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欠驱动行走装置及其控制方法

阅读:1发布:2021-01-31

专利汇可以提供欠驱动行走装置及其控制方法专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种欠驱动行走装置及其控制方法,属于半被动行走技术领域。该装置包括 曲轴 、平台、 支撑 块 、髋部、腿部、控制装置;曲轴为腿部提供旋转动 力 ;支撑平台为行走装置提供支撑,其上固定有左右各两个髋关节和控制装置;髋部包括左髋部和右髋部,每个髋部通过曲轴摇杆连接内外两条直腿,每条直腿下端固定一个球形足部;控制装置包括 数据采集 装置、驱动装置和主控装置,所述主控装置实时处理数据采集装置获取的信息,通过控制驱动装置调节传动 电机 的转速。该装置结构简单,易用易造;同时,本装置巧妙的解决2D行走摆动腿擦地问题,行走步态自然,参数吸引域大,能耗低,在实际生活中有着很大的应用空间。,下面是欠驱动行走装置及其控制方法专利的具体信息内容。

1.一种欠驱动行走装置,其特征在于:包括曲轴、平台、支撑、髋部、腿部、控制装置;
所述曲轴为腿部提供旋转动;所述支撑平台为行走装置提供支撑,其上固定有左右各两个髋关节和控制装置;所述髋部包括左髋部和右髋部,每个髋部通过曲轴摇杆连接内外两条直腿,每条直腿下端固定一个球形足部;所述控制装置包括数据采集装置、驱动装置和主控装置,所述主控装置实时处理数据采集装置获取的信息,通过控制驱动装置调节传动电机的转速。
2.根据权利要求1所述的一种欠驱动行走装置,其特征在于:所述曲轴分为左曲轴和右曲轴,其中左曲轴和右曲轴为完全对称结构;曲轴由中间传动轴和两侧摆动轴组成;所述传动轴两端设置自由旋转穿过左、右支撑体下侧轴承;所述传动轴中间固定传动轮,通过皮带与电机同步转动;所述传动轴通过摇柄与摆动轴固定连接;所述摆动轴一端与摇柄固定,另一端旋转设置在紧固四通上;所述紧固四通由侧孔和对孔组成,摆动轴穿过侧孔内轴承并可自由旋转,腿部穿过对孔并紧固连接。
3.根据权利要求1所述的一种欠驱动行走装置,其特征在于:所述髋部包括左髋部和右髋部,为完全对称左右两部分,左、右髋部为两个固定在平台上的支撑块,所述支撑块上部孔用于设置曲轴摇杆结构,下部孔用于设置旋扭关节;所述旋扭关节旋转设置在支撑块下侧孔,限位孔设置腿的旋转幅度。
4.根据权利要求2所述的一种欠驱动行走装置,其特征在于:所述电机为单轴输出电机,设置在左、右支撑体,电机轴上设置有固定的传动轮,通过传动带将扭矩传递到曲轴。
5.根据权利要求1所述的一种欠驱动行走装置,其特征在于:所述腿部为四条长直腿,其上部穿过旋扭关节直线轴承,可在其内自由滑动,中上部穿过并固定在旋转四通对孔上。
6.一种控制如权利要求1至5中任一项所述的欠驱动行走装置的方法,其特征在于:
包括以下步骤:
a)连接好装置,打开电源,装置启动;
b)两电机顺时针旋转10°,摇杆转动10°,行走器重心前倾;
c)两电机逆时针旋转,离开地面为摆动腿,另一为支撑腿,行走器上体围绕支撑腿依靠上一步提供动量进行倒立摆;
d)摆动腿向前摆动的过程中,主控装置实时处理增量式编码器绝对式编码器陀螺仪采集的数据,通过陀螺仪计算上体加速度,从而调节电机转速加快或减慢来降低或提高摆动速度使行走器平稳;当摆动腿与支撑腿重合时,主控装置发出电机卸载指令,摆动腿自由摆;
e)当电机检测到反向脉冲时,说明摆动腿已触地,这时摆动腿与支撑腿进行切换,装置继续完成c)到d)动作步骤。

说明书全文

欠驱动行走装置及其控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于机器人技术领域,涉及一种半被动行走技术,特别涉及一种欠驱动行走装置及其控制方法。

背景技术

[0002] 现今,机器人技术是世界各国研究的热点,尤其是被动行走机器人的研究更是该领域的前沿科技。目前,国内外在半被动行走机器人的研究上已经取得了不错的成果,研发出了各种样机。如Cornell大学的Ranger机器人,作为目前世界上最成功的2D半被动行走器,行走能量效率已经与人类行走非常接近。MIT的3D半被动行走机器人Toddler,足部设计使行走器可以通过左右摇摆避免摆动腿提前触地,是目前最智能的被动行走器。国内对被动行走器的研究主要集中于对类似Ranger的二维被动行走器的研究,并且研究也主要是对模型的理论研究。
[0003] 然而,目前还没有一种简单的结构应用到2D被动行走以解决摆动腿擦地问题,旋转膝关节或者踝关节都需要增加额外的自由度,会使模型变得更加复杂,相应的物理样机搭建及控制算法等都会增加难度。因此,设计一种结构简单合理,控制方便的半被动行走器显得尤为重要。

发明内容

[0004] 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控制方法,能够很好的解决机器人2D行走摆动腿擦地问题,行走步态自然,参数吸引域大,能耗低,在实际生活中有着很大的应用空间。
[0005] 为达到上述目的,本发明提供如下技术方案:
[0006] 一种欠驱动行走装置,包括曲轴、平台、支撑、髋部、腿部、控制装置;
[0007] 所述曲轴为腿部提供旋转动;所述支撑平台为行走装置提供支撑,其上固定有左右各两个髋关节和控制装置;所述髋部包括左髋部和右髋部,每个髋部通过曲轴摇杆连接内外两条直腿,每条直腿下端固定一个球形足部;所述控制装置包括数据采集装置、驱动装置和主控装置,所述主控装置实时处理数据采集装置获取的信息,通过控制驱动装置调节传动电机的转速。
[0008] 进一步,所述曲轴分为左曲轴和右曲轴,其中左曲轴和右曲轴为完全对称结构;曲轴由中间传动轴和两侧摆动轴组成;所述传动轴两端设置自由旋转穿过左、右支撑体下侧轴承;所述传动轴中间固定传动轮,通过皮带与电机同步转动;所述传动轴通过摇柄与摆动轴固定连接;所述摆动轴一端与摇柄固定,另一端旋转设置在紧固四通上;所述紧固四通由侧孔和对孔组成,摆动轴穿过侧孔内轴承并可自由旋转,腿部穿过对孔并紧固连接。
[0009] 进一步,所述髋部包括左髋部和右髋部,为完全对称左右两部分,左、右髋部为两个固定在平台上的支撑块,所述支撑块上部孔用于设置曲轴摇杆结构,下部孔用于设置旋扭关节;所述旋扭关节旋转设置在支撑块下侧孔,限位孔设置腿的旋转幅度。
[0010] 进一步,所述电机为单轴输出电机,设置在左、右支撑体,电机轴上设置有固定的传动轮,通过传动带将扭矩传递到曲轴。
[0011] 进一步,所述腿部为四条长直腿,其上部穿过旋扭关节直线轴承,可在其内自由滑动,中上部穿过并固定在旋转四通对孔上。
[0012] 本发明还提供了一种控制上述欠驱动行走装置的方法,包括以下步骤:
[0013] a)连接好装置,打开电源,装置启动;
[0014] b)两电机顺时针旋转10°,摇杆转动10°,行走器重心前倾;
[0015] c)两电机逆时针旋转,离开地面为摆动腿,另一为支撑腿,行走器上体围绕支撑腿依靠上一步提供动量进行倒立摆;
[0016] d)摆动腿向前摆动的过程中,主控装置实时处理增量式编码器绝对式编码器陀螺仪采集的数据,通过陀螺仪计算上体加速度,从而调节电机转速加快或减慢来降低或提高摆动速度使行走器平稳;当摆动腿与支撑腿重合时,主控装置发出电机卸载指令,摆动腿自由摆;
[0017] e)当电机检测到反向脉冲时,说明摆动腿已触地,这时摆动腿与支撑腿进行切换,装置继续完成c)到d)动作步骤。
[0018] 本发明的有益效果在于:本发明提供的欠驱动的半被动行走装置,通过髋部结构实现行走过程中自动收腿,腿部为直腿,与地接触方式为点触式,降低结构的复杂度;该装置结构简单,易用易造;同时,本装置巧妙的解决2D行走摆动腿擦地问题,行走步态自然,参数吸引域大,能耗低,在实际生活中有着很大的应用空间。附图说明
[0019] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚,本发明提供如下附图进行说明:
[0020] 图1为本发明的物理模型示意图;
[0021] 图2为本发明的结构示意图;
[0022] 图3为本发明的髋部示意图;
[0023] 图4为装置的行走示意图;
[0024] 其中,1、摆动装置(11、旋转摇杆;12、四通);2、限位环(21、髋关节的限位环;22、髋关节支架);3、外侧腿;4、内侧腿;5、电源与控制装置;6、电机及传动装置(61、电机;62、传动装置)。

具体实施方式

[0025] 下面将结合附图,对本发明的优选实施例进行详细的描述。
[0026] 图1为本发明的物理模型示意图,如图所示,所述髋部曲轴长度为d,曲轴旋转半径为r(用于改变腿部伸缩长度与行走步态大小),曲轴旋转度为α,髋部上部质心质量为m,髋部下部质心质量为M;摆动腿与支撑腿夹角为φ,所述支撑腿与地面垂线夹角为θ;所述双扭关节部扭簧弹性系数为k;所述斜坡倾角为γ。
[0027] 如图2、3所示,整个装置包括髋部(1、2)、腿部(3、4)、主控装置(5)和传动装置(6);所述髋关节支架(22)为被动行走装置的支撑部分,用于固定驱动装置及实现腿部的旋转摇杆结构,上部通过旋转摇杆(11)使腿部其上部穿过旋扭关节直线轴承,可在其内自由滑动,中上部穿过并固定在旋转四通(12)上;所述旋扭关节旋转设置在支撑块下侧孔,髋关节的限位环(21)设置腿的旋转幅度;所述驱动装置包括电源与控制装置(5),为各耗能器件供电;所述电机为行走提供足够的动力;所述髋部是本发明的核心之一,通过髋部的机械结构可以实现该装置的欠驱动行走。
[0028] 基于以上思想,本发明还提供一种对欠驱动半被动行走器控制方法,开始运动前装置的内外侧腿部是叉开与地面成一定角度处于静态平衡,其中一条腿定义为支撑腿,另一条腿定义为摆动腿。如图4所示,其行走控制过程如下:包括以下步骤:
[0029] a)连接好装置,打开电源,装置启动;
[0030] b)两电机顺时针旋转10°,摇杆转动10°,行走器重心前倾;
[0031] c)两电机逆时针旋转,离开地面为摆动腿,另一为支撑腿,行走器上体围绕支撑腿依靠上一步提供动量进行倒立摆;
[0032] d)摆动腿向前摆动的过程中,主控装置实时处理增量式编码器、绝对式编码器和陀螺仪采集的数据,通过陀螺仪计算上体加速度,从而调节电机转速加快(减慢)来降低(提高)摆动速度使行走器平稳;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;
[0033] e)当电机检测到反向脉冲时,说明摆动腿已触地,这时摆动腿与支撑腿进行切换,装置继续完成c)到d)动作步骤。
[0034] 可见,该行走装置通过旋转摇杆结构实现行走过程;腿部为直腿部,减少膝关节控制;足部为点足式,降低结构的复杂度,结构简单,易用易造,本装置巧妙的解决2D行走摆动腿擦地问题,行走步态自然,能耗低,在实际生活中有着更大的应用空间。
[0035] 该装置利用了被动行走的自稳定性,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。
[0036] 最后说明的是,以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述,但本领域技术人员应当理解,可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变,而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
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