欠驅(qū)動行走裝置及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種半被動行走技術(shù)，特別涉及一種欠驅(qū)動行走裝置及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)今，機(jī)器人技術(shù)是世界各國研宄的熱點，尤其是被動行走機(jī)器人的研宄更是該領(lǐng)域的前沿科技。目前，國內(nèi)外在半被動行走機(jī)器人的研宄上已經(jīng)取得了不錯的成果，研發(fā)出了各種樣機(jī)。如Cornell大學(xué)的Ranger機(jī)器人，作為目前世界上最成功的2D半被動行走器，行走能量效率已經(jīng)與人類行走非常接近。MIT的3D半被動行走機(jī)器人Toddler，足部設(shè)計使行走器可以通過左右搖擺避免擺動腿提前觸地，是目前最智能的被動行走器。國內(nèi)對被動行走器的研宄主要集中于對類似Ranger的二維被動行走器的研宄，并且研宄也主要是對模型的理論研宄。
[0003]然而，目前還沒有一種簡單的結(jié)構(gòu)應(yīng)用到2D被動行走以解決擺動腿擦地問題，旋轉(zhuǎn)膝關(guān)節(jié)或者踝關(guān)節(jié)都需要增加額外的自由度，會使模型變得更加復(fù)雜，相應(yīng)的物理樣機(jī)搭建及控制算法等都會增加難度。因此，設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單合理，控制方便的半被動行走器顯得尤為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種欠驅(qū)動行走裝置及其控制方法，能夠很好的解決機(jī)器人2D行走擺動腿擦地問題，行走步態(tài)自然，參數(shù)吸引域大，能耗低，在實際生活中有著很大的應(yīng)用空間。
[0005]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案:
[0006]一種欠驅(qū)動行走裝置，包括曲軸、平臺、支撐塊、髖部、腿部、控制裝置；
[0007]所述曲軸為腿部提供旋轉(zhuǎn)動力；所述支撐平臺為行走裝置提供支撐，其上固定有左右各兩個髖關(guān)節(jié)和控制裝置；所述髖部包括左髖部和右髖部，每個髖部通過曲軸搖桿連接內(nèi)外兩條直腿，每條直腿下端固定一個球形足部；所述控制裝置包括數(shù)據(jù)采集裝置、驅(qū)動裝置和主控裝置，所述主控裝置實時處理數(shù)據(jù)采集裝置獲取的信息，通過控制驅(qū)動裝置調(diào)節(jié)傳動電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
[0008]進(jìn)一步，所述曲軸分為左曲軸和右曲軸，其中左曲軸和右曲軸為完全對稱結(jié)構(gòu)；曲軸由中間傳動軸和兩側(cè)擺動軸組成；所述傳動軸兩端設(shè)置自由旋轉(zhuǎn)穿過左、右支撐體下側(cè)軸承；所述傳動軸中間固定傳動輪，通過皮帶與電機(jī)同步轉(zhuǎn)動；所述傳動軸通過搖柄與擺動軸固定連接；所述擺動軸一端與搖柄固定，另一端旋轉(zhuǎn)設(shè)置在緊固四通上；所述緊固四通由側(cè)孔和對孔組成，擺動軸穿過側(cè)孔內(nèi)軸承并可自由旋轉(zhuǎn)，腿部穿過對孔并緊固連接。
[0009]進(jìn)一步，所述髖部包括左髖部和右髖部，為完全對稱左右兩部分，左、右髖部為兩個固定在平臺上的支撐塊，所述支撐塊上部孔用于設(shè)置曲軸搖桿結(jié)構(gòu)，下部孔用于設(shè)置旋扭關(guān)節(jié)；所述旋扭關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)設(shè)置在支撐塊下側(cè)孔，限位孔設(shè)置腿的旋轉(zhuǎn)幅度。
[0010]進(jìn)一步，所述電機(jī)為單軸輸出電機(jī)，設(shè)置在左、右支撐體，電機(jī)軸上設(shè)置有固定的傳動輪，通過傳動帶將扭矩傳遞到曲軸。
[0011]進(jìn)一步，所述腿部為四條長直腿，其上部穿過旋扭關(guān)節(jié)直線軸承，可在其內(nèi)自由滑動，中上部穿過并固定在旋轉(zhuǎn)四通對孔上。
[0012]本發(fā)明還提供了一種控制上述欠驅(qū)動行走裝置的方法，包括以下步驟:
[0013]a)連接好裝置，打開電源，裝置啟動；
[0014]b)兩電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)10°，搖桿轉(zhuǎn)動10°，行走器重心前傾；
[0015]c)兩電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)，離開地面為擺動腿，另一為支撐腿，行走器上體圍繞支撐腿依靠上一步提供動量進(jìn)行倒立擺；
[0016]d)擺動腿向前擺動的過程中，主控裝置實時處理增量式編碼器、絕對式編碼器和陀螺儀采集的數(shù)據(jù)，通過陀螺儀計算上體加速度，從而調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快或減慢來降低或提高擺動速度使行走器平穩(wěn)；當(dāng)擺動腿與支撐腿重合時，主控裝置發(fā)出電機(jī)卸載指令，擺動腿自由擺；
[0017]e)當(dāng)電機(jī)檢測到反向脈沖時，說明擺動腿已觸地，這時擺動腿與支撐腿進(jìn)行切換，裝置繼續(xù)完成c)到d)動作步驟。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于:本發(fā)明提供的欠驅(qū)動的半被動行走裝置，通過髖部結(jié)構(gòu)實現(xiàn)行走過程中自動收腿，腿部為直腿，與地接觸方式為點觸式，降低結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度；該裝置結(jié)構(gòu)簡單，易用易造；同時，本裝置巧妙的解決2D行走擺動腿擦地問題，行走步態(tài)自然，參數(shù)吸引域大，能耗低，在實際生活中有著很大的應(yīng)用空間。
【附圖說明】
[0019]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明:
[0020]圖1為本發(fā)明的物理模型示意圖；
[0021]圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3為本發(fā)明的髖部示意圖；
[0023]圖4為裝置的行走示意圖；
[0024]其中，1、擺動裝置(11、旋轉(zhuǎn)搖桿；12、四通)；2、限位環(huán)(21、髖關(guān)節(jié)的限位環(huán)；22、髖關(guān)節(jié)支架)；3、外側(cè)腿；4、內(nèi)側(cè)腿；5、電源與控制裝置；6、電機(jī)及傳動裝置(61、電機(jī)；62、
傳動裝置)。
【具體實施方式】
[0025]下面將結(jié)合附圖，對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。
[0026]圖1為本發(fā)明的物理模型示意圖，如圖所示，所述髖部曲軸長度為d，曲軸旋轉(zhuǎn)半徑為r (用于改變腿部伸縮長度與行走步態(tài)大小)，曲軸旋轉(zhuǎn)角度為α，髖部上部質(zhì)心質(zhì)量為m，髖部下部質(zhì)心質(zhì)量為M ;擺動腿與支撐腿夾角為Φ，所述支撐腿與地面垂線夾角為Θ ;所述雙扭關(guān)節(jié)部扭簧彈性系數(shù)為k ;所述斜坡傾角為γ。
[0027]如圖2、3所示，整個裝置包括髖部(1、2)、腿部(3、4)、主控裝置(5)和傳動裝置
(6);所述髖關(guān)節(jié)支架(22)為被動行走裝置的支撐部分，用于固定驅(qū)動裝置及實現(xiàn)腿部的旋轉(zhuǎn)搖桿結(jié)構(gòu)，上部通過旋轉(zhuǎn)搖桿(11)使腿部其上部穿過旋