一种三维仿人行走器及其控制方法技术

本发明专利技术涉及一种三维仿人行走器及其控制方法，属于机器人技术领域。该行走器包括控制块、受控块、传动轴、左直腿、右直腿、足部结构；左直腿和右直腿之间通过传动轴相连；所述足部结构位于左直腿和右直腿的底部，每个足部结构包括后足和侧足，后足上设置有压力传感器；所述控制块固定在左(右)直腿上，包括电机、主控板、数据采集装置和电源；主控板根据数据采集装置和压力传感器传回的数据驱动电机为行走装置提供动力，所述电源为各耗能器件供电；所述受控块固定在右(左)直腿上，与控制块的位置对应设置，受控块上设置有一连接传动轴的凹槽，传动轴的凸起侧固定在受控块上的凹槽内，另一端固定在电机上，电机旋转力矩通过传统轴从控制块传导至受控块。本发明专利技术在腿足的康复医疗及玩具领域甚至军事领域上都有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于机器人
，涉及一种三维仿人行走器及其控制方法。
技术介绍
目前，机器人的研究在世界各国都是一个热点，尤其对拟人形态的双足行走机器人的研究更是如火如荼。目前已面世的双足行走装置在仿人行走上已取得了许多值得认可的成就，但是一般都还是存在一些缺陷，包括：1)并不是完全意义上的双足机器人，包括像Cornell大学的Ranger，它是用四只腿来实现单纯两腿的功能，只能算是二维意义上的行走；2)耗能太大，不适合实际应用，包括像日本HONDA公司的ASIMO，虽然具备完整的仿人形态，但是全主动式的机器人，耗能很大；3)虽然具备完整的双足行走形态，但足部过于宽大，没有很好的形态学上的拟人效果，并且装置结构过于复杂，如：荷兰Delft大学的Denise,MIT的Toddler等。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种三维仿人行走器及其控制方法，具体包括以下技术方案：一种三维仿人行走器，该行走器包括：控制块、受控块、传动轴、左直腿、右直腿、足部结构；所述左直腿和右直腿之间通过传动轴相连；所述足部结构位于左直腿和右直腿的底部，每个足部结构包括后足和侧足，后足上设置有压力传感器；所述控制块固定在左(右)直腿上，包括电机、主控板、数据采集装置和电源；主控板根据数据采集装置和压力传感器传回的数据驱动电机为行走装置提供动力，所述电源为各耗能器件供电；所述受控块固定在右(左)直腿上，与控制块的位置对应设置，受控块上设置有一连接传动轴的凹槽，传动轴的凸起侧固定在受控块上的凹槽内，另一端固定在电机上，电机旋转力矩通过传统轴从控制块传导至受控块。进一步，所述左直腿和右直腿底端为中空部，中空部内安装有蓄能簧，蓄能簧上端固定在直腿上，所述蓄能簧在后足触地时起缓冲作用并储存能量，在后足腿摆到固定位置时释放能量；所述足部结构包括后足和侧足，后足包括左后足和右后足，后足上端下限位部卡在直腿中空部并与蓄能簧下端固定连接，下限位部可在中空部上下滑动，后足底端为弧形片足，弧形片足内有压力传感器，侧足分为左侧足和右侧足，每个侧足包括支撑杆和弧形片两部分；所述后足弧形片与侧足弧形片具有相同的弧度并与行走装置前进的方向成夹角α。进一步，所述主控板控制电机旋转速度及时间；所述数据采集装置包括设置在电机上的编码器和设置在后足底侧的触地传感器组；所述编码器用于采集两直腿间的夹角数据；所述触地传感器组用于检测后足是否触地。一种三维仿人行走器的控制方法，在该方法中，行走器在运动过程支撑腿包含左后足支撑、左复合支撑、右后足支撑、右复合支撑、三足支撑五个状态；所述左(右)后足支撑为运动过程中只有左(右)后足与地面接触对机构起到支撑作用；所述左(右)复合支撑为运动过程中左(右)后足和左(右)侧足同时对机构起到支撑作用；所述三足支撑为摆动腿切换为支撑腿的瞬间，左(右)后足和左(右)侧足和右(左)后足同时接触地面并对身体起到支撑作用；设备处于左(右)后足支撑时左(右)蓄能簧储备能量直到进入左(右)复合支撑状态后左(右)蓄能簧释放能量。进一步，所述腿部支撑时前向摆动离开平衡位置的角度最大为θ，腿部支撑时侧向摆动离开平衡位置的角度最大为β，则双腿摆动夹角φ＝2θ；所述平衡位置为行走器直腿铅直状态。进一步，该控制方法具体包括以下步骤：a)连接好装置，向主控板上的控制芯片下载控制程序，接通电源，装置启动；b)给装置左(右)侧腿一个沿左(右)后足方向的初始速度，这时左(右)腿为支撑腿并沿足部底曲面方向运动；β沿左(右)方向变大，右(左)足部离开地面，右(左)腿变为摆动腿；c)主控板驱动电机提供使双腿摆动力矩，右(左)侧腿为摆动腿；在电机提供的力矩下摆动，装置往支撑腿一侧的倾斜角度逐渐增大，在双腿平行即编码器采取角度值为零时，β绝对值达到最大；d)右(左)侧腿继续摆动，β开始逐渐变小直到右(左)侧触地传感器组被触发变为零，这时双腿夹角最大；右(左)侧腿切换为支撑腿，左(右)侧腿变为摆动腿；e)装置沿右(左)足曲面方向运动；f)重复过程c)到d)。本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供的一种行走效率比较高的半被动行走装置，该行走装置具备完整的双足行走形态，并且装置很简洁，很巧妙，以一种全新的足部设计解决了行走时的侧向平衡问题，且不需要膝盖，利用了被动行走的自稳定，步态自然的动力学特性，控制方式也比较简单。该装置在腿足的康复医疗上，玩具领域上都有相当大的应用前景，甚至在军事应用上也是有很有价值的潜在应用的。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为本专利技术的传动轴示意图；图3为本专利技术的后足示意图；图4为本专利技术的侧足示意图；图5为装置的行走步态示意图；其中，1-控制块；2-受控块；3-传动轴；4-直腿；5-后足；6-侧足；7-中空部；8-蓄能簧；31-凸起侧；32-电机侧；51-后片足；52-轴杆；53-下限位部；54-上限位部；55-压力传感器；61-侧片足；62-支撑杆。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。如图1、2、3、4所示，本专利技术提供的三维仿人行走器包括：控制块1、受控块2、传动轴3、直腿4、足部5,6；所述控制块1包括电机、主控板、数据采集装置、电源，其固定在左(右)直腿4上，主控板根据数据采集装置和压力传感器数据驱动电机为行走装置提供动力，电源为各耗能器件供电；所述受控块2固定在右(左)直腿4上，其上有一连接传动轴的凹槽；所述传动轴凸起侧31固定在受控块上凹槽内，电机侧32固定在电机上；所述直腿4包括左直腿和右直腿，左侧直腿顶部固定在受控块2上、右直腿顶部固定在控制块1上，两腿底端为中空部7，中空部内蓄能簧8上端固定在直腿上；所述足部包括后足5和侧足6，后足包括左后足和右后足，后足上端下限位部53卡在直腿中空部并与蓄能簧8下端固定连接，上限位部54可在中空部上下滑动，下限位部53和上限位部54之间是轴杆52；后足底端为后片足51，后片足内有压力传感器55；每个侧足包括支撑杆62和弧形片61两部分。在本实施例中，所述足部为窄弧形足部，左后足和右后足之间呈外八字形，左侧足和右侧足与左后足右后足保持平行状态；腿部为直腿部，不需要膝盖，可以减少足部控制，利用足部的自稳定等方法实现装置自然节能。足部与行走装置前进方向成α度夹角，一般而言α应大于0度且不应大于45度，前提是应确保装本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三维仿人行走器，其特征在于：该行走器包括：控制块、受控块、传动轴、左直腿、右直腿、足部结构；所述左直腿和右直腿之间通过传动轴相连；所述足部结构位于左直腿和右直腿的底部，每个足部结构包括后足和侧足，后足上设置有压力传感器；所述控制块固定在左(右)直腿上，包括电机、主控板、数据采集装置和电源；主控板根据数据采集装置和压力传感器传回的数据驱动电机为行走装置提供动力，所述电源为各耗能器件供电；所述受控块固定在右(左)直腿上，与控制块的位置对应设置，受控块上设置有一连接传动轴的凹槽，传动轴的凸起侧固定在受控块上的凹槽内，另一端固定在电机上，电机旋转力矩通过传统轴从控制块传导至受控块。

【技术特征摘要】
1.一种三维仿人行走器，其特征在于：该行走器包括：控制块、受控块、传动轴、左直
腿、右直腿、足部结构；
所述左直腿和右直腿之间通过传动轴相连；所述足部结构位于左直腿和右直腿的底部，每
个足部结构包括后足和侧足，后足上设置有压力传感器；所述控制块固定在左(右)直腿上，
包括电机、主控板、数据采集装置和电源；主控板根据数据采集装置和压力传感器传回的数
据驱动电机为行走装置提供动力，所述电源为各耗能器件供电；
所述受控块固定在右(左)直腿上，与控制块的位置对应设置，受控块上设置有一连接传
动轴的凹槽，传动轴的凸起侧固定在受控块上的凹槽内，另一端固定在电机上，电机旋转力
矩通过传统轴从控制块传导至受控块。
2.根据权利要求1所述的一种三维仿人行走器，其特征在于：所述左直腿和右直腿底端
为中空部，中空部内安装有蓄能簧，蓄能簧上端固定在直腿上，所述蓄能簧在后足触地时起
缓冲作用并储存能量，在后足腿摆到固定位置时释放能量；所述足部结构包括后足和侧足，
后足包括左后足和右后足，后足上端下限位部卡在直腿中空部并与蓄能簧下端固定连接，下
限位部可在中空部上下滑动，后足底端为弧形片足，弧形片足内有压力传感器，侧足分为左
侧足和右侧足，每个侧足包括支撑杆和弧形片两部分；所述后足弧形片与侧足弧形片具有相
同的弧度并与行走装置前进的方向成夹角α。
3.根据权利要求1所述的一种三维仿人行走器，其特征在于：所述主控板控制电机旋转
速度及时间；所述数据采集装置包括设置在电机上的编码器和设置在后足底侧的触地传感器
组；所述编码器用于采集两直腿间的夹角数据；所述触地传感器组用于检测后足是否触地。
4.权利要求1至3中任一项所述的三维仿人行走器的控制方法，其特征在于：在该方法
...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊诗琪，李清都，刘国栋，蔡浩，樊锁钟，金雪亮，唐春茂，冷洁，延明珠，周雪卿，朱朋，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆;85