰ(1-3)转动连接，在摇块Ⅱ(1-2)与摇块Ⅰ(1-3)之间设置有支撑板(1-5)，所述支撑板(1-5)的上部两侧分别连接两个曲柄(1-4)的一端，两个曲柄(1-4)的另一端分别与固定在内腿(2-2)顶端的滚珠丝杆和固定在外腿(2-1)顶端的滚珠丝杆连接。

2.根据权利要求1所述一种新型半被动行走的跨障装置，其特征在于：在所述每条腿的上部沿腿的方向均设置有固定杆(2-3)。

3.根据权利要求1所述一种新型半被动行走的跨障装置，其特征在于：所述每条腿均为长直腿。

4.根据权利要求1或2或3所述一种新型半被动行走的跨障装置，其特征在于：所述数据采集装置(5)包括摄像头、编码器、陀螺仪和压力传感器。

5.如1或2或3或4所述新型半被动行走的跨障装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将内腿和外腿叉使之处于静态平衡状态；令两内腿作为支撑腿、两外腿作为摆动腿，或令两外腿作为支撑腿、两内腿作为摆动腿；

2)向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，使行走器启动行走；

3)根据数据采集装置采集的数据，当检测到前方出现障碍时，控制摆动腿顶端的直流电机转动，摆动腿收缩；

4)摆动腿向前摆动过程中，主控装置实时处理采集装置采集的数据，当检测到摆动腿与支撑腿之间的夹角达到预设值φ时，摆动腿伸长；

5)当摆动腿足底压力传感器触发时，摆动腿转换为新的支撑腿，之前的支撑腿切换为摆动腿，装置重复步骤3)和4)；

6)不断重复3)、4)、5)步骤，装置将跨越障碍前进行走。

6.根据权利要求5所述新型半被动行走的跨障装置的控制方法，其特征在于：装置行走过程中，没有检测到前方出现障碍时，直流电机不转，腿部伸缩锁死，正常行走。