CN101428656B - 具有侧向自由度的欠驱动双足机器人多模式欠驱动弹性脚 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有侧向自由度的欠驱动双足机器人多模式欠驱动弹性脚。用于解决在三维欠驱动双足机器人行走过程中出现的侧向偏转问题，保证机器人行走过程中的侧向平衡，起到了缓冲的作用。本发明主要由上、下两平板(5，11)组成，在上、下两平板(5，11)之间的内外两侧装有两个同类型的弹簧机构，其中的外侧弹簧(9)的弹性系数小于内侧弹簧(15)的弹性系数，在下平板(11)上安装有滚轮机构，并在下平板(11)的后面和踝关节上方小腿(1)之间安装一弹簧，在弹性脚的下平板(11)上装有接触开关，弹性脚的踝关节与小腿(1)相连处为点足接触。

Description

具有侧向自由度的欠驱动双足机器人多模式欠驱动弹性脚

技术领域

本发明涉及控制科学、机械设计、机电一体化等技术领域，用于解决在三维欠驱动双足机器人行走过程中出现的侧向偏转问题，保证机器人行走过程中的侧向平衡，起到了缓冲的作用。

背景技术

人类在行走过程中应用了多种不同的驱动模式，包括无驱动、欠驱动、完全驱动、冗余驱动。以双足行走的欠驱动特性为切入点，研究被动动态模型，在保留了双足机器人的大部分动态特性的同时，通过假设简化了双足行走机构，通过它来研究双足运动的内在固有特性，揭示双足行走高效率、稳定性的内在机理，对发展双足步行基础理论具有重要的意义。

欠驱动双足步行机器人是一个复杂的机械系统，其独立控制输入少于系统自由度。步行机器人的行走过程可以简化为二维平面上的运动，在此基础上人们研究了机器人行走的动态分析、控制以及优化等问题。目前，欠驱动机器人的行走步态的研究大多数只包括二维平面上的前向运动，没有考虑侧向偏转和旋转偏航等特性。

当在三维空间中考虑欠驱动机器人的行走步态时，机器人行走过程中，不仅包括前向运动，还出现了侧向偏转和偏航。其中，机器人行走过程中侧向平衡性差，机器人根本无法稳定行走，而且，偏航运动如何消除也是一个比较难解决的问题。

对于能够在侧向运动中保持稳定的欠驱动双足机器人，对脚的要求更加严格。既要求引导机器人进行侧向运动，同时，还要保证机器人的侧向稳定性。双脚的设计是欠驱动步行机器人机械结构设计的重点。通过设计脚的机构，当欠驱动步行机器人向前运动时，如果也可以出现横向摇摆，允许出现旋转运动，机器人很小的改动就使得行走空间由二维空间发展到三维空间了。

双脚的设计首先要保证机器人被动运动模式的存在，其次要保证行走过程中机器人的侧向平衡。合理设计机器人的双脚，能方便欠驱动机器人建模、行走、控制的研究，建立欠驱动双足机器人的侧向被动步态模型，所揭示的双足侧向行走被动动力学理论为双足机器人侧向行走的研究提供了一条新的思路。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在缺点和不足，设计的一种具有侧向自由度的欠驱动双足机器人多模式欠驱动弹性脚为平足脚，以保证了机器人被动运动模式的存在和机器人行走过程中的侧向平衡，起到了缓冲的作用。

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：

一种具有侧向自由度的欠驱动双足机器人多模式欠驱动弹性脚，主要由上、下两平板5，11组成，在上、下两平板5，11之间的内外两侧装有两个同类型的弹簧机构，其中的外侧弹簧9的弹性系数小于内侧弹簧15的弹性系数，在下平板11上安装有滚轮机构，并在下平板11的后面和踝关节上方小腿1之间安装一弹簧，在弹性脚的下平板11上装有接触开关，弹性脚的踝关节与小腿1相连处为点足接触。

所述的点足接触为：弹性脚与踝关节固定接耳4固定，机器人的小腿1底部与踝关节轴承座2固定，踝关节固定接耳4与踝关节轴承座2通过转轴3连接。

所述的滚轮机构安装在下平板11对角处，滚轮机构的滚轮14通过转轴装在滑动轴承架13上，滑动轴承架13与固定在下平板11上的滑轮轴座12之间通过转轴连接，并装有压簧。在无压力的情况下弹性脚和滚轮相当于四轮小车，减小脚底板与地面之间的摩擦及碰撞；在有压力时，滚轮起到支撑点的作用，从而保证机器人的稳定行走。

所述的弹簧机构中的内侧弹簧15套装在上下平板之间的弹簧座16上，弹簧座16的上端为一长孔，与固定在上平板5上的销座17为轴孔连接。内侧弹簧的弹性系数大，起到缓冲的作用，减小弹性脚与地面之间的碰撞。

所述的弹簧机构中的外侧弹簧9套装在上、下弹簧座8，10上，弹簧调节座7和弹簧座8套装在调节螺栓6上，并分别固定在上平板5的上、下表面上，弹簧座10与下平板11固定。外侧弹簧的系数小，保证了机器人侧向运动的产生，并且，弹性脚的高度是通过调节螺栓6可调的。

本发明所提供的技术方案的有益效果是：该弹性较与现有的大部分采用四条腿或八条腿来或设计圆弧足不同，本发明设计的多模式欠驱动弹性脚巧妙地多次利用弹簧，不仅保证了机器人被动模式的存在，引导机器人行走运动中出现侧向偏转，还吸收储存能量，缓冲了弹性脚内外两侧以及弹性脚下平板与地面的碰撞。

附图说明

图1具有侧向自由度的欠驱动双足机器人多模式欠驱动弹性脚结构示意图；

图2是本发明中滚轮的机械结构示意图；

图3是本发明中内侧弹簧的机械结构示意图；

图4是本发明中外侧弹簧的机械结构示意图；

图5是外侧弹簧中部分机械结构的剖示图；

图6为本发明所引导的机器人侧向行走运动的具体结构模型；

图7是欠驱动机器人的侧向行走步态周期。

图中：1小腿  2.踝关节轴承座  3.踝关节转轴  4.踝关节固定接耳  5.弹性脚上平板  6.调节螺栓  7.弹簧调节座  8.弹簧座  9.外侧弹簧  10.弹簧座  11.弹性脚下平板  12.滑轮轴座  13.滑动轴承架  14.滚轮  15.内测弹簧  16.弹簧座  17.销座

具体实施方式

下面结合福图所示实施例进一步说明本发明的具体内容及其工作原理。

对于能够在侧向运动中保持稳定的欠驱动双足机器人，在三维中，其行走过程不仅包括前向运动，还出现了侧向偏转和偏航，对脚的要求非常严格。因此，双脚的设计是欠驱动步行机器人机械结构设计的重点，通过设计机器人的双脚，引导机器人进行侧向运动，同时，还要保证机器人的侧向稳定性。

对本发明的有侧向自由度的多模式欠驱动弹性脚进行单独设计时，使机器人脚通过踝关节与腿相连形成点足接触，且必须满足以下六项功能：

1、脚必须允许横向摇晃，产生侧向运动；

2、脚必须允许沿支撑脚的旋转；

3、脚必须能够提供足够的偏航阻力；

4、脚必须在摆动期间脱离地面；

5、脚必须减小摆动腿与支撑腿交换时脚与地面产生的碰撞；

6、脚必须能够提高机器人的侧向稳定性。

实施时，要加大脚的宽度与面积以增加与地面的接触面积。同时，增加脚的重量，以增加其对机器人稳定性的影响。

本发明的具有侧向自由度的欠驱动双足机器人多模式欠驱动弹性脚，其机械结构参阅图1，主要结构由上、下两平板5，11组成，在上、下两平板之间的内外两侧装有两个同类型的弹簧15，9，内侧弹簧15的机械结构参阅图3，内侧弹簧15套在弹簧座16外面，销座17固定一轴连接到弹簧座16，内侧弹簧的弹性系数大，起到缓冲的作用，减小弹性脚与地面之间的碰撞；外侧弹簧9的弹性系数小于内侧弹簧15的弹性系数，使机器人产生侧向运动，外侧弹簧的机械结构参阅图4，弹簧调节座7套在调节螺栓6的上面，并与弹性脚的上平板固定，弹簧座8套在调节螺栓6的下面，部件6，7，8连接的顺序以及机构剖面图参阅图5，弹簧座10与弹性脚的下平板固定，外侧弹簧9套在弹簧座8，10的外面，这样设计的目的是让脚获得一个侧向运动的自由度和提供缓冲，并且，弹性脚的高度是通过调节螺栓6调整。

弹性脚与踝关节轴固定接耳4固定，机器人小腿1底部与踝关节轴承座2固定，踝关节固定接耳4与踝关节轴承座2通过踝关节转轴3连接，使机器人弹性脚通过踝关节与腿相连形成点足接触。在弹性脚的下平板上安装滚轮14，滚轮的机械结构参阅图2，滑动轴承架13一面和滑轮轴座12通过转轴连接，另一面和轴承14通过转轴连接，压簧压住滑动轴承架13。在无压力的情况下弹性脚和滚轮相当于四轮小车，减小脚底板与地面之间的摩擦及碰撞；在有压力时，滚轮起到支撑点的作用，从而保证机器人的稳定行走。并且，在弹性脚的下平板11安装一个接触开关，通过收集开关数据来控制机器的运动，同时，踝关节产生一个角度来指明向前运动和向下运动，控制脚的状态。

机构的间隙对机器人的行走也有很大的影响。由于重量原因，机器人的机构在调试中存在形变，且机构间的间隙也随着机器人姿态的变化而变化，对行走有很大的影响。而且，由于间隙的存在，使得一定姿态下机器人摆动腿与地面的高度变小，甚至与地面发生碰撞，成为机器人调试中不得不考虑的一个问题。主要解决方法是脚的下平板后面和踝关节上方安装弹簧，并用开关控制弹簧只在机器人摆动腿刚离开地面时和即将接触地面时作用，实现了此弹簧的半周期控制，保证了脚呈水平状态，避免和减小脚底板与地面之间的碰撞。并且，弹性脚下平板上安装的滚轮，减小脚底板与地面之间的摩擦及碰撞，保证了机器人的稳定行走。

在其下平板11的后面和踝关节上方小腿1之间安装一个弹簧，并用开关控制弹簧只在机器人摆动腿刚离开地面时和即将接触地面时作用，实现了此弹簧的半周期控制，保证了脚呈水平状态，避免和减小脚底板与地面之间的碰撞。并且，在弹性脚的下平板(11)安装一个接触开关，通过收集开关数据来控制机器的运动。

具有三维侧向脚的行走机制是三维空间的主要挑战之一。出现的新问题是侧向倾斜的不稳定性，除了将偏航运动最小化以外，我们致力于提高侧向的稳定性。为此，我们总结了五个最重要的思想来将我们的三维侧向脚行走机制同二维的区别开来：

1、脚的上下平板5，11和外侧弹簧9的设计允许侧向运动的产生；

2、内外两侧的弹簧15，9都可释放机制并起到缓冲、吸收能量的作用；

3、脚下平板11的滚轮机构可以降低脚与地面碰撞时的不稳定性；

4、接触开关通过收集数据控制行走；

5、脚的下平板11后面和踝关节上方1之间安装的弹簧和控制开关，采用半周期控制，避免和减小脚底板与地面之间的碰撞。

三维中，本发明通过在行走斜面上铺上一层橡皮，提供了最大摩擦扭矩使偏航最小化。在此，假设偏航足够小可以忽略，这就简化了数值分析，而且分析空间被分成横向(侧向)和竖直方向(前向)两部分。

从理论上对侧向运动进行适当的假设和简化，来揭示被动侧向行走的基本原理。对于所设计的欠驱动步行机器人侧向运动的模型，进行必要的简化与抽象后也可以得到图6所示的机器人侧向运动的具体结构模型，模型有一个侧向的自由度记为θ，将机器人的总质量基于图中黑点位置并记为M，μ为最高点和重心之间的距离，d为机器人脚的宽度，δ为脚的高度，D为机器人腿的长度，L为机器人髋关节长度，l为机器人两脚之间的宽度，r为脚部圆形轨迹半径，R为质心圆形轨迹半径，α为支撑点和重心之间的初始角度，β为脚部初始的拉伸角度，并且，每只弹性脚的支撑点用蓝点表示。

欠驱动步行机器人侧向运动的模型的稳定行走步态具有两个不同的阶段，摆动阶段与碰撞阶段；把机器人的“被动侧向行走步态”周期分为四个不同的阶段(参阅图7)：

阶段I，前向运动摆动腿脱离地面，膝关节弯曲，向前摆动；支撑腿膝关节伸直并锁死且开始侧向摆动直到最大(参阅图7A-B)。

阶段II，支撑腿侧向回摆，摆动腿摆动至前方最大位置处发生碰撞，膝关节锁死(参阅图7B-C)。

阶段III，支撑腿和摆动腿相互交换，支撑腿抬起前向运动，摆动腿开始产生西侧向摆动直到最大(参阅图7C-D)，(碰撞前的摆动腿变为支撑腿，碰撞前的支撑腿变为摆动腿)。

阶段IV，摆动腿回摆直到支撑腿与地面接触(参阅图7D-A)。

四个阶段中，机器人的运动具有不同的动力学特性，建模过程要分别进行讨论。阶段I和阶段II之间，以及阶段III和阶段IV之间，机器人的状态连续变化，都称为摆动阶段，一般通过牛顿运动定律建立机器人的动力学方程。但是，由于阶段II和阶段III之间，阶段IV和阶段I之间，回摆腿与地面发生碰撞，使机器人状态发生突变，称为碰撞阶段，其数学模型具有离散的性质。

参阅图7，机器人侧向行走过程从图中可以明显的表达出来，可见，本发明的具有侧向自由度的多模式欠驱动弹性脚具有很大的创新性，最主要的是内外侧弹簧15，9的利用，并且，在滚轮中加了压簧，在弹性脚下平板11的后面和踝关节上方小腿1加了弹簧，整体的设计保证了机器人被动运动模式的存在，提供了机器人侧向行走步态，获得了一个侧向自由度，并且，起到了缓冲的作用。

Claims (4)

1.一种具有侧向自由度的欠驱动双足机器人多模式欠驱动弹性脚，主要由上、下两平板(5，11)组成，其特征在于在上、下两平板(5，11)之间的内外两侧装有两个同类型的弹簧机构，其中的外侧弹簧(9)的弹性系数小于内侧弹簧(15)的弹性系数，在下平板(11)上安装有滚轮机构，并在下平板(11)的后面和踝关节上方小腿(1)之间安装一弹簧，在弹性脚的下平板(11)上装有接触开关，弹性脚的踝关节与小腿(1)相连处为点足接触，所述的点足接触为：弹性脚与踝关节固定接耳(4)固定，机器人的小腿(1)底部与踝关节轴承座(2)固定，踝关节固定接耳(4)与踝关节轴承座(2)通过转轴(3)连接。

2.根据权利要求1所述的具有侧向自由度的欠驱动双足机器人多模式欠驱动弹性脚，其特征在于所述的滚轮机构安装在下平板(11)对角处，滚轮机构的滚轮(14)通过转轴装在滑动轴承架(13)上，滑动轴承架(13)与固定在下平板(11)上的滑轮轴座(12)之间通过转轴连接，并装有压簧。

3.根据权利要求1所述的具有侧向自由度的欠驱动双足机器人多模式欠驱动弹性脚，其特征在于所述的弹簧机构中的内侧弹簧(15)套装在上下平板之间的弹簧座(16)上，弹簧座(16)的上端为一长孔，与固定在上平板(5)上的销座(17)为轴孔连接。

4.根据权利要求1所述的具有侧向自由度的欠驱动双足机器人多模式欠驱动弹性脚，其特征在于所述的弹簧机构中的外侧弹簧(9)套装在上、下弹簧座(8，10)上，弹簧调节座(7)和上弹簧座(8)套装在调节螺栓(6)上，并分别固定在上平板(5)的上、下表面上，下弹簧座(10)与下平板(11)固定。

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