CN101391417B - 一种基于被动运动方式的双足类人机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于被动运动方式的双足类人机器人，其特征在于：它包括仿生弹性机械腿，传动躯干和机械手臂；两条机械腿的髋壳一前一后各具有一凸臂，两凸臂的伸出段分别固定连接两上肢驱动轴的一端，上肢驱动轴的另一端固定连接一连杆的一端，连杆的另一端固定连接一摇杆的一端，摇杆的另一端固定连接传动躯干外侧的一上肢半轴；机械手臂包括一上肢，上肢半轴的一端连接上肢，另一端分别穿过传动躯干的上部后对接；上肢半轴的对接处设置有一连接管，其中一上肢半轴通过螺钉与连接管固定，另一上肢半轴与连接管为松配合。本发明采用主被动相结合的运动方式，通过被动机械结构关联肢体，实现双足运动的能量最优化，可广泛应用于有足机器人研究，服务机器人开发和医疗卫生等领域。

Description

一种基于被动运动方式的双足类人机器人

技术领域

本发明涉及一种机器人，特别是关于一种基于被动运动方式的双足类人机器人。

背景技术

随着机器人技术的发展，机器人的用途越来越广泛，开始从机械型向智能型、特种型转换，从传统的工业领域，向教育、军事、安防、空间、水下、医疗和生活服务等领域渗透。

传统双足类人机器人采用电机作为运动驱动，所有关节均采用电机驱动，使用计算机进行控制。运动时计算机向每一个关节发送指令，控制他们跨步行进的每一时刻的角度。这种方式虽然能对类人机器人的运动进行精确控制，但是需要有复杂、快速、精确的控制机构。研究表明，单纯电机驱动不仅能量利用率低，而且无法实现大载荷的复杂运动，如奔跑、跳跃等。为了让双足机器人具有更多类似人类的运动能力，近年来国际上开始尝试使用各种被动式机构实现机器人的复杂运动，以替代传统的主动控制方式。合理利用重力势能和动能的转换，可以实现机器人低能耗、高效率的运动，以方便机器人应用到更为广泛的工作环境中。

传统双足类人机器人为实现动态平衡，往往采用主动电机驱动肢体协调身体重心。但是，这种方法具有很多弊端：1、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。2、如果使用电机驱动各关节，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。因此在离线环境下，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。3、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。为实现高效快速的双足运动，通过被动机械实现肢体的关联以解决动态平衡的问题，正在成为研究热点和难点。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。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于被动运动方式的双足类人机器人，它采用主被动相结合的运动方式，通过被动机械结构关联肢体，实现双足运动的能量最优化。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于被动运动方式的双足类人机器人，其特征在于：它包括左、右仿生弹性机械腿，传动躯干和左、右机械手臂；所述传动躯干由左、右躯干固定架和上、下躯干连接架固定连接围成；所述左、右仿生弹性机械腿的髋壳分别连接一左、右髋半轴的一端，所述髋半轴也是所述仿生弹性机械腿的齿轮轴；所述左、右髋半轴的另一端分别穿过所述左、右躯干固定架的下部后对接，并通过轴承分别与所述左、右躯干固定架固定；所述左、右髋半轴的对接处设置有一髋连接管，所述左髋半轴通过螺钉与所述髋连接管固定，所述右髋半轴与所述髋连接管为松配合；所述左、右机械手臂分别包括一左、右上肢，所述左、右上肢分别连接一左、右上肢半轴的一端，所述左、右上肢半轴的另一端分别穿过所述左、右躯干固定架的上部后对接，并通过轴承分别与所述左、右躯干固定架固定；所述左、右上肢半轴的对接处设置有一上肢连接管，所述左上肢半轴通过螺钉与所述上肢连接管固定，所述右上肢半轴与所述上肢连接管为松配合；所述左、右仿生弹性机械腿的髋壳一前一后各具有一左、右凸臂，所述左、右凸臂的伸出段分别固定连接一右、左上肢驱动轴的一端，所述右上肢驱动轴的另一端固定连接一右上肢驱动连杆的一端，所述右上肢驱动连杆的另一端固定连接一右上肢驱动摇杆的一端，所述右上肢驱动摇杆的另一端固定连接传动躯干外侧的所述右上肢半轴；所述右凸臂的伸出段固定连接一左上肢驱动轴的一端，所述左上肢驱动轴的另一端固定连接一左上肢驱动连杆的一端，所述左上肢驱动连杆的另一端固定连接一左上肢驱动摇杆的一端，所述左上肢驱动摇杆的另一端固定连接所述传动躯干外侧的所述左上肢半轴。

所述上躯干连接架上固定一仅用作装饰的机械头。

在所述左、右躯干固定架的内侧分别设置有两对辅助支撑所述左、右上肢驱动轴的Λ形摇杆，所述Λ形摇杆的上端通过一辅助轴固定连接在一起，所述Λ形摇杆的两下端分别固定连接所述左、右上肢驱动轴。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于采用主被动运动结合的方式，机器人实体可有效的利用重力势能，将运动的能量消耗最优化。2、本发明由于采用全新设计实现的仿生弹性机械腿，使得机械肢体具有很好的抗压、抗磨损能力，为应用于复杂运动任务建立了良好的基础。3、本发明通过机器人的肢体被动关联机构，使得运动时腿部摆动和对侧上臂摆动一致，运动中的重心协调可以通过机械自我调整来实现。4、本发明机器人运动采用闭环控制，通过多种传感器感知外部信息，使得机械肢体的运动更合理、更理性。本发明可广泛应用于有足机器人研究，服务机器人开发和医疗卫生等领域。

附图说明

图1是本发明的整体结构平面示意图

图2是本发明的上肢结构剖视主视图

图3是本发明的上肢结构剖视左视图

图4是硬件电路原理示意图

图5是CAN总线分布式通信系统示意图

图6是核心控制器示意图

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明的结构进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括左、右仿生弹性机械腿1、1＇(已另行申请专利，申请号：2007101201578)，传动躯干2、左、右机械手臂3、3＇和机械头4。

如图2所示，传动躯干2由左、右躯干固定架201、202和上、下躯干连接架203、204固定连接围成。机械头4通过颈205与上躯干连接架203固定连接，机械头4不能转动，目前仅起装饰作用。左、右仿生弹性机械腿1、1＇的左、右髋壳101、101＇分别连接一左、右髋半轴102、102＇的一端，左、右髋半轴102、102＇也是左、右仿生弹性机械腿1、1＇的齿轮轴。左、右髋半轴102、102＇的另一端分别穿过左、右躯干固定架201、202的下部后对接，并通过轴承分别与左、右躯干固定架201、202固定。左、右髋半轴102、102＇的对接处设置有一髋连接管103，左髋半轴102通过螺钉与髋连接管103固定，右髋半轴102＇与髋连接管103为松配合，右髋半轴102＇能在髋连接管103里自由旋转。髋连接管103使左髋半轴102和右髋半轴102＇有机的结合在一起，起到了同轴和辅助支撑的作用。

左机械手臂3包括一左上肢301，左上肢301连接一左上肢半轴302的一端，左上肢半轴302的另一端穿过躯干固定架201的上部并与右上肢半轴302＇对接，左上肢半轴302通过轴承与躯干固定架201固定。左、右上肢半轴302、302＇的对接处设置有一上肢连接管303，左上肢半轴302通过螺钉与上肢连接管303固定，右上肢半轴302＇与上肢连接管303为松配合，右上肢半轴302＇也能在上肢连接管303里自由旋转。右机械手臂3＇的与左机械手臂3结构相同，故不再赘述。

下面详细说明左、右仿生弹性机械腿1、1＇与左、右机械手臂3、3＇的连接关系。如图3所示，左、右髋壳101、101＇一前一后各具有一左、右凸臂104、104＇，左凸臂104的伸出段固定连接一右上肢驱动轴105＇的一端，右上肢驱动轴105＇的另一端固定连接一右上肢驱动连杆106＇的一端，右上肢驱动连杆106＇的另一端固定连接一右上肢驱动摇杆107＇的一端，右上肢驱动摇杆107＇的另一端固定连接传动躯干2外侧的右上肢半轴302＇(图中未示出)。右凸臂104＇的伸出段固定连接一左上肢驱动轴105的一端，左上肢驱动轴105的另一端固定连接一左上肢驱动连杆106的一端，左上肢驱动连杆106的另一端固定连接一左上肢驱动摇杆107的一端，左上肢驱动摇杆107的另一端固定连接传动躯干2外侧的左上肢半轴302。

在左、右躯干固定架201、202的内侧分别设置有两对Λ形摇杆206、206＇(图中未示出摇杆206＇)，摇杆206、206＇的上端通过一辅助轴207固定连接在一起，摇杆206、206＇的两下端均分别固定连接左、右上肢驱动轴105、105＇，对左、右上肢驱动轴105、105＇起到了辅助支撑的作用。

如图4所示，本发明在电路的硬件部分具体包括嵌入式实时控制单元5、运动信号发生单元6、电机驱动单元7和传感器单元8。嵌入式实时控制单元5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6。该单元收到指令后，综合传感器单元8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7。电机驱动单元7直接控制主动电机9运动。主动电机9的运动被转化为左、右仿生弹性机械腿1、1＇的髋、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。但由于电路的硬件部分并非本发明保护的范围，故不再赘述。

如图5所示，左、右弹性机械腿1、1＇运动控制总线系统基于智能自主机器人CAN总线分布式通信系统(已另行申请专利，申请号：2007101181057)，实现智能自主机器人核心控制器(已另行申请专利，申请号：2007100993300)对主动电机9的控制。通过总线方式的连接增加了左、右弹性机械腿1、1＇的适应性，使之可广泛用于不同的控制平台。

如图6所示，智能自主机器人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左、右弹性机械腿1、1＇的控制。

下面详细说明本发明在行走过程中左、右机械手臂3、3＇和左、右仿生弹性机械腿1、1＇的协调动作。

如图1所示，当驱动右仿生弹性机械腿1＇的主动电机9＇正转时，即右仿生弹性机械腿1＇向前迈步，右髋壳101＇向前摆动，通过左上肢驱动轴105带动左上肢驱动连杆106，左上肢驱动连杆106进一步带动左上肢驱动摇杆107，左上肢301随左上肢驱动摇杆107摆动而摆动。

当驱动左仿生弹性机械腿1的主动电机9正转时，即左仿生弹性机械腿1向前迈步，左髋壳101向前摆动，通过右上肢驱动轴105＇带动右上肢驱动连杆106＇，右上肢驱动连杆106＇进一步带动右上肢驱动摇杆107＇，右上肢301＇随右上肢驱动摇杆107＇摆动而摆动。

由于电机9和电机9＇保持反转，所以左上肢301和上肢301＇摆动方向相反。由于左髋壳101带动右上肢301＇，右髋壳101＇带动左上肢301，保证了在行走过程中左、右机械手臂3、3＇和左、右仿生弹性机械腿1、1＇的动作协调。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (3)

1.一种基于被动运动方式的双足类人机器人，其特征在于：它包括左、右仿生弹性机械腿，传动躯干和左、右机械手臂；所述传动躯干由左、右躯干固定架和上、下躯干连接架固定连接围成；

所述左、右仿生弹性机械腿的髋壳分别连接一左、右髋半轴的一端，所述髋半轴也是所述仿生弹性机械腿的齿轮轴；所述左、右髋半轴的另一端分别穿过所述左、右躯干固定架的下部后对接，并通过轴承分别与所述左、右躯干固定架固定；所述左、右髋半轴的对接处设置有一髋连接管，所述左髋半轴通过螺钉与所述髋连接管固定，所述右髋半轴与所述髋连接管为松配合；

所述左、右机械手臂分别包括一左、右上肢，所述左、右上肢分别连接一左、右上肢半轴的一端，所述左、右上肢半轴的另一端分别穿过所述左、右躯干固定架的上部后对接，并通过轴承分别与所述左、右躯干固定架固定；所述左、右上肢半轴的对接处设置有一上肢连接管，所述左上肢半轴通过螺钉与所述上肢连接管固定，所述右上肢半轴与所述上肢连接管为松配合；

所述左、右仿生弹性机械腿的髋壳各具有一左、右凸臂，且各所述髋壳所具有的左、右凸臂一前一后，所述左、右凸臂的伸出段分别固定连接一右、左上肢驱动轴的一端，所述右上肢驱动轴的另一端固定连接一右上肢驱动连杆的一端，所述右上肢驱动连杆的另一端固定连接一右上肢驱动摇杆的一端，所述右上肢驱动摇杆的另一端固定连接传动躯干外侧的所述右上肢半轴；所述右凸臂的伸出段固定连接一左上肢驱动轴的一端，所述左上肢驱动轴的另一端固定连接一左上肢驱动连杆的一端，所述左上肢驱动连杆的另一端固定连接一左上肢驱动摇杆的一端，所述左上肢驱动摇杆的另一端固定连接所述传动躯干外侧的所述左上肢半轴。

2.如权利要求1所述的一种基于被动运动方式的双足类人机器人，其特征在于：所述上躯干连接架上固定一仅用作装饰的机械头。

3.如权利要求1或2的一种基于被动运动方式的双足类人机器人，其特征在于：在所述左、右躯干固定架的内侧分别设置有一对辅助支撑所述左、右上肢驱动轴的Λ形摇杆，所述Λ形摇杆的上端通过一辅助轴固定连接在一起，所述Λ形摇杆的两下端分别固定连接所述左、右上肢驱动轴。

Images