CN101428657A - 欠驱动双足步行机器人行走机构 - Google Patents

Abstract

一种欠驱动双足步行机器人行走机构涉及机器人领域，特别涉及欠驱动双足步行机器人领域。主要由手臂、上身、髋关节、大腿、膝关节、小腿、脚等七部分组成，共10个DOF自由度，在这10个自由度中，仅对3个自由度进行驱动，其中膝关节、踝关节不进行驱动，双臂分别通过机械链接机构与对侧的腿联动，髋关节采用集成联动－驱动髋关节机构(6)，主要由髋关节器件安装板(13)、角平分线联动机构(15)、驱动电动机不完全齿轮传动机构(11)、双向驱动机构(12)四个部分组成；机器人双脚采用双层结构的多模式弹性脚。本发明设计的欠驱动双足步行机器人机构简单，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。

Description

欠驱动双足步行机器人行走机构

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别涉及欠驱动双足步行机器人领域。

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。

双足机器人机构的设计要实现以下目标：

1)能够实现稳定的双足行走步态；

2)机器人动作连贯、美观，能够实现相似度较高的仿人行走步态；

3)结构简单，最大程度地减轻机器人重量，降低制造成本，同时降低控制的复杂度及相关硬件的开销；

4)外形美观，有利于进行人机交互。

双足机器人机构的结构外形及功能结构类似于人，则从仿生的角度出发，分析人的关节自由度和关节驱动形式，在功能和结构上模拟人关节运动形式，确定了双足机器人的关节结构形式。结合人的各躯干的比例尺寸，确定了双足机器人的杆件尺寸和关节转角范围。

人体由二百余块骨骼组成，每一部分骨骼都是按其功能生成，具有自身独立的完整性，通过肌腱和软骨巧妙地接合在一起，组成了一个便于运动、坚固而又轻巧的整体。骨与骨相接形成了人体运动的关节，组合方式呈多样化。这些关节以肌肉为动力，能产生多种复杂的运动。对于如此复杂的动作机构与运动控制系统，想利用机电系统进行完全的模拟是不可能也是不现实的。因此，基于通过尽量少的自由度，来实现尽量多的基本运动，同时又要使这些运动尽量柔顺美观的出发点，配置机器人自由度。

双足机器人是一个复杂的机械电子系统，自由度数目多，行走控制方法复杂。一般的双足机器人机构设计中，每个自由度(运动关节)都需要有电动机进行驱动，系统结构复杂，而且电动机输出轴需要由减速机构进行力矩放大，系统能量效率低。机器人的行走控制方法复杂，首先需要对双足机器人系统进行简化得到简单的线性控制模型，通过经典的线性控制算法完成结构化环境下的步态规划，然后通过一些智能控制算法在线修正和调整机器人的关节扭矩，获得一定意义下的稳定步态。在这个过程中，机器人的驱动控制系统首先需要克服机器人自身的惯性力和所受重力作用，才能使机器人的各个关节按照规划好的轨迹运动。而且，由于机构和控制的复杂，机器人在机械硬件和软件控制方面需求较高，且行走速度受到限制，也使双足机器人技术的实用化受到较大限制。双足机器人技术的进一步发展，需要用新的思路设计具有更加精巧、高效的机械结构与驱动系统，开发新的机器人控制方法。欠驱动双足步行机器人动态行走机构通过对人体的行走运动进行分析，选取了最少的自由度来实现双足机器人的一个最基本运动---双足行走。

综上所述，以最简单的机械及控制系统来实现对人类双足行走运动的模拟是一个很大的挑战，特别是要实现所设计双足机器人的高效率行走运动。

发明内容

本发明提供了一种高能量效率的双足行走机构及其设计方法，主要从机构设计与控制的角度来解决双足机器人机构设计复杂与控制方法复杂、能量效率低的问题。

结合附图，说明如下：

一种欠驱动双足步行机器人行走机构主要由手臂、上身、髋关节、大腿、膝关节、小腿、脚等七部分组成，共10个DOF自由度，其中，上身1 DOF，双臂2×1 DOF，髋关节1 DOF，双腿膝关节2×1 DOF，双脚踝关节2×1 DOF，侧向脚与地面之间2×1 DOF，在这10个自由度中，仅对3个自由度进行驱动，其中膝关节、踝关节不进行驱动，双臂分别通过机械链接机构与对侧的腿联动，髋关节采用集成联动-驱动髋关节机构6，所说的集成联动-驱动髋关节机构6主要由安装在机器人上身的髋关节器件安装板13、使机器人的上身始终保持在双腿的角平分线上的角平分线联动机构15、驱动电动机不完全齿轮传动机构11、将电动机的输出力矩最终转化为双腿间的相对力矩的双向驱动机构12四个部分组成；机器人双脚采用双层结构的多模式弹性脚。

髋关节角平分线机构12由正向传动齿轮机构17、反向传动齿轮机构18、自由转轴16三个主要功能部件组成，自有转轴16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17、18的一端与自由转轴16固定在一起，而另一端分别与两条大腿相连接。

驱动电动机不完全齿轮机构11是在电动机力矩输出轴安装不完全齿轮19，不完全齿轮的齿轮部分与传动齿轮28啮合，在需要驱动力矩输出时，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，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，实现机器人的无驱动行走模式。

双向驱动机构主要由两套驱动电机20、传动齿轮28、驱动力矩传动轴22、23钢索滑轮26、牵拉钢索27组成，两个驱动电动机20安装在髋关节器件安装板13上，钢索滑轮26与传动齿轮28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26通过钢索控制大腿的牵拉，该驱动经钢索的反向传动后，带动另外一侧的转轴沿相反的方向转动。

多模式弹性脚为双层结构，上、下两平板30、34之间的内侧设置一对弹性支撑座31，并安装弹簧进行支撑，使上脚板能够在弹性支撑座上上下运动很小的一段距离，另一侧安装侧向自由度可调被动弹性机构33，上下脚板之间仅仅通过弹簧进行连接，内外两侧为同类型的弹簧，外侧弹簧的弹性系数小于内侧弹簧的弹性系数；在脚底板的四个对角安装弹簧支撑的滚轮机构32，调节弹簧的弹力，使得四个滚轮机构能够支撑脚的重量，当机器人的脚受到一定压力时，下脚板能与地面接触；下平板后面和踝关节上方用一弹簧连接，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。

一种双足步行机器人行走机构的控制方法，其控制系统采用上位机—嵌入式微处理器—底层电机驱动控制，其特征在于嵌入式微处理器安装在如权利要求1所说的机器人上，能够实现对机器人行走的自主控制，嵌入式微处理器与上位机之间通过无线通信模块实现数据交互，读取上位机的控制指令，并将机器人行走步态数据上传至上位机进行存储与分析，在行走控制算法方面，控制器采用基于逻辑状态的控制方法，将机器人的行走过程分为几个不同的逻辑阶段，包括：

a 行走起动阶段；

b 摆动起始阶段；

c 摆动腿膝关节弯曲摆动阶段；

d 摆动腿伸直摆动阶段；

e 摆动腿膝关节伸直摆动阶段；

f 双脚触地碰撞阶段；

在每个采样—控制周期，控制器根据传感器的数据判断机器人状态所处的逻辑阶段，并根据机器人的具体姿态计算出相应的控制量。

有益效果：本发明设计的欠驱动双足步行机器人机构简单，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。

附图说明

图1是欠驱动双足步行机器人总体机构图；

图2是欠驱动双足步行机器人集成联动-驱动髋关节机构图；

图3髋关节角平分线联动机构；

图4髋关节驱动电动机不完全齿轮机构；

图5髋关节双向驱动机构；

图6多模式弹性脚结构图；

图7欠驱动双足步行机器人膝关节机构剖视图(弯曲状态)；

图8欠驱动双足步行机器人控制系统总体框图；

图9欠驱动双足步行机器人控制软件的层次结构图；

图10欠驱动双足步行机器人行走逻辑阶段图。

图中：1、头部支架 2、手臂 3、上身 4、同步齿形带 5、髋关节 6、集成联动-驱动髋关节机构 7、大腿 8、膝关节 9、小腿 10、多模式弹性脚 11、不完全齿轮传动 12、双向传动系统 13、髋关节器件安装板 14、髋关节主轴 15、角平分线联动机构 16、自由转轴 17、正向传动齿轮机构 18、反向传动齿轮机构 19、不完全传动齿轮 20、驱动电动机 21、传动齿轮 22髋关节驱动力矩传动轴I 23、髋关节驱动力矩传动轴II 24、正向传动钢索 25、反向传动钢索 26、钢索滑轮 27、牵拉钢索 28、传动齿轮 29、无驱动踝关节 30、上脚板 31、上脚板弹性支撑座 32、弹性支撑滚轮机构 33、侧向自由度可调被动弹性机构 34、下脚板 35、锁扣松紧螺栓—恢复弹簧 36、锁扣机构(锁臂—滚轮) 37、膝关节轴套—锁臂滑块 38、膝关节转轴

具体实施方式：

本发明从系统结构设计、机械设计、控制系统开发与行走控制算法设计等四个方面实现了欠驱动双足步行机器人的高能量效率机构的机械设计与控制。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、设计思想与系统工作原理。

传统的双足机器人主要采用仿生设计方法，首先从机械系统结构上模拟人的各个运动自由度，使得系统机构与控制复杂。本发明则以欠驱动双足行走为指导思想，对双足机器人的行走机构与控制系统进行设计，使机器人能够以简单的机构实现较高能量效率行走步态。欠驱动双足步行机器人的设计要点在于欠驱动、高效率与行走步态动态稳定。欠驱动指机器人驱动的关节数量少，所以机器人的行走控制则更多地依赖机器人的原有动态特性；高效率包括机械系统的高效率与驱动控制的高效率；行走步态动态稳定，指机器人在行走过程中重心在地面的投影并不是始终位于双脚支撑区域内，这需要在合理、高效的机械系统与驱动系统的基础上，通过基于欠驱动行走原理的控制算法来达到。

欠驱动双足步行机器人在原理与机构上区别于一般意义上的双足机器人，上述的设计理念需要系统的考虑系统结构与控制算方法的设计。欠驱动步行机器人的机构设计是机器人是能否实现欠驱动行走的关键。欠驱动步行机器人的高效、动态行走控制算法是欠驱动步行机器人研究的核心所在。

欠驱动双足步行机器人的机构设计主要包括系统自由度的设置、驱动自由度的设计、驱动方式与驱动机构的设计。系统要合理设置自由度，以使系统能够完成行走运动，并具有合理的复杂度。欠驱动步行机器人不同自由度的驱动对行走步态具有不同的驱动效果，驱动效率也不相同。

欠驱动双足步行机器人由手臂、上身、髋关节、大腿、膝关节、小腿、脚等七部分组成，在机构上总共包括10个自由度，其中，手臂2×1DOF，上身1DOF，髋关节1DOF，膝关节2×1DOF，脚2×2DOF(每个脚包含踝关节的一个无驱动自由度和一个侧向自由度)。在这10个自由度中，仅对3个自由度进行驱动，其中膝关节、踝关节不进行驱动，机器人两只手臂进行适当控制后能有利于机器人在行走时的侧向平衡，但并不是欠驱动双足步行机器人稳定行走的必要结构。因此，本发明中，手臂仅通过同步齿形带传动机构与对侧的腿联动，起到协调、美化机器人的行走步态的作用。机器人的上身是驱动系统的主要支撑部件，必须与两条腿进行运动上的关联与力矩上传递，一般的作法是在上身与每条腿之间都进行电机驱动，导致系统比较复杂，协调控制难度高。本发明中设计的髋关节称为集成联动-驱动髋关节机构，集成联动-驱动髋关节机构主要由安装在机器人上身的髋关节器件安装板、角平分线联动机构、驱动电动机不完全齿轮传动机构、双向驱动机构四个部分组成。髋关节角平分线机构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的一端与自由转轴固定在一起，而另一端分别与两条大腿相连接。与正向链轮传动机构连接的大腿绕髋关节主轴转动时，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大腿，两条腿产生了相对运动，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。髋关节角平分线机构，通过正、反两条传动齿轮机构，将两条腿的运动联系起来，同时将上身限制在双腿的角平分线上，机构简单，效率更高。

欠驱动双足步行机器人在行走过程中，与人体的行走步态类似，摆动腿首先有一个弯曲的过程，然后伸直，直至摆动腿的脚接触地面，而这个过程中，支撑腿始终是伸直的。为了实现机器人双腿的这两种姿态模式及其在这两种运动模式下的快速切换，本发明设计了膝关节的半主动锁扣机构。腿弯曲时，膝关节轴套与锁扣机构完全脱离，膝关节自由转动。腿有弯曲状态逐渐变为伸直状态时，膝关节轴套内侧与大腿接触，继续运动受到限制，同时膝关节轴套上端的圆滑曲面与锁扣机构接触，并将驱动锁扣机构向上运动。当腿运动至伸直状态时，膝关节轴套完全运动至锁扣机构滚轮内侧，失去圆滑曲面支撑的锁扣机构在弹簧的作用下向下运动，阻止了膝关节轴套往回的运动，使膝关节始终保持在伸直状态。锁扣机构的滚轮可以将膝关节轴套与锁扣机构间的滑动摩擦变为滚动摩擦，减小了摩擦损耗。

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。

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。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，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。双向驱动机构主要由两套驱动电机、传动齿轮、驱动力矩传动轴、钢索滑轮、牵拉钢索组成，两个驱动电动机对称安装在髋关节器件安装板上，钢索滑轮与传动齿轮固连，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6通过钢索控制大腿的牵拉，该驱动经钢索的反向传动后，带动另外一侧的转轴沿相反的方向转动。

传动系统中采用钢索完成力的传动，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。

欠驱动双足步行机器人的稳定行走由动态稳定原理来保证，即机器人的重心在地面的投影不必始终位于支撑脚的支撑区域内，在理论上，支撑腿可以仅仅以一个“点”接触地面，而不需要大面积的脚底板来保证机器人的平衡与行走稳定。本发明的欠驱动步行机器人正是按照这个基本原理来设计的，设计的机器人机构也完全实现了这一原理。脚的设计是实现欠驱动稳定行走的关键，双脚要保证欠驱动双足步行机器人可以实现欠驱动行走，不能采用电机驱动—轨迹跟踪控制的设计方法，还要保证机器人在行走过程中的侧向稳定以及支撑腿与地面的稳定接触。本发明中机器人的脚称为多模式弹性脚。多模式弹性脚为双层结构，上、下两平板之间的内侧设置一对弹性支撑座，并安装弹簧进行支撑，使上脚板能够在弹性支撑座上上下运动很小的一段距离，以减小机器人的脚落地时对机器人的冲击，有利于机器人行走的稳定。另一侧安装侧向自由度可调被动弹性机构，上下脚板之间仅仅通过弹簧进行连接，并利用钢丝对弹簧的初始长度和预紧力进行限制，保证机器人在行走过程中能够侧向摇摆，并具有合适的频率，以实现机器人在欠驱动行走过程中的动态侧向稳定性。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；外侧弹簧的弹性系数小于内侧弹簧的弹性系数，使机器人产生侧向运动。

由于踝关节不进行任何驱动与控制，机器人的脚就不能进行主动控制，由于机器人的脚面积较大，在机器人的行走中脚与地面的摩擦、碰撞将直接导致行走失败。因此，对机器人的下脚板进行了特殊设计，在脚底板的四个对角安装弹簧支撑的滚轮机构。调节弹簧的弹力，使得在四个滚轮机构能够支撑脚的重量，而当机器人的脚受到一定压力时，下脚板能与地面接触。这样的设计可以使机器人的脚在稳定行走中避免与地面的碰撞。对于摆动腿，由于小腿要摆起一定的高度，机器人通过踝关节对脚施加的压力接近为零或直接将脚抬离地面，下脚板的弹簧滚轮机构对机器人的脚起到支撑作用，使脚作为整体或只有前端或后端在地面上滑动。对于支撑腿，机器人通过踝关节对脚施加较大的压力，下脚板的弹簧滚轮机构失去支撑作用，下脚板与地面接触。由于下脚板面积较大，能够有效避免脚与地面之间的滑动，机器人的支撑腿可以绕踝关节自由转动，在功能上相当于以一个点与地面接触。下平板后面和踝关节上方用一弹簧连接，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。

欠驱动双足步行机器人的控制系统采用人机交互层，机器人管理与控制层，硬件驱动层三层结构，在硬件上对应于上位机—嵌入式微处理器—底层电机驱动控制组成的三层结构，如说明书附图5所示。上位机是一台工控机，负责对欠驱动双足步行机器人行走控制参数的设置、步态数据的存储与分析、数据的显示，历史记录管理等功能。机器人嵌入式微处理器选用NXP公司生产的高速LPC2378ARM7嵌入式微处理器，主要用来完成机器人行走的自主实时控制，并负责与上位机进行交互，在每个采样周期，嵌入式微处理器读取机器人各传感器的数据，判断机器人所处的逻辑状态，并根据具体的数据计算所需要的驱动控制量。通过直流电机驱动板核心芯片BTS7960的控制实现关节电机伺服控制，根据嵌入式微处理器输出的PWM信号生成需要的电压，完成电动机的驱动与速度调节。

欠驱动双足步行机器人在算法上采用基于逻辑状态的控制方法，将机器人的行走过程分为几个不同的阶段，分别为行走起动阶段、摆动起始阶段、摆动腿膝关节弯曲摆动阶段、摆动腿伸直摆动阶段、摆动腿膝关节伸直摆动阶段、双脚触地碰撞阶段，如说明书附图7所示。在行走起动阶段(图7-a)，机器人双腿伸直，处于静止状态，由外力施加一个合适的推动力，机器人前面的脚接触地面，后面的腿脱离地面，膝关节锁死机构打开，摆动腿自由向前摆动。连续行走的摆动起始阶段(图7-b)与行走起动阶段动态相似，不放机器人的继续动作不需要外力驱动，摆动腿末端与脚底板间的弹簧释放弹性势能，摆动腿脱离地面；摆动腿膝关节弯曲摆动阶段(图7-c)，在开始时髋关节电动机在双腿间施加驱动力矩，之后驱动力从系统中切除，机器人在自身惯性与重力作用下以支撑腿踝关节为轴向前摆动。摆动腿伸直碰撞阶段(图7-d)，摆动腿伸直，膝关节的锁死机构将机器人的摆动腿限制在伸直状态；摆动腿伸直摆动阶段(图7-e)，髋关节自由活动，摆动腿保持甚至状态，继续摆动，支撑腿对末端的弹簧进行拉伸，存储弹性势能；双脚触地碰撞阶段(图7-发)，双脚与地面接触，两条腿变换状态。之后，机器人回到摆动起始阶段，开始一个新的行走步态周期。

上述机械结构设计与原理分析表明，欠驱动双足步行机器人通过高效率与灵活的机构保证了机器人的高效率欠驱动动态行走，提高了双足行走的速度与稳定性，从机构、运动原理与控制方法上实现了双足机器人行走机构设计的仿人设计。

为了最大限度地减轻欠驱动双足步行机器人的质量，以提高能量效率并降低对驱动电机负载能力的要求，机器人主要连接部件如大腿、小腿等均采用铝合金型材，主要功能部件如脚、髋关节等由铝合金板加工而成，选用硬铝作为机器人各关节间的连接部件，其余一些负载强度大的零件如链轮、轴承等由钢材加工而成。为说明前驱动双足步行机器人机构设计组成及运动原理，结合附图说明如下：

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 (6)

1、一种欠驱动双足步行机器人行走机构主要由手臂、上身、髋关节、大腿、膝关节、小腿、脚等七部分组成，共10个DOF自由度，其中，上身1DOF，双臂2×1DOF，髋关节1DOF，双腿膝关节2×1DOF，双脚踝关节2×1DOF，侧向脚与地面之间2×1DOF，在这10个自由度中，仅对3个自由度进行驱动，其中膝关节、踝关节不进行驱动，双臂分别通过机械链接机构与对侧的腿联动，其特征在于髋关节采用集成联动-驱动髋关节机构(6)，所说的集成联动-驱动髋关节机构(6)主要由安装在机器人上身的髋关节器件安装板(13)、使机器人的上身始终保持在双腿的角平分线上的角平分线联动机构(15)、驱动电动机不完全齿轮传动机构(11)、将电动机的输出力矩最终转化为双腿间的相对力矩的双向驱动机构(12)四个部分组成；机器人双脚采用双层结构的多模式弹性脚。

2、根据权利要求1所说的一种欠驱动双足步行机器人行走机构，其特征在于所说的髋关节角平分线机构(12)由正向传动齿轮机构(17)、反向传动齿轮机构(18)、自由转轴(16)三个主要功能部件组成，自有转轴(16)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(17)、(18)的一端与自由转轴(16)固定在一起，而另一端分别与两条大腿相连接。

3、根据权利要求1所说的一种欠驱动双足步行机器人行走机构，其特征在于所说的驱动电动机不完全齿轮机构(11)是在电动机力矩输出轴安装不完全齿轮(19)，不完全齿轮的齿轮部分与传动齿轮(28)啮合，在需要驱动力矩输出时，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，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，实现机器人的无驱动行走模式。

4、根据权利要求1所说的一种欠驱动双足步行机器人行走机构，其特征在于所说的双向驱动机构主要由两套驱动电机(20)、传动齿轮(28)、驱动力矩传动轴(22)、(23)、钢索滑轮(26)、牵拉钢索(27)组成，两个驱动电动机(20)安装在髋关节器件安装板(13)上，钢索滑轮(26)与传动齿轮(28)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(26)通过钢索控制大腿的牵拉，该驱动经钢索的反向传动后，带动另外一侧的转轴沿相反的方向转动。

5、根据权利要求1所说的一种欠驱动双足步行机器人行走机构，其特征在于所说的多模式弹性脚为双层结构，上、下两平板(30)、(34)之间的内侧设置一对弹性支撑座(31)，并安装弹簧进行支撑，使上脚板能够在弹性支撑座上上下运动很小的一段距离，另一侧安装侧向自由度可调被动弹性机构(33)，上下脚板之间仅仅通过弹簧进行连接，内外两侧为同类型的弹簧，外侧弹簧的弹性系数小于内侧弹簧的弹性系数；在脚底板的四个对角安装弹簧支撑的滚轮机构(32)，调节弹簧的弹力，使得四个滚轮机构能够支撑脚的重量，当机器人的脚受到一定压力时，下脚板能与地面接触；下平板后面和踝关节上方用一弹簧连接，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。

6、一种双足步行机器人行走机构的控制方法，其控制系统采用上位机—嵌入式微处理器—底层电机驱动控制，其特征在于嵌入式微处理器安装在如权利要求1所说的机器人上，能够实现对机器人行走的自主控制，嵌入式微处理器与上位机之间通过无线通信模块实现数据交互，读取上位机的控制指令，并将机器人行走步态数据上传至上位机进行存储与分析，在行走控制算法方面，控制器采用基于逻辑状态的控制方法，将机器人的行走过程分为几个不同的逻辑阶段，包括：

a)行走起动阶段；

b)摆动起始阶段；

c)摆动腿膝关节弯曲摆动阶段；

d)摆动腿伸直摆动阶段；

e)摆动腿膝关节伸直摆动阶段；

f)双脚触地碰撞阶段；

在每个采样—控制周期，控制器根据传感器的数据判断机器人状态所处的逻辑阶段，并根据机器人的具体姿态计算出相应的控制量。

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