[发明专利]一种欠驱动行走装置及其转弯控制方法

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种欠驱动行走装置及其转弯控制方法。

背景技术

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。而本发明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。

发明内容

有鉴于此，本发明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。

本发明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。