一種齒輪傳動對分上體節能被動行走裝置及其控制方法
2023-05-27 01:35:06 3
一種齒輪傳動對分上體節能被動行走裝置及其控制方法
【專利摘要】本發明請求保護一種齒輪傳動對分上體節能被動行走裝置，包括上體、腿部、驅動裝置、數據採集裝置，還包括髖部、膝蓋、主控裝置及彈簧裝置；所述驅動裝置包括電池、直流電機和伺服電機；其中所述機器人上體與髖部直接相連；所述髖部為對稱結構，兩邊分別與腿部相連，同時與上體進行連接；所述髖部包括部分腿部連接軸、軸承、絕對式編碼器連接軸及傘齒；所述髖部的傘齒為三傘齒對稱結構，左右對稱的兩個傘齒通過部分腿部連接軸分別與兩條腿部相連，部分腿部連接軸與軸承相連，第三個傘齒直接與電機傳動軸相連，該裝置是一種結構簡潔，設計精巧，節約能量的雙足行走裝置。
【專利說明】一種齒輪傳動對分上體節能被動行走裝置及其控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及機器人控制【技術領域】，特別提出了以一種齒輪傳動對分上體節能被動行走裝置及其控制方法
【背景技術】
[0002]現今，機器人技術是世界各國研宄的熱點，尤其是擬人形態的雙足行走機器人的研宄更是該領域的最前沿科技。目前，各國在雙足機器人的研宄上已經取得了不錯的成果，但從整體而言仍存在不少缺陷。例如(I)不是被動行走裝置，能耗大，不適合具體應用，如日本HONDA的ASMO，他雖然具備完整的擬人形態，但屬於全主動式機器人，能量消耗過大；
[0003]例如(2)並不是完全意義上的擬人行走機器人，該類機器人通過結構的改進，只需要考慮前後方向的平衡問題，因此，該類機器人屬於2D被動行走機器人。如Cornell大學的ranger機器人，荷蘭Delft大學從2002年以來開發了多款被動行走機器人，文章《Adding an upper body to passive dynamic walking robots by means of a bisectinghip mechanism》中介紹的半被動行走機器人Mike (2002年)分別在雙腿膝關節和踝關節具有自由度，因此屬於2D被動行走機器人；文章《Ankle springs instead of arc-shapedfeet for passive dynamic walkers》中介紹的Max (2003年)也是2D行走機器人樣機，上體採用聯動機構使其總處於兩腿的角平分線上，通過氣動人工肌肉實現了穩定行走，這類機器人只是單純的模擬人類行走的步態，沒有完全的擬人化；例如(3)結構上屬於3D被動行走機器人，但由於結構設計複雜，控制難度大，造成不必要的能量損耗，沒有真正實現節能行走的目標，如IEEE機器人與自動化國際會議記錄中記錄的Delft大學的半被動行走機器人Flame，重15kg，高1.3m，帶有側向自由度，實現了 3D動態行走，由於該機器人結構複雜，只是實現了 3D行走，並沒有對機器人的能耗進行優化。因此，設計一種結構簡單合理，控制方便的3D被動行走裝置仍然存在一定的技術難度，本發明則主要對結構和控制方法進行了創新。
【發明內容】
[0004]針對以上現有技術中的不足，本發明的目的在於提供一種提高了能量的利用率。並且該控制方式也比較簡單的齒輪傳動對分上體節能被動行走裝置及其控制方法，本發明的技術方案如下:一種齒輪傳動對分上體節能被動行走裝置，包括機器人上體、腿部、驅動裝置、數據採集裝置，其還包括髖部、膝蓋、主控裝置及彈簧裝置；所述驅動裝置包括電池、直流電機和伺服電機；其中所述機器人上體與髖部直接相連；所述髖部為對稱結構，兩邊分別與腿部相連，同時與上體進行連接；所述髖部包括部分腿部連接軸、軸承、絕對式編碼器連接軸及傘齒；所述髖部的傘齒為三傘齒對稱結構，左右對稱的兩個傘齒通過部分腿部連接軸分別與兩條腿部相連，部分腿部連接軸與軸承相連，第三個傘齒直接與電機傳動軸相連，，絕對式編碼器連接軸和傘齒與直流電機軸連接，直流電機轉動帶動三個傘齒相互轉動，當電機正轉時，左腿向前轉動，右腿向後轉動；相反，電機反轉時，右腿向前轉動，左腿向後轉動。
[0005]進一步的，所述驅動裝置中的電池(4)給整個裝置提供電源，所述直流電機為腿部的擺動提供扭力，所述伺服電機為膝關節和踝關節的擺動提供扭力。
[0006]進一步的，所述數據採集裝置包括位置式編碼器、絕對式編碼器和足底紅外傳感器。所述位置式編碼器位於直流電機尾部用於檢測電機的轉速，所述位置式編碼器與直流電機軸相連，用於檢測腿部的擺動幅度，所述足底紅外傳感器用於檢測足部觸地與否。
[0007]進一步的，所述主控裝置包括微控制單元、電源管理單元、電機驅動單元和外圍接口單元，所述微控制單元向裝置發出控制指令，所述電源管理單元為裝置提供供電電壓，所述電機驅動單元用於驅動直流電機的轉動，所述外圍接口單元為裝置提供擴展接口。
[0008]進一步的，所述兩條腿部中擺動腿向前擺動的最大角度為α，所述上體的位置始終位於擺動腿與立足腿夾角的角平分線的延長線上。
[0009]一種對權利要求1所述齒輪傳動對分上體節能被動行走裝置的控制方法，其包括以下步驟:
[0010]a)連接好裝置，向主控裝置的微控制單元下載控制程序，接通電源，裝置啟動；
[0011]b)將擺動腿腳踝向後蹬地，同時立足腿腳踝配合轉動，使得上體重心向前移動；
[0012]c)將擺動腿腳踝向前擺動，小腿向後彎曲，使得擺動腿可以離開地面，同時擺動腿大腿向前擺動，立足腿配合向前擺動，雙臂配合擺動；
[0013]d)擺動腿向前擺動的過程中，主控裝置實時處理絕對式編碼器採集的數據，當檢測到擺動腿的擺動角度達到α時，大腿停止擺動，小腿伸直與大腿處於同一直線，擺動腿腳踝的角度為π/2+α，立足腿腳踝的角度為Ji/2-α ；
[0014]e)當足底紅外傳感器觸發時，擺動腿轉換為新的立足腿，之前的立足腿轉換為新的擺動腿，裝置繼續完成b)到d)的動作步驟。
[0015]本發明的優點及有益效果如下:
[0016]本發明提供一種帶上體的被動行走裝置，以簡潔的齒輪結構實現了一種全新的對分上體結構，左右對稱的兩個傘齒通過部分腿部連接軸分別與兩條腿部相連，第三個傘齒直接與電機傳動軸相連，該結構完美對稱，通過齒輪間的相互轉動，使得裝置的上體始終位於兩腿的角平分線上，即對分上體。相比於其他對分上體設計，本發明結構簡潔，傳動效率高，節能效率明顯；該裝置設計了膝關節和踝關節，膝關節和踝關節處分別通過一個舵機的轉動實現關節的前後擺動，舵機可以精確的控制腳步和腿部的擺動角度，避免了在行走的過程中腳步出現意外擦地的情況，整個裝置更加的巧妙，更加的擬人化；該裝置利用了被動行走的自穩定性，步態自然的動力學特性，裝置啟動後，可以根據自身的穩定性和周期性，在施加控制的情況下即可實現穩定、高效的行走，控制方式簡單。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本發明的結構圖；
[0018]圖2是髖部內部機械結構圖；
[0019]圖3是對分上體實現方式簡圖；
[0020]圖4是控制方法流程圖；
[0021]圖5是裝置步態模擬圖。
[0022]其中，1、主控裝置；2、位置式編碼器；3、直流電機；4、電池；5、髖部(5_1、腿部連接軸；5-2、滾動軸承；5-3、絕對式編碼器連接軸；5-4、傘齒)；6、絕對式編碼器；7、大腿；8、膝關節伺服電機；9、膝關節連接件；10、小腿；11、踝關節伺服電機；12、踝關節連接件；13、足部紅外傳感器、14、足部；15、上體(頭部、手臂和背部)。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖給出一個非限定的實施例對本發明作進一步的闡述。但是應該理解，這些描述只是示例的，而並非要限制本發明的範圍。此外，在以下說明中，省略了對公知結構和技術的描述，以避免不必要地混淆本發明的概念。
[0024]如圖1所示，整個裝置包括髖部5、腿部、上體15、驅動裝置、數據採集裝置和主控裝置I。所述髖部是本發明的核心之一，也是本發明的關鍵創新點，通過髖部的機械結構可以實現該裝置的對分上體結構，具體實現方法將在圖2中說明；所述腿部包括大腿8、小腿11和足部14 ;所述上體15與髖部連接，同時固定驅動裝置和控制裝置；所述驅動裝置用於為行走提供動力；所述控制裝置根據數據採集裝置提供的數據進行處理後為行走裝置提供實時的行走方案。所述驅動裝置包括電池4、直流電機3和伺服電機(膝關節伺服電機8和踝關節伺服電機12)。所述電池為整個裝置提供動力，所述直流電機為腿部的擺動提供足夠的扭力，所述伺服電機為膝關節和踝關節的擺動提供扭力；所述電池位於直流電機兩側，所述膝關節伺服電機位於腿部大腿與小腿之間通過膝關節連接件9連接；所述踝關節伺服電機位於小腿與足部之間通過踝關節連接件12連接。所述數據採集裝置包括位置式編碼器2、絕對式編碼器6和足底紅外傳感器13，所述位置式編碼器位於直流電機尾部用於檢測電機的轉速，所述位置式編碼器與直流電機軸相連，用於檢測腿部的擺動幅度，所述足底紅外傳感器用於檢測足部的觸地情況。所述主控裝置I包括微控制單元、電源管理單元、電機驅動單元和外圍接口單元。所述微控制單元向裝置發出控制指令，所述電源管理單元為裝置提供合適的供電電壓，所述電機驅動單元用於驅動直流電機的轉動，所述外圍接口單元為裝置提供豐富的擴展接口。所述上體15包括頭部、手臂和背部，背部低部與髖部連接，確保實現對分上體功能；中部固定電池和直流電機，對稱分布，確保重心位於中心；上部固定主控裝置，上中下結構質量分布均勻。
[0025]如圖2，3所示，主要闡釋了用以實現對分上體功能的髖部機械結構和對分上體效果簡圖。如圖2所示，髖部的內部為對稱結構，其主要包括部分腿部連接軸5-1、軸承5-2、絕對式編碼器連接軸5-3、傘齒5-4，所有部件通過髖部盒子進行固定。腿部連接軸與傘齒和滾動軸承進行連接，腿部固定於連接軸上；絕對式編碼器連接軸和傘齒與直流電機軸連接，電機轉動帶動三個傘齒相互轉動，當電機正轉時，左腿向前轉動，右腿向後轉動；相反，電機反轉時，右腿向前轉動，左腿向後轉動，利用力之間的相互作用，即可實現上體處於兩腿夾角間的二分之一處，即對分上體。如圖3所示，擺動腿與豎直方向的夾角為β，立足腿與豎直方向的夾角為α，兩腿之間的夾角的二分之一即為θ = (α+β)/2，此時上體的位置即為兩夾角的角平分線的延長線上。如果兩腿間的夾角發生變化，上體的角度也同時發生變化，且一直處於夾角的二分之一處。
[0026]基於以上思想，本發明還提供了一種對分上體被動行走裝置的控制方法，開始運動前兩腿叉開到設定的最大角度α，兩腿與豎直方向的夾角相等，此時上體處於豎直狀態，其中，前腿定義為立足腿，後退定義為擺動腿。如圖4，5所示，其具體行走控制過程如下:
[0027]a)連接好裝置，向主控裝置的微控制單元下載控制程序，接通電源，裝置啟動；
[0028]b)將擺動腿腳踝向後蹬地，同時立足腿腳踝配合轉動，使得上體重心向前移動。
[0029]c)將擺動腿踝關節舵機向前轉動，此時腳踝向前擺動，同時膝關節舵機向後轉動，小腿實現向後彎曲，踝關節和膝關節的配合擺動使得擺動腿可以離開地面，此時裝置單腳觸地，整體重心靠前，於此同時電機轉動，齒輪結構前後轉動實現擺動腿大腿向前擺動，立足腿配合向前擺動，上體角度向後傾斜，為保證重心一直向前，雙臂此時配合前後擺動。
[0030]d)擺動腿向前擺動的過程中，主控裝置實時處理絕對式編碼器採集的數據，編碼器的數據代表著擺動腿與豎直方向的夾角，當檢測到擺動腿的擺動角度達到α時，電機停止工作，此時大腿停止擺動，同時擺動腿膝關節舵機向前轉動，使得小腿伸直與大腿處於同一直線，擺動腿踝關節舵機向後轉動，使得腳踝的角度為π/2+α，立足腿踝關節舵機向後轉動，使得腳踝的角度為η/2-α。
[0031]e)主控裝置實時處理觸地傳感器採集的數據，當足底紅外傳感器觸發時，表明裝置雙腿已經落地，此時啟動下一個行走循環，將擺動腿轉換為新的立足腿，之前的立足腿轉換為新的擺動腿，裝置繼續完成b)到d)的動作步驟。
[0032]本發明提供一種帶上體的被動行走裝置，以簡潔的齒輪結構實現了一種全新的對分上體結構，同時該裝置設計了膝關節和踝關節，整個裝置更加的巧妙，更加的擬人化；該裝置利用了被動行走的自穩定性，步態自然的動力學特性，控制方式簡單。
[0033]以上這些實施例應理解為僅用於說明本發明而不用於限制本發明的保護範圍。在閱讀了本發明的記載的內容之後，技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發明權利要求所限定的範圍。
【權利要求】
1.一種齒輪傳動對分上體節能被動行走裝置，包括機器人上體(15)、腿部、驅動裝置、數據採集裝置，其特徵在於:還包括髖部(7)、膝蓋、主控裝置(2)及彈簧裝置；所述驅動裝置包括電池(4)、直流電機(3)和伺服電機；其中所述機器人上體⑴與髖部(5)直接相連；所述髖部(5)為對稱結構，兩邊分別與腿部相連，同時與上體進行連接；所述髖部(5)包括部分腿部連接軸(5-1)、軸承(5-2)、絕對式編碼器連接軸(5-3)及傘齒(5-4);所述髖部(5)的傘齒(5-4)為三傘齒對稱結構，左右對稱的兩個傘齒(5-4)通過部分腿部連接軸(5-1)分別與兩條腿部相連，部分腿部連接軸(5-1)與軸承(5-2)相連，第三個傘齒(5-4)直接與電機傳動軸相連，，絕對式編碼器連接軸(5-3)和傘齒(5-4)與直流電機(3)軸連接，直流電機(3)轉動帶動三個傘齒(5-4)相互轉動，當電機正轉時，左腿向前轉動，右腿向後轉動；相反，電機反轉時，右腿向前轉動，左腿向後轉動。
2.根據權利要求1所述的齒輪傳動對分上體節能被動行走裝置，其特徵在於:所述驅動裝置中的電池(4)給整個裝置提供電源，所述直流電機(3)為腿部的擺動提供扭力，所述伺服電機為膝關節和踝關節的擺動提供扭力。
3.根據權利要求1所述的齒輪傳動對分上體節能被動行走裝置，其特徵在於:所述數據採集裝置包括位置式編碼器、絕對式編碼器和足底紅外傳感器。所述位置式編碼器位於直流電機尾部用於檢測電機的轉速，所述位置式編碼器與直流電機軸相連，用於檢測腿部的擺動幅度，所述足底紅外傳感器用於檢測足部觸地與否。
4.根據權利要求1所述的齒輪傳動對分上體節能被動行走裝置，其特徵在於:所述主控裝置包括微控制單元、電源管理單元、電機驅動單元和外圍接口單元，所述微控制單元向裝置發出控制指令，所述電源管理單元為裝置提供供電電壓，所述電機驅動單元用於驅動直流電機的轉動，所述外圍接口單元為裝置提供擴展接口。
5.根據權利要求1所述的齒輪傳動對分上體節能被動行走裝置，其特徵在於:所述兩條腿部中擺動腿向前擺動的最大角度為α，所述上體的位置始終位於擺動腿與立足腿夾角的角平分線的延長線上。
6.一種對權利要求1所述齒輪傳動對分上體節能被動行走裝置的控制方法，其特徵在於:包括以下步驟: a)連接好裝置，向主控裝置的微控制單元下載控制程序，接通電源，裝置啟動； b)將擺動腿腳踝向後蹬地，同時立足腿腳踝配合轉動，使得上體重心向前移動； c)將擺動腿腳踝向前擺動，小腿向後彎曲，使得擺動腿可以離開地面，同時擺動腿大腿向前擺動，立足腿配合向前擺動，雙臂配合擺動； d)擺動腿向前擺動的過程中，主控裝置實時處理絕對式編碼器採集的數據，當檢測到擺動腿的擺動角度達到α時，大腿停止擺動，小腿伸直與大腿處於同一直線，擺動腿腳踝的角度為π/2+α，立足腿腳踝的角度為Ji/2-α ； e)當足底紅外傳感器觸發時，擺動腿轉換為新的立足腿，之前的立足腿轉換為新的擺動腿，裝置繼續完成b)到d)的動作步驟。
【文檔編號】B62D57/032GK104512493SQ201410766404
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月12日 優先權日:2014年12月12日
【發明者】李清都, 王平, 刁建, 李永, 唐俊 申請人:重慶郵電大學