一种欠驱动行走装置及其转弯控制方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种欠驱动行走装置及其转弯控制方法，该装置包括由内侧腿和外侧腿组成的腿部，内侧腿与外侧腿通过曲轴连接；内侧腿可转动的设置在内横轴上，两根外侧腿分别可转动的设置在两端的外横轴上；升降髋关节固定在上体平台左侧或右侧，包括滑块、螺杆电机和滑轨，所述滑块中心带有螺纹，中间穿过螺杆，所述螺杆与固定在上体平台上的螺杆电机轴连接；固定髋关节固定在上体平台右侧或左侧，上体平台上有四个支架，中间两个支架支撑在中轴两端，所述中轴可转动地穿过平台内侧两个支架上，所述支撑短轴可转动地穿过平台外侧支架，所述螺杆电机分别位于左侧或右侧两支架中间下方位置，与平台固定连接。本装置的功耗低、结构简单、稳定性强，同时，通过简单的控制实现了灵活转弯。

【技术实现步骤摘要】
一种欠驱动行走装置及其转弯控制方法
本专利技术属于机器人
，涉及一种欠驱动行走装置及其转弯控制方法。
技术介绍
行走作为仿人机器人基本功能，有着重要的研究意义。传统主动行走方式，基于ZMP理论，通过精确控制关节角度，调整身体姿态来模仿人的行走，虽相对易于实现，但步伐沉重，能耗过大。以日本Honda的Asimo为代表的最先进的仿人机器人，行走能量消耗率超出人的10倍，导致电池数小时内快速耗尽，严重限制了工作时间、活动范围、载荷能力、使用寿命等重要指标。因此，行走能耗大是困扰机器人研究的关键难题，特别在电池容量多年未能显著突破的今天。而本专利技术设计超低能耗被动行走领域，通过对被动行走结构的创新设计以及有效的主控装置，实现欠驱动行走与转向，有效地克服了传统被动行走机器人脚擦地以及转向困难的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种欠驱动行走装置及其转弯控制方法，具体包括以下技术方案：一种欠驱动行走装置，包括由两个内侧腿和两个外侧腿组成的腿部，所述内侧腿与外侧腿通过曲轴连接，所述曲轴包括一段中轴、两个支撑短轴、两段内横轴和两端外横轴；所述内侧腿可转动的设置在内横轴上，所述两根外侧腿分别可转动的设置在两端的外横轴上；所述内、外腿上均设置有可在其上滑动的限位环；升降髋关节固定在上体平台左侧或右侧，包括滑块、螺杆电机和滑轨，所述滑块中心带有螺纹，中间穿过螺杆，所述螺杆与固定在上体平台上的螺杆电机轴连接；固定髋关节固定在上体平台右侧或左侧，包括一对平行的限位环；所述上体平台上有四个支架，中间两个支架支撑在中轴两端，所述中轴可转动地穿过平台内侧两个支架上，所述支撑短轴可转动地穿过平台外侧支架，所述螺杆电机分别位于左侧或右侧两支架中间下方位置，与平台固定连接，电机通过皮带与中长轴同步旋转，主控装置包括数据采集装置、驱动装置，所述主控装置实时处理数据采集装置的信息，通过驱动装置调节控制转弯装置实现转弯，以及控制传动电机实现行走的加减速；所述转弯装置由螺杆电机和滑动关节构成，通过升高滑动关节实现行走器右转或左转，降低滑动关节实现行走器左转或右转；所述电源为装置提供能量。进一步，所述腿部的下端设置有作为触地部分的脚部，所述脚部与地面点接触设置。进一步，所述腿部内外侧腿为四根相同的长直腿，其中，行走时，内侧腿或外侧腿中与地面接触的为支撑腿，离开地面的为摆动腿。进一步，所述固定髋关节位于升降髋关节的镜像位置，由两个设置可旋转的滑管组成。进一步，所述升降髋关节由螺杆电机和滑块支架组成，滑块支架连接限位环，所述腿部穿过限位环，所述滑块支架设置在平台右或左下方可随螺杆旋转上下滑动，升降髋关节可改变以关节为分界处上下腿长比例，向上滑动可达到最小比例值1:10，向下滑动可达到最大比例值为1:8，当升降滑块高度与固定髋关节高度一致时，比例值为1:9；滑块下降，比例值大于1:9时行走器右转；滑块上升，比例值小于1:9时行走器左转；滑块保持在1:9的高度时，行走器直行。本专利技术还提供了一种所述的欠驱动行走装置的转弯控制方法，包括前进后退控制方法和左转右转控制方法，前进后退控制方法包括以下步骤：a)连接好装置，打开电源，装置启动；b)电机顺时针(逆时针)旋转10°，上体重心前倾(后倾)；c)电机逆时针(顺时针)旋转，此时处于身体前方的腿为支撑腿，另一条为摆动腿；d)主控装置实时处理数据采集装置的信息，通过控制驱动装置调节升降髋关节的位置和传动电机的转速，保持行走器平稳前进；e)摆动腿达到目标角度，等待摆动腿触地；控制系统检测到电机反向脉冲时，确定此时摆动腿已触地，此时系统摆动腿与支撑腿完成切换动作；f)重复c)、d)和e)过程，完成持续前行或后退。左转右转控制方法包括以下步骤：a)行走器处于前行状态；b)摆动腿与支撑腿重合时，主控装置控制螺杆电机顺时针旋转，使滑块下降，关节处上下腿比例大于1:9小于1:8，左侧内外腿步距大于右侧步距，摆动腿落地后，行走器左侧位移大于右侧，从而实现右转，主控装置控制螺杆电机逆时针旋转，使滑块上升，关节处上下腿比例小于1:9大于1:10，左侧内外腿步距小于右侧步距，摆动腿落地后，行走器左侧位移小于右侧，从而实现左转；c)重复b)过程，使行走器持续转弯；d)主控装置控制螺杆电机使关节处上下腿比例恢复1:9，行走器恢复前行状态。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供的欠驱动行走装置的设计及其转弯控制方法，通过髋部结构实现行走过程中收腿动作，腿部为直腿，与地接触方式为点触式，降低了结构的复杂度，同时，通过改变单侧步长来实现转弯。附图说明为了使本专利技术的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本专利技术提供如下附图进行说明：图1为本专利技术的结构示意图；图2为曲轴机械结构示意图；图3为升降髋关节结构示意图；图4为转弯控制原理图；图5为整体示意图。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的优选实施例进行详细的描述。图1为本专利技术的结构示意图，图5为整体示意图，如图所示，本专利技术所述的装置包括两根内侧腿9和两个外侧腿8组成的腿部，所述内侧腿9与外侧腿8通过曲轴3连接，所述曲轴3包括一段中轴31、两个支撑短轴34、两段内横轴32和两端外横轴33；所述内侧腿9可转动的设置在内横轴32上，所述两根外侧腿8分别可转动的设置在两端的外横轴33上；所述内、外腿上均设置有可在其上滑动的限位环；所述升降髋关节4固定在上体平台左侧(右侧)，包括滑块44、螺杆电机42和滑轨41，所述滑块中心带有螺纹，中间穿过螺杆43，所述螺杆43与固定在上体平台上的螺杆电机轴42连接；所述固定髋关节2固定在上体平台右侧(左侧)，包括一对平行的限位环；所述上体平台上有四个支架1，中间两个支架支撑在中轴31两端，所述中轴31可转动地穿过平台内侧两个支架上，所述支撑短轴34可转动地穿过平台外侧支架，所述螺杆电机42分别位于左侧(右侧)两支架中间下方位置，与平台固定连接，电机7通过皮带与中长轴31同步旋转，所述主控装置6包括数据采集装置、驱动装置，所述主控装置实时处理数据采集装置的信息，通过驱动装置调节控制转弯装置实现转弯，以及控制传动电机7实现行走的加减速；所述电源5为装置提供能量；所述转弯结构由升降髋关节和固定髋关节构成，通过升高滑动关节实现行走器右转(左转)，降低滑动关节实现行走器左转(右转)。其中，所述腿部的下端设置有作为触地部分的脚部，所述脚部为四个完全相同的球体。所述腿部的内外侧腿为完全相同的长直腿，其中，行走时，内侧腿或者外侧腿中与地面接触的为支撑腿，离开地面的为摆动腿。图2为曲轴机械结构示意图，所述曲轴3、支架1以及升降关节4和限位环45共同构成髋部，所述髋部作为本行走装置的动作支撑部分，髋部上部通过曲轴3与腿部实现连接，曲轴可自由转动；髋部下部由左右不对称的并可沿垂直支架1方向自由旋转的升降关节4和限位环45组成；升降关节可受控实现升降，调节同侧步长从而实现转弯；腿穿过髋部限位环，并可上下自由滑动。图3为固定髋关节结构示意图。所述曲轴旋转半径为r，曲轴旋转角度为α，髋部上部质心质量为m，髋部下部质心质量为M；摆动腿与支撑腿夹角为φ，所述步长为d。图4为转弯控制原理图，所述行走器的前行(后退)方式分为以下几个步骤：a)连接好装置，打开电源，装置启动；b)电机顺时针(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种欠驱动行走装置，其特征在于：包括由两个内侧腿和两个外侧腿组成的腿部，所述内侧腿与外侧腿通过曲轴连接，所述曲轴包括一段中轴、两个支撑短轴、两段内横轴和两端外横轴；所述内侧腿可转动的设置在内横轴上，所述两根外侧腿分别可转动的设置在两端的外横轴上；所述内、外腿上均设置有可在其上滑动的限位环；所述升降髋关节固定在上体平台左侧或右侧，包括滑块、螺杆电机和滑轨，所述滑块中心带有螺纹，中间穿过螺杆，所述螺杆与固定在上体平台上的螺杆电机轴连接；所述固定髋关节固定在上体平台右侧或左侧，包括一对平行的限位环；所述上体平台上有四个支架，中间两个支架支撑在中轴两端，所述中轴可转动地穿过平台内侧两个支架上，所述支撑短轴可转动地穿过平台外侧支架，所述螺杆电机分别位于左侧或右侧两支架中间下方位置，与平台固定连接，所述电机通过皮带与中长轴同步旋转，所述主控装置包括数据采集装置、驱动装置和主控装置，所述主控装置实时处理数据采集装置的信息，通过驱动装置调节控制转弯装置实现转弯，以及控制传动电机实现行走的加减速；所述转弯结构由螺杆电机和滑动关节构成，通过升高滑动关节实现行走器右转或左转，降低滑动关节实现行走器左转或右转；所述电源为装置提供能量。...

【技术特征摘要】
1.一种欠驱动行走装置，其特征在于：包括由两个内侧腿和两个外侧腿组成的腿部，所述内侧腿与外侧腿通过曲轴连接，所述曲轴包括一段中轴、两个支撑短轴、两段内横轴和两端的外横轴；所述内侧腿可转动的设置在内横轴上，所述两根外侧腿分别可转动的设置在两端的外横轴上；所述内、外侧腿上均设置有可在其上滑动的限位环；升降髋关节固定在上体平台左侧，包括滑块、螺杆电机和滑轨，所述滑块中心带有螺纹，中间穿过螺杆，所述螺杆与固定在上体平台上的螺杆电机轴连接；固定髋关节固定在上体平台右侧，包括一对平行的限位环；所述上体平台上有四个支架，中间两个支架支撑在中轴两端，所述中轴可转动地穿过平台内侧两个支架上，所述支撑短轴可转动地穿过平台外侧支架，所述螺杆电机位于左侧两支架中间下方位置，与平台固定连接，电机通过皮带与中长轴同步旋转，主控装置包括数据采集装置、驱动装置，所述主控装置实时处理数据采集装置的信息，通过驱动装置调节控制转弯装置实现转弯，以及控制传动电机实现行走的加减速；所述转弯装置由螺杆电机和滑动关节构成，通过升高滑动关节实现行走器右转，降低滑动关节实现行走器左转；电源为装置提供能量；或升降髋关节固定在上体平台右侧，包括滑块、螺杆电机和滑轨，所述滑块中心带有螺纹，中间穿过螺杆，所述螺杆与固定在上体平台上的螺杆电机轴连接；固定髋关节固定在上体平台左侧，包括一对平行的限位环；所述上体平台上有四个支架，中间两个支架支撑在中轴两端，所述中轴可转动地穿过平台内侧两个支架上，所述支撑短轴可转动地穿过平台外侧支架，所述螺杆电机位于右侧两支架中间下方位置，与平台固定连接，电机通过皮带与中长轴同步旋转，主控装置包括数据采集装置、驱动装置，所述主控装置实时处理数据采集装置的信息，通过驱动装置调节控制转弯装置实现转弯，以及控制传动电机实现行走的加减速；所述转弯装置由螺杆电机和滑动关节构成，通过升高滑动关节实现行走器左转，降低滑动关节实现行走器右转；电源为装置提供能量。2.根据权利要求1所述的一种欠驱动行走装置，其特征在于：所述腿部的下端设置有作为触地部分的脚部，所述脚部与地面点接触设置。3.根据权利要求1所述的一种欠驱动行走装置，其特征在于：所述腿部内外侧腿为四根相同的长直腿，其中，行走时，内侧腿或外侧腿中与地面接触的为支撑腿，离开地面的为摆动腿。4.根据权利要求1所述的一种欠驱动行走装置，其特征在于：所述固定髋关节位于升降髋关节的镜像位置，由两个设置可旋转的滑...

【专利技术属性】
技术研发人员：李清都，刘国栋，樊锁钟，杨芳艳，熊诗琪，蔡浩，金雪亮，唐俊，刁建，李永，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85