[发明专利]一种伸缩腿节能2D欠驱动行走装置及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种欠驱动行走装置，特别提出了以一种全新的机械结构实现伸缩腿欠驱动行走装置。

背景技术

现今，机器人技术是世界各国研究的热点，尤其是欠驱动行走机器人的研究更是该领域的前沿科技。目前，国内外在欠驱动行走机器人的研究上已经取得了不错的成果，也研发出非常具有代表性的物理样机原型。例如(1)2010年，Cornell大学研制的一款2D欠驱动行走机器人“突击队员(Ranger)”，通过巧妙旋转踝关节解决行走擦地问题，在11小时之内行走23公里，该结构最大的不足是传动结构复杂，需要同时控制三个电机，不宜实际大规模推广。例如(2)荷兰Delft大学从2002年以来开发了多款欠驱动行走机器人，文章《Adding an upper body to passive dynamic walking robots by means of a bisecting hip mechanism》中介绍的欠驱动行走机器人Mike(2002年)，其双腿膝关节有复杂的自锁定结构，以此避免摆动脚擦地问题；文章《Ankle springs instead of arc-shaped feet for passive dynamic walkers》中介绍的Max(2003年)也是2D行走机器人样机，延续使用自锁定膝关节结构，以及最新的2D机器人Meta，也是采用了类似的结构，该结构最大的问题是腿部膝关节设计复杂，导致腿部质量较大，能耗较高。因此，设计一种控制方便、结构简单并且有效解决摆动腿擦地问题的2D欠驱动行走装置仍然存在一定的技术难度。

发明内容

针对以上现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种通过曲轴摇杆结构实现伸缩腿的方便、简单尚未节能欠驱动行走装置及其控制方法。本发明的技术方案如下：一种伸缩腿节能2D欠驱动行走装置,包括腿部、髋部、驱动装置、数据采集装置和主控装置，所述髋部包括左右对称的左髋部和右髋部，其特征在于：所述驱动装置包括电池和T型双端同轴电机，所述电池设置在左髋 部和右髋部内给所述行走装置供电，所述左髋部和右髋部通过曲轴摇杆连接腿部，所述曲轴摇杆包括N型曲轴与腿部旋转摇杆组成，所述T型双端同轴电机设置于左髋部和右髋部的内部，所述T型双端同轴电机的定子固定在左髋部和右髋部内，T型双端同轴电机的转子穿过左髋部和右髋部的外侧与曲轴摇杆连接，另一端转子过左髋部和右髋部内侧与左髋部和右髋部内曲轴摇杆连接为所述行走装置提供动力；所述数据采集装置包括髋部编码器和足部的触地传感器，所述编码器用于采集两直腿间的夹角数据，所述触地传感器用于检测足部触地；所述主控装置包括控制单元、电源管理单元、驱动单元和外围接口单元，所述控制单元向装置发出控制指令，所述电源管理单元为装置提供供电电压，所述驱动单元用于驱动直流电机的转动，所述外围接口单元为装置提供扩展接口。

进一步的，所述腿部旋转摇杆间距d与N型曲轴(2)长度r的比例为κ，且κ取值为3-5。

一种对伸缩腿节能2D欠驱动行走装置的控制方法，其包括以下步骤：

a)连接好装置，打开电源，装置启动；

b)T型双端同轴电机(11)顺时针旋转，摆动腿蹬地，髋部围绕支撑腿向前旋转，使得整体重心向前移动；

c)T型双端同轴电机(11)逆时针旋转，摆动腿向前提腿摆动离开地面，髋部围绕支撑腿继续倒立摆；

d)摆动腿向前摆动的过程中，主控装置实时处理绝对式编码器采集的数据，当摆动腿与支撑腿重合，即夹角α、φ都为0时，主控装置发出电机卸载指令，摆动腿自由摆；

e)当摆动腿触地时，摆动腿转换为新的支撑腿，之前的支撑腿转换为新的摆动腿，装置继续完成b)到d)的动作步骤。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明提供一种伸缩腿欠驱动行走装置，通过发动机曲轴与摇杆的组合，该曲轴摇杆结构实现行走过程中自动收腿；腿部为直腿部，可减少膝关节控 制；该装置利用了欠驱动行走的自稳定性，步态自然、高效节能的动力学特性，并且控制方式也非常简单。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是左右髋部的连接示意图；

图3是装置的行走流程图；

图4是装置的行走过程侧视图；

图5是伸缩腿欠驱动行走装置的行走过程姿势图。