[发明专利]全地貌行走器及其控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及康复医疗，玩具，军事应用领域，具体涉及一种全地貌行走器及其控制方法。

背景技术

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，国内外在被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)Cornell大学研制的一款2D被动行走机器人“突击队员(Ranger)”，通过巧妙旋转踝关节解决行走擦地问题，该结构最大的不足是传动结构复杂，不宜实际大规模推广；(2)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，其耗能很大，不适合实际应用；(3)荷兰Delft大学从2002年以来开发了多款被动行走机器人，文章《Adding an upper body to passive dynamic walking robots by means of a bisecting hip mechanism》中介绍的半被动行走机器人Mike(2002年)，其双腿膝关节有复杂的自锁定结构，该结构最大的问题是腿部膝关节设计复杂。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被动行走装置是非常有必要的。

发明内容

鉴于以上所述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种全地貌行走器及其控制方法，具体的是通过齿轮传动机构实现伸缩腿的被动行走装置，其结构简单，可适应多地形行走(平面、斜面、凹凸面等)，甚至可以越过一定高度的障碍物。

本发明是通过以下技术方案来实现的：

本发明一种全地貌行走器，包括依次连接的至少四套行走机构单元；所述行走机构单元包括用于行走的直腿以及驱动直腿上下移动和摆动的髋部，所述髋部之间通过联轴器连接。

进一步，所述髋部包括用于驱动直腿上下移动的电机Ⅰ、用于驱动直腿摆动的电机Ⅱ以及用于向电机Ⅰ和Ⅱ提供动力的电源；所述电机Ⅰ定子固定设置在髋部的顶部，其转子上设有传动齿轮，所述直腿上设有与所述传动齿轮配合的齿条；所述电机Ⅱ定子固定设置在髋部内，其转子贯穿于髋部并与联轴器连接。

进一步，所述直腿为中空的薄壁管，且由弹性材料制成。

进一步，所述直腿的两端均设有足部，所述足部为弧形，所述足部与地面的接触方式为面接触或线接触。

进一步，所述足部的底部设有用于检测足部触地情况的触地传感器。

进一步，所述髋部还包括用于收集行走机构单元行走数据的数据采集装置以及用于为行走机构单元提供实时行走方案的主控装置；所述数据采集装置包括用于采集两直腿间的夹角数据的编码器；所述主控装置包括用于向行走器发出指令的微控制单元、用于驱动电机Ⅰ和电机Ⅱ的驱动单元、用于为行走器提供丰富的扩展口的外围接口单元以及用于控制行走器各装置电压的电源管理单元。

进一步，所述电源设置于髋部内；所述电源为蓄电池；所述电源还向数据采集装置和主控装置提供动力。

进一步，所述四套行走机构单元由内侧的两条直腿组成内腿，其外侧的两条直腿组成外腿或由单数的两条直腿组成内腿，其双数的两条直腿组成外腿；所述内腿和外腿以相互交替的方式切换成支撑腿和摇动腿。

进一步，所述内腿与外腿间的夹角为数值φ，所述支撑腿与地面垂线间的夹角为数值θ。

进一步，利用全地貌行走器行走的控制方法，包括如下步骤：

S1连接好各装置，并将内外腿叉开与地面成一定角度而处于静态平衡状态；假设内腿作为摆动腿朝后放置，外腿作为支撑腿超前放置；

S2向主控装置的微控制单元下载控制程序，接通电源，使行走器启动；

S3控制摆动腿的两条直腿的作同步摆动运动，即控制摆动腿的电机Ⅱ顺时针旋转，其摆动腿朝后摆动蹬地，同时，摆动腿的电机Ⅰ正转使摆动腿向下伸长一定距离，其髋部围绕支撑腿向前倒立摆，使得整体重心向前移动；

S4继续控制摆动腿的两条直腿作同步摆动运动，摆动腿的电机Ⅱ逆时针旋转使摆动腿向前摆动离开地面，同时，控制摆动腿的电机Ⅰ反转使摆动腿向上伸长一定距离，其髋部围绕外腿继续向前倒立摆，使得整体重心向前移动；

S5摆动腿向前摆动的过程中，主控装置实时处理编码器采集的数据，当摆动腿与支撑腿重合，即夹角φ和θ为0°时，控制摆动腿的电机Ⅱ卸载，同时，摆动腿的电机Ⅰ正转使摆动腿向下伸长一定距离；

S6靠重力和惯性作用，摆动腿向前摆动伸长触地，控制摆动腿的电机Ⅰ卸载，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；

S7继续执行步骤S3至S6的动作，使行走器完成持续前移。