CN112639295B - 双流体负载互反馈自动控制装置、其驱动方法及足式移动机器 - Google Patents

Abstract

一种双流体负载互反馈自动控制装置、其驱动方法及足式移动机器。双流体负载互反馈自动控制装置利用两个流体负载的特殊结构安装关系，使两个流体负载适时的互反馈压力，对应不同工况自动调整两个流体负载的移动速度，应用于足式移动机器，可减少局部的零件数量，简化控制机构，降低功耗和制造成本。

Description

双流体负载互反馈自动控制装置、其驱动方法及足式移动 机器

技术领域

本发明涉及自动控制装置及其驱动方法，具体地说是双流体负载互反馈自动控制装置、其驱动方法及足式移动机器。

背景技术

现有的自动控制装置基于反馈和闭环控制，主要包括有：信号生成器，将反馈的各种不同性质物理量翻译为电子信号，又称传感器；信号流，通过有线或无线的电子传输方式交换电子信号，包括上行和下行；控制器，集成输入的各电子信号，通过设定的程序输出电子控制信号；执行器，接收电子控制信号转换为逻辑机械动作，一般包括功率放大功能。上述的自动控制装置起源于蒸汽机离心控制器，在蒸汽机离心控制器中，离心球集信号生成器、信号流、控制器、执行器于一体，使蒸汽机自动控制简洁可靠。在其他类似蒸汽机这种只需近距离传输信号的设备环境中，信号生成器、信号流、控制器、执行器简化或部分简化对降低机械能耗、成本、故障率有独特作用。

现有的移动机器主要有轮式移动机器和足式移动机器，轮式移动机器必须借助连续的支撑点，足式移动机器在没有道路时，依靠不连续的支撑点也可通行。现有的足式移动机器在其每一个运动副处安装伺服执行器，并辅助各种传感器，采用复杂的控制算法，并编制程序来精准控制每一个伺服执行器的位移量，该方案使得足式移动机器机构部件数量增加，控制策略复杂，且制造成本和功耗均较高。

发明内容

本发明的目的之一就是提供一种双流体负载互反馈自动控制装置，解决现有足式移动机器结构部件数量多的问题。

本发明的目的之二就是提供两种双流体负载互反馈自动控制装置的驱动方法及其优化驱动方法，以简化现有足式移动机器控制策略。

本发明的目的之三就是提供一种仿生足式移动机器，通过两组双流体负载互反馈自动控制装置交替支撑彼此的重心，实现在低功耗、低频率工况时使足式移动机器产生离地状态、完成空间位移。

本发明的目的之一是这样实现的：一种双流体负载互反馈自动控制装置，包括有：

第一往复式流体负载，设置在机架上，用于提供往复旋转运动，驱动第二往复式流体负载做类似于单摆的往复摆动动作；

第二往复式流体负载，设置在第一往复式流体负载相对运动部件(旋转输出轴)上，其相对固定部件与所述第一往复式流体负载的相对运动部件连接，其相对运动部件端部与第一往复式流体负载相对运动部件轴心距离可变，用于改变摆线长度，其相对运动部件端部为双流体负载互反馈自动控制装置及其他附属装置全部质量的重心支点；

流体排放管，用以将第一往复式流体负载的工作容腔与第二往复式流体负载的工作容腔连通；以及间歇性流体动力源，与所述流体排放管相连，用以间歇性为整个装置提供流体工作介质。

所述第一往复式流体负载包括直接将流体压力转换为旋转运动的旋转往复式流体负载和间接实现旋转往复运动的直线往复式流体负载，间接实现旋转往复运动是指，直线往复式流体负载将流体压力先转换为直线往复运动再驱动其他机械结构，使流体压力最终以旋转往复运动方式输出动力。直线往复流体负载与其他机械结构相互配合将直线往复运动转化为旋转往复运动的设计方案可参见中国国防工业出版社2011年出版的《液压缸及其设计》，书号ISBN978-7-118-07583-0。本说明书中使用直线往复流体负载与杠杆式配合输出旋转往复运动的机构设计表示“旋转往复式流体负载”。

所述第一往复式流体负载以下简称为“摆旋负载”。

同理，所述的第二往复式流体负载包括直接将流体压力转换为直线运动的直线往复式流体负载和将流体压力转换为旋转往复运动再驱动其他机械结构，使流体压力最终以直线往复运动方式输出的旋转往复式流体负载。

所述第二往复式流体负载相对运动部件端部或其驱动的其他机械结构运动部件端部，与第一往复式流体负载相对运动部件轴心距离可变，用于改变摆线长度，有两种改变方式：

一、直线往复直接输出方式，使用直线往复式流体负载，活塞杆轴心线与摆线重合，其摆线长度为直线往复式流体负载相对固定部件端部至活塞杆活塞端部之距离，伸缩活塞杆直接实现摆线长度可变。二、旋转往复转换输出方式，使用旋转往复式流体负载以旋转往复运动方式输出或使用直线往复式流体负载将流体压力先转换为直线往复运动再驱动其他机械结构，使流体压力最终以旋转往复运动方式输出，旋转往复输出轴固定连接一个支撑杆，支撑杆在往复摆动时，其另一端相对于摆旋负载相对运动部件旋转轴心的距离不断变化，此距离即为双流体负载互反馈自动控制装置的摆线长度。

所述第二往复式流体负载以下简称为“摆长负载”。

往复式流体负载无复位装置便不可实现循环重复运动，为图示简洁，本说明书附图没有标出复位装置。本发明所述的复位装置可以是固体弹性形变式、压缩气体式、磁斥力式、重力式等被动性蓄能再释放复位装置，比如弹簧、蓄能器，也可以是主动性复位装置，比如是另一个不同相位的流体动力源。

摆旋负载的复位装置和摆长负载的复位装置分别设置，调整两复位装置的蓄能容量和蓄能压力比值，摆旋负载和摆长负载的相对运动相位改变，生成不同步态适应不同路况。根据实际需要，摆旋负载和摆长负载的的复位装置也可以共用一个。

如果以流体负载的复位装置为施力对象，本发明可以这样描述：一种双蓄能装置互反馈自动控制装置，由甲、乙两个借助流体工作介质传递压力的蓄能装置组成，两个蓄能装置彼此同时改变对方的空间位置，甲蓄能装置改变乙蓄能装置的水平位移，乙蓄能装置改变甲蓄能装置的垂直位移，甲、乙两个蓄能装置的流体工作介质互通。

摆长负载与摆旋负载旋转输出轴铰接的一端作为相对固定部件，另一端为相对运动部件是双流体负载互反馈自动控制装置及其他附属装置全部质量的重心支点。摆长负载选用直线往复式流体负载时，相对运动部件一般是活塞杆，本发明中应用于足式移动机器时，相对运动部件作为触地零件，工作环境恶劣，优选缸筒为相对运动部件，活塞杆内部设置两条流体通路作为相对固定部件并连接摆旋负载输出轴。为符合习惯，本说明书仍以活塞杆作为相对运动部件表述。

在生物体上，肌肉只能通过收缩输出“拉”一种施力形态。比如踝关节实现跖屈动作，小腿与足面是杠杆结构，踝关节是支点，小腿后群肌肉收缩拉动跟骨，使足弓脚趾弹伸，间接的增加下肢长度，施力点与受力点分居支点两侧，运动方向相反。流体负载输出动力有“推”和“拉”两种施力形态，本说明书图示使用流体负载常见的“推”式施力形态，相当于小腿后群肌肉改为前群肌肉，施力点与受力点同居支点一侧，施力点与受力点运动方向一致，于是直接将摆长负载相对运动部件伸出动作仿生脚趾弹伸增加下肢长度，原理相同。

摆长负载、摆旋负载的流体工作介质，可能是不可压缩的液体流体，也可能是能被有限压缩的其他流体。流体工作介质有限度的被压缩可形成流体负载的延迟运动，在本发明中可作为一种调节相位的方法。

所述的流体排放管是指可容纳流体在其内部自由流动，阻挡流体与外界发生物质交换之装置，根据系统需要流体排放管设置若干个流体排放口联通若干个流体负载(包括流体动力源)的工作容腔。

双流体负载互反馈自动控制装置应对不同路况可能需要摆长负载和摆旋负载异步运动，生成不同运动轨迹，需要调整摆长负载和摆旋负载相互反馈量，控制流体双向不等值流动，调节手段可以是：调节两负载的活塞截面积比例、行程比例，调整进入两负载的流体通道截面积形成节流，所述流体排放管包括为形成节流与其并联设置有流体控制阀的其他流体排放通路。

在需要本发明装置连续工作时，需要间歇性流体动力源提供能量输入。间歇性流体动力源是指包括两个工作状态(流体供给态和流体回收态)的压力流体动力源，流体供给态提供压力流体供给负载，流体回收态使压力流体从负载排出。流体动力源供给的压力流体可能是不可压缩的液体，也可能是能被有限压缩的其他流体。在双流体负载互反馈自动控制装置具有足够势能时，减速工作或有其他能量供给(比如重力势能)时，间歇性流体动力源可能是假性动力源，即控制此流体动力源暂时不供给流体工作介质。

本发明的双流体负载互反馈自动控制装置作为足式移动机器，仿生分工是这样的：

摆长负载、摆旋负载、间歇性流体动力源共同连接成一体作为下肢肢体，其中摆旋负载驱动摆长负载往复摆动。摆旋负载输出轴仿生髋关节，摆动下肢，摆长负载的相对固定部件仿生腿，摆长负载相对运动部件仿生膝关节，伸缩腿长(膝关节驱动小腿同踝关节驱动足弓功能相似，视同都是为伸缩腿长，合二为一)，摆长负载相对运动部件的端部为足式移动机器的摆动轴心，承载足式移动机器全部重量，仿生脚。

本发明目的之二的第一种驱动方法是这样实现的：一种双流体负载此出彼收互反馈自动控制装置的驱动方法，包括以下步骤：

a、设置如上所述的双流体负载互反馈自动控制装置，间歇性流体动力源为假性动力源，摆长负载在出杆状态、摆旋负载在复位状态时，在装置内充满流体；初始状态时，双流体负载此出彼收，互反馈自动控制装置处于离地状态，具有足够的重力或惯性势能；

b、在势能作用下，摆长负载的活塞杆端部承载整个装置的全部重量，活塞杆端部触地时，开始回杆，摆线长度缩短，重力势能转化为流体压力作用于摆旋负载的活塞，摆旋负载的复位装置进入蓄能状态，与此同时，摆旋负载驱动摆长负载摆动；当重力势能全部转化为摆旋负载复位装置的能量时，摆旋负载复位装置达到最大蓄能状态，开始复位，摆旋负载复位装置驱动摆旋负载的活塞复位，间接驱动摆长负载的活塞杆出杆，摆线长度增长，活塞杆端部对地作用力大于双流体负载互反馈自动控制装置惯性时，双流体负载互反馈自动控制装置沿其摆长负载活塞杆摆动方向腾空离地，落向下一个支撑点，在腾空时间双流体负载互反馈自动控制装置在摆旋负载复位装置作用下完成并保持摆长负载在出杆状态、摆旋负载在复位状态；

c、第一个循环完成后，重复步骤b，在初始势能全部消耗完成时，双流体负载互反馈自动控制装置完成设定的空间位移。

本发明目的之二的第二种驱动方法是这样实现的：一种双流体负载共出同收互反馈自动控制装置的驱动方法，包括以下步骤：

a、设置如上所述的双流体负载互反馈自动控制装置，摆长负载在回杆状态、旋转往复式流体负载在复位状态时，在装置内充满流体；初始状态时，摆长负载处于触地状态；设置间歇性流体动力源联通流体排放管；

b、在间歇性流体动力源作用下，摆长负载的活塞杆端部承载整个装置的全部重量，活塞杆端部触地，开始出杆，与此同时，摆旋负载驱动摆长负载摆动；摆长负载的活塞杆出杆，活塞杆端部对地作用力大于双流体负载互反馈自动控制装置惯性时，双流体负载互反馈自动控制装置沿其摆长负载活塞杆摆动方向腾空离地，落向下一个支撑点，在腾空时间，间歇性流体动力源停止提供压力流体，摆旋负载、摆长负载在各自复位装置作用下排出流体，回杆并保持回杆状态；

c、第一个循环完成，重复步骤b，双流体负载互反馈自动控制装置完成设定的空间位移。

本发明目的之二的第二种驱动方法中，步骤b在腾空时间时，可设计为间歇性流体动力源停止提供压力流体时，摆旋负载在复位装置作用下排出流体，复位并保持复位状态；摆长负载不排出流体保持出杆状态，接近本发明目的之二的第一种驱动方法之步骤a状态。在第二个循环重复步骤b时，摆长负载的活塞杆端部承载整个装置的全部重量，活塞杆端部触地时，开始回杆，间歇性流体动力源压力能量和惯性势能同时转化为流体压力作用于摆旋负载的活塞，摆旋负载驱动摆长负载摆动；摆长负载的活塞杆承受双向压力，先缩再伸，当向下对地作用力大于双流体负载互反馈自动控制装置惯性时，双流体负载互反馈自动控制装置沿其摆长负载活塞杆摆动方向腾空离地，落向下一个支撑点。

本发明目的之二的第二种驱动方法中，步骤b在腾空时间时，也可设计为间歇性流体动力源停止提供压力流体，摆长负载在复位装置作用下排出流体，回杆并保持回杆状态；在重复第二次动作时，提前间歇性流体动力源的初始开启时间，在双流体负载互反馈自动控制装置触地前，设置摆长负载完成或部分完成出杆动作，也接近本发明目的之二的第一种驱动方法之步骤a状态。

此两种设计可以理解为本发明目的之二的第二种驱动方法之相位调整范畴，也可以理解为两种驱动方法的切换使用，目的是回收惯性势能、利用重力势能、减轻整个装置震动。切换过程中，如原摆旋负载与摆长负载的容量、施力方向、复位装置等不符合切换匹配要求，原摆旋负载可经由流体单刀双掷开关并联另一个符合匹配要求的摆旋负载，在恰当时刻切换代用。摆长负载仿生腿，不易备份、替换。

在本发明目的之二的两种驱动方法中，摆长负载选用直线往复式流体负载，其相对固定部件仿生腿，大腿、小腿没有区分，直线往复式流体负载活塞杆承受侧向分力。为延长机器寿命、减少能耗，设置膝关节，使大腿、小腿分置，大腿、小腿分置使直线往复式流体负载中轴线摆动角度减小，始终垂直(或接近垂直)于地面，消除侧向分力。摆旋负载输出轴旋转角度增大，步长不变，双流体负载互反馈自动控制装置下肢离地高度增大，越障、爬坡能力提高，有助于完成类似下蹲、起立、爬楼梯等动作。

本发明提供两种双流体负载互反馈自动控制装置应用于膝关节设置的方法，以优化本发明目的之二的驱动方法。

本发明目的之二的第一种优化驱动方法是这样实现的：一种双流体负载互反馈自动控制装置应用于膝关节设置的方法——摆旋负载驱动膝关节旋转，包括以下步骤：

a、摆旋负载，设置在机架上；

摆长负载相对固定部件与摆旋负载输出轴解除固定连接。摆旋负载输出轴驱动摆动杆(摆动杆仿生大腿)，摆长负载相对固定部件(仿生小腿)铰接于摆动杆上，铰接轴仿生膝关节，实现大腿、小腿分置；摆长负载相对运动部件端部仍作为整个装置的重心支点，铰接轴与摆旋负载的输出轴(髋关节)设置换向锁定装置，使两轴同步动作，且旋转方向相反；以及

流体排放管，用以将摆旋负载的工作容腔与摆长负载的工作容腔连通，

b、摆旋负载经由换向锁定装置间接驱动小腿铰接轴往复摆动，两轴同步旋转过程，摆长负载自身长度增减的同时，大腿(铰接轴中心与摆旋负载输出轴中心之连线)、小腿(摆长负载之中心轴线)的夹角逐渐变化，其两端点的直线距离(摆线长度)不断变化，等同驱动方法一、二摆长负载轴心线长度(摆线长度)可变之特征。

本发明目的之二的第二种优化驱动方法是这样实现的：一种双流体负载互反馈自动控制装置应用于膝关节设置的方法——摆长负载驱动膝关节旋转，包括以下步骤：

a、摆旋负载，设置在机架上；摆长负载相对固定部件与摆旋负载输出轴解除固定连接。摆旋负载输出轴驱动摆动杆(摆动杆仿生大腿)，摆长负载相对固定部件固定于摆动杆上，摆长负载选用旋转往复式流体负载机构或者直线往复流体负载与其他机构配合输出旋转往复运动的机构，机构旋转输出轴固定连接支撑杆(仿生小腿)，机构旋转输出轴仿生膝关节，实现大腿、小腿分置；支撑杆端部作为整个装置的重心支点，调整摆长负载的安装方向或流体出入口，使髋关节(摆旋负载输出轴)与膝关节(机构旋转输出轴)两轴同步动作，旋转方向相反。以及流体排放管，用以将摆旋负载的工作容腔与摆长负载的工作容腔连通。

b、两轴同步旋转过程，摆长负载随同摆旋负载摆动杆做往复摆动，与此同时，固定连接于摆长负载机构旋转输出轴的支撑杆也做往复摆动。大腿(膝关节轴心与髋关节轴心之连线)、小腿(支撑杆)的夹角逐渐变化，其两端的直线距离(摆线长度)不断变化，等同驱动方法一、二摆长负载轴心线长度(摆线长度)可变之特征。

此方法小腿为固定长度，小腿也可由为可变长度的被动性蓄能再释放复位装置充当，比如弹簧，同步做被动动作，减震起用。

本发明目的之二的第二种膝关节设置方法，髋关节、膝关节无须设置其他换向联动装置即可实现髋关节、膝关节两轴同步动作，旋转方向相反，也可以理解成膝关节设置方法一所要求的一种换向锁定装置。本发明目的之二的第二种优化驱动方法配合本发明第一种优化驱动方法联合驱动膝关节，如图2-3所示。为完成足式移动机器在更多方向的更精确更复杂的运动，可以在大腿对应运动方向设置多组双流体负载互反馈自动控制装置。

本发明目的之三提供一种仿生足式移动机器是这样的，包括有：

一种仿生足式移动机器，至少使用两组双流体负载互反馈自动控制装置，设置两组自动控制装置交替支撑彼此的重心，延迟重心下降时间。

一种仿生足式移动机器，其两组自动控制装置交替支撑彼此的重心的设置方法是：两组自动控制装置相同功用的两个往复式流体负载彼此互为对方的复位装置。鉴于本发明的一种双流体负载互反馈自动控制装置的摆长负载和摆旋负载始终互联，两组自动控制装置相同功用的摆长或摆旋负载彼此互为对方的复位装置即可实现交替支撑彼此的重心，不必两组自动控制装置相同功用的摆长和摆旋负载同时满足彼此互为对方的复位装置。两组自动控制装置空间相对位置不同，可选择不同的互为对方的复位装置方案。互为对方的复位装置的机械设计方案可以是定滑轮、四齿轮组合、三锥齿轮组合、钢丝拉索、液压锁定等。

一种仿生足式移动机器，其两组自动控制装置交替支撑彼此重心的优选设置方法是：

本发明提供一种液压锁定方案实现两组自动控制装置相同功用的往复式流体负载互为对方的复位装置：两组足式移动装置相同功用的两个往复式流体负载都使用双作用往复式流体负载，一个双作用往复式流体负载在出杆状态、另一个双作用往复式流体负载在回杆状态时，联通两个双作用往复式流体负载的回杆腔，回杆腔与联通回杆腔的管路内充满可流动的工作介质，使两个双作用往复式流体负载的回杆腔及其联通管路成为一个独立的流体压力系统，实现同步动作、动作方向相反。

液压锁定方案可以是：两组双流体负载互反馈自动控制装置的摆旋负载为双作用往复式流体负载，两个摆旋负载的回杆腔通过连通管连通，内充不可压缩流体，使两个摆旋负载互为对方的复位装置。

液压锁定方案也可以是：两组双流体负载互反馈自动控制装置的摆长负载为双作用往复式流体负载，两个摆长负载的回杆腔通过连通管连通，内充不可压缩的流体，使两个摆长负载互为对方的复位装置。

如果双作用往复式流体负载原出力方式为“拉”，液压锁定方案联通的也可能是出杆腔。为满足动作的可靠性与延迟性之取舍，可选用不可压缩的液体或有限压缩的其他流体，必要时，排出回杆腔与联通回杆腔的管路内的流体或部分流体，即可调节两个互联往复式流体负载的相对工作相位，直至解除联动锁定。或者在回杆腔与联通回杆腔的管路内填充能被有限压缩体积的蓄能装置，流体工作介质有限度的被压缩可形成流体负载的延迟运动，调节被有限压缩的流体的预压力也是一种调节相位的方法。

一种仿生足式移动机器，其两组自动控制装置交替支撑彼此重心的设置方法有益作用一：本发明目的之二的两种驱动方法要求有足够功率的动能供给，其空间位移特点为快速、跳跃。两组自动控制装置交替支撑彼此重心的设置方法利用较低功率的动能，摆旋负载、摆长负载在空中完成复位动作，最终实现在较低的迈步频率下的空间位移。

一种仿生足式移动机器，其两组自动控制装置交替支撑彼此重心的设置方法有益作用二：相同功用的往复式流体负载同时互为对方的复位装置，间接实现了间歇性流体动力源互为对方的复位装置，如果系统需要，其中一组自动控制装置的流体动力源可以是被动性动力源，即其可以是一种被动性蓄能再释放复位装置，比如弹簧、蓄能器。

一种仿生足式移动机器，其两组自动控制装置交替支撑彼此重心的设置方法有益作用三：两组自动控制装置的交替位移，不但使足式移动机器在较低的迈步频率下，在流体动力源改为流体回收态时，摆旋负载完成复位动作时，摆长负载收缩活塞杆的动作在空中完成，而且，当连续的支撑点不在同一水平面时，以流体排放管压强(压强由足式移动机器自重和载重共同产生)为触发条件，控制调整流体动力源流体单次供给容积，单次供给容积不大于理论最大值，即间歇性流体动力源单次供给流体容积小于摆旋负载、摆长负载工作容腔容积之和，单次供给容积最小值由足式移动机器总重量决定，负载决定压力，间歇性流体动力源为克服总重量产生的最小压力必须足以驱动摆旋负载动作形成最小的步幅(调整摆旋负载的施力位置和活塞面积有助于实现此目的)。流体动力源流体单次供给容积不大于理论最大值，使摆长负载活塞杆出杆长度不同，适应不同高度支撑点，在增强其越障能力的同时维持足式移动机器重心最大程度处于同一水平面。

本发明还提供一种足式移动机器，包括有若干组双流体负载互反馈自动控制装置：

一组双流体负载互反馈自动控制装置，包括有：第一往复式流体负载，设置在机架上，用于提供往复旋转运动，驱动第二往复式流体负载做类似于单摆的往复摆动动作；

第二往复式流体负载，设置在第一往复式流体负载相对运动部件(旋转输出轴)上，其相对固定部件与所述第一往复式流体负载的相对运动部件连接，其相对运动部件端部与第一往复式流体负载相对运动部件轴心距离可变，用于改变摆线长度，其相对运动部件端部为双流体负载互反馈自动控制装置及其他附属装置全部质量的重心支点；

流体排放管，用以将旋转往复式流体负载的工作容腔与直线往复式流体负载的工作容腔连通；以及

间歇性流体动力源，与所述流体排放管相连，用以间歇性提供流体工作介质。

第二往复式流体负载摆动轴与第一往复式流体负载旋转输出轴经由换向锁定装置联动，旋转输出轴与摆动轴同步动作，旋转方向相反；

若干组双流体负载互反馈自动控制装置其中两组双流体负载互反馈自动控制装置的联动形式，可以是：两组双流体负载互反馈自动控制装置，两组双流体负载互反馈自动控制装置的摆长负载为双作用往复式流体负载，两个摆长负载的回杆腔通过连通管连通，内充不可压缩的流体，使两个摆长负载互为对方的复位装置。

若干组双流体负载互反馈自动控制装置其中两组双流体负载互反馈自动控制装置的联动形式，也可以是：两组双流体负载互反馈自动控制装置，两组双流体负载互反馈自动控制装置的摆旋负载为双作用往复式流体负载，两个摆旋负载的回杆腔通过连通管连通，内充不可压缩的流体，使两个摆旋负载互为对方的复位装置。

本发明的双流体负载互反馈自动控制装置利用两个流体负载的特殊结构安装关系，使两个流体负载适时的互反馈压力，对应不同工况自动调整两个流体负载的移动速度，应用于足式移动机器，可减少局部的零件数量，简化控制机构，降低功耗和制造成本。

本发明的双流体负载互反馈自动控制装置使压力流体类似蒸汽机离心控制器离心球之作用，集信号生成器、信号流、控制器、执行器于一体，应用于足式移动机器，减少足式移动机器局部的零件数量，简化控制机构，使足式移动机器两个运动副(髋关节、踝关节)适时的自平衡压力，生成仿足式生物的空间移动轨迹，以解决现有足式移动机器控制复杂，功耗高的问题。

附图说明

图1-1是实施例1所述装置的结构示意图。

图1-2是实施例2所述装置的结构示意图。

图2-1、2-2-1、2-2-2、2-2-3、2-3是单肢仿生足式移动装置膝关节设置的结构示意图。

图3-1是两组实施例1或2所述装置并联、摆旋负载互为对方复位装置的结构示意图。

图3-2是两组实施例1或2所述装置并联、摆长负载互为对方复位装置的结构示意图。

图3-3是两组实施例1或2所述装置并联、摆长负载互为对方复位装置，摆长负载复位装置为对方的间歇性流体动力源结构示意图。

图3-4是两组实施例1或2所述装置并联、间歇性流体动力源彼此控制对方摆长负载和摆旋负载的结构示意图。

图中：1、机架，2、摆旋负载，3、摆旋负载输出轴，4、摆动杆，5、间歇性流体动力源，6、流体排放管，7、摆长负载，8、摆长负载耳轴，9、摆长负载旋转输出轴，10、第一摆旋负载，11、第一摆长负载，12、第一流体排放管，13、第一流体动力源，14、第二摆旋负载，15、第二摆长负载，16、第二流体排放管，17、第二流体动力源，18、连通管，19、摆长负载支撑杆。

具体实施方式

实施例1：双流体负载互反馈自动控制装置及其驱动方法。

如图1-1所示，本实施例的双流体负载互反馈自动控制装置包括机架1、摆旋负载2、摆长负载7、流体排放管6等部分，间歇性流体动力源5为假性(即取消设置此流体动力源，或者控制此流体动力源暂时不供给流体工作介质)。

摆旋负载2相对固定部件设置在机架1上，摆旋负载输出轴3驱动其摆动杆4做往复单摆运动，摆旋负载摆动杆4与摆长负载7的相对固定部件固定连接。

流体排放管6的一端连接摆旋负载2的工作容腔，另一端连接摆长负载7的工作容腔。摆长负载7在出杆状态、摆旋负载2在复位状态时，流体排放管6联通摆长负载7、摆旋负载2，流体排放管6及其联通的容腔中充满流体工作介质；摆旋负载2通过摆动杆4驱动摆长负载7往复摆动，使摆长负载7在做上下直线往复动作的同时绕摆旋负载输出轴3做往复摆动动作；动力源为假性动力源，整体装置的能量全部来自于初始惯性或重力势能；摆长负载7活塞杆端部为重心支点承载装置的全部重量。

初始状态时，摆长负载7处于离地状态，赋予装置足够的势能使其按设定方向向地面跌落。当摆长负载7的活塞杆端部触地时，活塞杆开始回缩(摆线长度缩短)，势能转化为流体压力作用于摆旋负载2的活塞，流体通过流体排放管6向摆旋负载2的工作容腔内流动，进而推动摆旋负载2的活塞运动，驱动摆长负载7摆动，摆旋负载复位装置进入蓄能状态。当摆旋负载2的复位装置达到最大蓄能状态时，开始复位，该复位装置驱动摆旋负载2的活塞杆复位，流体通过流体排放管6向摆长负载7的工作容腔内流动，进而推动摆长负载7的活塞杆外伸(摆线长度增长)，活塞杆端部对地作用力大于装置惯性时，装置沿活塞杆摆动方向腾空离地，落向下一个支撑点，在腾空时间，摆长负载7完成出杆，摆旋负载完成复位，一个动作循环完成，进入下一个循环。不断重复此过程，在初始势能全部消耗完时，完成设定的空间位移。通过调整两负载的活塞截面积比例和行程比例设定预期的运动轨迹。

实施例2：双流体负载互反馈自动控制装置的另一种驱动方法。

如图1-2所示，本实施例的双流体负载互反馈自动控制装置同实施例1，不同的是流体排放管6同时联通间歇性流体动力源5。摆旋负载2使用直线往复流体负载与杠杆式配合输出旋转往复运动的机构设计表示，驱动方法如下：

初始位置为触地状态，摆长负载7、摆旋负载2同处在复位(回杆)状态时，间歇性流体动力源5处在流体初始供给态。摆长负载7活塞杆端部承载整个装置的全部重量，摆旋负载2驱动摆长负载7往复摆动，使摆长负载7在做上下直线往复动作的同时绕摆旋负载输出轴3做往复摆动动作。

在间歇性流体动力源5作用下，摆长负载7的活塞杆端部承载整个装置的全部重量，活塞杆端部触地，开始出杆，与此同时，摆旋负载2驱动摆长负载7摆动；摆长负载7的活塞杆出杆，活塞杆端部对地作用力大于足式移动机器惯性时，足式移动机器沿活塞杆摆动方向腾空离地，落向下一个支撑点，在腾空时间，足式移动机器间歇性流体动力源停止提供压力流体，摆旋负载2、摆长负载7在各自复位装置作用下排出流体，回杆复位；如此重复，足式移动机器完成设定的空间位移。

根据帕斯卡定律，摆旋负载2和摆长负载7通过流体排放管6联通，两流体负载工作容腔内压力始终相等，间歇性流体动力源5驱动摆旋负载2、摆长负载7同时动作，在整体装置重心位置变化过程中，摆旋负载2、摆长负载7分担的重力随时变化，流体工作介质作为信号生成器、信号流、控制器、执行器即时实施作用于两流体负载的活塞，随两流体负载相对空间位置之变化，实时双向反馈信号及压力力矩。

当间歇性流体动力源5瞬时功率足够大时，产生的反作用力大于整体装置重心提高移动的惯性，使装置脱离支撑点向摆长负载7活塞杆摆动方向腾空离开支撑点，作抛物线移动。瞬时功率的大小决定装置脱离支撑点腾空的时刻和运动距离。

在腾空时间内，间歇性流体动力源5改为流体回收态，摆旋负载2、摆长负载7在各自的复位装置作用下在空中收缩活塞杆，在接触下一个支撑点前回到起始状态。

间歇性流体动力源5改为流体供给态，装置落地之惯性被直线往复式流体负载7活塞杆吸收类似于实施例1，势能转化为流体压力并与流体动力源供给流体压力合并，再次重复实施例1中的步骤，回收惯性能量、流体供给态再次供给。

当本实施例装置以上述方法获得足够势能(或存在可利用重力势能)时，可以切换成实施例1中的运行方法，在恰当时刻，将间歇性流体动力源5断开，切换为实施例1中的方法移动，回收势能，节约能量。

实施例3：单控髋、膝、踝三驱动方法。如图2-1所示，为实现膝关节设置方法一。

本实施例的双流体负载互反馈自动控制装置同实施例1、2，不同的是：

以摆长负载采用耳轴式直线往复式流体负载安装为例说明，设置摆旋负载输出轴3驱动摆动杆4，摆动杆4与耳轴支架固定连接，摆长负载耳轴8作为相对固定部件与耳轴支架铰接连接，铰接轴仿生膝关节，摆长负载7仿生小腿，摆动杆4固定连接耳轴支架仿生大腿。摆长负载7活塞杆伸缩仿生踝关节，摆旋负载输出轴3仿生髋关节。

摆长负载耳轴8为从动轴，摆旋负载输出轴3经由换向锁定装置间接驱动耳轴8往复摆动，使两轴同步动作，旋转方向相反。换向锁定装置有多种设计方案，图中未标出。

其运动过程同实施例1、2。摆旋负载2经由换向锁定装置间接驱动耳轴8往复摆动，两轴同步旋转过程，摆长负载7自身长度增减的同时，大腿(耳轴8中心与摆旋负载输出轴心3之连线)与小腿(摆长负载之中心轴线)的夹角逐渐变化，其两端点的直线距离(摆线长度)不断变化。

实施例4：单控髋、膝两驱动方法。为实现膝关节设置方法二。

本实施例的双流体负载互反馈自动控制装置同实施例1、2，不同的是：

摆长负载选用旋转往复式流体负载机构或者直线往复流体负载与其他机构配合输出旋转往复运动的机构，摆长负载旋转输出轴9固定连接支撑杆19，支撑杆端部作为整个装置的重心支点，仿生脚。

一、如图2-2-1所示为以摆长负载采用旋转往复式摆动流体负载安装为例说明，结构简洁。

摆旋负载2，设置在机架1上，摆长负载7选用往复式摆动流体负载机构，其相对固定部件固定于摆动杆4上，摆长负载旋转输出轴9固定连接支撑杆19，摆长负载旋转输出轴9仿生膝关节，实现大腿、小腿分置；支撑杆19端部作为整个装置的重心支点，调整摆长负载7的安装方向或流体出入口，使髋关节(摆旋负载输出轴3)与膝关节(摆长负载旋转输出轴9)两轴同步动作，旋转方向相反。流体排放管6，用以将摆旋负载2的工作容腔与摆长负载7的工作容腔及流体动力源连通。

二、摆长负载采用往复式摆动流体负载，成本较高。摆长负载优选使用直线往复流体负载与杠杆式配合输出旋转往复运动的机构设计，如图2-2-2所示，摆长负载7施力方式为“拉”，为满足摆长负载7安装要求，摆动杆4延长(摆长负载7相对固定部件先铰接支座，支座固定连接摆动杆4，以实现摆长负载与杠杆式配合输出旋转往复运动)。摆长负载旋转输出轴9固定连接支撑杆19，支撑杆19另一端作为整个装置的重心支点，仿生脚。支撑杆19在往复摆动时，其另一端相对于摆旋负载输出轴3(仿生髋关节)的距离(摆线长度)不断变化。

三、为减少机构自重，减轻机构往复摆动的惯量损失，不采用延长摆动杆4的方案，优选摆长负载重心上移、角速度减小的方案，图2-2-2变形设计如图2-2-3所示：

摆长负载仍选使用直线往复流体负载与杠杆式配合输出旋转往复运动的机构设计，图2-2-2所示支撑杆19集动力输入、输出于一体，变形设计方案使支撑杆19输入、输出功能分置：摆长负载旋转输出轴9固定连接两条支撑杆，一为输入、一为输出，输入支撑杆一端铰接直线往复式流体负载活塞杆接受动力，另一端用以驱动摆长负载旋转输出轴9，输出支撑杆19的另一端作为整个装置的重心支点，仿生脚。

摆长负载7施力方式为“拉”，摆长负载7相对固定部件固定连接摆动杆4(摆长负载7相对固定部件先铰接支座，支座固定连接摆动杆4，以实现摆长负载与杠杆式配合输出旋转往复运动)，摆长负载旋转输出轴9固定连接支撑杆19。摆旋负载输出轴3(仿生髋关节)驱动摆动杆4(仿生大腿)。摆长负载旋转输出轴9仿生膝关节，摆长负载输出轴驱动支撑杆19(仿生小腿)，支撑杆19另一端作为整个装置的重心支点。调整摆长负载7的安装位置、改变其施力方向使髋关节、膝关节两轴同步动作，旋转方向相反。

其运动过程同实施例1、2。摆长负载7自身随摆动杆4做往复摆动的同时，其旋转输出轴9驱动支撑杆19做反相往复摆动。两关节同步旋转过程，大腿(摆长负载旋转输出轴9轴心与摆旋负载输出轴3轴心之连线)与小腿(摆长负载19中心轴线)的夹角逐渐变化，其两端的直线距离(摆线长度)不断变化。

实施例5：双控髋、膝、踝三驱动。

如图2-3所示，本实施例的双流体负载互反馈自动控制装置以实施例3、4的结构合并组合使用，图2-2-3摆长负载旋转输出轴9驱动图2-2-1摆长负载耳轴8，功能合并，可以固定连接成一体。图2-2-3支撑杆19固定连接图2-1摆长负载相对固定部件。

图中只标出一个流体动力源，同时驱动图2-1和图2-2-3的两个摆长负载7，根据需要可以使用两个流体动力源。

其运动过程同实施例1、2。

上述各实施例中，实施例1、2及优化实施例3、4、5使用单独一组自动控制装置配合有足够瞬时功率的间歇性流体动力源(或足够的势能)，实时调整直线往复式流体负载可运动部件端部(脚)的受力方向(例如实时调整装置架构，改变其重心位置)即可通过单肢跳跃方式借助不连续的支撑点实现方向和平衡可控的空间移动。

使用两组或两组以上实施例1、2及优化实施例3、4、5自动控制装置并联移动，可以简化直线往复式流体负载可运动部件端部(脚)的控制方式。调整两个自动控制装置间歇性流体动力源的瞬时流量、压力、工作相位次序等可辅助实现移动方向和平衡可控，仿生如麻雀、袋鼠的跳跃移动方式。

实施例6：双肢联动仿生足式移动机器。

两组足式移动装置的交替位移，使足式移动装置在较低的迈步频率下，在流体动力源改变为流体回收态时，摆旋负载完成复位动作时，摆长负载收缩摆线长度动作在空中完成。两组足式移动装置交替联动有多种组合变形方式：

甲组合方式：本实施例包括第一仿生足式移动装置和第二仿生足式移动装置。实施例6优选实施例5方案组合联结，图示以实施例1、2大腿、小腿合二为一简化表示，摆长负载相对固定部件与摆动杆4亦合二为一，图中不再标注说明。

如图3-1所示，第一仿生足式移动装置包括第一摆长负载11、第一摆旋负载10、第一流体排放管12和第一流体动力源13。第一摆旋负载10用以驱动第一摆长负载11往复摆动；第一摆长负载11的工作容腔与第一摆旋负载10的工作容腔通过第一流体排放管12连通，第一流体动力源13与第一流体排放管12连通，以为第一仿生足式移动装置提供流体动力源。

第二仿生足式移动装置包括第二摆长负载15、第二摆旋负载14、第二流体排放管16和第二流体动力源17。第二摆旋负载14用以驱动第二摆长负载15往复摆动；第二摆长负载15的工作容腔与第二摆旋负载载14的工作容腔通过第二流体排放管16连通，第二流体动力源17与第二流体排放管16连通，以为第二仿生足式移动装置提供流体动力源。

在第一摆长负载11和第二摆长负载15上分别设置有复位装置，第一摆旋负载10在回杆状态、第二摆旋负载14在出杆状态时，第一摆旋负载10的回杆腔与第二摆旋负载14的回杆腔通过连通管18连通，内充不可压缩的流体。使得两组仿生足式移动装置的摆旋负载互为对方的复位装置，同步反相动作。

其一组仿生足式移动装置运动描述同实施例1、2，不再赘述。

乙组合方式：在第一摆旋负载10和第二摆旋负载14上分别设置有复位装置，第一摆长负载10在回杆状态、第二摆长负载14在出杆状态时，第一摆长负载11的回杆腔与第二摆长负载15的回杆腔通过连通管18连通，内充不可压缩的流体。其他同甲组合方式，不再赘述。

丙组合方式：图3-3是两组实施例1或2所述装置并联、摆旋负载互为对方复位装置，摆长负载复位装置为对方的间歇性流体动力源结构示意图。

第一流体排放管12连通第一流体动力源13和第二摆长负载15回杆腔，第二流体排放管16连通第二流体动力源17和第一摆长负载11回杆腔。其他同甲组合方式，不再赘述。

丁组合方式：以上所述实施例1、2、3、4、5、6均为间歇性流体动力源流体供给态与双流体负载互反馈自动控制装置伸腿蹬地态对应，流体回收态对应抬腿迈步态。当两组双流体负载互反馈自动控制装置共同使用时，可以设置间歇性流体动力源流体供给态对应抬腿迈步态，流体回收态对应伸腿蹬地态，伸腿蹬地态动作受对方间歇性流体动力源控制，间接传力从动动作，如图3-4所示。其原理同甲组合方式，不再赘述。同理，甲、乙、丙组合方式均可依照丁组合方式变形设计。

其他组合变形方式不一一枚举。

使用两组足式移动装置交替联动可以使重心交替轮换，平衡性、移动方向可控性、载重能力增强，仿生如鸵鸟、人的两腿交替迈步低速移动方式。配合使用其他方法，增强多种地形的通过能力，节约能量。

实施例7：四肢混联。

使用两套实施例6所述的仿生足式移动机器组合，两套组合呈180°工作相位关系，即两套组合的四组自动控制装置依次呈90°工作相位关系，此方式仿生如牛的踱步步态，可以始终有三条腿着地，降低平衡控制难度，提高载重能力。

使用两套并联移动的足式移动机器组合，一套实施例6所述的双肢同时动作(或接近同时动作，为调整平衡和运动方向，两腿同时动作的工作状态极少)，双肢前后对角线设置模拟狗的慢跑步态，前后同侧设置仿生模拟马的小跑步态，左右并列设置仿生模拟虎的奔跑步态。

设置更多组仿生足式移动机器，参照实施例6、7并联或串联或混联，仿生六足蚂蚁、八足蜘蛛、多足蜈蚣的移动方式，可满足更高的稳定性、载重要求，不再赘述。

Claims (9)

1.一种双流体负载互反馈自动控制装置，其特征是，包括有：

第一往复式流体负载，作为摆旋负载，设置在机架上，驱动第二往复式流体负载做往复摆动动作；

第二往复式流体负载，作为摆长负载，其相对固定部件与所述第一往复式流体负载的相对运动部件连接，摆长负载相对运动部件端部作为整个装置的重心支点；

以及

流体排放管，用以将第一往复式流体负载的工作容腔与第二往复式流体负载的工作容腔连通。

2.根据权利要求 1 所述的双流体负载互反馈自动控制装置，其特征是，还包括：间歇性流体动力源，与所述流体排放管相连，用以间歇性为整个装置提供流体工作介质。

3.根据权利要求 1 所述的双流体负载互反馈自动控制装置，其特征是，摆旋负载的输出轴驱动摆动杆，摆长负载相对固定部件铰接于摆动杆上，铰接轴与摆旋负载的输出轴同步动作，且旋转方向相反。

4.根据权利要求 1 所述的双流体负载互反馈自动控制装置，其特征是，摆旋负载的输出轴驱动摆动杆，摆长负载相对固定部件固定于摆动杆上，摆长负载旋转输出轴固定连接支撑杆，支撑杆端部作为整个装置的重心支点，摆旋负载输出轴与摆长负载旋转输出轴同步动作，旋转方向相反。

5.根据权利要求 4所述的双流体负载互反馈自动控制装置，其特征是，摆长负载选自旋转往复式流体负载机构或者直线往复流体负载与其他机构配合输出旋转往复运动的机构。

6.一种双流体负载互反馈自动控制装置的驱动方法，其特征是，包括以下步骤：

a、设置如权利要求 1 所述的双流体负载互反馈自动控制装置，摆长负载在出杆状态、摆旋负载在复位状态时，在装置内充满流体；初始状态时，双流体负载此出彼收，互反馈自动控制装置处于离地状态，具有足够的重力或惯性势能；

b、在势能作用下，摆长负载的活塞杆端部承载整个装置的全部重量，摆长负载的活塞杆端部触地时，开始回杆，摆线长度缩短，重力势能转化为流体压力作用于摆旋负载的活塞，摆旋负载的复位装置进入蓄能状态，与此同时，摆旋负载驱动摆长负载摆动；当重力势能全部转化为摆旋负载复位装置的能量时，摆旋负载复位装置达到最大蓄能状态，开始复位，摆旋负载复位装置驱动摆旋负载的活塞复位，间接驱动摆长负载的活塞杆出杆，摆线长度增长，摆长负载的活塞杆端部对地作用力大于双流体负载互反馈自动控制装置惯性时，双流体负载互反馈自动控制装置沿其摆长负载活塞杆摆动方向腾空离地，落向下一个支撑点，在腾空时间双流体负载互反馈自动控制装置在摆旋负载复位装置作用下完成并保持摆长负载在出杆状态、摆旋负载在复位状态；

c、第一个循环完成后，重复步骤 b，在初始势能全部消耗完成时，双流体负载互反馈自动控制装置完成设定的空间位移。

7.一种双流体负载互反馈自动控制装置的驱动方法，其特征是，包括以下步骤：

a、设置如权利要求 2 所述的双流体负载互反馈自动控制装置，摆长负载在回杆状态、摆旋负载在复位状态时，在装置内充满流体；初始状态时，摆长负载处于触地状态；设置间歇性流体动力源联通流体排放管；

b、在间歇性流体动力源作用下，摆长负载的活塞杆端部承载整个装置的全部重量，摆长负载的活塞杆端部触地，开始出杆，与此同时，摆旋负载驱动摆长负载摆动；摆长负载的活塞杆出杆，摆长负载的活塞杆端部对地作用力大于双流体负载互反馈自动控制装置惯性时，双流体负载互反馈自动控制装置沿其摆长负载活塞杆摆动方向腾空离地，落向下一个支撑点，在腾空时间，间歇性流体动力源停止提供压力流体，摆旋负载、摆长负载在各自复位装置作用下排出流体，回杆并保持回杆状态；

c、第一个循环完成，重复步骤 b，双流体负载互反馈自动控制装置完成设定的空间位移。

8.一种仿生足式移动机器，其特征是，包括两组权利要求 1 所述的双流体负载互反馈自动控制装置，两组双流体负载互反馈自动控制装置的摆旋负载为双作用往复式流体负载，两个摆旋负载的回杆腔通过连通管连通，内充不可压缩流体，使两个摆旋负载互为对方的复位装置。

9.一种仿生足式移动机器，其特征是，包括两组权利要求 1 所述的双流体负载互反馈自动控制装置，两组双流体负载互反馈自动控制装置的摆长负载为双作用往复式流体负载，两个摆长负载的回杆腔通过连通管连通，内充不可压缩的流体，使两个摆长负载互为对方的复位装置。