半被動行走裝置及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種半被動行走裝置及其控制方法，包括行走機構、用于驅動行走機構行走的驅動裝置、用于收集行走機構行走數(shù)據的數(shù)據采集裝置以及為行走提供實時行走方案的主控裝置；本發(fā)明通過絲桿的上下移動解決了擺動腿腳擦地的問題。同時，驅動裝置由多電機為行走裝置提供動力，并通過同步帶輪機構帶動內外腿的擺動，從而實現(xiàn)行走；本發(fā)明具有結構簡單、設計精巧、行走穩(wěn)定的優(yōu)點，可廣泛應用于工業(yè)、救援、玩具、醫(yī)療等領域。
【專利說明】
半被動行走裝置及其控制方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及康復醫(yī)療，玩具，軍事應用領域，具體涉及一種半被動行走裝置及其控制方法?！颈尘凹夹g】
[0002]現(xiàn)今，機器人技術是世界各國研究的熱點，尤其是被動行走機器人的研究更是該領域的前沿科技。目前，國內外在被動行走機器人的研究上已經取得了不錯的成果，也研發(fā)出非常具有代表性的物理樣機原型。例如(DCornell大學研制的一款2D被動行走機器人 “突擊隊員(Ranger)”，通過巧妙旋轉踝關節(jié)解決行走擦地問題，該結構最大的不足是傳動結構復雜，不宜實際大規(guī)模推廣；(2)日本HONDA公司的ASM0,雖然具備完整的仿人形態(tài)，但是全主動式的機器人，其耗能很大，不適合實際應用；(3)荷蘭Delft大學從2002年以來開發(fā)了多款被動行走機器人，文章《Adding an upper body to passive dynamic walking robots by means of a bisecting hip mechanism》中介紹的半被動行走機器人Mike (2002年)，其雙腿膝關節(jié)有復雜的自鎖定結構，該結構最大的問題是腿部膝關節(jié)設計復雜。
【發(fā)明內容】

[0003]針對以上現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的是提供一種控制方便、結構簡單并且有效解決擺動腿擦地問題的半被動行走裝置及其控制方法。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的本發(fā)明采用如下技術方案:半被動行走裝置，包括行走機構、用于驅動行走機構行走的驅動裝置、用于收集行走機構行走數(shù)據的數(shù)據采集裝置，以及為行走提供實時行走方案的主控裝置，所述行走機構包括腿部和髖部，所述髖部包括支撐板、連接桿、直線軸承座A、直線軸承座B、控制塊和固定桿，所述腿部由一對內腿和一對外腿組成， 每條腿的頂端都固定連接絲桿，絲桿上設置有滑塊，所述內腿的上部與直線軸承座A固連， 外腿的上部與直線軸承座B固連，直線軸承座A通過連接件與直線軸承座B轉動連接，連接件穿過設置在直線軸承座A與直線軸承座B之間的支撐板，所述連接桿的兩端分別與一對固定在兩內腿上的直線軸承座A連接，控制塊設置于滑塊上方，控制塊與直線軸承座A和控制塊與直線軸承座B之間均設置有固定桿。
[0005]所述驅動裝置包括帶動外腿前后擺動的直流電機1、帶動內腿前后擺動的直流電機n、固定設置在控制塊上的直流電機m和電源，直流電機m的轉子上設置有齒輪，齒輪與設置在滑塊上的齒條配合。
[0006]所述數(shù)據采集裝置、主控裝置和電源設置在連接桿上。所述內腿和外腿為由彈性材料制成的中空的薄壁管狀結構。
[0007]具體地，所述內腿和外腿的下端設有足部，所述足部為圓弧形，足部與地面的接觸方式為線接觸。
[0008]所述數(shù)據采集裝置包括編碼器和陀螺儀，用編碼器采集內腿和外腿間的夾角小， 陀螺儀支撐腿與地面垂線間的夾角9。
[0009]基于上述裝置，本發(fā)明還提供了一種半被動行走裝置的控制方法，包括以下步驟: [〇〇1 〇] S1、連接好各裝置，并將內外腿叉開與地面成一定角度而處于靜態(tài)平衡狀態(tài);假設外腿作為擺動腿朝后放置，內腿作為支撐腿朝前放置。
[0011]S2、向主控裝置的微控制單元下載控制程序，接通電源，使行走裝置啟動。
[0012]S3、控制擺動腿的兩條直腿作同步擺動運動，及控制電機I順時針旋轉使擺動腿向前擺動離開地面，使得整體重心向前移動，同時，控制擺動腿的電機m順時針轉動，通過齒輪傳動機構使擺動腿向上伸長一定距離，完成前進起步。
[0013]S4、主控裝置實時處理編碼器和陀螺儀采集的數(shù)據，當擺動腿與支撐腿重合時，直流電機I和直流電機m卸載，即夾角巾和0都為0°時，完成半步前進行走。
[0014]S5、靠重力和慣性作用使支持腿向前做倒立擺，而擺動腿前擺下沉，使得整體重心向前移動，當擺動腿自然擺動到著地位置，支撐腿與擺動腿完成角色切換;其勢能轉換為前進動能，完成半步前進行走;在此過程中，擺動腿的直流電機m逆時針轉動，擺動腿還原為原有長度。
[0015]S6、控制電機n正向旋轉，內腿作為擺動腿向前擺動離開地面，使得整體重心向前移動，同時控制擺動腿的電機m順時針轉動，通過齒輪傳動機構使擺動腿向上伸長一定距離，完成前進起步。
[0016]S7、主控裝置實時處理編碼器和陀螺儀采集的數(shù)據，當擺動腿與支撐腿重合時，直流電機n和直流電機m卸載，即夾角巾和0都為0°時，完成半步前進行走。
[0017]S8、靠重力和慣性作用使支持腿向前做倒立擺，而擺動腿前擺下沉，使得整體重心向前移動，當擺動腿自然擺動到著地位置，支撐腿與擺動腿完成角色切換;其勢能轉換為前進動能，完成半步前進行走;在此過程中，擺動腿的直流電機m逆時針轉動，擺動腿還原為原有長度。
[0018]S9、不斷重復S3、S4、S5、S6、S7、S8步驟，行走器將持續(xù)向前行走。
[0019]本發(fā)明基于以上技術方案，具有以下有益技術效果:
[0020]1、本發(fā)明行走裝置通過絲桿與長直腿組合采用齒輪傳動機構帶動腿的上下移動解決了擺動腿擦地的問題。
[0021]2、本發(fā)明行走裝置的腿部采用直腿結構，減少關節(jié)連接和控制，具有良好的穩(wěn)定性，且長直腿為中空的薄壁管，使得腿部質量更小，能夠有效的降低能耗。
[0022]3、本發(fā)明行走裝置通過多電機為行走提供動力，并通過同步帶輪機構帶動外腿以及內腿的前后擺動，從而實現(xiàn)行走。本發(fā)明具有結構簡單、設計精巧、行走穩(wěn)定、腿部靈活的優(yōu)點，可廣泛應用于工業(yè)、救援、玩具、醫(yī)療等領域。
[0023]本發(fā)明的其他優(yōu)點、目標和特征在某種程度上將在隨后的【具體實施方式】中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發(fā)明的實踐中得到教導。本發(fā)明的目標和其他優(yōu)點可以通過下面的說明書來實現(xiàn)和獲得?！靖綀D說明】[〇〇24]為了使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中:
[0025]圖1為本發(fā)明結構不意圖；[〇〇26]圖2為本發(fā)明髖部結構示意圖；[〇〇27]圖3為本發(fā)明行走結構示意圖；[〇〇28]圖4位本發(fā)明局部結構示意圖；
[0029]其中，1、腿部；卜1、外腿；1-2、內腿；1-3、絲桿；卜4、滑塊;2、髖部；2-1、支撐板;2-2、連接桿;2-3、直線軸承座A; 2-4、直線軸承座B; 2-5、控制塊;2-6、固定桿;3、驅動裝置;3-1、直流電機1;3-2、直流電機11;3-3、直流電機111;3-4、齒輪;3-5、電源;4、數(shù)據采集裝置;5、主控裝置。【具體實施方式】
[0030]下面結合附圖給出一種非限定的實施例對本發(fā)明作進一步的闡述。但是應該理解，這些描述只是示例的，而非要限制本發(fā)明的范圍。此外，在以下說明中，省略的對公知結構和技術的描述，以避免不要混淆本發(fā)明的概念。[0031 ]如圖1、圖2、圖3和圖4所示，對于本發(fā)明的半被動行走裝置，為四足行走裝置，包括行走機構、用于驅動行走機構行走的驅動裝置3、用于收集行走機構行走數(shù)據的數(shù)據采集裝置4,以及為行走提供實時行走方案的主控裝置5,所述行走機構包括腿部1和髖部2,所述髖部2包括支撐板2-1、連接桿2-2、直線軸承座A2-3、直線軸承座B2-4、控制塊2-5和固定桿2-6,所述腿部1由一對內腿1-2和一對外腿1-1組成，每條腿的頂端都固定連接絲桿1-3,絲桿 1-3上設置有滑塊1-4,所述內腿1-2的上部與直線軸承座A2-3固連，外腿1-1的上部與直線軸承座B2-4固連，直線軸承座A2-3通過連接件與直線軸承座B2-4轉動連接，連接件穿過設置在直線軸承座A2-3與直線軸承座B2-4之間的支撐板2-1，所述連接桿2-2的兩端分別與一對固定在兩內腿上的直線軸承座A2-3連接，控制內外腿擺動幅度的控制塊2-5設置于滑塊 1-4上方，控制塊2-5與直線軸承座A2-3和控制塊2-5與直線軸承座B2-4之間均設置有固定桿 2-6〇
[0032]所述驅動裝置3包括帶動外腿前后擺動的直流電機13-1、帶動內腿前后擺動的直流電機113-2、固定設置在控制塊2-5上的直流電機III3-3和電機提供動力的電源3-5,直流電機III3-3的轉子上設置有齒輪3-4,齒輪3-4與設置在滑塊1-4上的齒條配合，通過齒輪傳動機構實現(xiàn)內外腿的上下伸縮移動。直流電機13-1和直流電機II 3-2固定設置在支撐板上。 所述數(shù)據采集裝置4、主控裝置5和電源3-5設置在連接桿2-2上。
[0033]本實施例中，所述腿部的下端設有足部，所述足部為圓弧形，所述足部與地面的接觸方式為線接觸，減少行走擺動過程中與地面的摩擦。
[0034]本實施例中，所述半被動行走裝置，所述主控裝置包括向行走器發(fā)出指令的微控制單元、用于驅動直流電機的驅動單元、用于為行走器提供豐富的擴展口的外圍接口單元以及用于控制行走器各裝置電壓的電源管理單元。
[0035]本實施例中，所述內腿和外腿以相互交替的方式切換成支撐腿和擺動腿。
[0036]本實施例中，所述數(shù)據采集裝置4包括編碼器和陀螺儀，用編碼器采集內腿和外腿間的夾角巾，陀螺儀支撐腿與地面垂線間的夾角9。
[0037]具體的，本發(fā)明的半被動行走裝置，包括行走機構、用于驅動行走機構行走的驅動裝置、用于收集行走機構行走數(shù)據的數(shù)據采集裝置以及為行走提供實時行走方案的主控裝置。本發(fā)明行走裝置通過絲桿與長直腿組合采用齒輪傳動機構帶動腿的上下移動解決了擺動腿擦地的問題。腿部采用直腿結構，減少關節(jié)連接和控制，具有良好的穩(wěn)定性，且長直腿為中空的薄壁管，使得腿部質量更小，能夠有效的降低能耗。該裝置通過多電機為行走提供動力，并通過同步帶輪機構帶動外腿以及內腿的前后擺動，從而實現(xiàn)行走。本發(fā)明具有結構簡單、設計精巧、行走穩(wěn)定、腿部靈活的優(yōu)點，可廣泛應用于工業(yè)、救援、玩具、醫(yī)療等領域。
[0038]本發(fā)明的另一具體實施例中，半被動行走裝置的行走控制方法，包括以下步驟:
[0039]S1、連接好各裝置，并將內外腿叉開與地面成一定角度而處于靜態(tài)平衡狀態(tài);假設外腿作為擺動腿朝后放置，內腿作為支撐腿朝前放置。
[0040]S2、向主控裝置的微控制單元下載控制程序，接通電源，使行走裝置啟動。
[0041]S3、控制擺動腿的兩條直腿作同步擺動運動，及控制電機I順時針旋轉使擺動腿向前擺動離開地面，使得整體重心向前移動，同時，控制擺動腿的電機m順時針轉動，通過齒輪傳動機構使擺動腿向上伸長一定距離，完成前進起步。
[0042]S4、主控裝置實時處理編碼器和陀螺儀采集的數(shù)據，當擺動腿與支撐腿重合時，直流電機I和直流電機m卸載，即夾角巾和0都為0°時，完成半步前進行走。
[0043]S5、靠重力和慣性作用使支持腿向前做倒立擺，而擺動腿前擺下沉，使得整體重心向前移動，當擺動腿自然擺動到著地位置，支撐腿與擺動腿完成角色切換;其勢能轉換為前進動能，完成半步前進行走;在此過程中，擺動腿的直流電機m逆時針轉動，擺動腿還原為原有長度。
[0044]S6、控制電機n正向旋轉，內腿作為擺動腿向前擺動離開地面，使得整體重心向前移動，同時控制擺動腿的電機m順時針轉動，通過齒輪傳動機構使擺動腿向上伸長一定距離，完成前進起步。
[0045]S7、主控裝置實時處理編碼器和陀螺儀采集的數(shù)據，當擺動腿與支撐腿重合時，直流電機n和直流電機m卸載，即夾角(i)和0都為0°時，完成半步前進行走。
[0046]S8、靠重力和慣性作用使支持腿向前做倒立擺，而擺動腿前擺下沉，使得整體重心向前移動，當擺動腿自然擺動到著地位置，支撐腿與擺動腿完成角色切換;其勢能轉換為前進動能，完成半步前進行走;在此過程中，擺動腿的直流電機m逆時針轉動，擺動腿還原為原有長度。
[0047]S9、不斷重復S3、S4、S5、S6、S7、S8步驟，行走器將持續(xù)向前行走。
[0048]在以上步驟中擺動腿的伸縮控制為，電機m順時針旋轉，通過齒輪傳動，滾珠絲桿的滑塊順時針轉，絲桿向上移動，即腿向上縮，電機m逆時針旋轉，通過齒輪傳動，滾珠絲桿的滑塊逆時針轉，絲桿向下移動，即腿向下伸。
【主權項】
1.半被動行走裝置，包括行走機構、用于驅動行走機構行走的驅動裝置(3)、用于收集 行走機構行走數(shù)據的數(shù)據采集裝置(4)，以及為行走提供實時行走方案的主控裝置(5)，所 述行走機構包括腿部(1)和髖部(2)，其特征在于:所述髖部(2)包括支撐板(2-1)、連接桿 (2-2)、直線軸承座A(2-3)、直線軸承座B(2-4)、控制塊(2-5)和固定桿(2-6)，所述腿部(1) 由一對內腿(1-2)和一對外腿(1-1)組成，每條腿的頂端都固定連接絲桿(1-3)，絲桿(1-3) 上設置有滑塊(1-4)，所述內腿(1-2)的上部與直線軸承座A(2-3)固連，外腿(1-1)的上部與 直線軸承座B(2-4)固連，直線軸承座A(2-3)通過連接件與直線軸承座B(2-4)轉動連接，連 接件穿過設置在直線軸承座A(2-3)與直線軸承座B(2-4)之間的支撐板(2-1)，所述連接桿 (2-2)的兩端分別與一對固定在兩內腿上的直線軸承座A(2-3)連接，控制塊(2-5)設置于滑 塊(1-4)上方，控制塊(2-5)與直線軸承座A(2-3)和控制塊(2-5)與直線軸承座B(2-4)之間 均設置有固定桿(2-6);所述驅動裝置(3)包括帶動外腿前后擺動的直流電機1(3-1)、帶動內腿前后擺動的直 流電機n (3-2)、固定設置在控制塊(2-5)上的直流電機m (3-3)和電源(3-5)，直流電機m (3-3)的轉子上設置有齒輪(3-4)，齒輪(3-4)與設置在滑塊(1-4)上的齒條配合；所述數(shù)據采集裝置(4 )、主控裝置(5)和電源(3-5)設置在連接桿(2-2)上。2.根據權利要求1所述半被動行走裝置，其特征在于:所述內腿(1-2)和外腿(1-1)為中 空的薄壁管狀結構。3.根據權利要求2所述半被動行走裝置，其特征在于:所述內腿(1-2)和外腿(1-1)由彈 性材料制成。4.根據權利要求1或2或3所述半被動行走裝置，其特征在于:所述內腿(1-2)和外腿(1-1)的下端設有足部，所述足部為圓弧形，足部與地面的接觸方式為線接觸。5.根據權利要求4所述半被動行走裝置，其特征在于:所述數(shù)據采集裝置(4)包括編碼 器和陀螺儀，用編碼器采集內腿(1-2)和外腿(1-1)間的夾角巾，陀螺儀支撐腿與地面垂線 間的夾角9。6.根據權利要求1-5任一項所述半被動行走裝置的控制方法，其特征在于，包括以下步 驟:S1、連接好各裝置，并將內外腿叉開與地面成一定角度而處于靜態(tài)平衡狀態(tài);假設外腿 作為擺動腿朝后放置，內腿作為支撐腿朝前放置；S2、向主控裝置的微控制單元下載控制程序，接通電源，使行走裝置啟動；S3、控制擺動腿的兩條直腿作同步擺動運動，及控制電機I順時針旋轉使擺動腿向前擺 動離開地面，使得整體重心向前移動，同時，控制擺動腿的電機m順時針轉動，通過齒輪傳 動機構使擺動腿向上伸長一定距離，完成前進起步；S4、主控裝置實時處理編碼器和陀螺儀采集的數(shù)據，當擺動腿與支撐腿重合時，直流電 機I和直流電機m卸載，即夾角(i)和0都為0°時，完成半步前進行走；S5、靠重力和慣性作用使支持腿向前做倒立擺，而擺動腿前擺下沉，使得整體重心向前 移動，當擺動腿自然擺動到著地位置，支撐腿與擺動腿完成角色切換;其勢能轉換為前進動 能，完成半步前進行走;在此過程中，擺動腿的直流電機m逆時針轉動，擺動腿還原為原有 長度；S6、控制電機n正向旋轉，內腿作為擺動腿向前擺動離開地面，使得整體重心向前移動，同時控制擺動腿的電機m順時針轉動，通過齒輪傳動機構使擺動腿向上伸長一定距離， 完成如進起步；S7、主控裝置實時處理編碼器和陀螺儀采集的數(shù)據，當擺動腿與支撐腿重合時，直流電 機n和直流電機m卸載，即夾角巾和0都為0°時，完成半步前進行走；S8、靠重力和慣性作用使支持腿向前做倒立擺，而擺動腿前擺下沉，使得整體重心向前 移動，當擺動腿自然擺動到著地位置，支撐腿與擺動腿完成角色切換;其勢能轉換為前進動 能，完成半步前進行走;在此過程中，擺動腿的直流電機m逆時針轉動，擺動腿還原為原有 長度；S9、不斷重復S3、S4、S5、S6、S7、S8步驟，行走器將持續(xù)向前行走。
【文檔編號】B62D57/032GK106080832SQ201610647729
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年8月9日 公開號201610647729.7, CN 106080832 A, CN 106080832A, CN 201610647729, CN-A-106080832, CN106080832 A, CN106080832A, CN201610647729, CN201610647729.7
【發(fā)明人】李清都, 延明珠, 楊芳艷, 周雪卿, 冷潔, 周園, 朱朋, 唐春茂
【申請人】重慶郵電大學