CN101229826A - 一种双足机器人的下肢机构 - Google Patents

Abstract

一种双足机器人的下肢机构，属于机器人领域。本发明利用平行四连杆对边平行的机构运动特点，设计出具有10自由度的双足机器人下肢机构，与通常的12自由度双足机器人下肢机构相比减少两个踝关节前摆自由度。对于每个前摆和侧摆自由度均采用背对背的双电机同轴驱动方式，在保证机构紧凑的同时增大关节驱动力矩，并减小回转间隙。实现髋和膝关节前摆自由度的两个电机均设计位于膝关节处，从而优化了腿部机构的质量分布，并降低了3自由度髋关节的设计难度。利用平行四连杆机构实现机器人大小腿的机构设计，从而保证机器人在行走过程中两只脚底面始终与地面保持平行，有效降低了电机输出轴的回转间隙对机器人行走稳定性所造成的影响。

Description

一种双足机器人的下肢机构

技术领域

本发明属于机器人领域，尤其涉及一种双足机器人的下肢机构。

背景技术

研究表明，双足机器人想要实现与人类相仿的灵活步态，每条腿部至少需要具有3个运动关节和6个自由度，即：髋关节的前后摆、侧摆、扭转3个自由度，膝关节的前后摆自由度，以及踝关节的前后摆和侧摆2个自由度。这些自由度的实现形式有多种，以本田公司的ASIMO为代表的大型科研机器人大多采用直流伺服电机配谐波减速箱的驱动方式，德国慕尼黑大学的Johnnie机器人采用了直流无刷电机配滚珠丝杠的驱动方式。近年来随着RoboCup机器人足球比赛的迅速兴起，双足机器人的研发逐渐开始向小型化方向发展，具有机构简单、成本低、行走快速稳定的双足机器人成为广大参赛队共同追求的目标。而航模舵机或小型数字伺服电机由于其成本低、尺寸小、重量轻、并自带减速器和控制电路等特点，成为这一类双足机器人腿部最常采用的驱动方式。

然而，这种电机普遍存在的问题是控制精度低，并且输出轴具有一定的回转间隙，由此会引发机器人行走过程中关节实现角度与规划角度之间存在一定误差。而通常情况下，人形机器人的腿部机构多为简单的“单杆”形式的串联机构，即：大腿和小腿的结构件一般都可以等效为一根单独的连杆，其两端分别固定在运动关节上。这样，当杆件前端的电机输出转角存在间隙时，该误差会被自然地作用到杆件的后端，因此腿部的末端也就是脚底面处会产生较大的累积误差。举例来说，一般规划脚落地的瞬间脚底面与地面保持平行，从而得到稳定地抓地效果。但实际情况中往往由于“单杆式”腿部自上而下3个前摆电机的累积间隙最终作用在脚底面上的效果使得脚尖或脚跟先接触地面，产生一个扭矩进而导致机器人晃动甚至倾倒。由此可见，对于通常的双足机器人腿部机构，驱动电机的性能会在一定程度上制约了双足机器人的行走速度和稳定性。

此外，腿部驱动电机的设计安装位置对机器人的结构及性能也有一定影响。由于髋关节需要三个驱动电机以实现正交三自由度，以往较为常见的机构设计为三个驱动电机均固定在髋关节附近。这样带来的问题是机器人的腿部质量分布不均匀，髋关节处质量明显大于膝关节和踝关节；并且由于多个电机固定连接在一起，髋关节机构尺寸也明显偏大，不仅影响机器人腿部的整体美观性，更容易引起机构运动干涉从而减小髋关节自由度的运动范围。

发明内容

为了克服电机间隙或误差所产生的步态规划困难，以及行走速度慢，不稳定等问题，本发明提供一种新型的双足行走机器人，该机器人通过机构本身解决了关节电机输出间隙影响行走稳定性的问题，确保机器人在行走过程中两只脚底面始终与地面保持平行，从而有利于实现快速稳定的双足行走步态。

本发明解决上述技术问题所采用的方案如下：利用平行四连杆机构在运动过程中两组对边始终保持平行的原理特点，通过两组相连的平行四连杆实现机器人大小腿以及髋、膝、踝三个运动关节的机构设计。两组平行四连杆长边分别构成机器人的大腿及小腿结构件，短边分别连接机器人的髋、膝、踝三个关节的前摆自由度，由于平行四连杆机构实际上只有一个转动自由度，因此通过两组驱动电机即可实现机器人大小腿的前后摆动，并且在任意角度的摆动过程中机器人小腿踝关节和大腿髋关节的平面始终保持平行，从而确保了机器人在行走过程中脚底面始终保持水平姿态。此外，将控制髋关节前摆的驱动电机设计安装在膝关节位置处，从而对机器人腿部的质量分布进行了优化，并且降低了髋关节的机构复杂程度，有效地提高了机构性能。

本发明所提供的双足行走机器人的腿部机构原理如图1所示，该图为机器人腿部的侧面图，两组平行四连杆机构1和2分别构成机器人的大腿和小腿结构，从上到下依次连接机器人的髋关节3、膝关节4和踝关节5。平行四连杆只有一个转动自由度，在四个顶点中的任意一个点处安装电机的输出轴，其它三个点通过轴承与相应的运动关节(髋3、膝4或踝5)固定，于是当电机输出一定转角，平行四连杆的相邻两边的夹角会产生等量的变化，并带动平行四连杆的形状发生相应变化，此时由于一对短杆固定在关节结构件上，因此另外一对长杆会做相应转动，从而实现了大小腿的前后摆。

在本发明中，控制大小腿两组平行四连杆摆动的驱动电机分别设计安装在点11和12的位置处，除此之外其它点处均安装有轴承，实现从动转动。因此，点8、9、10分别为髋、膝、踝关节的等效转动点，即通常的“单杆”式串联腿部机构的三个前后摆自由度所在位置。但由于平行四连杆特有的机构性质，在两组驱动电机带动大小腿前后摆动的同时，髋3、膝4和踝5关节的姿态保持不变，从而使得固定在机器人踝关节5上的脚底面6始终与躯干7的下底面保持平行，因此机器人在行走过程中两只脚底面始终保持平行，并且均与地面平行。

本发明与现有技术相比有益效果如下：

以往“单杆”式的双足机器人腿部均设计有三个前摆自由度，分别位于髋、膝和踝关节，行走时要对控制这三个自由度的电机进行联合规划，从而达到机器人摆动腿在落地瞬间，其脚底面与地面平行接触。但由于电机固有的输出间隙会造成较大的误差累积，使落地时脚底面不平行于地面，形成非稳定接触，进而导致机器人晃动甚至容易产生倾倒，因此给行走时的步态规划和电机控制带来很大困难。本发明采用平行四连杆机构设计机器人腿部，从机构上保证了机器人在行走过程中脚底面与地面时刻保持平行，有效消除了由于电机固有输出间隙对行走稳定性造成的影响，并降低了步态规划和电机控制的难度，有利于机器人实现快速稳定的双足行走。此外，将控制髋关节前摆自由度的驱动电机设计安装在膝关节处，有效解决了由于髋关节机构复杂尺寸庞大而引起的关节运动范围受限等问题，提高了机器人整个腿部机构的运动性能。

附图说明

图1为本发明的平行四连杆腿部机构的原理图。

图2为本发明的机器人整体机构示意图。

图3为本发明的机器人膝关节机构示意图。

图4为本发明的机器人髋关节机构示意图。

图5为本发明的机器人踝关节机构示意图。

图6为本发明的机器人腿部整体机构示意图。

图7为本发明的机器人躯干机构示意图。

图中：1-大腿平行四连杆机构示意；2-小腿平行四连杆机构示意；3-髋关节示意；4-膝关节示意；5-踝关节示意；6-脚底板示意；7-躯干示意；8-髋关节等效转动点示意；9-膝关节等效转动点示意；10-踝关节等效转动点示意；11-大腿平行四连杆驱动电机位置示意；12-小腿平行四连杆驱动电机位置示意；13-躯干；14-大腿；15-小腿；16-脚；17-髋关节；18-膝关节；19-踝关节；20-电机连接件；21-电机连接件；22-电机连接件；23-大腿平行四连杆驱动电机组；24-小腿平行四连杆驱动电机组；25-轴承固定件；26-轴承固定件；27-轴承；28-轴承；29-髋关节侧摆电机；30-髋关节侧摆电机；31-电机连接件；32-电机连接件；33-轴承连接件；34-轴承连接件；35-轴承；36-轴承；37-轴承连接件；38-轴承连接件；39-连杆；40-连杆；41-连杆；42-连杆；43-髋关节侧摆连接件；44-踝关节侧摆连接件；45-脚底板零件；46-躯干底座；47躯干外壳；48-髋关节扭转电机；49-髋关节扭转电机；50-开关。

具体实施方式

图2为本发明的双足行走机器人的整体机构示意图。机器人大体上可以分为以下几部分：躯干13、大腿14、小腿15、脚16、髋关节17、膝关节18、和踝关节19。其中机器人的大腿14和小腿15分别由一组平行四连杆机构构成，四连杆的两端分别连接机器人的髋关节17、膝关节18和踝关节19。驱动两组平行四连杆的电机均位于膝关节18处，位于髋关节17和踝关节19处的连杆转动点均采用轴承实现。整体机器人共有10个自由度，对称分布在两条腿上，每条腿有1个扭转自由度，驱动电机位于躯干13内部，2个前摆自由度，驱动电机位于膝关节18处，2个侧摆自由度，驱动电机分别位于髋关节17和踝关节19处。以下为各部分的具体实施方式。

图3为本发明的机器人膝关节机构示意图。如前所述，控制机器人大小腿前后摆动的两组驱动电机23和24均位于膝关节处，并通过连接件20、21和22固定在一起。每组驱动电机又由两个相同的电机采用背靠背方式连接在一起，实现双电机同轴驱动，用以增大关节驱动力。轴承固定件25和26与电机连接件22相连，其上分别安装一组轴承27和28。轴承28与电机组23输出轴的连线形成一组连杆固定在膝关节上，作为大腿平行四连杆机构中的固定杆。同样，轴承27和电机组24形成的连杆作为小腿平行四连杆机构中的固定杆。当电机组23和24的输出轴转动时，会分别带动两组平行四连杆摆动，从而实现大小腿的前后摆。轴承27和28内外错开，避免两组连杆发生运动干涉。

图4为本发明的机器人髋关节机构示意图。用于实现髋关节侧摆自由度的一组电机29和30采用背靠背的方式通过连接件31和32固定在一起。轴承连接件33和34固定在零件31上，用以调整其上安装的轴承35和36的高度位置，这两个轴承与膝关节的电机23输出轴和轴承28恰好构成平行四连杆的四个转动点。在电机的带动下，四个点可以同步转动，从而通过平行四连杆的形变实现大腿的前后摆动。

图5为本发明的机器人踝关节机构示意图。与图4中髋关节机构的设计原理和实现方法完全一致，唯一不同之处在于轴承连接件38的高度不同于37，目的是配合膝关节处电机24输出盘和轴承27，构成平行四连杆的四个转动点，形成机器人的小腿机构。

图6为本发明的机器人腿部整体机构示意图。连杆39和40作为平行四连杆的一对长杆连接于膝关节和髋关节之间，形成机器人的大腿机构。连杆41和42连接膝关节和踝关节，形成机器人的小腿机构。在电机组23和24的带动下，两组平行四连杆发生形变摆动，从而带动大小腿进行前后摆动。髋关节和踝关节的侧摆电机输出盘分别连接髋关节侧摆连接件43和踝关节侧摆连接件44，零件44的下表面连接机器人的脚底板零件45，通过两组侧摆电机的带动可以实现腿部和脚踝的侧向摆动。零件43的上表面用于连接位于躯干内的髋关节扭转电机的输出盘，从而在电机作用下带动整条腿做内外扭转。

图7为本发明的机器人躯干机构示意图。在躯干内部，底座46上固定髋关节扭转电机48和49、电池、传感器、控制电路、和开关50。躯干外壳47也连接在底座46上起到保护作用，防止内部元器件受到外部撞击等影响发生损坏。

Claims (6)

1.一种双足机器人的下肢机构，其特征在于：整个机构具有10个自由度，其中每条腿具有5个自由度，分别分布在髋、膝和踝三个关节处，其中髋关节具有扭转、前摆、侧摆正交3自由度，膝关节具有1个前摆自由度，踝关节具有1个侧摆自由度，所有自由度均采用数字伺服电机实现。

2.根据权利要求1所述的双足机器人的下肢机构，其特征在于：腿部每个前摆和侧摆自由度均分别由一对电机驱动，该对电机采用背对背的连接方式，输出轴相互重合。

3.根据权利要求1所述的双足机器人的下肢机构，其特征在于：机器人的每条腿由首尾交叉相连的两组平行四连杆机构组成，每组平行四连杆机构由一对数字伺服电机驱动，分别构成前摆的大腿和小腿。

4.根据权利要求3所述的双足机器人的下肢机构，其特征在于：控制大小腿前后摆动的两对数字伺服电机均设计位于膝关节位置处，并固定在一起。

5.根据权利要求3所述的双足机器人的下肢机构，其特征在于：所述两组平行四连杆在膝关节处相互交叉，大小腿位于膝关节的回转轴相互重合。

6.根据权利要求3所述的双足机器人的下肢机构，其特征在于：机器人大小腿的后侧连杆在空间上内外错开，避免运动过程中发生机构干涉。

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