[发明专利]双足半被动行走器及其行走控制方法

权利要求书

1.一种双足半被动行走器，包括髋部和分别设置在所述髋部左右两侧的两个腿部，其特征在于：所述髋部包括髋部平衡板和分别设置在所述髋部平衡板两端下侧的支架；所述腿部包括连接板、大腿和小腿，所述小腿的底部设有拟足板，所述大腿与所述连接板铰接连接，所述小腿与大腿铰接连接并在所述大腿和小腿之间形成膝关节机构，所述连接板与对应的所述支架铰接连接；

所述髋部平衡板与两个所述支架之间分别设有用于驱动所述髋部扭动的髋部扭动机构；所述支架与所述连接板之间设有用于驱动所述大腿左右摆动的腿部张开机构；所述连接板与所述大腿之间设有用于驱动所述大腿前后摆动的腿部行进机构；所述连接板与所述膝关节机构之间设有用于驱动所述膝关节机构做弯曲和伸直运动的膝关节动作机构；

所述腿部张开机构包括固定安装在所述支架上的腿部张开电机，所述连接板的两侧分别固定设有卡槽，所述卡槽背向所述连接板的一端设有腿部张开轴，两根所述腿部张开轴分别旋转配合安装在所述支架上，其中一根所述腿部张开轴与所述腿部张开电机之间设有用于驱动所述腿部张开轴转动的带传动机构Ⅱ。

2.根据权利要求1所述的双足半被动行走器，其特征在于：所述髋部扭动机构包括分别固定安装在所述髋部平衡板上的髋部扭动电机和谐波减速机，所述髋部扭动电机的输出轴、所述谐波减速机的输入轴和输出轴均相互平行并与所述髋部平衡板垂直；所述髋部扭动电机的输出轴与所述谐波减速机的输入轴之间设有带传动机构Ⅰ，且所述谐波减速机的输出轴与所述支架固定连接。

3.根据权利要求1所述的双足半被动行走器，其特征在于：所述腿部张开电机的输出轴与所述腿部张开轴均与所述髋部平衡板平行。

4.根据权利要求1所述的双足半被动行走器，其特征在于：所述腿部行进机构包括固定安装在所述连接板上的腿部行进电机，所述大腿上设有与其同步转动的短轴，且所述大腿通过所述短轴旋转配合安装在所述连接板上，所述腿部行进电机与所述短轴之间设有用于驱动所述短轴旋转的带传动机构Ⅲ。

5.根据权利要求1所述的双足半被动行走器，其特征在于：所述膝关节动作机构包括固定安装在所述连接板上的膝关节动作电机，所述大腿和小腿之间设有膝关节转轴，所述大腿旋转配合套装在所述膝关节转轴上，所述小腿与所述膝关节转轴同步转动；所述大腿上与其旋转配合设有与所述膝关节转轴平行的过渡转轴，所述膝关节动作电机与所述过渡转轴之间设有用于驱动所述过渡转轴旋转的带传动机构Ⅳ，所述膝关节转轴与过渡转轴之间设有用于驱动所述膝关节转轴旋转的带传动机构Ⅴ。

6.根据权利要求1所述的双足半被动行走器，其特征在于：所述拟足板的底面为圆弧面，且所述拟足板的底面上设有用于与底面接触的支撑点；所述小腿采用中空薄壁管制成，且所述中空薄壁管采用弹性材料制成。

7.根据权利要求1-6任一项所述的双足半被动行走器，其特征在于：还包括行走控制系统，所述行走控制系统包括主控装置和数据采集装置；所述主控装置包括微控制单元，以及均与所述微控制单元电连接并用于驱动所述髋部扭动机构动作的髋部扭动驱动电路、用于驱动所述腿部张开机构动作的腿部张开驱动电路、用于驱动所述腿部行进机构动作的腿部行进驱动电路和用于驱动所述膝关节动作机构动作的膝关节动作驱动电路；所述数据采集装置包括均与所述微控制单元电连接并用于采集所述髋部扭动角度的髋部扭动角度位移传感器、用于采集两条所述大腿之间左右摆动角度的腿部张开角度位移传感器、用于采集两条所述大腿之间前后摆动角度的腿部行进角度位移传感器、用于采集小腿与大腿之间的夹角的膝关节动作角度位移传感器和设置在小腿底面上用于检测小腿与地面是否接触的压力传感器。

8.根据权利要求7所述的双足半被动行走器，其特征在于：所述主控装置还包括外接扩展口和电源管理单元。

9.一种采用如权利要求7或8所述双足半被动行走器的行走控制方法，其特征在于：设：两条大腿4前后摆动的最大夹角为数值φ，两条大腿4左右摆动的最大夹角为数值θ，大腿4和小腿5之间弯曲的最大夹角为数值β，髋部扭动最大夹角为数值γ；

连接好各装置，将双腿叉开与地面成一定角度而处于静态平衡状态，并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；

其行走控制方式如下：两条大腿中，其中一条为摆动腿，另一条为支撑腿；

一、正常行走时：

1）利用所述腿部行进机构控制摆动腿产生扭力，使摆动腿向后蹬地，同时利用所述腿部行进机构控制支撑腿配合转动，使得整体重心向前移动；

2）利用所述膝关节动作机构摆动腿的小腿向后弯曲，使得摆动腿可以离开地面，同时利用所述腿部行进机构控制摆动腿的所述大腿向前摆动，支撑腿配合向前摆动；

3）摆动腿向前摆动的过程中，所述主控装置实时处理数据采集装置采集的数据，当检测到摆动腿的两条所述大腿之间的摆动角度达到φ时，摆动腿的所述大腿停止摆动；

4）靠重力和惯性作用使摆动腿前摆下沉，从而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；

5）如此，不断重复如上步骤1）-步骤4），行走器将持续向前行走，实现正常行走的技术目的；

二、跨越障碍时：

1）利用所述腿部行进机构控制摆动腿的大腿向前迈动，利用所述膝关节动作机构控制摆动腿的小腿向后弯曲，在摆动腿向前摆动的过程中，根据所述主控装置采集的数据，当检测到摆动腿的摆动角度达到φ时，摆动腿的小腿向后弯曲并与其大腿之间的夹角达到β时，摆动腿的大腿停止摆动，摆动腿的小腿停止弯曲，同时使摆动腿的小腿伸直与摆动腿的大腿处于同一直线；

2）当所述压力传感器触发时，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，继续完成步骤1）的动作步骤；

3）不断重复步骤1）和步骤2），行走器将跨越障碍前进行走；

三、侧倾平衡控制：

当行走器将向右侧摔时，利用所述腿部张开机构控制右腿向右摆动作为支撑腿；根据所述主控装置采集的数据，当右腿相对于左腿的摆动角度达到θ时，停止摆动；反之，当行走器向左侧摔时，利用所述腿部张开机构控制左腿向左摆动作为支撑腿，当摆动角度达到θ时，停止摆动；

四、行走转向：

利用所述髋部扭动机构控制所述髋部平衡板扭转，根据所述数据采集装置采集的数据，当髋部的扭转角度达到γ时，髋部停止扭转；腿部与髋部连接，髋部的扭动带动腿部的扭动，再依据足底部的圆弧形设计达到转向的目的。