由单电机驱动的半被动行走器及其转向控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于被动行走机器人领域，具体涉及一种由单电机驱动的半被动行走器及其转向控制方法。
【背景技术】
[0002]机器人技术的研究热情在世界各地已经经历了很长一段时间，如今依旧未减。仿人行走作为机器人的一种移动方式，在机器人研究中占据重要方面；在这一领域中，世界上很多学者都提出了自己的想法，并且制作出了相关的样机，起初制造的机器人行走模型大都是主动控制，例如日本的Asnro，但由于其耗能较大，被动行走原理就被提出并应用于机器人行走，包括DELFT大学的机器人LE0、密歇根大学的机器人MABEL等；不过目前已有的被动行走模型都不可避免的设计到了摆动腿擦地的问题，而且结构比较复杂，腿部质量较大，使得能耗依旧较高；另外这些被动行走模型都是靠多电机驱动，控制难度大，稳定性和鲁棒性差。因而研究一种结构简单，控制容易且兼具稳定性和鲁棒性的半被动行走装置依旧具有很大挑战。
【发明内容】
[0003]有鉴于此，本发明的目的是提供一种由单电机进行驱动的半被动行走器以及对其进行行走控制，同时，鉴于单电机驱动的同步性很高的特点，本发明还提供一种较容易的转向控制方法。
[0004]本发明是通过以下技术方案来实现的:
[0005]由单电机驱动的半被动行走器，包括行走机构、用于驱动行走机构行走的驱动装置、用于行走器转向的转向装置、用于收集行走机构行走数据的数据采集装置以及用于为行走机构提供实时行走方案的主控装置；
[0006]所述行走机构包括腿部和髋部；所述腿部包括两条长直腿组成的内腿和两条长直腿组成的外腿；所述内腿和外腿通过曲轴连接，所述曲轴包括一段长轴、两段中轴和两段短轴；所述髋部包括用于承载驱动装置、采集装置以及主控装置的支撑板、用于支撑曲轴的支架以及用于限制外腿摆动幅度的摇块；所述支撑板上还对称开设有用于限制内腿摆动幅度的两个通孔；所述摇块可转动的设于支撑板的两侧；所述长轴可转动的设于支架内，所述短轴可转动的设于支架内，所述长轴和短轴在同一水平中心线上，所述中轴通过两端设有的摇杆分别与长轴和短轴连接；所述内腿可转动的设置在中轴上并穿过支撑板上的通孔与地面接触；所述外腿通过摇杆可转动的设置在短轴上并穿过摇块与地面接触；
[0007]所述驱动装置包括电机以及用于向电机提供动力的电源，所述电机通过支架固定安装在支撑板的上方，所述电源固定悬挂在支撑板的下方；所述电机通过同步带轮机构与长轴链接；
[0008]所述转向装置包括固定连接内腿的多连杆机构、设置在多连杆机构上方用于支撑内腿的横梁以及设置在横梁正中心用于驱动多连杆机构伸缩的转动舵机。
[0009]进一步，所述长直腿为中空的薄壁管，且由弹性材料制成。
[0010]进一步，所述长直腿的下端固定设有足部，所述足部的底面为弧形，且与地面的接触方式为线接触。
[0011 ] 进一步，所述数据采集装置包括编码器和陀螺仪。
[0012]进一步，所述主控装置包括用于向行走器发出指令的微控制单元、用于驱动电机和舵机转动的驱动单元、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。
[0013]进一步，所述电源为蓄电池，所述电源还为数据采集装置、主控装置以及转动舵机提供动力。
[0014]进一步，所述内腿和外腿通过驱动装置的作用以相互交替的方式切换成支撑腿和摇动腿。
[0015]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。
[0016]进一步，一种由单电机驱动的半被动行走器行走控制的方法，包括如下步骤:
[0017]SI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；假设内腿朝前放置作为前腿，外腿超后放置作为后退；
[0018]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；
[0019]S3控制电机反向旋转，带动曲轴旋转，使其前腿作为支撑腿向前做倒立摆，而后腿作为摆动腿蹬地前摆上升，使得整体重心向前移动，完成前进起步；
[0020]S4主控装置实时处理编码器和陀螺仪采集的数据，当摆动腿与支撑腿重合时，电机卸载，即夹角Φ和Θ都为0°时，完成半步前进行走；
[0021]S5靠重力和惯性作用使支持腿向前做倒立摆，而摆动腿前摆下沉，使得整体重心向前移动，当摆动腿自然摆动到着地位置，支撑腿与摆动腿完成角色切换；其势能转换为前进动能，完成半步前进行走；
[0022]S6不断重复S3、S4、S5步骤，行走器将持续向前行走；
[0023]S7反之，在步骤S3中，控制电机正向旋转，使其后腿作为支撑腿向后做倒立摆，而前腿作为摆动腿蹬地回摆上升，使得整体重心向后移动，完成后退起步；
[0024]S8主控装置实时处理编码器和陀螺仪采集的数据，当摆动腿与支撑腿重合时，电机卸载，即夹角Φ和Θ都为0°时，完成半步后退行走；
[0025]S9靠重力和惯性作用使支持腿向后做倒立摆，而摆动腿后摆下沉，使得整体重心向后移动，当摆动腿自然摆动到着地位置，支撑腿与摆动腿完成角色切换；其势能转换为后退动能，完成半步后退彳丁走；
[0026]SlO不断重复S7、S8、S9步骤，行走器将持续向后行走。
[0027]进一步，一种由单电机驱动的半被动行走器转向控制的方法，包括如下步骤:
[0028]Al当外腿做支撑腿，内腿做摆动腿时；即内腿前摆或后摆未着地前，通过控制转动舵机转动一定角度，进而通过多连杆机构将转动传递给内腿，使内腿的两条长直腿产生一定的扭动变形，而转动舵机的转动方向与内腿的扭动方向相反；
[0029]A2当内腿着地时，即带有弧形的足部着地，其落地方向与原前进方向形成一夹角；
[0030]A3当内腿切换做支撑腿，外腿做摆动腿抬起摆动后，行走器沿着足部的方向移动，从而实现转向运动。
[0031]本发明的有益效果在于:
[0032]1、本发明被动行走器通过采用曲轴摇杆机构的传动方式解决了摆动腿擦地的问题。
[0033]2、本发明被动行走器通过采用单电机作为驱动装置为行走器行走提供动力，并通过同步带轮机构转动曲轴而带动摇杆摆动，从而实现行走，具有结构简单的优点。
[0034]3、本发明被动行走器通过多连杆机构使内腿在触地时发生扭动，再依据足底部的弧形设计达到实现转向的目的，具有操作方便的优点。
[0035]4、本发明被动行走器的腿部采用长直腿结构，减少关节连接和控制，具有良好的稳定性，且长直腿为中空的薄壁管，使得腿部质量更小，能够有效的降低能耗。
[0036]本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
【附图说明】
[0037]为了使