CN101428421B - 一种两足步行的三角形机器人 - Google Patents

Abstract

一种两足步行的三角形机器人，包括构成三角形三边的六个杆件的连接，其中左腿足外杆(1)和左腿足内杆(3)构成移动副作为三角形的一条侧边，右腿足外杆(2)和右腿足内杆(4)构成移动副作为三角形的另一条侧边，左腿足外杆(1)的杆(1a)、横杆外杆(5)和横杆内杆(6)构成移动副作为三角形的底边。协调三边长度，使左腿足外杆(1)和右腿足外杆(2)抬起、前伸、落地，实现直行，当左腿足外杆(1)上的竖直孔与左腿足内杆(3)上的竖直孔共轴时，停止边长变化，起动电机(10)，实现转弯。该发明采用闭链结构，增加机器人刚度，提高负载能力；采用直线驱动，避免杆件长度对转角驱动误差的放大效应；构件少，结构、控制简单。

Description

一种两足步行的三角形机器人

技术领域

本发明涉及一种两足步行机器人，具体涉及一种两足步行的三角形机器人。

背景技术

在两足步行机器人领域，日本本田公司制造的“阿西莫”代表了两足步行仿人机器人的最高技术成就，它可以完成8字形行走、上下台阶、弯腰等各项“复杂”动作，但该机器人功耗大，对控制的软硬件各方面要求都很高。美国、加拿大等多所世界著名大学针对两足步行机器人功耗大的问题进行了研究，加拿大西蒙莎菲大学的Tad McGeer提出利用机器人自身重力和惯性作为动力实现被动动力步行的设想，并且通过实验样机Dynamite验证了该想法，美国的麻省理工大学在McGeerde的被动动力步行思想的基础上，在机器人的局部关节上增加了动力，实现了平地行走。中国对两足步行机器人进行的研究，如哈尔滨工业大学的四型仿人双足步行机器人，全身有52个自由度，在运动速度和平衡性方面优于静态行走机器人，已接近动态行走，但控制相当复杂。中国专利CN1819901A公开了双足步行机器人的下半身模块，两条腿分别采用并联机构，构成并联机构的各个直线运动连杆是该机器人的驱动系统，这种结构使各个杆件有效的分担了机器人的负载，但是它零件多，控制复杂。现有的两足步行机器人一般是仿人型的机器人，具有串联的腿部结构，自由度多，带载能力有限，采用旋转关节上附加动力的驱动方式，对控制精度要求高。

发明内容

本发明要解决的技术问题：两足步行机器人一般采用仿人型的机械结构，机器人本体的零部件多，结构、控制复杂，成本高，机器人的腿部一般采用串联结构，在旋转关节上附加动力进行驱动，当机器人本体较重，或者负载较大的时候，对关节处的旋转动力要求比较高，而且连杆对旋转关节的角度误差具有放大效应，不利于机器人控制精度的提高。

本发明的技术方案：一种两足步行的三角形机器人包括构成三角形三边的六个杆件，左腿足外杆，右腿足外杆，左腿足内杆，右腿足内杆，横杆外杆，横杆内杆；其中左腿足外杆和左腿足内杆构成移动副作为三角形的一条侧边，右腿足外杆和右腿足内杆构成移动副作为三角形的另一条侧边。左腿足外杆的横杆、横杆外杆和横杆内杆构成移动副作为三角形的底边。

所述的移动副是多种形式的直线运动，如丝杠螺母直线运动、气缸或液压缸；所述的三角形的形状是锐角三角形、钝角三角形或者直角三角形。

第一连接件形式上看作三角形顶角的顶点，第一连接件上的纵向孔与左腿足内杆的横杆上的纵向孔利用圆柱销以转动副的形式连接，该转动副的轴线在三角形平面内，并且垂直于左腿足内杆的横杆，开口销插入圆柱销端部孔内，阻止圆柱销下落；第一连接件上的横向孔与右腿足内杆末端的孔利用圆柱销以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于三角形平面，开口销插入圆柱销端部孔内，阻止圆柱销下落；连接件使左腿足内杆与右腿足内杆以胡克铰的形式连接，但不局限于连接件7a形式的胡克铰，或是其他形式的胡克铰。

第二连接件与第一连接件的结构和尺寸完全相同，连接左腿足外杆和横杆外杆；第二连接件上的纵向孔与左腿足外杆的横杆上的孔以转动副的形式连接，转动副的轴线在三角形平面内，并且垂直于左腿足外杆的横杆，该转动副上安装电机作为驱动；电机的安装端面与左腿足外杆的横杆悬空端通过螺钉连接，电机的轴与横杆外杆通过顶丝连接；第二连接件上的横向孔与横杆外杆端部的孔利用圆柱销以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于三角形平面，开口销插入圆柱销端部孔内，阻止圆柱销下落；第二连接件使左腿足外杆和横杆外杆以胡克铰的形式连接，但不局限于连接件形式的胡克铰，或是其他形式的胡克铰。

横杆内杆与右腿足外杆的杆2a上的孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直与三角形平面，转动副的中心形式上是三角形一个底角的顶点。

本发明的有益效果：本发明所述的两足步行的三角形机器人避免了仿人形机器人的腿部串联结构设计，机器人本体从整体上看是一个三角形，采用了完全闭链的机械结构，增加了机器人整体的刚度，当机器人承受负载时，各个杆件共同分担负载，使机器人各构件的受力分布更均匀，提高机器人本体的负载能力，采用控制杆件长度实现机器人的步行与转弯，有效地减小了杆件长度对转角驱动误差的放大效应，提高机器人控制精度，构件少，结构、控制简单。

附图说明

图1两足步行的三角形机器人的整体三维图(锐角三角形，U形脚)

图2两足步行的三角形机器人的整体三维图(钝角三角形，C形、S形脚)

图3两足步行的三角形机器人的整体三维图(直角三角形，V形脚)

图4连接件的三维图

图5胡克铰的其他形式

图6电机的安装图

图7A、图7B、图7C、图7D、图7E是两足步行的三角形机器人的直行步态的分解图

图7A直行步态的起始位姿

图7B直行步态的右腿足外杆的抬起动作

图7C直行步态的右腿足外杆的落地动作

图7D直行步态的左腿足外杆的抬起动作

图7E直行步态的左腿足外杆的落地动作

图8A、图8B、图8C、图8D、图8E、图8F、图8G是两足步行的三角形机器人的转弯步态的分解图

图8A转弯步态的起始位姿

图8B转弯步态的右腿足外杆的抬起动作

图8C转弯步态的右腿足外杆抬起的转弯动作

图8D转弯步态的右腿足外杆的落地动作

图8E转弯步态的左腿足外杆的抬起动作

图8F转弯步态的左腿足外杆抬起的转弯动作

图8G转弯步态的左腿足外杆的落地动作

图中：左腿足外杆1、右腿足外杆2、左腿足内杆3、右腿足内杆4、横杆外杆5、横杆内杆6、第一连接件7a、第二连接件7b、圆柱销8a、圆柱销8b、圆柱销8c、圆柱销8d、开口销9a、开口销9b、开口销9c、开口销9d、电机10、横杆1a、杆2a、杆1b、杆3a、杆3b。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

左腿足外杆1由杆1b、横杆1a、U形杆固定连结而成，其中U形杆所在平面是机器人的脚掌平面，杆1b与U形杆的侧边垂直，杆1b的一端固定在该侧边上，固定点根据对机器人角掌宽度的限制进行选择，如附图1所示的固定点选在U形杆的侧边的中点；横杆1a与杆1b固定连接，固定点可以根据机器人高度的限制进行选择，如附图1所示横杆1a的一端固定在杆1b的中间，横杆1a平行于U形杆的底边，横杆1a与杆1b所成角度为β，β是锐角、直角或钝角；左腿足外杆1的U形杆作为机器人的脚掌，或是如附图2所示的C形、S形，或者如附图3所示的V形。

右腿足外杆2由杆2a、U形杆固定连结而成，其中U形杆所在平面是机器人的脚掌平面，杆2a与U形杆的侧边垂直，杆2a的一端固定在该侧边上，固定点根据对机器人角掌宽度的限制进行选择，如附图1所示固定点选在U形杆的侧边的中点，杆2a上加工一个通孔，孔的轴线平行于脚掌平面且垂直于U形杆底边，但孔的位置可以根据机器人高度的限制进行选择，如附图1所示，孔处于杆2a的中间；右腿足外杆2的U形杆作为机器人的脚掌，或是如附图2所示的C形、S形，或者如附图3所示的V形。

左腿足内杆3由杆3a和杆3b固定连接而成，杆3a和杆3b一端以180-β的角度固定连接在一起，在杆3a的另一端，在左腿足内杆3平面内且垂直于杆3a的方向上加工一个通孔。

右腿足内杆4的一端设计一个通孔，用于与第一连接件7a的连接。

横杆外杆5的一端设计一个通孔，用于与第二连接件7b的连接。

横杆内杆6的一端设计一个通孔，用于与右腿足外杆2的杆2a上孔的连接。

第一连接件7a与第二连接件7b的结构和尺寸完全相同，如附图4所示，都是一个L型的金属块，“L”的竖杆中心处垂直于“L”平面的方向上设计一个通孔j，用于连接右腿足内杆4一端部的孔；在“L”的横杆末端处，“L”平面内且垂直于横杆的方向上加工一个通孔i，用于与左腿足内杆3的横杆3a上的孔相连接。

圆柱销8a、8b、8c、8d的结构和尺寸完全相同。

本发明的实施方式：

一种两足步行的三角形机器人包括构成三角形三边的六个杆件，左腿足外杆1，右腿足外杆2，左腿足内杆3，右腿足内杆4，横杆外杆5，横杆内杆6；其中左腿足外杆1和左腿足内杆3构成移动副作为三角形的一条侧边，右腿足外杆2和右腿足内杆4构成移动副作为三角形的另一条侧边，左腿足外杆1的横杆1a、横杆外杆5和横杆内杆6构成移动副作为三角形的底边；所述的移动副是多种形式的直线运动，如丝杠螺母直线运动、气缸或液压缸；所述的三角形的形状是如附图1所示的锐角三角形、如附图2所示的钝角三角形或者如附图3所示的直角三角形。

第一连接件7a形式上看作三角形顶角的顶点，第一连接件7a上的纵向孔i与左腿足内杆3的横杆3a上的纵向孔利用圆柱销8a以转动副的形式连接，该转动副的轴线在三角形平面内，并且垂直于左腿足外杆1的横杆1a，开口销9a插入圆柱销8a端部孔内，阻止圆柱销8a下落；第一连接件7a上的横向孔j与右腿足内杆4末端的孔利用圆柱销8b以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于三角形平面；开口销9b插入圆柱销8b端部孔内，阻止圆柱销8b下落；连接件7a使左腿足内杆3与右腿足内杆4以胡克铰的形式连接，但不局限于连接件7a形式的胡克铰，也可以是其他形式的胡克铰如附图5所示，左腿足内杆3的横杆3a上的纵向孔与十字轴的纵向轴构成转动副，右腿足内杆4末端的孔与十字轴的横向轴构成转动副。

第二连接件7b与第一连接件7a的结构和尺寸完全相同，第二连接件7b上的纵向孔i与左腿足外杆1的横杆1a上的孔以转动副的形式连接，转动副的轴线在三角形平面内，并且垂直于左腿足外杆1的横杆1a，该转动副上安装电机10作为驱动；电机的安装如附图5所示，电机的安装端面与左腿足外杆1的横杆悬空端通过螺钉连接，电机的轴与横杆外杆5通过顶丝连接；第二连接件7b上的横向孔j与横杆外杆5端部的孔利用圆柱销8c以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直于三角形平面，开口销9c插入圆柱销8c端部孔内，阻止圆柱销8c下落。

横杆内杆6与右腿足外杆2的杆2a上的孔以转动副的形式连接，该转动副的轴线垂直与三角形平面，转动副的中心形式上是三角形一个底角的顶点。

具体的使用方法：两足步行的三角形机器人可以实现直行步态。首先两足步行的三角形机器人处于如附图7A所示的直行步态的起始位姿，两足都与地面接触；当要直行的时候，以左腿足外杆1为支撑足，协调伸长三角形的三边，实现如附图7B所示的右腿足外杆2的抬腿动作，以及如附图7C所示的右腿足外杆2的落地动作；当右腿足外杆2的脚掌落地后，协调缩短三角形的三边，实现如附图7D所示的左腿足外杆1的抬起动作，以及如附图7E所示的左腿足外杆1的落地动作。这样就实现了机器人的一个完整直行步态，图7A、图7B、图7C、图7D、图7E是两足步行的三角形机器人的直行步态的分解图。

两足步行的三角形机器人也可以实现转弯步态。首先两足步行的三角形机器人处于如附图8A所示的转弯步态的起始位姿，两足都与地面接触；当要转弯的时候，以左腿足外杆1为支撑足，协调伸长三角形的三边，抬起腿足外杆2，当如附图8B所示左腿足外杆1上的竖直孔与左腿足内杆3上的竖直孔共轴时，停止三角形三边的长度变化，起动电机10，右腿足外杆2、右腿足内杆4、横杆外杆5、横杆内杆6、第一连接件7a、第二连接件7b作为一个整体绕着公共的轴旋动到如附图8C所示的合适位置的时候，停止电机10，然后继续三角形三边长度的变化，使右腿足外杆2实现如附图8D所示的落地动作，然后再以右腿足外杆2作为支撑足，缩短三角形三边长度，抬起腿足外杆1，当达到如附图8E所示的左腿足外杆1上的竖直孔与左腿足内杆3上的竖直孔再次共轴的时候，停止三角形三边长度的变化，起动电机10，可以使左腿足外杆1和左腿足内杆3作为一个整体绕着公共轴转动，当反向转动相同的角度，实现如附图8F所示的左腿足外杆1和右腿足外杆2共面构成一个三角形，停止电机10，继续三角形三边长度的变化，使左腿足外杆1实现如附图8G所示的落地动作，此时的三角形平面与原来的三角形平面已经有一定的角度了，循环几次，机器人就实现了大幅度的转弯步态。图8A、图8B、图8C、图8D、图8E、图8F、图8G是两足步行的三角形机器人的转弯步态的分解图。

Claims (4)

1.一种两足步行的三角形机器人，其特征在于：该机器人包括构成三角形三边的六个杆件，左腿足外杆(1)，右腿足外杆(2)，左腿足内杆(3)，右腿足内杆(4)，横杆外杆(5)，横杆内杆(6)，其中左腿足外杆(1)和左腿足内杆(3)构成移动副作为三角形的一条侧边；右腿足外杆(2)和右腿足内杆(4)构成移动副作为三角形的另一条侧边；左腿足外杆(1)的第一横杆(1a)、横杆外杆(5)和横杆内杆(6)构成移动副作为三角形的底边；

所述的左腿足外杆(1)由第一杆(1b)、第一横杆(1a)、左腿足U形杆固定连结而成，其中左腿足U形杆所在平面是机器人的脚掌平面，第一杆(1b)与左腿足U形杆的侧边垂直，第一杆(1b)的一端固定在左腿足U形杆的侧边上，第一横杆(1a)与第一杆(1b)固定连接，第一横杆(1a)平行于左腿足U形杆的底边，第一横杆(1a)与第一杆(1b)所成角度为β，β是锐角、直角或钝角；

所述的右腿足外杆(2)由第二杆(2a)、右腿足U形杆固定连结而成，其中右腿足U形杆所在平面是机器人的脚掌平面，第二杆(2a)与右腿足U形杆的侧边垂直，第二杆(2a)的一端固定在右腿足U形杆的侧边上，第二杆(2a)上加工出一个通孔，第二杆(2a)上的所述通孔的轴线平行于脚掌平面且垂直于右腿足U形杆底边；

所述的左腿足内杆(3)由第二横杆(3a)和第三杆(3b)固定连接而成，第二横杆(3a)一端和第三杆(3b)的一端以180°-β的角度固定连接在一起，在第二横杆(3a)的另一端，在左腿足内杆(3)平面内且垂直于第二横杆(3a)的方向上加工出一个纵向通孔；

第一连接件(7a)形式上看作三角形顶角的顶点，第一连接件(7a)上的纵向孔(i)与左腿足内杆(3)的第二横杆(3a)上的所述纵向通孔利用第一圆柱销(8a)以第一转动副的形式连接，第一转动副的轴线在三角形平面内，并且垂直于左腿足外杆(1)的第一横杆(1a)；第一连接件(7a)上的横向孔(j)与右腿足内杆(4)末端上的孔利用第二圆柱销(8b)以第二转动副的形式连接，所述第二转动副的轴线垂直于三角形平面；

第二连接件(7b)上的纵向孔(i)与左腿足外杆(1)的第一横杆(1a)上的孔以转动副的形式连接，转动副的轴线在三角形平面内，并且垂直于左腿足外杆(1)的第一横杆(1a)，该转动副上安装电机(10)作为驱动，第二连接件(7b)上的横向孔(j)与横杆外杆(5)一端部的孔利用第三圆柱销(8c)以第三转动副的形式连接，该第三转动副的轴线垂直于三角形平面；

横杆内杆(6)与右腿足外杆(2)的第二杆(2a)上的所述通孔以第四转动副的形式连接，所述第四转动副的轴线垂直于三角形平面，第四转动副的中心形式上是三角形一个底角的顶点。

2.如权利要求1所述的两足步行的三角形机器人，其特征在于：移动副是多种形式的实现直线运动的丝杠螺母或气缸或液压缸。

3.如权利要求1所述的两足步行的三角形机器人，其特征在于：所述的三角形的形状是锐角三角形、钝角三角形或直角三角形。

4.如权利要求1所述的两足步行的三角形机器人，其特征在于：所述的左腿足外杆(1)和右腿足外杆(2)的脚掌的形状为U形，或替代U形的S形、V形或C形。

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