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宄的热点，尤其是被动行走机器人的研宄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宄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宄主要集中于对类似Ranger的二维被动行走器的研宄，并且研宄也主要是对模型的理论研宄。
[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、支撑块、髋部、腿部、控制装置；
[0007]所述曲轴为腿部提供旋转动力；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)，曲轴旋转角度为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