CN101138995A - 一种主被动运动结合的弹性机械腿 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主被动运动结合的弹性机械腿，它包括：一髋壳，一驱动装置；一齿轮轴、一曲柄轴和一摇杆轴；一轴承，设置在齿轮轴的两端；一膝关节，其与大腿的下部连接；膝外壳内设置有一电磁铁；一膝关节底座，其外侧设有一连接大腿弹簧的拉杆；髋关节与膝关节之间并联有弹簧储能机构；膝关节的下部与小腿连接；一踝关节，与小腿的下部连接，由一底座、一对中心轴和一转轮组成；一弹性减震机械脚，通过中心轴与踝关节连接；踝关节底座与机械脚的内侧板转动连接；膝关节与踝关节之间并联有弹簧储能机构；转轮设置在一内侧板外侧，小腿弹簧储能装置的一端连接在转轮上；一限位块设置在底座上表面；一嵌入式实时控制单元；以及一安装有控制软件的运动控制系统。

Description

一种主被动运动结合的弹性机械腿

技术领域

本发明涉及一种弹性机械腿，特别是关于一种采用主被动运动结合的弹性机械腿。

背景技术

机械肢体无论是在有足机器人研发，还是医疗卫生、体育保健等领域都已有大量的应用。具有机械四肢(或多肢)的移动机器人，较之传统轮式机器人具有适应野外作业、三维运动能力等诸多优点。医疗领域可以使用机械肢体作为假肢或辅助人类肢体运动矫正，体育保健主要是采用机械肢体研究运动能力，机械肢体的研究和实践具有十分重要的意义和广泛的市场。

传统的机械腿在运动时，主要采用电机来实现，运动方式均为纯主动运动，每一个运动关节都采用一个独立的电机作为运动驱动，实现多关节运动。但是，这种方法具有很多弊端。首先，如果每个关节都需要由电机驱动，则在某些运动时刻，电机的输出扭矩较大，这样不仅会对电机本身产生剧烈磨损，同时为达到这一扭矩要求，需要匹配的电机成本也相对较高。研究表明，使用电机作为驱动关节，由于电机能量并不是全部做有效功，导致能量使用效率极低。在离线环境下，当所储能源有限时，使用电机驱动各关节的机械腿的持续作业时间相对较低，十分不适合野外长时间作业。当传统机械腿在运动中与地面摩擦、撞击时，整个肢体的抗冲击要求较高，但大多数电机的抗冲击能力都不强，使得现有机械腿的运动能力相对较低，远未达到人们的预期和实际需求。为解决这些问题，除了试图设计制造更为强力的电机外，对于机械腿本身设计思想的尝试也在进行。

单纯被动运动，在机器人领域已有一些应用。大多数应用主要使用弹簧和机械单杆作为运动肢体，控制十分不方便。另外，由于机械结构上多为单杆，无法实现多关节或多自由度的运动。另有一些应用尝试将主动和被动运动结合起来，实现了肢体的低速运动。但由于主要是开环控制，和环境交互能力不强，不适应野外实际作业或医疗应用。

弹性机械腿的主要用途之一是给各种有足机器人提供肢体。所谓有足机器人，是指那些在运动方式上不采用轮，且具有可自由摆动的“腿”的机器人。与轮式机器人相比，有足机器人具有很多优点。例如有足机器人可实现三维运动，可以躲避空间障碍物；环境适应能力更强，可用于陆地或两栖作业等。仿生有足机器人在军事和民用中已经得到应用。例如美国使用有足机器人作为后勤运输载体；澳大利亚利用有足水下机器人进行水下侦测等。

按照腿的个数分类，目前世界上已有成型有足机器人主要可分为5类：8足或以上，6足，4足，2足和单腿。对有足机器人的实现，国内外不断进行多种仿生学的尝试。美国的8足机器龙虾可以实现陆地和水下的两栖运动。德国设计实现了一个仿照蝎子运动的8足机器人。90年代，美国研究人员设计了一系列多足机器人运动模型并制作类蟑螂的6足机器人。2002年加拿大和美国的研究人员分析了6足运动的运动学模型，并不断完善6足机器人实体RHex，将之用于军事载重和水下侦测中。由于多足(6个或以上)机器人在运动稳定上较容易实现，国际机器人运动研究的难点在于实现4足和2足的运动。早在80年代中期，美国的研究人员就试制了有缆4足机器人。同时开始4足机器人研究的还有日本的研究机构，其研究的4足机器人TITAN发展了多代。2000年以后，该实验室推出了多自由度的4足机器人，并尝试攀爬。商业产品中4足机器人的典型是由日本Sony公司开发的智能自主机器狗Aibo。以Aibo作为研究平台，各国研究人员主要研究了4足机器人的运动性能、抖动下的视觉图像处理、复杂环境下实时定位以及多机器人协作等。另外，2005年，美国Boston Dynamics公司制造了适合野外复杂环境作业的4足机器人BigDog，体现了相当的稳定性和环境适应能力。2足机器人(类人机器人)的典型则是由日本Honda公司开发的Asimo和Sony公司开发的Qrio。这些类人机器人主要由电机作为关节运动的执行器，实现了机器人的行走和舞蹈等三维运动，并具有很高的机器智能。另外，作为运动行为尝试，美国制作了单腿机器人。为实现机器人在各种地表环境下的运动，国际上目前已将研究热点集中在4足和2足机器人上，对于机械腿的运动能力和能量消耗已成为制约有腿机器人发展的重要因素，因此，期待着让机器人具有动物或人类的复杂运动能力。

发明内容

本发明的目的是提供一种将传统主动电机控制方式和被动储能机构结合起来，利用仿生学原理，实现三关节的智能运动，从而实现最高效的肢体运动的主被动运动结合的弹性机械腿。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种主被动运动结合的弹性机械腿，包括髋关节、膝关节和踝关节，其特征在于：所述髋关节包括一髋壳，所述髋壳顶部设置有一驱动装置，所述驱动装置由主动电机和减速器组成；一齿轮轴、一曲柄轴和一摇杆轴可转动地设置在所述髋壳两侧；所述髋壳内包含有髋齿轮机构，所述髋齿轮机构在所述髋壳的齿轮轴上设置有两齿轮；所述髋壳外的齿轮轴上设置有一半齿轮；所述半齿轮与所述驱动装置的输出齿轮啮合；所述曲柄轴与所述齿轮轴上设置的两齿轮对应啮合设置有两半齿轮，所述两半齿轮之间的曲柄轴上设置有两曲柄，所述两曲柄分别通过一曲柄销连接在一驱动叉的两侧；所述摇杆轴上固定连接有两摇杆，所述两摇杆中间设置有一固定在一接点框上的大腿；两螺钉轴分别穿过所述接点框和所述驱动叉的两侧转动连接在所述大腿上；一轴承，设置在所述齿轮轴的两端；所述膝关节与所述大腿的下部连接，所述膝关节由一膝外壳、一膝内壳和一膝轴组成；所述膝内壳上连接一挂钩，所述挂钩后面设置有一配重物；所述膝外壳内设置有一电磁铁；一膝关节底座，其外侧设有一连接所述髋壳的储能装置的拉杆，还设有一连接所述踝关节的储能装置的接点；髋关节与膝关节之间并联有弹性储能机构；膝关节的下部与小腿连接；所述踝关节，其与小腿的下部连接，踝关节由一底座、一对中心轴和一转轮组成；一弹性减震机械脚，其通过中心轴与踝关节连接；机械脚由一对内侧板、一对外侧板、多个脚连接板组成；踝关节底座通过中心轴与机械脚的内侧板转动连接；膝关节与踝关节之间并联有弹性储能机构；转轮设置在一内侧板外侧，其小腿弹性储能机构的一端连接在转轮上；一限位块，其设置在底座上表面，限位块一端设有限位钉；一运动控制系统，包括一预置有控制软件的嵌入式实时控制单元，以及依序连接的一运动信号发生单元、一电机驱动单元，所述电机驱动单元接收所述运动信号发生单元发出的指令以启动所述主动电机；一传感器单元为所述嵌入式实时控制单元输入采集的信号，并接收其发出的控制指令。

上述本发明的技术方案中，所述髋齿轮机构采用多级缓冲方式。

上述本发明的技术方案中，所述控制软件中包括运动行为库和传感器融合算法。

上述本发明的技术方案中，所述弹性储能机构为采用弹性储能材料制成的储能装置。

上述本发明的技术方案中，所述弹性储能材料包括阻尼弹簧、形状记忆合金、气动胶管或橡胶带。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、由于采用新型的仿生关节，相比传统机械腿，不仅能量使用效率高、寿命长、成本相对较低，而且运动能力得到了较大的提高。2、本发明从硬件机械和控制软件两方面，实现了一个结合主被动运动方式的弹性机械腿，针对行走和奔跑等多种运动步态，本发明的机械腿可有效利用重力势能，将运动的能量消耗最优化。3、本发明由于采用全新设计实现的仿生弹性关节，使得机械腿具有很好的抗压、抗磨损能力，为应用于复杂运动任务建立了良好的基础。4、本发明的机械腿由于采用闭环控制，通过多种传感器感知外部信息，可使机械腿的运动更合理、更理性。

附图说明

图1是髋关节总装结构平面示意图

图2是髋关节局部连接侧视示意图

图3是膝关节总装结构剖视示意图

图4是膝关节示意图

图5是踝关节和机械脚连接示意图

图6是踝关节和机械脚连接俯视示意图

图7是踝关节和机械脚连接侧视示意图

图8是本发明的硬件电路原理示意图

图9是运动控制总线系统示意图

图10是核心控制器示意图

图11是运动控制信号发生器示意图

图12是本发明仿真机械腿的摆动过程示意图

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细的描述。

本发明主要包含三部分，第一部分是机械部分，包括髋关节、膝关节和踝关节；第二部分是主动电机控制部分，用于实现主动和被动运动的执行和控制；第三部分是环境信息的反馈和处理部分，用于使机械腿运动得更加合理、智能。

如图1所示，本发明的髋关节100包括一髋壳110，髋壳110由两侧板111和一顶板112组成，在髋壳110顶部设置有一驱动装置120，驱动装置120包括固定在髋壳110顶部的主动电机121和连接在电机输出端的减速器(图中未示)。髋壳110中包含一髋齿轮机构，其采用多级缓冲方式相互啮合，具体结构为：在髋壳110上由上而下转动地连接一齿轮轴130、一曲柄轴140和一摇杆轴150。在髋壳110内的齿轮轴130上连接两齿轮131、132，在髋壳110外的齿轮轴130上连接一半齿轮133，半齿轮133与驱动装置120的输出齿轮122啮合。在曲柄轴140上连接与齿轮131、132对应啮合设置的两个半齿轮141、142，在两个半齿轮141、142之间的曲柄轴140上设置有两曲柄143(见图2)，两曲柄143分别通过一曲柄销144连接在一驱动叉145的两侧。摇杆轴150上固定连接有两摇杆151，两摇杆151中间设置有一固定在一接点框152上的大腿153，两螺钉轴154分别穿过接点框152和驱动叉145的两侧转动连接在大腿153上。

如图3所示，在大腿153的下部连接一膝关节160，膝关节160的结构包括：一膝外壳161，一膝内壳162，其通过一膝轴163转动连接；一挂钩164，通过一挂钩轴165与膝内壳162转动连接；在挂钩164的后面设置有一配重物166，膝外壳161内设置有一电磁铁167；一膝关节底座168，其外侧设有连接髋壳110的弹簧储能装置的拉杆169和连接踝关节弹簧储能装置的接点60(见图4)，在膝关节160的下部连接一小腿170。

如图5所示，小腿170下部连接一踝关节180，踝关节180由一底座181、一对中心轴182和一转轮183组成。通过中心轴182连接弹性减震机械脚190，如图6所示，机械脚190包括：一对内侧板191、192，一对外侧板193、194，多个脚连接板195，踝关节180的底座181通过中心轴182与机械脚190的内侧板191、192转动连接；转轮183设置在内侧板191的外侧，转轮183上连接有弹簧储能装置，弹簧储能装置的另一端与膝关节160连接；脚连接板195通过螺栓与内侧板191、192和外侧板193、194固定连接；一限位块196，其设置在底座181的上表面，限位块196的一端设有限位钉197(见图7)。

本发明在髋壳110与膝关节160之间以及膝关节160与踝关节之间并联设置弹簧储能装置，可通过储能实现小腿随髋的运动和脚的运动。该弹簧储能装置可以采用弹簧机构，也可以采用其他弹性储能材料或形状记忆合金实现该弹簧储能装置的功能，如阻尼弹簧、气动胶管、橡胶带等。

髋关节机构与主动电机121的输出轴相连，电机输出轴带动多级减速齿轮，髋关节输入轴亦啮合在减速齿轮上。通过减速齿轮得到髋关节运动输出。髋齿轮机构采用多级缓冲方式，在保证运动自由度的情况下，尽可能的减少运动冲击对机械腿各关节和主动电机的磨损。髋关节和膝关节间除刚性骨架连接以外，还并联有弹簧储能机构，大腿弹簧机构一端连接在髋关节，另一端固定在膝关节与小腿顶部关联处。膝关节和踝关节间除刚性骨架外，也使用弹簧储能机构完成势能和动能的转化，实现脚部的被动随动。当髋关节运动输出时，膝关节内的电磁铁断电，使膝关节上的挂钩打开，大腿向前迈步倾斜，小腿自由向下垂直，此时弹簧储能机构吸收运动中的重力势能，驱动小腿的被动运动。小腿弹簧机构一端连接在膝关节，另一端连接在脚踝上。当小腿被动向前运动时，在弹簧储能机构作用下，脚前部向下倾斜，脚落地后由于限位控制使机械脚处于水平而不上翻。踝关节驱动弹性减震机械脚，为实现三维运动提供了弹力基础。

如图8所示，本发明电路的硬件部分具体包括：嵌入式实时控制单元10，运动信号发生单元11，电机驱动单元12，传感器单元13。嵌入式实时控制单元10可通过串口与电脑进行信息交互，并将指令通过无线方式发送给运动信号发生单元11。该单元收到指令后，综合传感器单元13得到的实时环境信息产生底层命令确定运动的时序，并将运动信号传至电机驱动单元12。电机驱动单元12直接控制主动电机121运动。主动电机121的运动被转化为髋、膝、踝关节转动，大腿主动摆动，小腿和脚被动随动。控制软件部分具体包括运动行为库，传感器融合算法等。

本实施例以基本有腿机器人为例，说明基于主被动运动的弹性机械腿及其基本控制方法在机器人实体上的应用。

如图9所示，弹性机械腿运动控制总线系统基于CAN总线协议，实现核心控制部件对主动电机的控制。通过总线方式的连接增加了机械腿的适应性，使之可广泛用于不同的控制平台。

如图10所示，核心控制器主要用于融合传感器信息，以协调主动关节运动的时序。同时提供了人机交互接口，使得操作人员可以在远程计算机上通过无线通讯的方式完成对机械腿的控制。

如图11所示，在不采用图10所示核心控制器进行闭环控制的情况下，选择通过可编程门阵列(FPGA)直接产生控制信号。该运动控制信号发生器用于实现无主控制器情况下的直接开环控制。以便当主控制器出现故障时，机械腿运动的控制仍可以正常完成。

如图12所示，为CAD仿真单机械腿的摆动过程示意。

本发明在机械腿实物的顶部髋关节放置主动电机，通过主动电机运动带动膝关节和踝关节的被动运动机构。当大腿抬起时，机械腿的弹性储能机构吸收重力势能，并转化成小腿摆动的动能。通过弹性机构可很好的实现能量使用最优化。

双机械腿运动是通过核心控制器接收脚底传感器信息实现的。如图12所示，其运动流程如下：首先通过启动主动电机121，带动左髋关节、膝关节、踝关节的运动，左腿弯膝抬脚，0.6s后放脚触地、收脚，5ms后左脚站立；左脚站立触地0.6s后通过传感器启动右脚主动电机，带动右髋关节、膝关节、踝关节的运动，右腿弯膝抬脚，0.6s后放脚触地、收脚，5ms后右脚站立；0.6s后通过传感器启动左脚主动电机，从而实现双腿的协作运动。当需要机械腿停止运动时，由控制器发出复位信号，两条腿停止运动。

尽管为说明目的公开了本发明的具体实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (5)

1.一种主被动运动结合的弹性机械腿，包括髋关节、膝关节和踝关节，其特征在于：

所述髋关节包括一髋壳，所述髋壳顶部设置有一驱动装置，所述驱动装置由主动电机和减速器组成；一齿轮轴、一曲柄轴和一摇杆轴可转动地设置在所述髋壳两侧；所述髋壳内包含有髋齿轮机构，所述髋齿轮机构在所述髋壳的齿轮轴上设置有两齿轮；所述髋壳外的齿轮轴上设置有一半齿轮；所述半齿轮与所述驱动装置的输出齿轮啮合；所述曲柄轴与所述齿轮轴上设置的两齿轮对应啮合设置有两半齿轮，所述两半齿轮之间的曲柄轴上设置有两曲柄，所述两曲柄分别通过一曲柄销连接在一驱动叉的两侧；所述摇杆轴上固定连接有两摇杆，所述两摇杆中间设置有一固定在一接点框上的大腿；两螺钉轴分别穿过所述接点框和所述驱动叉的两侧转动连接在所述大腿上；一轴承，设置在所述齿轮轴的两端；

所述膝关节与所述大腿的下部连接，所述膝关节由一膝外壳、一膝内壳和一膝轴组成；所述膝内壳上连接一挂钩，所述挂钩后面设置有一配重物；所述膝外壳内设置有一电磁铁；一膝关节底座，其外侧设有一连接所述髋壳的储能装置的拉杆，还设有一连接所述踝关节的储能装置的接点；髋关节与膝关节之间并联有弹性储能机构；膝关节的下部与小腿连接；

所述踝关节，其与小腿的下部连接，踝关节由一底座、一对中心轴和一转轮组成；一弹性减震机械脚，其通过中心轴与踝关节连接；机械脚由一对内侧板、一对外侧板、多个脚连接板组成；踝关节底座通过中心轴与机械脚的内侧板转动连接；膝关节与踝关节之间并联有弹性储能机构；转轮设置在一内侧板外侧，其小腿弹性储能机构的一端连接在转轮上；一限位块，其设置在底座上表面，限位块一端设有限位钉；

一运动控制系统，包括一预置有控制软件的嵌入式实时控制单元，以及依序连接的一运动信号发生单元、一电机驱动单元，所述电机驱动单元接收所述运动信号发生单元发出的指令以启动所述主动电机；一传感器单元为所述嵌入式实时控制单元输入采集的信号，并接收其发出的控制指令。

2.如权利要求1所述一种主被动运动结合的弹性机械腿，其特征在于：所述髋齿轮机构采用多级缓冲方式。

3.如权利要求1所述一种主被动运动结合的弹性机械腿，其特征在于：所述控制软件中包括运动行为库和传感器融合算法。

4.如权利要求1所述一种主被动运动结合的弹性机械腿，其特征在于：所述弹性储能机构为采用弹性储能材料制成的储能装置。

5.如权利要求4所述一种主被动运动结合的弹性机械腿，其特征在于：所述弹性储能材料包括阻尼弹簧、形状记忆合金、气动胶管或橡胶带。

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