CN104973160B - 一种双足带上身的直腿行走器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双足带上身的直腿行走器，行走器主体由两部分组成，包括髋部与上身连接部分，髋部与腿足部连接部分。髋部与上身连接部分包括固定有装置主控板的上身，连接髋部与上身并控制腿与上身之间夹角的电机M1、M2和弹簧***R、L。髋部与腿足部连接部分包括与髋部固定连接的腿部，铰接在腿部底端的足部，控制足部抬起与放下的电机A、B，两端固定在腿部上中间通过皮带连接电机A和足部L、电机B和足部R的弹簧***A、B。装置还包括放置在各控制环节的传感器。采用能量补偿的方式实现半被动行走。装置腿部是不需要膝盖的直腿，控制方法简单；足地碰撞通过抬脚控制得到避免；还能利用上身对被动行走器步态的影响，实现自然地节能行走。

Description

一种双足带上身的直腿行走器

技术领域

本发明涉及康复医疗、玩具、军事应用领域，具体是一种双足带上身的直腿行走器。

背景技术

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器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，例如(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)当然也有具备比较完备的仿人形态的被动行走装置，但采用的是宽大的足部，并不能模拟人类行走过程的侧向运动过程，因而也未能实现完全类人的半被动行走。并且根据近期相关理论研究发现：带上身的被动行走器可以实现零能耗步态。

发明内容

鉴于现有技术中的不足，本发明旨在提供一种有上身的且可以实现3D行走的半被动行走器，该行走器可以实现比较完备意义上的拟人双足行走，并且采用不需要膝盖的腿部***，装置很简洁。

为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：一种双足带上身的直腿行走器，包括髋部与上身连接部分和髋部与腿足连接部分；所述髋部与上身连接部分包括上身，固定在上身内的主控电路板，分别与上身连接的髋部L和髋部R，髋部L和髋部R的内部分别固定设置控制髋部和足部摆动夹角的电机M1和电机M2，以及弹簧***L和簧***R；所述髋部与腿足连接部分包括分别与髋部L和髋部R固定连接的腿部L和腿部R，腿部L和腿部R的底端铰接足部L和足部R，设置在髋部L和髋部R内部控制足部L和足部R抬起与放下的电机A和电机B，以及弹簧***A和弹簧***B。

本发明的行走器的控制方法如下：行走器运动过程的每一步开始时，行走器往支撑腿一侧转动，该转动将触发支撑腿一侧的足部传感器组足跟部的传感器，传感数据经主控电路板处理后反馈控制数据到摆动腿一侧的足部控制电机，控制支撑腿一侧的足部抬起；当沿支撑腿一侧的转动达到最大角度时后，触发支撑腿一侧的足部传感器组足尖部的传感器，传感数据经主控电路板处理后反馈控制数据到摆动腿一侧的足部控制电机，控制支撑腿一侧的足部放下。

该装置采用能量补偿的方式实现半被动行走。装置***腿部是不需要膝盖的直腿，控制方法简单；通过抬脚的方式解决了足地碰撞；装置还能利用上身的摆动对行走器步态产生影响，实现自然地节能行走。该装置在理论上对被动行走具有指导意义,在实际中可以用于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

图1是本发明的结构示意图；

图2是髋部与上身的连接示意图；

图3是装置行走方式一的行走流程图；

图4是装置行走方式一的行走过程示意图；

图5是装置行走方式二的行走流程图；

图6是装置行走方式二的行走过程示意图；

图7是装置的侧向摆动过程示意图；

图中：1-髋部与上身连接部分；2-髋部与腿足连接部分；3-上身；4-主控电路板；5-髋部L；6-髋部R；7-电机M1；8-电机M2；9-弹簧***L；10-簧***R；11-腿部L；12-腿部R；13-足部L；14-足部R；15-电机A；16-电机B；17-弹簧***A；18-弹簧***B；19-传感器组；20-编码器；21-连接部件；22-圆柱块；23-滚轴；24-电池组。

具体实施方式

参见图1和图2，一种双足带上身的直腿行走器，包括髋部与上身连接部分1和髋部与腿足连接部分2；所述髋部与上身连接部分1包括上身3，固定在上身3内的主控电路板4，分别与上身3连接的髋部L 5和髋部R 6，髋部L 5和髋部R 6的内部分别固定设置控制髋部和足部摆动夹角的电机M17和电机M28，以及弹簧***L 9和簧***R 10；所述髋部与腿足连接部分2包括分别与髋部L 5和髋部R 6固定连接的腿部L 11和腿部R 12，腿部L 11和腿部R12的底端铰接足部L 13和足部R 14，设置在髋部L 5和髋部R 6内部控制足部L13和足部R14抬起与放下的电机A 15和电机B 16，以及弹簧***A 17和弹簧***B 18。

所述腿部L 11和腿部R 12为一对不需要膝盖的直腿。

所述足部L 13和足部R 14为一对用联轴器接铰接在腿部L 11和腿部R 12下端的呈外八字形连接在腿部上的窄弧形足部，该足部的外形和连接方式可以解决装置行走过程中侧向平衡的问题。

所述弹簧***A 17的两条皮带分别套接在电机A 15套有联轴器的转子上和足部L13的联轴器上，弹簧***B 18的两条皮带分别套接在电机B 16套有联轴器的转子上和足部R 14的联轴器上；弹簧***A 17的两端和弹簧***B 18的两端均分别通过固定夹固定在腿部L 11和腿部R 12上某处(腿的上半部分某处和下半部分某处)，固定位置应确保弹簧***的所有弹簧均处于弹性限度内的拉伸状态。电机A(B)通过弹簧***A(B)以皮带轮传动的方式控制足部逐步抬起与放下，为了使控制有效，必须使弹簧***A(B)的弹簧均处于自然伸长状态，以便电机A(B)一旦开始工作就可以通过皮带带动足部L(R)抬起与放下。

所述足部L 13和足部R 14的底端设置有传感器组19，传感器组19主要是压力传感器。具体是在足部的弧形底面布置有键控式压力传感器，以便得到控制足部抬起与放下的控制数据，使得位于上身的主控电路板4能通过这些传感器组获取控制摆动腿足部抬起与放下的相关数据。

所述电机M17和电机M28的定子定子与髋部L 5和髋部R 6的内部面板固定，转子分别通过髋部L 5和髋部R 6框架的内侧壁上固定的滚轴23后与上身3中部的连接部件21固定；弹簧***L 9和簧***R 10的皮带分别套接在电机M17和电机M28的转子上，弹簧***L9和簧***R 10分别与髋部L 5和髋部R 6框架的下侧壁固定连接；髋部L 5和髋部R 6外侧壁由凸起的圆柱块22与上身3外侧的连接部件21上的滚轴23连接。

电机M17和电机M28结合其上自带的编码器20和弹簧***L(R)控制腿部L(R)与上身之间的摆动夹角。电机M1(M2)的转轴通过轴承卡接上身3下端内侧靠近髋部L(R)的连接部件，电机M1(M2)的定子与髋部L(R)固定。弹簧***L(R)两端的弹簧下端与髋部L(R)下侧板固定，弹簧***L(R)中间的皮带套接电机M1(M2)的转子，从而实现上身与髋部和腿部的摆动实现同步。

所述上身3为一个下侧具有四个连接部件21的匣子，外侧的两个连接部件21下端固定设置有滚轴23，通过滚轴与髋部外侧凸起的圆柱块连接；内侧的两个支脚分别与电机M1、M2的转子固定；内部安装有主控电路板4和供电电池组24。

所述主控电路板4是由一块或几块电路板组成的提供装置行走过程中传感器信号处理与控制信号发送的电路板。

本实施例中的行走器的控制方法如下：行走器运动过程的每一步开始时，行走器往支撑腿一侧转动，该转动将触发支撑腿一侧的足部传感器组足跟部的传感器，传感数据经主控电路板处理后反馈控制数据到摆动腿一侧的足部控制电机，控制支撑腿一侧的足部抬起；当沿支撑腿一侧的转动达到最大角度时后，触发支撑腿一侧的足部传感器组足尖部的传感器，传感数据经主控电路板处理后反馈控制数据到摆动腿一侧的足部控制电机，控制支撑腿一侧的足部放下。

行走器的上身与髋部、腿部的两种具体控制方式如下：

方式一：摆动腿的电机反转(定子转动)，驱动摆动腿和与摆动腿固定的髋部向前摆动，同时支撑腿的电机正转(转子转动)从而实现髋部与腿部运动的同时，上身相应摆动，同时利用支撑腿一侧的上身与髋部的辅助调整弹簧***使上身始终处于垂直于行走面。

方式二：摆动腿的电机反转(定子转动)，驱动摆动腿和与摆动腿固定的髋部向前摆动，同时支撑腿的电机正转(转子转动)从而实现髋部与腿部运动的同时，上身相应摆动，同时利用支撑腿一侧的上身与髋部的辅助调整弹簧***，运动过程中上身与行走面垂线夹角θ，支撑腿与行走面垂线夹角β，两腿间夹角α满足如下关系：

具体地，在本实施例中装置工作时，实施过程如下：

方式一，流程参见图3，行走过程参见图4，上身与地面始终保持垂直：

a)检查并连接好装置各部件，将装置跨立在行走平面上，将电池与主控板连通，将控制程序由计算机下载至主控板上的主控芯片，下载完以后开启装置；

b)摆动腿髋腿部控制电机反转，摆动腿腿部获得初始摆动力矩，同时摆动腿足部控制电机正转，使得摆动腿足尖蹬地。装置获得初始动能，且沿支撑腿一侧的侧向转动开始。

c)装置沿支撑腿一侧侧向转动，支撑腿一侧的足部传感器触发，摆动腿足部控制电机停转，摆动腿足部控制电机对应的弹簧***的下端弹簧收缩，摆动腿足部抬起，摆动腿前摆。支撑腿髋腿部控制电机正转，使装置运动过程中上身与行走面垂直。装置沿支撑腿足部转动到最大位置。

d)装置沿支撑腿足部转动到侧向运动最大角度位置，支撑腿足部传感器组的足尖部传感器触发，摆动腿也摆动至侧向投影与支撑腿重合的位置。随后支撑腿开始回转。

e)支撑腿回转且摆动腿继续前摆，摆动腿足部控制电机正转使得摆动腿足部放下，上身在支撑腿髋腿部电机作用下继续保持与行走面垂直。摆动腿着地。

f)摆动腿足部着地，装置行走过程发生切换，原摆动腿变成新的支撑腿，原支撑腿变成新的摆动腿。新摆动腿足部控制电机正转，使得新摆动腿足尖蹬地。

g)摆动腿足部控制电机正转，使得摆动腿足尖蹬地，摆动腿髋腿部控制电机反转，摆动腿腿部获得摆动力矩。支撑腿在惯性和摆动腿足部蹬地的作用下发生沿支撑腿一侧的转动。

h)装置运动过程类似c)、d)、e)，只是装置的支撑腿和摆动腿发生了切换，对应电机A、B、M1、M2工作状态也相应切换。

方式二，流程参见图5，行走过程参见图6，通过对上身的摆动保持行走器的稳定：

a)检查并连接好装置各部件，将装置跨立在行走平面上，将电池与主控板连通，将控制程序由计算机下载至主控板上的主控芯片，下载完以后开启装置；

b)摆动腿髋腿部控制电机反转，支撑腿髋腿部电机正转，上身开始前摆，且摆动腿腿部获得初始摆动力矩，同时摆动腿足部控制电机正转，使得摆动腿足尖蹬地。装置获得初始动能，且沿支撑腿一侧的侧向转动开始。

c)装置沿支撑腿一侧侧向转动，摆动腿足部控制电机停转，摆动腿足部控制电机对应的弹簧***的下端弹簧收缩，摆动腿足部抬起，摆动腿前摆，上身开始回摆，装置运动过程中有的角度关系。支撑腿沿其足部转动到最大位置。

d)支撑腿沿其足部转动到侧向运动最大角度位置，摆动腿也摆动至侧向投影与支撑腿重合的位置。随后支撑腿开始回转。

e)支撑腿回转，摆动腿继续前摆，上身相应后摆，摆动腿足部控制电机正转，将摆动腿足部放下。摆动腿着地。

f)摆动腿足部着地，装置行走过程发生切换，原摆动腿成为新的支撑腿，原支撑腿成为新的摆动腿，上身回到与行走面垂线重合的位置，同时新摆动腿足部控制电机正转，使得新摆动腿足尖蹬地。

g)摆动腿足部控制电机正转，使得摆动腿足尖蹬地，摆动腿髋腿部控制电机反转，支撑腿髋腿部电机正转，上身开始前摆，且摆动腿腿部获得初始摆动力矩。支撑腿在惯性和摆动腿足部蹬地的作用下发生沿支撑腿一侧的转动。

h)装置运动过程类似c)、d)、e)，只是装置的支撑腿和摆动腿发生了切换，对应电机A、B、M1、M2工作状态也相应切换。

以上行走过程的立体图如图7所示。

Claims (9)

1.一种双足带上身的直腿行走器，其特征在于：包括髋部与上身连接部分(1)和髋部与腿足连接部分(2)；所述髋部与上身连接部分(1)包括上身(3)，固定在上身(3)内的主控电路板(4)，分别与上身(3)连接的髋部L(5)和髋部R(6)，髋部L(5)的内部固定设置控制髋部和足部摆动夹角的电机M1(7)和弹簧***L(9)，髋部R(6)的内部固定设置控制髋部和足部摆动夹角的电机M2(8)和弹簧***R(10)；所述髋部与腿足连接部分(2)包括分别与髋部L(5)和髋部R(6)固定连接的腿部L(11)和腿部R(12)，腿部L(11)和腿部R(12)的底端铰接足部L(13)和足部R(14)，设置在髋部L(5)内部控制足部L(13)抬起与放下的电机A(15)和弹簧***A(17)，设置在髋部R(6)内部控制足部R(14)抬起与放下的电机B(16)和弹簧***B(18)；所述弹簧***A(17)的两条皮带分别套接在电机A(15)套有联轴器的转子上和足部L(13)的联轴器上，弹簧***B(18)的两条皮带分别套接在电机B(16)套有联轴器的转子上和足部R(14)的联轴器上；弹簧***A(17)的两端和弹簧***B(18)的两端均分别通过固定夹固定在腿部L(11)和腿部R(12)上某处，固定位置应确保弹簧***的所有弹簧均处于弹性限度内的拉伸状态。

2.根据权利要求1所述一种双足带上身的直腿行走器，其特征在于：所述腿部L(11)和腿部R(12)为一对不需要膝盖的直腿。

3.根据权利要求1所述一种双足带上身的直腿行走器，其特征在于：所述足部L(13)和足部R(14)为一对用联轴器铰接在腿部L(11)和腿部R(12)下端的呈外八字形连接在腿部上的窄弧形足部。

4.根据权利要求1到3任一项所述一种双足带上身的直腿行走器，其特征在于：所述足部L(13)和足部R(14)的底端设置有传感器组(19)，传感器组(19)是压力传感器。

5.根据权利要求1到3任一项所述一种双足带上身的直腿行走器，其特征在于：所述电机M1(7)和电机M2(8)的定子与髋部L(5)和髋部R(6)的内部面板固定，转子分别通过髋部L(5)和髋部R(6)框架的内侧壁上固定的滚轴(23)后与上身(3)中部的连接部件(21)固定；弹簧***L(9)和弹簧***R(10)的皮带分别套接在电机M1(7)和电机M2(8)的转子上，弹簧***L(9)和弹簧***R(10)分别与髋部L(5)和髋部R(6)框架的下侧壁固定连接；髋部L(5)和髋部R(6)外侧壁由凸起的圆柱块(22)与上身(3)外侧的连接部件(21)上的滚轴(23)连接。

6.根据权利要求1所述一种双足带上身的直腿行走器，其特征在于：所述上身(3)为一个下侧具有四个连接部件(21)的匣子。

7.根据权利要求1所述一种双足带上身的直腿行走器，其特征在于：所述主控电路板(4)是由一块或几块电路板组成的提供装置行走过程中传感器信号处理与控制信号发送的电路板。

8.根据权利要求1到7任一项所述行走器的控制方法，其特征在于：行走器运动过程的每一步开始时，行走器往支撑腿一侧转动，该转动将触发支撑腿一侧的足部传感器组足跟部的传感器，传感数据经主控电路板处理后反馈控制数据到摆动腿一侧的足部控制电机，控制摆动腿一侧的足部抬起；当沿支撑腿一侧的转动达到最大角度时后，触发支撑腿一侧的足部传感器组足尖部的传感器，传感数据经主控电路板处理后反馈控制数据到摆动腿一侧的足部控制电机，控制摆动腿一侧的足部放下。

9.根据权利要求8所述行走器的控制方法，其特征在于：运动过程中采用两种方式：一种是上身与地面始终保持垂直；另一种是上身与行走面垂线夹角θ，支撑腿与行走面垂线夹角β，两腿间夹角α满足如下关系：