一種雙足帶上身的直腿行走器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及康復(fù)醫(yī)療、玩具、軍事應(yīng)用領(lǐng)域，具體是一種雙足帶上身的直腿行走 器。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，機器人的研宄在世界各國都是一個熱點，尤其對擬人形態(tài)的雙足行走機器 人的研宄更是如火如荼。目前已面世的雙足行走器在仿人行走上已取得了許多值得認可 的成就，但是一般都還是存在一些缺陷，例如（1)并不是完全意義上的雙足機器人，包括像 Cornell大學(xué)的Ranger，它是用四只腿來實現(xiàn)單純兩腿的功能，只能算是二維意義上的行 走；⑵耗能太大，不適合實際應(yīng)用，包括像日本HONDA公司的Asimo,雖然具備完整的仿人 形態(tài)，但是全主動式的機器人，耗能很大。（3)當(dāng)然也有具備比較完備的仿人形態(tài)的被動行 走裝置，但采用的是寬大的足部，并不能模擬人類行走過程的側(cè)向運動過程，因而也未能實 現(xiàn)完全類人的半被動行走。并且根據(jù)近期相關(guān)理論研宄發(fā)現(xiàn)：帶上身的被動行走器可以實 現(xiàn)零能耗步態(tài)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 鑒于現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明旨在提供一種有上身的且可以實現(xiàn)3D行走的半 被動行走器，該行走器可以實現(xiàn)比較完備意義上的擬人雙足行走，并且采用不需要膝蓋的 腿部系統(tǒng)，裝置很簡潔。
[0004] 為了實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種雙足帶上身的直腿行走器，包 括髖部與上身連接部分和髖部與腿足連接部分；所述髖部與上身連接部分包括上身，固定 在上身內(nèi)的主控電路板，分別與上身連接的髖部L和髖部R，髖部L和髖部R的內(nèi)部分別固 定設(shè)置控制髖部和足部擺動夾角的電機Ml和電機M2,以及彈簧系統(tǒng)L和簧系統(tǒng)R ;所述髖 部與腿足連接部分包括分別與髖部L和髖部R固定連接的腿部L和腿部R，腿部L和腿部R 的底端鉸接足部L和足部R，設(shè)置在髖部L和髖部R內(nèi)部控制足部L和足部R抬起與放下的 電機A和電機B，以及彈簧系統(tǒng)A和彈簧系統(tǒng)B。
[0005] 本發(fā)明的行走器的控制方法如下：行走器運動過程的每一步開始時，行走器往支 撐腿一側(cè)轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)動將觸發(fā)支撐腿一側(cè)的足部傳感器組足跟部的傳感器，傳感數(shù)據(jù)經(jīng)主 控電路板處理后反饋控制數(shù)據(jù)到擺動腿一側(cè)的足部控制電機，控制支撐腿一側(cè)的足部抬 起；當(dāng)沿支撐腿一側(cè)的轉(zhuǎn)動達到最大角度時后，觸發(fā)支撐腿一側(cè)的足部傳感器組足尖部的 傳感器，傳感數(shù)據(jù)經(jīng)主控電路板處理后反饋控制數(shù)據(jù)到擺動腿一側(cè)的足部控制電機，控制 支撐腿一側(cè)的足部放下。
[0006] 該裝置采用能量補償?shù)姆绞綄崿F(xiàn)半被動行走。裝置系統(tǒng)腿部是不需要膝蓋的直 腿，控制方法簡單；通過抬腳的方式解決了足地碰撞；裝置還能利用上身的擺動對行走器 步態(tài)產(chǎn)生影響，實現(xiàn)自然地節(jié)能行走。該裝置在理論上對被動行走具有指導(dǎo)意義，在實際 中可以用于在腿足的康復(fù)醫(yī)療上，玩具領(lǐng)域上都有相當(dāng)大的應(yīng)用前景，甚至在軍事應(yīng)用上 也是有很有價值的潛在應(yīng)用的。
【附圖說明】
[0007] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0008] 圖2是髖部與上身的連接示意圖；
[0009] 圖3是裝置行走方式一的行走流程圖；
[0010] 圖4是裝置行走方式一的行走過程示意圖；
[0011] 圖5是裝置行走方式二的行走流程圖；
[0012] 圖6是裝置行走方式二的行走過程示意圖；
[0013] 圖7是裝置的側(cè)向擺動過程示意圖；
[0014] 圖中：1-髖部與上身連接部分；2-髖部與腿足連接部分；3-上身；4-主控電路 板；5-髖部L ;6_髖部R ;7_電機Ml ;8_電機M2 ;9_彈簧系統(tǒng)L ; 10-簧系統(tǒng)R ; 11-腿部L ; 12-腿部R ; 13-足部L ; 14-足部R ; 15-電機A ; 16-電機B ; 17-彈簧系統(tǒng)A ; 18-彈簧系統(tǒng) B ; 19-傳感器組；20-編碼器；21-連接部件；22-圓柱塊；23-滾軸；24-電池組。
【具體實施方式】
[0015] 參見圖1和圖2,一種雙足帶上身的直腿行走器，包括髖部與上身連接部分1和髖 部與腿足連接部分2 ;所述髖部與上身連接部分1包括上身3,固定在上身3內(nèi)的主控電路 板4,分別與上身3連接的髖部L 5和髖部R 6,髖部L 5和髖部R 6的內(nèi)部分別固定設(shè)置 控制髖部和足部擺動夾角的電機M17和電機M28,以及彈簧系統(tǒng)L 9和簧系統(tǒng)R 10;所述髖 部與腿足連接部分2包括分別與髖部L 5和髖部R 6固定連接的腿部L 11和腿部R 12,腿 部L 11和腿部R 12的底端鉸接足部L 13和足部R 14,設(shè)置在髖部L 5和髖部R 6內(nèi)部控 制足部L13和足部R 14抬起與放下的電機A 15和電機B 16,以及彈簧系統(tǒng)A 17和彈簧系 統(tǒng) B 18。
[0016] 所述腿部L 11和腿部R 12為一對不需要膝蓋的直腿。
[0017] 所述足部L 13和足部R 14為一對用聯(lián)軸器接鉸接在腿部L 11和腿部R 12下端 的呈外八字形連接在腿部上的窄弧形足部，該足部的外形和連接方式可以解決裝置行走過 程中側(cè)向平衡的問題。
[0018] 所述彈簧系統(tǒng)A 17的兩條皮帶分別套接在電機A 15套有聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)子上和足部 L 13的聯(lián)軸器上，彈簧系統(tǒng)B 18的兩條皮帶分別套接在電機B 16套有聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)子上和 足部R 14的聯(lián)軸器上；彈簧系統(tǒng)A 17的兩端和彈簧系統(tǒng)B 18的兩端均分別通過固定夾固 定在腿部L 11和腿部R 12上某處（腿的上半部分某處和下半部分某處），固定位置應(yīng)確保 彈簧系統(tǒng)的所有彈簧均處于彈性限度內(nèi)的拉伸狀態(tài)。電機A(B)通過彈簧系統(tǒng)A(B)以皮帶 輪傳動的方式控制足部逐步抬起與放下，為了使控制有效，必須使彈簧系統(tǒng)A(B)的彈簧均 處于自然伸長狀態(tài)，以便電機A(B) -旦開始工作就可以通過皮帶帶動足部L(R)抬起與放 下。
[0019] 所述足部L 13和足部R 14的底端設(shè)置有傳感器組19,傳感器組19主要是壓力傳 感器。具體是在足部的弧形底面布置有鍵控式壓力傳感器，以便得到控制足部抬起與放下 的控制數(shù)據(jù)，使得位于上身的主控電路板4能通過這些傳感器組獲取控制擺動腿足部抬起 與放下的相關(guān)數(shù)據(jù)。
[0020] 所述電機M17和電機M28的定子定子與髖部L 5和髖部R 6的內(nèi)部面板固定，轉(zhuǎn) 子分別通過髖部L 5和髖部R 6框架的內(nèi)側(cè)壁上固定的滾軸23后與上身3中部的連接部 件21固定；彈簧系統(tǒng)L 9和簧系統(tǒng)R 10的皮帶分別套接在電機M17和電機M28的轉(zhuǎn)子上， 彈簧系統(tǒng)L 9和簧系統(tǒng)R 10分別與髖部L 5和髖部R 6框架的下側(cè)壁固定連接；髖部L 5 和髖部R 6外側(cè)壁由凸起的圓柱塊22與上身3外側(cè)的連接部件21上的滾軸23連接。
[0021] 電機M17和電機M28結(jié)合其上自帶的編碼器20和彈簧系統(tǒng)L(R)控制腿部L(R) 與上身之間的擺動夾角。電機Ml (M2)的轉(zhuǎn)軸通過軸承卡接上身3下端內(nèi)側(cè)靠近髖部L(R) 的連接部件，電機Ml (M2)的定子與髖部L(R)固定。彈簧系統(tǒng)L(R)兩端的彈簧下端與髖部 L(R)下側(cè)板固定，彈簧系統(tǒng)L(R)中間的皮帶套接電機Ml (M2)的轉(zhuǎn)子，從而實現(xiàn)上身與髖部 和腿部的擺動實現(xiàn)同步。
[0022] 所述上身3為一個下側(cè)具有四個連接部件21的匣子，外側(cè)的兩個連接部件21下 端固定設(shè)置有滾軸23,通過滾軸與髖部外側(cè)凸起的圓柱塊連接；內(nèi)側(cè)的兩個支腳分別與電 機Ml、M2的轉(zhuǎn)子固定；內(nèi)部安裝有主控電路板4和供電電池組24。
[0023] 所述主控電路板4是由一塊或幾塊電路板組成的提供裝置行走過程中傳感器信 號處理與控制信號發(fā)送的電路板。
[0024] 本實施例中的行走器的控制方法如下：行走器運動過程的每一步開始時，行走器 往支撐腿一側(cè)轉(zhuǎn)動，該轉(zhuǎn)動將觸發(fā)支撐腿一側(cè)的足部傳感器組足跟部的傳感器，傳感數(shù)據(jù) 經(jīng)主控電路板處理后反饋控制數(shù)據(jù)到擺動腿一側(cè)的足部控制電機，控制支撐腿一側(cè)的足部 抬起；當(dāng)沿支撐腿一側(cè)的轉(zhuǎn)動達到最大角度時后，觸發(fā)支撐腿一側(cè)的足部傳感器組足尖部 的傳感器，傳感數(shù)據(jù)經(jīng)主控電路板處理后反饋控制數(shù)據(jù)到擺動腿一側(cè)的足部控制電機，控 制支撐腿一側(cè)的足部放下。
[0025] 行走器的上身與髖部、腿部的兩種具體控制方式如下：
[0026] 方式一：擺動腿的電機反轉(zhuǎn)（定子轉(zhuǎn)動），驅(qū)動擺動腿和與擺動腿固定的髖部向 前擺動，同時支撐腿的電機正轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動）從而實現(xiàn)髖部與腿部運動的同時，上身相應(yīng) 擺動，同時利用支撐腿一側(cè)的上身與髖部的輔助調(diào)整彈簧系統(tǒng)使上身始終處于垂直于行走 面。
[0027] 方式二：擺動腿的電機反轉(zhuǎn)（定子轉(zhuǎn)動），驅(qū)動擺動腿和與擺動腿固定的髖部向前 擺動，同時支撐腿的電機正轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動）從而實現(xiàn)髖部與腿部運動的同時，上身相應(yīng)擺 動，同時利用支撐腿一側(cè)的上身與髖部的輔助調(diào)整彈簧系統(tǒng)，運動過程中上身與行走面垂 線夾角Θ，支撐腿與行走面垂線夾角