一种双足带上身的直腿行走器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及康复医疗、玩具、军事应用领域，具体是一种双足带上身的直腿行走 器。
【背景技术】
[0002] 目前，机器人的研宄在世界各国都是一个热点，尤其对拟人形态的双足行走机器 人的研宄更是如火如荼。目前已面世的双足行走器在仿人行走上已取得了许多值得认可 的成就，但是一般都还是存在一些缺陷，例如（1)并不是完全意义上的双足机器人，包括像 Cornell大学的Ranger，它是用四只腿来实现单纯两腿的功能，只能算是二维意义上的行 走；⑵耗能太大，不适合实际应用，包括像日本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，耗能很大。（3)当然也有具备比较完备的仿人形态的被动行 走装置，但采用的是宽大的足部，并不能模拟人类行走过程的侧向运动过程，因而也未能实 现完全类人的半被动行走。并且根据近期相关理论研宄发现：带上身的被动行走器可以实 现零能耗步态。
【发明内容】
[0003] 鉴于现有技术中的不足，本发明旨在提供一种有上身的且可以实现3D行走的半 被动行走器，该行走器可以实现比较完备意义上的拟人双足行走，并且采用不需要膝盖的 腿部系统，装置很简洁。
[0004] 为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：一种双足带上身的直腿行走器，包 括髋部与上身连接部分和髋部与腿足连接部分；所述髋部与上身连接部分包括上身，固定 在上身内的主控电路板，分别与上身连接的髋部L和髋部R，髋部L和髋部R的内部分别固 定设置控制髋部和足部摆动夹角的电机Ml和电机M2,以及弹簧系统L和簧系统R ;所述髋 部与腿足连接部分包括分别与髋部L和髋部R固定连接的腿部L和腿部R，腿部L和腿部R 的底端铰接足部L和足部R，设置在髋部L和髋部R内部控制足部L和足部R抬起与放下的 电机A和电机B，以及弹簧系统A和弹簧系统B。
[0005] 本发明的行走器的控制方法如下：行走器运动过程的每一步开始时，行走器往支 撑腿一侧转动，该转动将触发支撑腿一侧的足部传感器组足跟部的传感器，传感数据经主 控电路板处理后反馈控制数据到摆动腿一侧的足部控制电机，控制支撑腿一侧的足部抬 起；当沿支撑腿一侧的转动达到最大角度时后，触发支撑腿一侧的足部传感器组足尖部的 传感器，传感数据经主控电路板处理后反馈控制数据到摆动腿一侧的足部控制电机，控制 支撑腿一侧的足部放下。
[0006] 该装置采用能量补偿的方式实现半被动行走。装置系统腿部是不需要膝盖的直 腿，控制方法简单；通过抬脚的方式解决了足地碰撞；装置还能利用上身的摆动对行走器 步态产生影响，实现自然地节能行走。该装置在理论上对被动行走具有指导意义，在实际 中可以用于在腿足的康复医疗上，玩具领域上都有相当大的应用前景，甚至在军事应用上 也是有很有价值的潜在应用的。
【附图说明】
[0007] 图1是本发明的结构示意图；
[0008] 图2是髋部与上身的连接示意图；
[0009] 图3是装置行走方式一的行走流程图；
[0010] 图4是装置行走方式一的行走过程示意图；
[0011] 图5是装置行走方式二的行走流程图；
[0012] 图6是装置行走方式二的行走过程示意图；
[0013] 图7是装置的侧向摆动过程示意图；
[0014] 图中：1-髋部与上身连接部分；2-髋部与腿足连接部分；3-上身；4-主控电路 板；5-髋部L ;6_髋部R ;7_电机Ml ;8_电机M2 ;9_弹簧系统L ; 10-簧系统R ; 11-腿部L ; 12-腿部R ; 13-足部L ; 14-足部R ; 15-电机A ; 16-电机B ; 17-弹簧系统A ; 18-弹簧系统 B ; 19-传感器组；20-编码器；21-连接部件；22-圆柱块；23-滚轴；24-电池组。
【具体实施方式】
[0015] 参见图1和图2,一种双足带上身的直腿行走器，包括髋部与上身连接部分1和髋 部与腿足连接部分2 ;所述髋部与上身连接部分1包括上身3,固定在上身3内的主控电路 板4,分别与上身3连接的髋部L 5和髋部R 6,髋部L 5和髋部R 6的内部分别固定设置 控制髋部和足部摆动夹角的电机M17和电机M28,以及弹簧系统L 9和簧系统R 10;所述髋 部与腿足连接部分2包括分别与髋部L 5和髋部R 6固定连接的腿部L 11和腿部R 12,腿 部L 11和腿部R 12的底端铰接足部L 13和足部R 14,设置在髋部L 5和髋部R 6内部控 制足部L13和足部R 14抬起与放下的电机A 15和电机B 16,以及弹簧系统A 17和弹簧系 统 B 18。
[0016] 所述腿部L 11和腿部R 12为一对不需要膝盖的直腿。
[0017] 所述足部L 13和足部R 14为一对用联轴器接铰接在腿部L 11和腿部R 12下端 的呈外八字形连接在腿部上的窄弧形足部，该足部的外形和连接方式可以解决装置行走过 程中侧向平衡的问题。
[0018] 所述弹簧系统A 17的两条皮带分别套接在电机A 15套有联轴器的转子上和足部 L 13的联轴器上，弹簧系统B 18的两条皮带分别套接在电机B 16套有联轴器的转子上和 足部R 14的联轴器上；弹簧系统A 17的两端和弹簧系统B 18的两端均分别通过固定夹固 定在腿部L 11和腿部R 12上某处（腿的上半部分某处和下半部分某处），固定位置应确保 弹簧系统的所有弹簧均处于弹性限度内的拉伸状态。电机A(B)通过弹簧系统A(B)以皮带 轮传动的方式控制足部逐步抬起与放下，为了使控制有效，必须使弹簧系统A(B)的弹簧均 处于自然伸长状态，以便电机A(B) -旦开始工作就可以通过皮带带动足部L(R)抬起与放 下。
[0019] 所述足部L 13和足部R 14的底端设置有传感器组19,传感器组19主要是压力传 感器。具体是在足部的弧形底面布置有键控式压力传感器，以便得到控制足部抬起与放下 的控制数据，使得位于上身的主控电路板4能通过这些传感器组获取控制摆动腿足部抬起 与放下的相关数据。
[0020] 所述电机M17和电机M28的定子定子与髋部L 5和髋部R 6的内部面板固定，转 子分别通过髋部L 5和髋部R 6框架的内侧壁上固定的滚轴23后与上身3中部的连接部 件21固定；弹簧系统L 9和簧系统R 10的皮带分别套接在电机M17和电机M28的转子上， 弹簧系统L 9和簧系统R 10分别与髋部L 5和髋部R 6框架的下侧壁固定连接；髋部L 5 和髋部R 6外侧壁由凸起的圆柱块22与上身3外侧的连接部件21上的滚轴23连接。
[0021] 电机M17和电机M28结合其上自带的编码器20和弹簧系统L(R)控制腿部L(R) 与上身之间的摆动夹角。电机Ml (M2)的转轴通过轴承卡接上身3下端内侧靠近髋部L(R) 的连接部件，电机Ml (M2)的定子与髋部L(R)固定。弹簧系统L(R)两端的弹簧下端与髋部 L(R)下侧板固定，弹簧系统L(R)中间的皮带套接电机Ml (M2)的转子，从而实现上身与髋部 和腿部的摆动实现同步。
[0022] 所述上身3为一个下侧具有四个连接部件21的匣子，外侧的两个连接部件21下 端固定设置有滚轴23,通过滚轴与髋部外侧凸起的圆柱块连接；内侧的两个支脚分别与电 机Ml、M2的转子固定；内部安装有主控电路板4和供电电池组24。
[0023] 所述主控电路板4是由一块或几块电路板组成的提供装置行走过程中传感器信 号处理与控制信号发送的电路板。
[0024] 本实施例中的行走器的控制方法如下：行走器运动过程的每一步开始时，行走器 往支撑腿一侧转动，该转动将触发支撑腿一侧的足部传感器组足跟部的传感器，传感数据 经主控电路板处理后反馈控制数据到摆动腿一侧的足部控制电机，控制支撑腿一侧的足部 抬起；当沿支撑腿一侧的转动达到最大角度时后，触发支撑腿一侧的足部传感器组足尖部 的传感器，传感数据经主控电路板处理后反馈控制数据到摆动腿一侧的足部控制电机，控 制支撑腿一侧的足部放下。
[0025] 行走器的上身与髋部、腿部的两种具体控制方式如下：
[0026] 方式一：摆动腿的电机反转（定子转动），驱动摆动腿和与摆动腿固定的髋部向 前摆动，同时支撑腿的电机正转（转子转动）从而实现髋部与腿部运动的同时，上身相应 摆动，同时利用支撑腿一侧的上身与髋部的辅助调整弹簧系统使上身始终处于垂直于行走 面。
[0027] 方式二：摆动腿的电机反转（定子转动），驱动摆动腿和与摆动腿固定的髋部向前 摆动，同时支撑腿的电机正转（转子转动）从而实现髋部与腿部运动的同时，上身相应摆 动，同时利用支撑腿一侧的上身与髋部的辅助调整弹簧系统，运动过程中上身与行走面垂 线夹角Θ，支撑腿与行走面垂线夹角