CN112158273B - 一种台阶自适应行走方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种台阶自适应行走方法及装置，所述方法采用直立行走方式，用垂直于主承载体基面的若干行走组件取代传统车轮，行走组件以多点支撑的方式托起主承载体，使主承载体基面始终保持水平状态，行走组件的行进状态由中央控制单元统一协调完成。本发明行走装置主要包括若干行走组件、主承载体及中央控制单元，其结构简单，载重量大，运行稳定可靠，在不强调运行速度的应用环境下，本发明适用于包括台阶、不平路面等复杂道路的运输。

Description

一种台阶自适应行走方法及装置

技术领域

本发明涉及台阶攀爬以及其它低速重载条件下复杂不平道路运输的技术领域，具体涉及可实现在台阶道路或复杂不平路面稳定行走的装置。

背景技术

目前运输机械在翻越台阶障碍时，从安全可靠和减震的角度考虑，采用轮式（包括行星轮）或履带方式有如下缺点：一是轮子或履带与地面的接触限于台阶的顶角，容易打滑或者损伤台阶；二是台阶的锯齿状结构会引起车辆震动；三是由于承载面与地面有一定的高度距离，在台阶倾角过大时运行不稳甚至发生倾覆；四是承载面与地面的倾斜对运输人员舒适性或货物的安全性有很大的影响。

双足（多足）行走是较稳定的运输方式。但采用关节足时，其行走完全由各种传感器和控制系统完成，运行复杂稳定性差，而且关节电机的载荷也较低。

发明内容

为了解决台阶或复杂不平道路运输出现的上述问题，本发明提出一种行走组件双腿交替行走的方法。与通常方法不同的是：双腿在垂直和水平方向采用独立的平移运动；主承载体的基面保持水平状态；作为支撑的双腿可以穿过主承载体基面向上延长，因而可以提供足够保持主体承载面水平的支撑腿长度。

本发明具体采用如下技术方案：

一种台阶自适应行走方法，其特征在于：采用直立行走方式，用垂直于主承载体基面的若干行走组件取代传统车轮，行走组件以多点支撑的方式托起主承载体，使主承载体基面始终保持水平状态，行走组件的行进状态由中央控制单元统一协调完成。

优选地，所述行走组件包括左、右双腿，双腿交替运动且始终有一条腿支撑于地面上，而另一条腿完成垂直方向上的抬升、水平方向上的平移、垂直方向上的落地动作。

优选地，所述行走组件的每条腿均由独立的驱动单元控制。

优选地，所述行走组件的双腿与主承载体刚性连接，且可以穿过主承载体基面向上延长。

一种台阶自适应行走装置，其特征在于包括若干行走组件、主承载体及中央控制单元；

所述行走组件包括左、右双腿，双腿交替运动且始终有一条腿以支脚为支点垂直支撑于地面上，而另一条腿完成垂直方向上的抬升、水平方向上的平移、垂直方向上的落地动作；

所述主承载体是行走装置的主体，刚性地连接所述若干行走组件，各行走组件的双腿均与主承载体基面垂直，且可以穿过主承载体基面向上延长；

所述中央控制单元设置在主承载体上，用于协调各行走组件，控制行走装置的运动状态。

优选地，所述行走装置还包括转向器，所述转向器向中央控制单元提供人工即时信号，包括方向控制信号与速度控制信号。

优选地，所述行走组件包括主驱动单元、修正驱动单元、摆动横梁、修正连杆和上下驱动单元，摆动横梁的中部通过转动关节与修正连杆的一端连接，修正连杆的另一端通过转动关节与主承载体连接；主驱动单元设置在摆动横梁上，用于控制摆动横梁与修正连杆的摆动角度；修正驱动单元设置在主承载体上，用于控制修正连杆与主承载体的摆动角度，以修正由于摆动横梁绕支脚轴转动而产生的主承载体的左右偏移，使主承载体保持平稳地运动；摆动横梁的两端对称布置左、右导向套，导向套轴线与摆动横梁和修正连杆的运动平面相垂直；左、右腿分别置于左、右导向套中；左、右导向套上分别设置了一个上下驱动单元，用于控制左、右腿沿导向套轴线作直线移动。

优选地，修正连杆两端的转动关节轴线均与主承载体基面垂直，使修正连杆和摆动横梁的运动平面与主承载体基面平行，而左、右腿的直线移动方向则垂直于主承载体基面。

优选地，所述行走组件的双腿上下均安装有极限检测装置。

优选地，各行走组件和主承载体之间设置有防护装置。

本发明的台阶自适应行走方法及装置，由于主承载体基面始终保持水平状态，同时支撑于地面的腿也始终与地面垂直。在通过台阶时，承载重心将始终位于支撑腿内，因而不会发生倾覆现象。支撑腿的垂直平移结构也适合增强腿部的承载力。同时由于双腿的自适应高度调节，主体震动也不大。另外支撑腿下部的支脚与地面的接触面较大，也会保护台阶不受损伤。本发明行走装置结构简单，载重量大，运行稳定可靠，在不强调运行速度的应用环境下，本发明适用于包括台阶、不平路面等复杂道路的运输。本发明最直观的应用场景包括楼梯攀爬（此方式可替代老旧小区的电梯加装）、山地（台阶）货物运输，地质勘查等，其优良的稳定性与承载力使其在军事领域如阵地运输、边防巡逻以及导弹吊运等方面也将会有广泛的应用。

附图说明

图1是根据本发明的台阶自适应行走方法设定的机械结构示意图。

图2是图1中隐去前后罩壳后的机械结构示意图。

图3是根据本发明的台阶自适应行走方法的前部行走组件结构示意图。

图4是根据本发明的台阶自适应行走方法的主承载体结构示意图。

图5表示的是主承载体与前部行走组件的连接示意图。

附图标记：

100 总体结构

11：前防护罩壳；

12：行走组件；

13：转向器；

14：主承载体；

15：中央控制单元；

16：后防护罩壳；

121：主驱动单元；

122：摆动横梁；

123：左腿；

124：限位板；

125：支脚；

126：修正连杆；

127：上下驱动单元；

128：限位开关；

129：右腿；

141：主承载体基板；

142：修正驱动单元。

具体实施方式

下面详细描述本发明的台阶自适应行走方法。其总体结构在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的结构是示例性的，仅用于解释本发明所采用的方法，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”“下”“前”“后”“左”“右”等指示性的方位或位置关系基于附图所示的三行走组件：设一组行走组件的为前部，两组对称布置的行走组件为后部，以俯视角度，前部在上对应左右方位，而上下方位则以主承载面为基准，支脚位置在下。

所以本发明的方法适用于三组但不限于三组的行走组件，在本发明的描述中，除非另有说明，“若干”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”“连接”应做广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

在本发明的描述中，地面是指包括台阶在内的铺装路面或其它硬质非铺装路面。

下面参考图中描述本发明的台阶自适应行走方法。

如图1、2所示，根据本发明的台阶自适应行走方法而设定的行走装置，其总体结构包括若干行走组件12、一个基面始终保持水平状态的主承载体14、中央控制单元15、转向器13、相应的前防护罩11和后防护罩16。

其中，行走组件12功能上与车轮相当，用以实现行走装置的平稳行走。行走组件12包括左腿123和右腿129，两腿中始终有一条腿以支脚125为支点，垂直站立在地面上。而另外一条腿则完成抬升、水平移动和落地的动作。当后者落地后，支撑转移到该腿上，而前者就继续抬升、水平移动和落地的动作。行走组件12通过左腿123和右腿129的交替支撑和运动，实现自身的位置变化。在通常的运行环境下，左、右腿的抬升下降和前后水平移动交替完成。每组行走组件的运动由四个独立的驱动单元控制。其中左右双腿各有一个实现上下运动的驱动单元，其它两个用于实现水平运动，其中一个主驱动单元通过驱动双腿连杆的摆动实现水平移位，另一个是修正驱动单元，用来修正行走组件的移动位置，以实现主承载体的转向和消除位置干涉。

主承载体14是行走装置的主体，类似车身底盘结构，本发明仅从示例上作为表示，以其底平面作为系统的水平面基准，并不涉及主承载体14具体结构的限定。主承载体14刚性地连接若干组行走组件12，行走组件的数量根据行走装置的实际工作环境确定。每组行走组件的双腿均与主承载体平面垂直。由若干组行走组件12和主承载体14构成了行走装置的主要运动结构。本实施例采用三组行走组件12来支撑主承载体14。不失一般性，采用前面一组，后面左右对称各一组的等腰三角形布局。

主承载体的前进后退是实现行走机械行进的主要方式。承担行走任务的行走组件，其运行速度和转动角的大小取决于其相对于主承载体的位置、台阶等障碍物的高度或长度以及主承载体的运动速度等等，同时还要保证行走机械行进过程中的稳定与协调。

主承载体的水平抬升、下降是实现行走机械攀爬台阶或坡面行走的主要方式。行走组件的抬升行程可人工预设，落地行程由抬升支脚到地面的距离确定，而整个主承载体的水平下降或抬升则是依据所有立地腿的上下极限位置确定。

主承载体的转向是实现行走机械改变行走方向的主要方式，本发明方法中无需专门的机械转向机构，行走机械的速度和转向信号均为电信号，经由人工发出后，由中央控制单元接收并作出相应的处理，再向各驱动单元发出修正指令，就可以实现主承载体的方向转变。

主承载体基面始终保持水平状态，这是系统稳定攀爬台阶及复杂不平道路的控制依据。水平状态的测量可由固定在主承载体基面上的水平传感器（如陀螺仪）实现。

行走装置的运动包括直线的前进、后退，方向的改变以及行走速度快慢等均由中央控制单元15根据人工即时或预设的信号，协调各行走组件12的驱动单元来实现。即时信号可以由外部的转向器13发出。转向器13上集成转向控制与速度控制信号，参考通常集成方向盘的设计思路。本发明的主承载体转向无需专门设定的转向机械机构。转向器13的作用只是根据人工信号向中央控制单元发出速度或转向信号，具体的运行速度和转向动作由中央控制单元根据人工信号，结合每组行走组件的实际位置状态进行运算，为驱动单元提供相应的修正量来完成。因而行走装置虽结构简单，但转向灵活，稳定可靠。

本发明的行走组件12的双腿设定为可以延长的结构以适应不同的行走环境，双腿可以很长，这决定了行走装置攀爬台阶或越障的能力。行走组件12需要突出于主承载体14的基面，为保证安全，在行走组件12和主承载体14之间设置防护装置11和16，避免载体与长腿干涉而产生意外。本实施例采用如图1所示的方形壳体防护装置，刚性连接于主承载体14上，顶面和底面开孔使行走组件12能够上下运动。方形防护装置仅用于防护装置的示例，不作为对防护装置的具体形状和大小的限制。

前部的行走组件12的结构如图3所示。需要说明的是：由于前部行走组件与后部行走组件的左右位置是相反的。为描述方便，下面的描述是以前部行走组件为示例，描述中的左右位置也是以前部行走组件的位置来确定的。

摆动横梁的中间通过转动关节与修正连杆连接，主驱动单元的电机固定在摆动横梁上，其电机轴与修正连杆固接，因而摆动横梁与修正连杆的角度大小可由控制主驱动单元的电机转角实现。也即通过控制主驱动单元电机的正反向转动，可以实现摆动横梁相对修正连杆的正反向摆动。这个摆动是系统实现行走的主要动力。本实施例主驱动单元采用电机实现，电机仅用于主驱动单元的示例，不作为对主驱动单元结构的限制。

摆动横梁的两端对称布置左、右导向套，导向套轴线与摆动横梁和修正连杆的运动平面相垂直。左腿和右腿分别置于左右导向套中，沿导向套轴线作直线移动。其移动控制由分别固定在左、右导向套上的两个上下驱动单元127完成。上下驱动单元127也同样可以实现正反向运动。本实施例上下驱动单元采用通常的齿轮齿条啮合传动机构，上下驱动单元的电机固定在摆动横梁两端的导向套位置，带动电机轴上的齿轮作正反向转动，与之啮合的齿条则与腿固接，通过齿轮的正反向运动就可以实现左腿或右腿的上下运动。本实施例只作为上下驱动单元的示例，不作为对上下驱动单元结构的限制。

在行走组件的双腿上下均安装有极限检测装置，本实施例采用限位板124与行程开关128实现，限位板与行程开关仅用于极限检测方法和装置的示例，不作为对其的限制。极限检测装置的作用一方面保证双腿的越障高度不能超过一定的范围，另一方面中央控制单元提供主承载体在台阶或坡面上的垂直上升和下降的位置信息。

修正连杆一端与摆动横梁相连，另一端也通过转动关节与主承载体连接。这个转动关节也是整个行走组件与主承载体的连接点。修正连杆两端的转动关节轴线均与主承载体平面垂直，所以修正连杆和摆动横梁的运动平面与主承载体平面平行，而左右腿的直线移动方向则垂直于主承载体平面。

修正连杆与主承载体的角度控制由可正反向运动的修正驱动单元完成。如图4，修正驱动单元设置在主承载体基板141上，用于控制修正连杆与主承载体的摆动角度，以修正由于摆动横梁绕支脚125轴转动而产生的主承载体的左右偏移，使主承载体保持平稳地运动。同样地，修正驱动单元可以采用电机实现，电机仅用于修正驱动单元的示例，不作为对其的限制。

左右腿与地面的接触是通过支脚125实现。支脚与腿的连接是转动关节连接，也就是支脚可以在腿的轴线上但不限于只在此轴线上自由转动。支脚的底面根据实际的应用环境确定相应的形状和材料，以保证实现稳定的支撑和缓冲。

在行走装置的运行过程中，行走组件始终有一条腿立于地面，另一条腿则完成抬升、平移和落地的动作，两条腿交替完成行走的过程。不失一般性，我们取左腿立于地面，描述右腿的运动控制过程。

当左腿支脚稳定地立于地面时，左腿只能在自身的轴线上转动。相应的摆动横梁也是沿此轴线转动，所以右腿的移动轨迹是以左腿轴线为中心，以摆动横梁上两导向套中心距为半径的圆弧。这样摆动横梁的中心点的移动轨迹是以左腿轴线为中心，以摆动横梁上两导向套中心距的一半为半径的圆弧。主驱动单元的正反向摆动可以确定行走组件的前进或后退。

需要重点说明的是：如果摆动横梁的中心点直接与主承载体基板141连接，当摆动横梁绕触地支脚125转动时，主承载体基板连接点的移动轨迹为圆弧，使得主承载体出现左右偏移，从而破坏了主承载体的运动平稳性。本发明增设的修正连杆就是用来消除这种偏移。如图5，当摆动横梁绕触地支脚125转动时，修正驱动单元142将根据主驱动单元转角值，相应改变修正连杆126与主承载体基板141的夹角，增加的修正连杆和转动关节，为主承载体基板的连接点提供了一个额外的自由度，使得主承载体基板连接点不再是绕触地支脚关节轴的圆周运动，而是回到平直运动的轨迹上。这样，在中央控制单元的协调分配下，多组行走组件就能够协同完成主承载体的直线移动或转向。

在通常的情况下，右腿落地时支脚承力加大，右腿上下驱动单元可将承力的变化转化成电信号反馈给中央控制单元，同时，受益于主承载体的水平设置，主承载体在右腿落地后会产生微小的上下移位，从而破坏了主承载体的水平，通过设置在主承载体上的水平传感器（陀螺仪），可以检测出右腿落地信号，当右腿承力电信号超过设定阈值，且水平传感器倾斜角参量大于设定角时，中央控制单元可判断此时右腿已落地，同时向右腿上下驱动单元发出停止运动指令。在平坦路面行进时，右腿只需抬离地面就可以开始平移，抬升距离短可以加快行进速度。

本发明的重要贡献是可以稳定的攀爬台阶，当右腿抬升高度大于台阶高度时，行走装置就能够实现稳定的行进。在台阶或坡面长度超过主承载体长度时，主承载体需要作相应的抬升或下降。这个动作是通过安装在行走组件双腿上的极限检测装置来提供控制信号的。以行走装置上台阶为例：上第一个台阶时只有前部的行走组件改变了长度位置，如果此时没有到达腿的下限位置，表明腿向上还有空间，中央控制系统不作调整。继续向上攀爬，当前部行走组件里有一条腿在抬升时到达了极限检测位置，表明腿向上的空间位置已不足以完成下一个台阶的攀爬，这时中央控制系统就会发出抬升信号，通过各立地支撑腿的上下驱动单元控制所有的立地支撑腿同时下落一个预设高度，使得主承载体上升一个预设高度，从而为前部行走组件的腿提供向上抬升空间。因此，腿的上下移动长度必须大于前后行走组件跨越台阶的高度差。

由于行走组件修正连杆的设置，主承载体的连接点位置可以得到精确控制，使本发明的机械行走装置的方向控制变得十分简单，无需增加额外的机械转向机构。在行走过程中，由人工通过转向器设定行走装置的即时速度和转向大小，中央控制单元据此协调行走组件的主驱动单元和修正驱动单元作相应的运动，完成转向动作。

中央控制单元根据采集到的水平传感器、转角编码器、腿上下限位信号等的实时传感信号，以及由人工即时发出的变速、转向信号，由中央处理器协调控制各行走组件上驱动单元的运动，实现行走机械的自适应行进和转向。

中央控制单元内布置有动力源装置，可以为行走机械提供动力支持。本发明的方法不限于动力系统的来源形式。

Claims (6)

1.一种台阶自适应行走方法，其特征在于：采用直立行走方式，用垂直于主承载体基面的若干行走组件取代传统车轮，行走组件以多点支撑的方式托起主承载体，使主承载体基面始终保持水平状态，行走组件的行进状态由中央控制单元统一协调完成；

所述行走组件包括左、右双腿，双腿交替运动且始终有一条腿支撑于地面上，而另一条腿完成垂直方向上的抬升、水平方向上的平移、垂直方向上的落地动作；所述行走组件的每条腿均由独立的驱动单元控制；所述行走组件的双腿与主承载体刚性连接，且可以穿过主承载体基面向上延长；

所述行走组件包括主驱动单元（121）、修正驱动单元（142）、摆动横梁（122）、修正连杆（126）和上下驱动单元（127），摆动横梁（122）的中部通过转动关节与修正连杆（126）的一端连接，修正连杆（126）的另一端通过转动关节与主承载体（14）连接；主驱动单元（121）设置在摆动横梁（122）上，用于控制摆动横梁（122）与修正连杆（126）的摆动角度；修正驱动单元(142)设置在主承载体基板（141）上，用于控制修正连杆（126）与主承载体（14）的摆动角度，以修正由于摆动横梁（122）绕支脚(125)轴转动而产生的主承载体（14）的左右偏移，使主承载体（14）保持平稳地运动；摆动横梁（122）的两端对称布置左、右导向套，导向套轴线与摆动横梁和修正连杆的运动平面相垂直；左、右腿（123、129）分别置于左、右导向套中；左、右导向套上分别设置了一个上下驱动单元，用于控制左、右腿沿导向套轴线作直线移动。

2.一种台阶自适应行走装置，其特征在于包括若干行走组件（12）、主承载体（14）及中央控制单元（15）；

所述行走组件（12）包括左、右双腿（123、129），双腿交替运动且始终有一条腿以支脚（125）为支点垂直支撑于地面上，而另一条腿完成垂直方向上的抬升、水平方向上的平移、垂直方向上的落地动作；

所述主承载体（14）是行走装置的主体，刚性地连接所述若干行走组件（12），各行走组件（12）的双腿均与主承载体基板（141）垂直，且可以穿过主承载体基板（141）向上延长；

所述中央控制单元（15）设置在主承载体（14）上，用于协调各行走组件（12），控制行走装置的行进状态；

所述行走组件包括主驱动单元（121）、修正驱动单元（142）、摆动横梁（122）、修正连杆（126）和上下驱动单元（127），摆动横梁（122）的中部通过转动关节与修正连杆（126）的一端连接，修正连杆（126）的另一端通过转动关节与主承载体（14）连接；主驱动单元（121）设置在摆动横梁（122）上，用于控制摆动横梁（122）与修正连杆（126）的摆动角度；修正驱动单元(142)设置在主承载体基板（141）上，用于控制修正连杆（126）与主承载体（14）的摆动角度，以修正由于摆动横梁（122）绕支脚(125)轴转动而产生的主承载体（14）的左右偏移，使主承载体（14）保持平稳地运动；摆动横梁（122）的两端对称布置左、右导向套，导向套轴线与摆动横梁和修正连杆的运动平面相垂直；左、右腿（123、129）分别置于左、右导向套中；左、右导向套上分别设置了一个上下驱动单元，用于控制左、右腿沿导向套轴线作直线移动。

3.如权利要求2所述的台阶自适应行走装置，其特征在于所述行走装置还包括转向器（13），所述转向器（13）向中央控制单元（15）提供人工即时信号，包括方向控制信号与速度控制信号。

4.如权利要求2所述的台阶自适应行走装置，其特征在于所述修正连杆（126）两端的转动关节轴线均与主承载体基板（141）垂直，使修正连杆（126）和摆动横梁（122）的运动平面与主承载体基板（141）平行，而左、右腿的直线移动方向则垂直于主承载体基板（141）。

5.如权利要求2所述的台阶自适应行走装置，其特征在于所述行走组件的双腿上下均安装有极限检测装置。

6.如权利要求2所述的台阶自适应行走装置，其特征在于各行走组件（12）和主承载体（14）之间设置有防护装置。

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