可屈膝运动的半被动行走机器人及控制方法与流程

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种可屈膝运动的半被动行走机器人及控制方法。

背景技术：

被动动态行走的方法最早由mcgeer提出，引发了各种关于人类行走的见解，并已产生了一些自然和有效的步行机。mochon和mcmahon对人类步行过程中的摆动阶段进行建模分析，在模型中假设下肢没有力矩作用，依据该模型计算得出的力与关节角度值和人类正常步行时吻合较好，只有竖直方向上地面反力不能很好地吻合。basmajian等对人类步行时肌电信号的研究结果也证明了摆动阶段肌肉力矩较小，以足触地开始到下一次该足触地结束，在0～40％时间段内为单腿支撑期，40～60％时间段为双腿支撑期，60～100％时间段为摆动阶段，摆动阶段的肌电信号很弱，这为被动步行理论提供了仿生学依据。被动行走可以被视为一种结构简单，状态复杂的非线性系统，其中包括摆动腿的连续运动和支撑腿切换两种行为，分析该混杂系统的动力学行为可以得到稳定的行走步态。

与传统的主动行走方式相比，被动行走通过结构创新设计及有效的主控装置，且无需对髋关节进行实时驱动控制，实现了超低能耗。随着技术的日益更新，机器人替代人类在复杂环境中作业成为了趋势。通过研发被动行走机器人能够有效实现让机器人代替人类在某些环境下作业的目的。然而由于现有的被动行走机器人无法屈膝，因而无法复杂环境中无法进行工作，如何在最简及compass等被动行走模型上添加膝关节则成为被动行走领域中的一个重点。

技术实现要素：

本发明目的是针对现有技术的不足，提供一种可屈膝运动的半被动行走机器人及控制方法，能够实现屈膝状态，可以适应复杂环境的要求，具有较为广泛的应用前景。所述技术方案如下：

一方面，本发明实施例提供了一种可屈膝运动的半被动行走机器人，包括：外腿连杆、内腿连杆、限位杆、两根外腿、两根内腿、驱动装置和传动装置，所述外腿连杆与所述内腿连杆平行间隔布置，两根所述外腿的一端分别固定连接在所述外腿连杆的两端，两根所述内腿的一端分别固定连接在所述内腿连杆的两端，

所述限位杆的一端可转动地套装在所述外腿连杆上，所述限位杆的另一端可转动地套装在所述内腿连杆上，

所述内腿包括内腿上部和内腿下部，所述内腿上部的一端与所述内腿连杆连接，所述内腿上部的另一端和所述内腿下部的一端铰接，所述内腿上部的另一端设置有电磁装置，所述内腿下部的一端设置有与电磁装置配合的磁铁，所述电磁装置和所述磁铁被配置为控制所述内腿下部相对于所述内腿上部的一端转动；

所述传动装置包括主动齿轮、从动齿轮和齿套，所述主动齿轮和所述齿套均可转动地同轴套装在所述外腿连杆上，所述齿套和所述主动齿轮连接在一起，且所述齿套的外圈半径小于所述外腿连杆和所述内腿连杆之间的距离，所述从动齿轮同轴套装在所述内腿连杆上，所述从动齿轮和所述主动齿轮啮合；

所述驱动装置固定在所述外腿连杆上，所述驱动装置被配置为控制所述齿套转动。

在本发明的一种实现方式中，所述驱动装置包括电机和驱动齿轮，所述电机固定安装在所述外腿连杆上，所述驱动齿轮同轴固定在所述电机的输出轴上，所述驱动齿轮与所述齿套啮合。

在本发明的一种实现方式中，所述外腿连杆上套装有两个限位卡簧，所述主动齿轮和所述齿套均位于两个所述限位卡簧之间。

在本发明的一种实现方式中，所述限位杆包括限位主体和两个限位转子，两个所述限位转子间隔转动安装在所述限位主体上，一个所述限位转子固定套装在所述外腿连杆上，另一个所述限位转子固定套装在所述内腿连杆上。

在本发明的一种实现方式中，所述限位主体为弹性件。

在本发明的一种实现方式中，所述内腿上部的一端设置有固定孔，所述内腿连杆固定插装在所述固定孔中。

在本发明的一种实现方式中，所述内腿上部的另一端设置有关节轴，所述内腿下部的一端设置有关节孔，所述关节轴可转动地插装在所述关节孔中。

在本发明的一种实现方式中，所述电磁装置固定在所述内腿上部的另一端，所述关节轴位于所述电磁装置和所述固定孔之间，所述磁铁固定在所述内腿下部的一端，当所述电磁装置和所述磁铁吸合在一起时，所述内腿上部和所述内腿下部同轴布置。

在本发明的一种实现方式中，所述磁铁为永磁铁，所述电磁装置用于选择性地将磁场的s、n两极朝向所述磁铁。

另一方面，本发明实施例提供了一种半被动行走机器人的控制方法，所述控制方法适用于上述半被动行走机器人，所述方法包括：

将所述半被动行走机器人摆放至初始状态，所述初始状态为所述限位杆水平布置，所述电磁装置和所述磁铁吸合在一起，且在前进方向上，所述内腿位于所述外腿的前方；

驱动所述主动齿轮逆时针旋转，使得所述外腿连杆以所述限位杆为半径绕所述内腿连杆转动，直至所述半被动行走机器人处于中间状态，所述中间状态为所述限位杆水平布置，所述电磁装置和所述磁铁吸合在一起，且在前进方向上，所述外腿位于所述内腿的前方；

控制所述电磁装置和所述磁铁相斥分离，且驱动所述主动齿轮顺时针旋转，使得所述内腿连杆以所述限位杆为半径绕所述外腿连杆转动，直至所述半被动行走机器人处于所述初始状态。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例提供的一种可屈膝运动的半被动行走机器人，通过电磁装置和磁铁的布置，当电磁装置和磁铁吸合在一起时，内腿上部和内腿下部同轴竖直布置，即内腿绷直。当电磁装置和磁铁装置相斥分离时，内腿上部和内腿下部弯折，即内腿屈膝。也就是说，本申请所提供的半被动行走机器人，实现了被动机器人的屈膝运动，有效地克服了最简及compass模型机器人受地形限制工作的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的半被动行走机器人的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的内腿上部的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的内腿下部的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的半被动行走机器人的初始状态示意图；

图5为本发明实施例提供的半被动行走机器人的中间状态示意图；

图6为本发明实施例提供的半被动行走机器人的行走状态示意图；

图7为本发明实施例提供的半被动行走机器人的行走过程示意图；

图8为本发明实施例提供的限位杆的结构示意图；

图中各符号表示含义如下：

1-外腿连杆，11-限位卡簧，2-内腿连杆，3-限位杆，31-限位主体，32-限位转子，4-外腿，5-内腿，51-内腿上部，511-电磁装置，512-固定孔，513-关节轴，52-内腿下部，521-磁铁，522-关节孔，6-驱动装置，61-电机，62-驱动齿轮，7-传动装置，71-主动齿轮，72-从动齿轮，73-齿套。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种可屈膝运动的半被动行走机器人及控制方法。被动机器人指的是仅依靠重力来被动地转动机器人各关节，从而实现机器人的行走。而半被动机器人则指的是通过提供机械能，实现机器人部分关节之间的转动，其余部分关节的转动通过重力来被动实现。

图1是本发明实施例所提供的半被动行走机器人的结构示意图，结合图1，在本实施例中，该半被动行走机器人包括：外腿连杆1、内腿连杆2、限位杆3、两根外腿4、两根内腿5、驱动装置6和传动装置7。外腿连杆1与内腿连杆2平行间隔布置，两根外腿4的一端分别固定连接在外腿连杆1的两端，两根内腿5的一端分别固定连接在内腿连杆2的两端。限位杆3的一端可转动地套装在外腿连杆1上，限位杆3的另一端可转动地套装在内腿连杆2上。内腿5包括内腿上部51和内腿下部52，内腿上部51的一端与内腿连杆2连接，内腿上部51的另一端和内腿下部52的一端铰接，内腿上部51的另一端设置有电磁装置511(参见图2)，内腿下部52的一端设置有与电磁装置511配合的磁铁521(参见图3)，电磁装置511和磁铁521被配置为控制内腿下部52相对于内腿上部51的一端转动。传动装置7包括主动齿轮71、从动齿轮72和齿套73，主动齿轮71和齿套73均可转动地同轴套装在外腿连杆1上，齿套73和主动齿轮71同轴连接在一起，且齿套73的外圈半径小于外腿连杆1和内腿连杆2之间的距离，从动齿轮72同轴套装在内腿连杆2上，从动齿轮72和主动齿轮71啮合。驱动装置6固定在外腿连杆1上，驱动装置6被配置为控制齿套73转动。

本发明实施例提供的一种可屈膝运动的半被动行走机器人，通过电磁装置511和磁铁521的布置，当电磁装置511和磁铁521吸合在一起时，内腿上部51和内腿下部52同轴竖直布置，即内腿5绷直。当电磁装置511和磁铁521装置相斥分离时，内腿上部51和内腿下部52弯折，即内腿5屈膝。也就是说，本申请所提供的半被动行走机器人，实现了被动机器人的屈膝运动，有效地克服了最简及compass模型机器人受地形限制工作的问题。

在本实施例中，磁铁521为永磁铁，电磁装置511用于选择性地产生s、n两种磁场。

在上述实现方式中，如果磁铁521的n极朝外布置，那么当电磁装置511产生s磁场时，内腿上部51和内腿下部52吸合在一起，当电磁装置511产生n磁场时，内腿上部51和内腿下部52相斥分离。相反的，磁铁521的s极朝外布置，那么当电磁装置511产生s磁场时，内腿上部51和内腿下部52相斥分离，当电磁装置511产生n磁场时，内腿上部51和内腿下部52吸合在一起。

下面简单介绍一下本发明实施例所提供的半被动行走机器人的行走过程：

首先：装配好半被动行走机器人，并接通电源。将半被动行走机器人摆放至初始状态(参见图4)，初始状态为限位杆3水平布置，电磁装置511和磁铁521吸合在一起，且在前进方向上，内腿5位于外腿4的前方。

接着：外部给半被动行走机器人一个向前的水平速度，同时驱动主动齿轮71逆时针旋转，使得外腿连杆1以限位杆3为半径绕内腿连杆2转动。即外腿4离地，内腿5为支撑腿，直至半被动行走机器人处于中间状态(参见图5)，中间状态为限位杆3水平布置，电磁装置511和磁铁521吸合在一起，且在前进方向上，外腿4位于内腿5的前方。

在上述过程中，只需驱动主动齿轮71逆时针旋转至多90°，外腿连杆1即可在重力的作用下绕内腿连杆2转动，直至半被动行走机器人处于中间状态。

然后：控制电磁装置511和磁铁521相斥分离(参见图6)，且驱动主动齿轮71顺时针旋转，使得内腿连杆2以限位杆3为半径绕外腿连杆1转动。即内腿5离地，外腿4为支撑腿，直至半被动行走机器人处于初始状态。

在上述过程中，电磁装置511和磁铁521相斥分离，使得内腿上部51和内腿下部52弯折，从而为内腿5提供了移动空间，使得内腿连杆2可以正常绕外腿连杆1转动。当限位杆3将要水平时(限位杆3与水平面之间的夹角小于15°)，电磁装置511和磁铁521重新吸合在一起，以使得内腿5绷直，从而起到支撑作用。

最后，控制半被动行走机器人重复处于上述中间状态和初始状态，从而实现了半被动行走机器人行走过程(参见图7)。

继续参见图1，在本实施例中，驱动装置6包括电机61和驱动齿轮62，电机61固定安装在外腿连杆1上，驱动齿轮62同轴固定在电机61的输出轴上，驱动齿轮62与齿套73啮合。

在上述实现方式中，电机61通过驱动齿轮62为齿套73提供机械能，使得齿套73能够带通同轴连接的主动齿轮71转动，从而进一步地带动从动齿轮72转动，以实现半被动行走机器人的整体运行。

可选地，电机61可以直接固定安装在外腿连杆1的外部(参见图1)，在此情况下，电机61的输出轴与外腿连杆1相互平行，驱动齿轮62与主动齿轮71相互平行。在其他实施例中，电机61可以固定在外腿连杆1的内部，在此情况下，电机61的输出轴伸出外腿连杆1并垂直于外腿连杆1，驱动齿轮62为锥形齿轮，齿套73的与驱动齿轮62啮合的部分为相匹配的锥形齿轮，从而将电机61的输出轴的垂直于外腿连杆1的旋转，转变为了齿套73的平行于外腿连杆1的旋转。

在本实施例中，外腿连杆1上套装有两个限位卡簧11，主动齿轮71和齿套73均位于两个限位卡簧11之间。

在上述实现方式中，两个限位卡簧11实现了主动齿轮71和齿套73在外腿连杆1上的限位，避免了主动齿轮71和齿套73在外腿连杆1上出现不必要的轴向晃动。

可选地，两个限位卡簧11的间距，可以大于主动齿轮71和齿套73整体轴向长度1-2mm，从而使得两个限位卡簧11既不影响主动齿轮71和齿套73的转动，也能够实现限位功能。

可选地，主动齿轮71和齿套73的内径相同，主动齿轮71、齿套73和外腿连杆1之间装夹有同一个轴承，使得主动齿轮71和齿套73可以稳固的转动安装在外腿连杆1上。两个限位卡簧11分别于轴承的内圈的两端相抵。

图8为限位杆的结构示意图，结合图8，在本实施例中，限位杆3包括限位主体31和两个限位转子32，两个限位转子32间隔转动安装在限位主体31上，一个限位转子32固定套装在外腿连杆1上，另一个限位转子32固定套装在内腿连杆2上。

在上述实现方式中，限位主体31为两个限位转子32提供了安装基础，主要起到连接内腿连杆2和外腿连杆1的作用，并限定了内腿连杆2和外腿连杆1之间的转动半径。两个限位转子32用于固定套装在内腿连杆2和外腿连杆1上，随着内腿连杆2和外腿连杆1一同旋转。

可选地，限位主体31可以为长条形结构件，两个限位转子32可以为轴承，分别安装在限位主体31的两端，从而实现了内腿连杆2和外腿连杆1之间的连接。

可选地，半被动行走机器人可以包括两个限位杆3，两个限位杆3分别位于主动齿轮71的两侧，从而能够更为稳固的连接内腿连杆2和外腿连杆1。

优选地，限位主体31为弹性件。

在上述实现方式中，将限位主体31设置为弹性件，可以使得内腿连杆2和外腿连杆1之间的相对位置在一定的范围内做自适应调整，从而使得主动齿轮71和从动齿轮72之间能够更好的啮合在一起。

再次参见图2，在本实施例中，内腿上部51的一端设置有固定孔512，内腿连杆2固定插装在固定孔512中。

在上述实现方式中，固定孔512用于容置内腿连杆2，从而为内腿连杆2提供了安装空间。

可选地，可以在内腿连杆2上设置平键，平键夹设在内腿连杆2和固定孔512的内壁之间，从而实现了内腿连杆2和固定孔512之间的固定插装。

需要说明的是，外腿连杆1和外腿4之间也可以通过上述方式固定插装在一起，在此不做赘述。

可选地，内腿上部51的另一端设置有关节轴513，内腿下部52的一端设置有关节孔522(参见图3)，关节轴513可转动地插装在关节孔522中。

在上述实现方式中，通过关节轴513和关节孔522的配合，实现了内腿上部51和内腿下部52之间的铰接。

需要说明的是，关节轴513垂直于内腿下部52的轴线布置，即当半被动行走机器人正常行走时，关节轴513水平布置，从而使得内腿下部52始终在一个垂直于水平面的平面中旋转，从而保证了半被动行走机器人的行走平稳。

继续参见图2，可选地，电磁装置511固定在内腿上部51的另一端，关节轴513位于电磁装置511和固定孔512之间，磁铁521固定在内腿下部52的一端，当电磁装置511和磁铁521吸合在一起时，内腿上部51和内腿下部52同轴布置。

在上述实现方式中，由于关节轴513位于电磁装置511和固定孔512之间，所以当电磁装置511和磁铁521吸合在一起时，用于安装电磁装置511的部分内腿上部51和用于安装磁铁521的部分内腿下部52将相抵，从而起到了限定内腿上部51和内腿下部52的相对位置的作用。

优选地，用于安装电磁装置511的内腿上部51的位置可以为凹陷，当电磁装置511和磁铁521吸合在一起时，用于安装磁铁521的内腿下部52的位置可以装嵌在上述凹陷中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。