由單電機驅(qū)動的半被動行走器及其行走控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于被動行走機器人領(lǐng)域，具體涉及一種由單電機驅(qū)動的半被動行走器及其行走控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對于機器人的研究一直是國內(nèi)外科技研究的熱點，其中被動行走機器人以其結(jié)構(gòu)和控制簡單，步態(tài)自然，節(jié)能和在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中具有更好的移動能力等特點引起廣大學者的極大關(guān)注。目前國內(nèi)外被動行走機器人的研究都取得了一定成果，如Cornell大學的Ranger、MIT的Mike和Delft大學的Leo等。但是這些已有的的被動行走模型仍然避免不了擺動腿擦地的問題，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，能耗較高；并且這些被動行走模型都是靠多電機驅(qū)動，控制困難，穩(wěn)定性差。因此研究一種結(jié)構(gòu)簡單，控制方便的半被動行走器十分必要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]有鑒于此，本發(fā)明的目的是提供一種由單電機進行驅(qū)動的半被動行走器，除了能夠在平面、斜面穩(wěn)定行走外，其足部使用點觸地方式，還能完美的解決擺動腿擦地的問題，具有結(jié)構(gòu)簡單，能耗更低的優(yōu)點，而實際運用中有著更廣的空間。
[0004]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的:
[0005]由單電機驅(qū)動的半被動行走器，包括行走機構(gòu)、用于驅(qū)動行走機構(gòu)行走的驅(qū)動裝置、用于收集行走機構(gòu)行走數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集裝置以及用于為行走機構(gòu)提供實時行走方案的主控裝置；
[0006]所述行走機構(gòu)包括腿部和髖部；所述腿部包括兩條長直腿組成的內(nèi)腿和兩條長直腿組成的外腿；所述內(nèi)腿和外腿通過曲軸連接，所述曲軸包括一段長軸、兩段中軸和兩段短軸；所述髖部包括用于承載驅(qū)動裝置、采集裝置以及主控裝置的支撐板、用于支撐曲軸的支架以及用于限制外腿擺動幅度的搖塊；所述支撐板上還對稱開設(shè)有用于限制內(nèi)腿擺動幅度的兩個通孔；所述搖塊可轉(zhuǎn)動的設(shè)于支架內(nèi)；所述長軸可轉(zhuǎn)動的設(shè)于支架內(nèi)，所述短軸可轉(zhuǎn)動的設(shè)于支架內(nèi)，所述長軸和短軸在同一水平中心線上，所述中軸通過兩端設(shè)有的搖桿分別與長軸和短軸連接；所述內(nèi)腿可轉(zhuǎn)動的設(shè)置在中軸上并穿過支撐板上的通孔與地面接觸；所述外腿通過搖桿可轉(zhuǎn)動的設(shè)置在短軸上并穿過搖塊與地面接觸；
[0007]所述驅(qū)動裝置包括電機以及用于向電機提供動力的電源，所述電機通過支架固定安裝在支撐板的下方，所述電源固定在支撐板的上方；所述電機通過同步帶輪機構(gòu)與長軸鏈接。
[0008]進一步，所述長直腿為中空的薄壁管，且由彈性材料制成。
[0009]進一步，所述長直腿的下端固定設(shè)有足部，所述足部為四個完全相同的倒三角柱，所述倒三角柱與地面線接觸設(shè)置。
[0010]進一步，所述數(shù)據(jù)采集裝置包括用于采集內(nèi)外直腿之間的夾角的編碼器和和設(shè)于足部用于感應(yīng)地面情況的觸地傳感器。
[0011]進一步，所述主控裝置包括用于向行走器發(fā)出指令的微控制單元、用于驅(qū)動電機和舵機轉(zhuǎn)動的驅(qū)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。
[0012]進一步，所述電源為蓄電池，所述電源還為數(shù)據(jù)采集裝置和主控裝置提供動力。
[0013]進一步，所述內(nèi)腿和外腿通過驅(qū)動裝置的作用以相互交替的方式切換成支撐腿和搖動腿。
[0014]進一步，所述內(nèi)腿與外腿間的夾角為數(shù)值Φ，所述支撐腿與地面垂線間的夾角為數(shù)值Θ。
[0015]進一步，一種由單電機驅(qū)動的半被動行走器行走控制的方法，包括如下步驟:
[0016]SI連接好各裝置，并將內(nèi)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(shè)內(nèi)腿朝前放置作為前腿，外腿超后放置作為后退；
[0017]S2向主控裝置的微控制單元下載控制程序，接通電源，使行走器啟動；
[0018]S3控制電機反向旋轉(zhuǎn)，帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，使其前腿作為支撐腿向前做倒立擺，而后腿作為擺動腿蹬地前擺上升，使得整體重心向前移動，完成前進起步；
[0019]S4主控裝置實時處理編碼器和陀螺儀采集的數(shù)據(jù)，當擺動腿與支撐腿重合時，電機卸載，即夾角Φ和Θ都為0°時，完成半步前進行走；
[0020]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(zhuǎn)換為前進動能，完成半步前進行走；
[0021]S6不斷重復(fù)S3、S4、S5步驟，行走器將持續(xù)向前行走；
[0022]S7反之，在步驟S3中，控制電機正向旋轉(zhuǎn)，使其后腿作為支撐腿向后做倒立擺，而前腿作為擺動腿蹬地回擺上升，使得整體重心向后移動，完成后退起步；
[0023]S8主控裝置實時處理編碼器和陀螺儀采集的數(shù)據(jù)，當擺動腿與支撐腿重合時，電機卸載，即夾角Φ和Θ都為0°時，完成半步后退行走；
[0024]S9靠重力和慣性作用使支持腿向后做倒立擺，而擺動腿后擺下沉，使得整體重心向后移動，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(zhuǎn)換為后退動能，完成半步后退彳丁走；
[0025]SlO不斷重復(fù)S7、S8、S9步驟，行走器將持續(xù)向后行走。
[0026]本發(fā)明的優(yōu)點在于:
[0027]1、本發(fā)明被動行走器通過采用曲軸搖桿機構(gòu)的傳動方式解決了擺動腿擦地的問題。
[0028]2、本發(fā)明被動行走器通過采用單電機作為驅(qū)動裝置為行走器行走提供動力，并通過同步帶輪機構(gòu)轉(zhuǎn)動曲軸而帶動搖桿擺動，從而實現(xiàn)行走，具有結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。
[0029]3、本發(fā)明被動行走器的腿部采用長直腿結(jié)構(gòu)，減少關(guān)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(zhì)量更小，能夠有效的降低能耗。
[0030]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說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領(lǐng)域技術(shù)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(dǎo)。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。
【附圖說明】
[0031]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中:
[0032]圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖2為本發(fā)明的曲軸結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖3為本發(fā)明的仰視圖；
[0035]圖4為本發(fā)明的行走控制示意圖；
[0036]其中，1-髖部，11-支撐板，12-支架，13-搖塊；2_腿部，21-內(nèi)腿，22-外腿，23-足部；3-曲軸，31-長軸，32-中軸，33-短軸，34-搖桿；41-電機，42-同步帶輪機構(gòu)，43-電源；5-數(shù)據(jù)采集裝置。
【具體實施方式】
[0037]以下將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行詳細的描述；應(yīng)當理解，優(yōu)選實施例僅為了說明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍。
[0038]如圖1、2、3所示，由單電機驅(qū)動的半被動行走器，包括行走機構(gòu)、用于驅(qū)動行走機構(gòu)行走的驅(qū)動裝置、用于收集行走機構(gòu)行走數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集裝置5以及用于為行走機構(gòu)提供實時行走方案的主控裝置；所述行走機構(gòu)包括腿部2和髖部I ;所述腿部包括兩條長直腿組成的內(nèi)腿21和兩條長直腿組成的外腿22 ;所述內(nèi)腿和外腿通過曲軸3連接，所述曲軸包括一段長軸31、兩段中軸32和兩段短軸33 ;所述髖部包括用于承載驅(qū)動裝置、采集裝置以及主控裝置的支撐板11、用于支撐曲軸的支架12以及用于限制外腿擺動幅度的搖塊13 ；所述支撐板上還對稱開設(shè)有用于限制內(nèi)腿擺動幅度的兩個通孔；所述搖塊通過軸承可轉(zhuǎn)動的設(shè)于支架內(nèi)；所述長軸通過軸承可轉(zhuǎn)動的設(shè)于支架內(nèi)，所述短軸通過軸承可轉(zhuǎn)的動設(shè)于支架內(nèi)，所述長軸和短軸在同一水平中心線上，所述中軸通過兩端設(shè)有的搖桿34分別與長軸和短軸連接；所述內(nèi)腿通過軸承可轉(zhuǎn)動的設(shè)置在中軸上并穿過支撐板上的通孔與地面接觸；所述外腿通過搖桿34上的軸承可轉(zhuǎn)動的設(shè)置在短軸上并穿過搖塊與地面接觸；使得內(nèi)外腿在通孔和搖塊中只做擺動運動；所述驅(qū)動裝置包括電機41以及用于向電機提供動力的電源43，所述電機通過支架固定安裝在支撐板的下方，所述電源固定在支撐板的上方；所述電機通過同步帶輪機構(gòu)42與長軸鏈接；所述同步帶輪機構(gòu)為圓齒型同步帶輪，由固定設(shè)置在長軸上的圓齒帶輪以及連接帶輪與電機轉(zhuǎn)子的同步帶組成。
[0039]具體的，本發(fā)明的半被動行走器，包括行走機構(gòu)、驅(qū)動裝置、數(shù)據(jù)采集裝置和主控裝置，其機械結(jié)構(gòu)是由一個由曲柄搖桿機構(gòu)衍生來的雙搖塊導(dǎo)桿機構(gòu)；本發(fā)明被動行走器通過采用單電機作為驅(qū)動裝置為行走器行走提供動力，并通過同步帶轉(zhuǎn)動曲軸而帶動搖桿擺動，從而實現(xiàn)行走和解決了擺動腿擦地的問題，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便的優(yōu)點，同時，所述主控裝置分析數(shù)據(jù)采集裝置提供的數(shù)據(jù)為行走器提供實時的行走方案。
[0040]本實施例中，所述長