CN101422907A - 欠驱动双足步行机器人髋关节机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种欠驱动双足步行机器人的髋关节机构，能够方便的实现在线驱动状态与离线无驱动状态的平滑切换，有利于欠驱动双足步行机器人的高效率行走控制。技术方案是：角平分线机构(1)将两条腿绕髋关节的转动运动与上身的运动联系起来，并将上身限制在双腿的角平分线上，该机构由正向、反向两套齿轮－链条组和自由传动轴(9)组成；髋关节器件安装板(2)与机器人的上身固定在一起；双向传动系统(3)由将电动机的输出力矩最终转化为双腿间的相对力矩的两套驱动电机、传动轴及钢索组成；不完全齿轮传动系统(4)包括驱动电动机(13)、装在驱动电动机输出轴上的减速器和不完全传动齿轮(12)。

Description

欠驱动双足步行机器人髋关节机构

技术领域

本发明涉及机械学、力学、电子学、控制论、计算机数字控制等技术领域，用于欠驱动双足机器人中髋关节高效率联接、传动机构与灵活驱动机构与控制系统设计。

背景技术

双足机器人在社会价值和经济实用方面都具有重要的研究意义，主要包括以下几个方面：

1)双足机器人在外形和功能上适合在人类生活、工作环境中与人协同工作；

2)双足步行机器人体积相对较小，具有更加灵活的运动方向和更大的速度变化范围，可以在非结构复杂环境具有较好的适应性，避障能力强；

3)结合丰富的传感系统、控制系统，增强机构的运动功能，可代替人进行作业或扩大人类活动领域，如在危险环境(核电站、海底、太空)中进行复杂工作；

4)双足机器人机构设计及控制技术可以用于开发护理机器人、娱教机器人、服务机器人等，还可以用于开发康复机器人或高效率动力假肢。

髋关节是双足步行机器人机构的关键部分之一，是机器人两条腿的连接部件，也是机器人上身的支撑部件，同时需要集成双腿驱动、上身驱动等多个自由度的驱动元件。髋关节的机械效率与驱动效率直接影响了双足机器人整体的控制与能量消耗。传统的双足机器人设计在髋关节的各个自由度都安装驱动，造成了机构的重复驱动(两条腿在髋关节处置需要施加相对力矩)，上身与髋关节的连接进行驱动，也增加了系统控制的复杂度。与传统双足机器人机构设计与控制相比，欠驱动双足步行机器人的髋关节需要运行于无驱动与有驱动两种不同的模式下，因此需要有更加简单的机构与更加灵活的驱动、控制，也对髋关节的机构设计提出了新的要求：

1)髋关节要对上身起到支撑作用，限制上身的自由运动，使机器人的上身与两条腿自由运动；

2)为了实现欠驱动双足步行机器人的行走的高效率，髋关节具有简单结构，只设置一个自由度；

3)为了能使欠驱动双足步行机器人在水平地面上行走，髋关节需要能够为机器人提供驱动力；

4)为了实现欠驱动双足步行机器人的欠驱动行走原理，髋关节驱动具有高效率，且能够自由地在有驱动与无驱动模式之间切换。

双足机器人的髓关节属于三自由度的球关节，在仿生机构设计中可采用分别以空间三个相互垂直方向为轴的单自由度旋转关节来替代，但是这种结构设计方法比较复杂，而且在机器人的直线行走中，只有纵向平面内的俯仰旋转自由度起着重要作用，其他两个自由度的旋转只在机器人转弯及一些特殊姿态起重要作用。因此，在欠驱动双足步行机器人的机构设计中，只保留了纵向平面内的俯仰旋转自由度。

综上所述，现有的双足机器人髋关节机构设计中没有将机器人上身的支撑与髋关节驱动分离开来，也没有专门针对前驱动双足步行机器人的高效率、能灵活驱动的髋关节机构设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种欠驱动双足步行机器人髋关节机构。该机构能够将机器人的上身限制在两条腿的角平分线上，对上身起到直接的支撑作用，并且能在两条腿之间施加相对力矩，对机器人的行走进行驱动。髋关节的驱动系统能够方便的实现在线驱动状态与离线无驱动状态的平滑切换，大大有利于欠驱动双足步行机器人的高效率行走控制。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下：

一种欠驱动双足步行机器人髋关节机构，主要由角平分线联动机构、髋关节器件安装板、双向传动系统和不完全齿轮传动系统组成，所述的角平分线机构1将两条腿绕髋关节的转动运动与上身的运动联系起来，并将上身限制在双腿的角平分线上，该机构由正向、反向两套齿轮-链条组和自由传动轴9组成；所述的髋关节器件安装板2与机器人的上身固定在一起；所述的双向传动系统3由将电动机的输出力矩最终转化为双腿间的相对力矩的两套驱动电机、传动轴及钢索组成；所述的不完全齿轮传动系统4包括驱动电动机13、装在驱动电动机输出轴上的减速器和不完全传动齿轮12，不完全传动齿轮12与装在髋关节驱动力矩传动轴II18上的传动齿轮14啮合或分离。

本发明的髋关节集成联动驱动机构能够在支撑上身、提供连接双腿的自由度的同时在双腿之间施加相对驱动力矩，在功能上主要由四个部分组成，分别是髋关节器件安装板、角平分线联动机构、驱动电动机不完全齿轮机构、双向驱动机构，为解释各部分的机构设计与工作原理，结合附图说明如下：

1、髋关节器件安装板由螺栓直接与机器人的上身固定在一起，其主要功能是为髋关节的其他部件提供安装空间，对髋关节系统起到支撑的作用；

2、角平分线联动机构的主要作用是将机器人的上身运动与两条腿的运动相联系，使机器人的上身始终保持在两条腿的角平分线上，简化机器人机构，并有利于机器人在行走时产生连贯、美观的仿人步态，主要由正向传动齿轮、反向传动齿轮、自由转轴三个主要功能部件组成；

3、驱动电动机不完全齿轮机构主要作用是将电动机经减速器输出的力矩进行适当比例的放大或缩小，通过调整不完整齿轮与电机输出端齿轮的啮合位置与时间来实现对欠驱动双足步行机器人的驱动，并在驱动完成后使电动机脱离驱动系统，实现机器人的无驱动行走模式；

4、双向驱动机构主要作用是将电动机机的输出力矩最终转化为双腿间的相对力矩，主要由两套驱动电机、传动轴及钢索组成。

有益效果：本发明与传统双足机器人机构设计与控制相比，具有机构简单，采用灵活、高能量效率的驱动系统设计，只需要简单控制就能产生连贯、自然的仿人行走步态。髋关节的驱动系统能够方便的实现电动机在线驱动状态与离线无驱动状态的平滑切换，从机构上保证了欠驱动双足步行机器人高效率行走控制的实现。

附图说明

图1是欠驱动双足步行机器人髋关节机构总体结构图。

图2(a)是髋关节角平分线联动机构的正视图；

图2(b)是图2(b)的侧视图；

图2(c)是髋关节角平分线联动机构动作原理图。

图3是髋关节驱动电动机不完全齿轮机构图。

图4(a)是图1中的髋关节双向驱动机构右视图；

图4(b)是图1中的髋关节双向驱动机构左视图。

图中：1.角平分线联动机构 2.髋关节器件安装板 3.双向传动系统 4.不完全齿轮传动系统 5.机器人大腿I 6.机器人大腿II 7.髋关节转轴 8.反向传动齿轮机构 9.自由转轴 10.正向传动齿轮机构 11.机器人上身 12.不完全传动齿轮 12.驱动电动机 14.传动齿轮 15.髋关节驱动力矩传动轴I 16.正向传动钢索 17.反向传动钢索 18.髋关节驱动力矩传动轴II 19.钢索滑轮 20.牵拉钢索

具体实施方式

本发明的髋关节集成联动驱动机构能够在支撑上身、提供连接双腿的自由度的同时在双腿之间施加相对驱动力矩，能够实现机器人行走运动中对上身运动的控制，主要目在于解决双足机器人设计中髋关节机构复杂，驱动系统能量效率低，控制复杂等问题，从机构上保证欠驱动双足步行机器人的高能量效率与动态稳定行走。以下结合附图所示实施例，进一步详细描述本发明的技术方案与工作原理。

一种欠驱动双足步行机器人集成联动-驱动髋关节，主要由角平分线联动机构、髋关节器件安装板、双向传动系统和不完全齿轮传动系统组成，所述的角平分线机构1将两条腿绕髋关节的转动运动与上身的运动联系起来，并将上身限制在双腿的角平分线上，该机构由正向、反向两套齿轮-链条组和自由传动轴9组成；所述的髋关节器件安装板2与机器人的上身固定在一起；所述的双向传动系统3由将电动机的输出力矩最终转化为双腿间的相对力矩的两套驱动电机、传动轴及钢索组成；所述的不完全齿轮传动系统4包括驱动电动机13、装在驱动电动机输出轴上的减速器和不完全传动齿轮12，不完全传动齿轮12与装在髋关节驱动力矩传动轴II18上的传动齿轮14啮合或分离。

所述的自由传动轴9安装在机器人上身，并能自由转动，所述的正向、反向两套齿轮包括正向传动齿轮机构10和反向传动齿轮机构8，两套齿轮机构的一端齿轮分别固定在自由传动轴9的两端，两套齿轮机构的另一端齿轮分别固定在髋关节转轴7的两端，髋关节转轴7与两条大腿I5和大腿II6固定在一起。

所说的双向驱动机构主要由两套驱动电机13、传动齿轮14、髋关节驱动力矩传动轴、钢索滑轮19、牵拉钢索20组成，两个驱动电动机13安装在髋关节器件安装板2上，钢索滑轮19与传动齿轮14固连，每个电动机的驱动力矩经过减速器放大后，驱动装有钢索的滑轮转动，钢索滑轮19通过钢索控制机器人大腿的牵拉，该驱动经钢索的反向传动后，带动另外一侧的传动轴沿相反的方向转动。

髋关节驱动系统设计为双向驱动系统，由两套电动机驱动—力矩传动系统组成，分别负责两个不同方向的髋关节力矩(机器人两条腿之间的相对力矩)驱动。每套电动机驱动—力矩传动系统由电动机、传动齿轮、传动钢索、驱动力矩传动轴、钢索滑轮、大腿牵拉钢索、钢索预紧弹簧组成。传动齿轮负责对电动机的力矩进行适当放大，钢索滑轮与传动齿轮固连，并大腿牵拉钢索或传动钢索连接，将传动齿轮传递的电动机力矩转换为钢索的拉力。大腿牵拉钢索直接对机器人大腿施加拉力，使机器人大腿绕髋关节旋转。钢索预紧弹簧弹性系数较大，能够显著的改变电动机及驱动系统在驱动开始时刻的负载特性，将驱动时系统各部件间的刚性冲击变为柔性弹性冲击，提高电机驱动的效率。

所述的减速器对驱动电动机13输出力矩进行比例放大或缩小，通过调整不完全传动齿轮12与传动齿轮14的啮合位置与时间来对欠驱动双足步行机器人驱动，并在驱动完成后使电动机脱离驱动系统，实现机器人的无驱动行走模式。

髋关节集成联动—驱动机构实际上通过髋关节器件安装板安装在机器人上身，与上身一同运动。髋关节器件安装板采用硬铝合金板，由螺栓直接与机器人的上身固定在一起，其主要功能是为髋关节的其他部件提供安装空间，对髋关节系统起到支撑的作用。同上身一样，髋关节也要绕髋关节转轴转动。

角平分线联动机构的主要动作机构参阅附图2，其主要作用是将机器人的上身运动与两条腿的运动相联系，使机器人的上身始终保持在两条腿的角平分线上。这种设计方法能够简化机器人机构，并有利于机器人在行走时产生连贯、美观的仿人步态，主要由正向传动齿轮机构、反向传动齿轮机构、自由转轴三个主要功能部件组成。自有转轴安装在机器人上身，可以自由转动。正向、反向两套传动齿轮机构与自由转轴固定在一起，而另一端分别与两条大腿相连接。一方面正向传动齿轮机构的运动经过自由转轴的传动，同样要使反向传动齿轮机构产生相同的运动，而正向、反向传动齿轮机构分别与两条腿相连接，实现了双腿运动的联系。与正向链轮传动机构连接的大腿2绕髋关节主轴转动(相对于机器人上身逆时针转动角度θ，)时，通过正向齿轮传动机构带动上身的自由转轴旋转，安装在转轴另一端的反向齿轮传动机构沿相反的方向将自由转轴的转动传递至另外一条机器人大腿I5，带动机器人大腿I5沿与机器人大腿II6相反的方向绕髋关节主轴转动相同大小的角度，机器人大腿I5相对于机器人上身顺时针转动角度θ。两条腿产生了相对转动，而且两条腿相对于上身转动的角度相等，方向相反，保证了上身始终保持在双腿的角平分线上。

驱动机构及传动机构的高能量效率是欠驱动双足步行机器人机构设计的主要标准之一。髋关节的驱动力矩输出机构如说明书附图3所示。在驱动元件的选择上，采用电动机驱动方式，体积小、重量轻、控制灵活。由于欠驱动双足步行机器人在控制中不需要实时的轨迹跟踪控制，而只需要短时间的驱动与能量输入，因此，电动机主要采用的是简单的点到点控制，并对电机的旋转速度进行了简单限制。由于电动机的输出力矩密度不能满足需求，在电动机输出轴要安装减速器机构，降低电动机转速，并放大电动机的驱动力矩。由于电动机在停止旋转时的自锁力矩以及电动机输出端减速器的摩擦力矩，如果电动机停止旋转，还能够在传动系统中维持一定的力矩，成为影响机器人行走步态、能量效率、控制复杂度的一个很重要的因素。为了实现驱动系统设计的高能量效率，在不需要驱动时需要将电动机力矩输出机构与系统脱离。不完全齿轮机构能够较为可靠地实现这个功能。电动机输出端驱动力矩首先经过不完全齿轮传动，在需要驱动力矩输出时，不完全齿轮的齿轮部分与传动齿轮啮合，电动机输出驱动力矩对机器人系统进行驱动。而不需要进行驱动时，不完全齿轮旋转至合适位置，与脱离传动齿轮的啮合状态，将电动机力矩输出机构与系统完全隔离开，保证机构其余部分的高效率运动。

双向驱动机构主要作用是将电动机机的输出力矩最终转化为双腿间的相对力矩，主要由两套驱动电机、传动轴及传动钢索组成，如说明书附图4所示，每一套传动系统能够完成一个方向上机器人双腿之间的相对转动。传动系统中采用钢索完成力的传动，并通过对双腿的牵拉完成对双腿的驱动。通过钢索的牵拉实现对双腿的驱动，主要优点在于钢索只能在单方向对大腿的运动起到驱动与限制，当钢索的牵拉速度小于被牵拉大腿的摆动速度时，大腿可以自由地摆动。采用两套驱动系统，配合以不完全齿轮驱动机构，钢索的传动机构实现了髋关节的高效率、灵活驱动。钢索的另一端安装有弹性系数很大的弹簧，能够显著的改变电动机及驱动系统在驱动开始时刻的负载特性，将驱动时系统各部件间的刚性冲击变为柔性弹性冲击，提高了电机驱动的效率。

髋关节是欠驱动双足步行机器人最重要的功能部件之一，其机械设计直接决定了机器人行走的效率与复杂度。本发明设计的髋关机集成联动—驱动机构以较简单的机构实现了机器人的高效率行走机构，能够灵活的对机器人的双腿施加驱动，使机器人实现高能量效率的驱动态行走。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1、一种欠驱动双足步行机器人髋关节机构，主要由角平分线联动机构、髋关节器件安装板、双向传动系统和不完全齿轮传动系统组成，其特征在于：所述的角平分线机构(1)将两条腿绕髋关节的转动运动与上身的运动联系起来，并将上身限制在双腿的角平分线上，该机构由正向、反向两套齿轮-链条组和自由传动轴(9)组成；所述的髋关节器件安装板(2)与机器人的上身固定在一起；所述的双向传动系统(3)由将电动机的输出力矩最终转化为双腿间的相对力矩的两套驱动电机、传动轴及钢索组成；所述的不完全齿轮传动系统(4)包括驱动电动机(13)、装在驱动电动机输出轴上的减速器和不完全传动齿轮(12)，不完全传动齿轮(12)与装在髋关节驱动力矩传动轴II(18)上的传动齿轮(14)啮合或分离。

2、根据权利要求1所述的欠驱动双足步行机器人髋关节机构，其特征在于所述的自由传动轴(9)安装在机器人上身，并能自由转动，所述的正向、反向两套齿轮包括正向传动齿轮机构(10)和反向传动齿轮机构(8)，两套齿轮机构的一端齿轮分别固定在自由传动轴(9)的两端，两套齿轮机构的另一端齿轮分别固定在髋关节转轴(7)的两端，髋关节转轴(7)与两条大腿I(5)和大腿II(6)固定在一起。

3、根据权利要求1所说的欠驱动双足步行机器人髋关节机构，其特征在于所说的双向传动系统(3)主要由两套驱动电机(13)、传动齿轮(14)、髋关节驱动力矩传动轴、钢索滑轮(19)、牵拉钢索(20)组成，两个驱动电动机(13)安装在髋关节器件安装板(2)上，钢索滑轮(19)与传动齿轮(14)固连，每个电动机的驱动力矩经过减速器放大后，驱动装有钢索的滑轮转动，钢索滑轮(19)通过钢索控制机器人大腿的牵拉，该驱动经钢索的反向传动后，带动另外一侧的传动轴沿相反的方向转动。

4、根据权利要求1所述的欠驱动双足步行机器人髋关节机构，其特征在于所述的减速器对驱动电动机(13)输出力矩进行比例放大或缩小，通过调整不完全传动齿轮(12)与传动齿轮(14)的啮合位置与时间来对欠驱动双足步行机器人驱动，并在驱动完成后使电动机脱离驱动系统，实现机器人的无驱动行走模式。

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