可屈膝运动的半被动行走机器人及控制方法技术

本发明专利技术公开了一种可屈膝运动的半被动行走机器人及控制方法，包括：外腿连杆、内腿连杆、限位杆、两根外腿、两根内腿、驱动装置和传动装置，内腿包括内腿上部和内腿下部，内腿上部的一端与内腿连杆连接，内腿上部的另一端和内腿下部的一端铰接，内腿上部的另一端设置有电磁装置，内腿下部的一端设置有与电磁装置配合的磁铁，电磁装置和磁铁被配置为控制内腿下部相对于内腿上部的一端转动。本发明专利技术能够以屈膝运动姿态实现行走。

【技术实现步骤摘要】
可屈膝运动的半被动行走机器人及控制方法
本专利技术涉及机器人
，具体涉及一种可屈膝运动的半被动行走机器人及控制方法。
技术介绍
被动动态行走的方法最早由McGeer提出，引发了各种关于人类行走的见解，并已产生了一些自然和有效的步行机。Mochon和Mcmahon对人类步行过程中的摆动阶段进行建模分析，在模型中假设下肢没有力矩作用，依据该模型计算得出的力与关节角度值和人类正常步行时吻合较好，只有竖直方向上地面反力不能很好地吻合。Basmajian等对人类步行时肌电信号的研究结果也证明了摆动阶段肌肉力矩较小，以足触地开始到下一次该足触地结束，在0～40％时间段内为单腿支撑期，40～60％时间段为双腿支撑期，60～100％时间段为摆动阶段，摆动阶段的肌电信号很弱，这为被动步行理论提供了仿生学依据。被动行走可以被视为一种结构简单，状态复杂的非线性系统，其中包括摆动腿的连续运动和支撑腿切换两种行为，分析该混杂系统的动力学行为可以得到稳定的行走步态。与传统的主动行走方式相比，被动行走通过结构创新设计及有效的主控装置，且无需对髋关节进行实时驱动控制，实现了超低能耗。随着技术的日益更新，机器人替代人类在复杂环境中作业成为了趋势。通过研发被动行走机器人能够有效实现让机器人代替人类在某些环境下作业的目的。然而由于现有的被动行走机器人无法屈膝，因而无法复杂环境中无法进行工作，如何在最简及Compass等被动行走模型上添加膝关节则成为被动行走领域中的一个重点。
技术实现思路
本专利技术目的是针对现有技术的不足，提供一种可屈膝运动的半被动行走机器人及控制方法，能够实现屈膝状态，可以适应复杂环境的要求，具有较为广泛的应用前景。所述技术方案如下：一方面，本专利技术实施例提供了一种可屈膝运动的半被动行走机器人，包括：外腿连杆、内腿连杆、限位杆、两根外腿、两根内腿、驱动装置和传动装置，所述外腿连杆与所述内腿连杆平行间隔布置，两根所述外腿的一端分别固定连接在所述外腿连杆的两端，两根所述内腿的一端分别固定连接在所述内腿连杆的两端，所述限位杆的一端可转动地套装在所述外腿连杆上，所述限位杆的另一端可转动地套装在所述内腿连杆上，所述内腿包括内腿上部和内腿下部，所述内腿上部的一端与所述内腿连杆连接，所述内腿上部的另一端和所述内腿下部的一端铰接，所述内腿上部的另一端设置有电磁装置，所述内腿下部的一端设置有与电磁装置配合的磁铁，所述电磁装置和所述磁铁被配置为控制所述内腿下部相对于所述内腿上部的一端转动；所述传动装置包括主动齿轮、从动齿轮和齿套，所述主动齿轮和所述齿套均可转动地同轴套装在所述外腿连杆上，所述齿套和所述主动齿轮连接在一起，且所述齿套的外圈半径小于所述外腿连杆和所述内腿连杆之间的距离，所述从动齿轮同轴套装在所述内腿连杆上，所述从动齿轮和所述主动齿轮啮合；所述驱动装置固定在所述外腿连杆上，所述驱动装置被配置为控制所述齿套转动。在本专利技术的一种实现方式中，所述驱动装置包括电机和驱动齿轮，所述电机固定安装在所述外腿连杆上，所述驱动齿轮同轴固定在所述电机的输出轴上，所述驱动齿轮与所述齿套啮合。在本专利技术的一种实现方式中，所述外腿连杆上套装有两个限位卡簧，所述主动齿轮和所述齿套均位于两个所述限位卡簧之间。在本专利技术的一种实现方式中，所述限位杆包括限位主体和两个限位转子，两个所述限位转子间隔转动安装在所述限位主体上，一个所述限位转子固定套装在所述外腿连杆上，另一个所述限位转子固定套装在所述内腿连杆上。在本专利技术的一种实现方式中，所述限位主体为弹性件。在本专利技术的一种实现方式中，所述内腿上部的一端设置有固定孔，所述内腿连杆固定插装在所述固定孔中。在本专利技术的一种实现方式中，所述内腿上部的另一端设置有关节轴，所述内腿下部的一端设置有关节孔，所述关节轴可转动地插装在所述关节孔中。在本专利技术的一种实现方式中，所述电磁装置固定在所述内腿上部的另一端，所述关节轴位于所述电磁装置和所述固定孔之间，所述磁铁固定在所述内腿下部的一端，当所述电磁装置和所述磁铁吸合在一起时，所述内腿上部和所述内腿下部同轴布置。在本专利技术的一种实现方式中，所述磁铁为永磁铁，所述电磁装置用于选择性地将磁场的S、N两极朝向所述磁铁。另一方面，本专利技术实施例提供了一种半被动行走机器人的控制方法，所述控制方法适用于上述半被动行走机器人，所述方法包括：将所述半被动行走机器人摆放至初始状态，所述初始状态为所述限位杆水平布置，所述电磁装置和所述磁铁吸合在一起，且在前进方向上，所述内腿位于所述外腿的前方；驱动所述主动齿轮逆时针旋转，使得所述外腿连杆以所述限位杆为半径绕所述内腿连杆转动，直至所述半被动行走机器人处于中间状态，所述中间状态为所述限位杆水平布置，所述电磁装置和所述磁铁吸合在一起，且在前进方向上，所述外腿位于所述内腿的前方；控制所述电磁装置和所述磁铁相斥分离，且驱动所述主动齿轮顺时针旋转，使得所述内腿连杆以所述限位杆为半径绕所述外腿连杆转动，直至所述半被动行走机器人处于所述初始状态。本专利技术实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本专利技术实施例提供的一种可屈膝运动的半被动行走机器人，通过电磁装置和磁铁的布置，当电磁装置和磁铁吸合在一起时，内腿上部和内腿下部同轴竖直布置，即内腿绷直。当电磁装置和磁铁装置相斥分离时，内腿上部和内腿下部弯折，即内腿屈膝。也就是说，本申请所提供的半被动行走机器人，实现了被动机器人的屈膝运动，有效地克服了最简及Compass模型机器人受地形限制工作的问题。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例提供的半被动行走机器人的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的内腿上部的结构示意图；图3为本专利技术实施例提供的内腿下部的结构示意图；图4为本专利技术实施例提供的半被动行走机器人的初始状态示意图；图5为本专利技术实施例提供的半被动行走机器人的中间状态示意图；图6为本专利技术实施例提供的半被动行走机器人的行走状态示意图；图7为本专利技术实施例提供的半被动行走机器人的行走过程示意图；图8为本专利技术实施例提供的限位杆的结构示意图；图中各符号表示含义如下：1-外腿连杆，11-限位卡簧，2-内腿连杆，3-限位杆，31-限位主体，32-限位转子，4-外腿，5-内腿，51-内腿上部，511-电磁装置，512-固定孔，513-关节轴，52-内腿下部，521-磁铁，522-关节孔，6-驱动装置，61-电机，62-驱动齿轮，7-传动装置，71-主动齿轮，72-从动齿轮，73-齿套。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本专利技术实施方式作进一步地详细描述。本专利技术实施例提供了一种可屈膝运动的半被动行走机器人及控制方法。被动机器人指的是仅依靠重力来被动地转动机器人各关节，从而实现机器人的行走。而半被动机器人则指的是通过提供机械能，实现机器人部分关节之间的转动，其余部分关节的转动通过重力来被动实现。图1是本专利技术实施例所提供的半被动行走机器人的结构示意图，结合图1，在本实施例中，该半被动行走机器人包括：外腿连杆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可屈膝运动的半被动行走机器人，包括：外腿连杆、内腿连杆、限位杆、两根外腿、两根内腿、驱动装置和传动装置，所述外腿连杆与所述内腿连杆平行间隔布置，两根所述外腿的一端分别固定连接在所述外腿连杆的两端，两根所述内腿的一端分别固定连接在所述内腿连杆的两端，其特征在于，所述限位杆的一端可转动地套装在所述外腿连杆上，所述限位杆的另一端可转动地套装在所述内腿连杆上；所述内腿包括内腿上部和内腿下部，所述内腿上部的一端与所述内腿连杆连接，所述内腿上部的另一端和所述内腿下部的一端铰接，所述内腿上部的另一端设置有电磁装置，所述内腿下部的一端设置有与电磁装置配合的磁铁，所述电磁装置和所述磁铁被配置为控制所述内腿下部相对于所述内腿上部的一端转动；所述传动装置包括主动齿轮、从动齿轮和齿套，所述主动齿轮和所述齿套均可转动地同轴套装在所述外腿连杆上，所述齿套和所述主动齿轮连接在一起，且所述齿套的外圈半径小于所述外腿连杆和所述内腿连杆之间的距离，所述从动齿轮同轴套装在所述内腿连杆上，所述从动齿轮和所述主动齿轮啮合；所述驱动装置固定在所述外腿连杆上，所述驱动装置被配置为控制所述齿套转动。

【技术特征摘要】
1.一种可屈膝运动的半被动行走机器人，包括：外腿连杆、内腿连杆、限位杆、两根外腿、两根内腿、驱动装置和传动装置，所述外腿连杆与所述内腿连杆平行间隔布置，两根所述外腿的一端分别固定连接在所述外腿连杆的两端，两根所述内腿的一端分别固定连接在所述内腿连杆的两端，其特征在于，所述限位杆的一端可转动地套装在所述外腿连杆上，所述限位杆的另一端可转动地套装在所述内腿连杆上；所述内腿包括内腿上部和内腿下部，所述内腿上部的一端与所述内腿连杆连接，所述内腿上部的另一端和所述内腿下部的一端铰接，所述内腿上部的另一端设置有电磁装置，所述内腿下部的一端设置有与电磁装置配合的磁铁，所述电磁装置和所述磁铁被配置为控制所述内腿下部相对于所述内腿上部的一端转动；所述传动装置包括主动齿轮、从动齿轮和齿套，所述主动齿轮和所述齿套均可转动地同轴套装在所述外腿连杆上，所述齿套和所述主动齿轮连接在一起，且所述齿套的外圈半径小于所述外腿连杆和所述内腿连杆之间的距离，所述从动齿轮同轴套装在所述内腿连杆上，所述从动齿轮和所述主动齿轮啮合；所述驱动装置固定在所述外腿连杆上，所述驱动装置被配置为控制所述齿套转动。2.根据权利要求1所述的半被动行走机器人，其特征在于，所述驱动装置包括电机和驱动齿轮，所述电机固定安装在所述外腿连杆上，所述驱动齿轮同轴固定在所述电机的输出轴上，所述驱动齿轮与所述齿套啮合。3.根据权利要求1所述的半被动行走机器人，其特征在于，所述外腿连杆上套装有两个限位卡簧，所述主动齿轮和所述齿套均位于两个所述限位卡簧之间。4.根据权利要求1所述的半被动行走机器人，其特征在于，所述限位杆包括限位主体和两个限位转子，两个所述限位转子间隔转动安装在所述限位主体上，一个所述限位转子固...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊诗琪，孙永波，吴向成，李鹏，罗会容，齐卉，
申请(专利权)人：江汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42