CN102139715A - 一种新型机器人行走机构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型机器人行走机构，包括身体框架，在身体框架的左右两侧对称分布有至少两个行走单元，每个行走单元包括至少三个关节模组，每个关节模组包括一个关节转轴及一个转动臂，其特征在于：行走单元的某前级关节模组和某后级关节模组组合成为该行走单元独立行使提降腿功能的提降腿机构，其他关节模组组合成为该行走单元独立行使行走功能的行走腿机构。本发明还提供了一种采用上述结构的方法，其步骤是先抬一组腿，然后另一组腿向后蹬的方法前进。本发明的优点是：能够使得整个多足机器人小型、轻便、速度快且能耗低，并能适应复杂路面的理想娱乐化效果。

Description

一种新型机器人行走机构及方法

技术领域

本发明涉及一种机器人行走机构及该机构的方法，属于智能机器人技术领域。

背景技术

在机器人（包括机器狗或其他机器动物）的产品研究中，行走系统是关键机构。而在评判行走系统的标准中，直行速度和能耗以及对不平地面的适应是关键，它们直接决定机器人对用户的实用性和吸引力。实际上，行走系统取决于身体和腿的连接方式以及腿结构的构建。如四足机器人是由前左，前右，后左，后右四条腿构成行走系统，行走时，两个对角的腿（前左-后右，前右-后左）的运动方向，速度和相位一致，行走的过程由两个阶段交替组成的，分别为迈步阶段和蹬地阶段。两个阶段的衔接在于：一、在迈步点的前一刻，需要由蹬地过程产生垂直力量将身体撑起（以下称为身体直撑力），使迈步脚掌对地面之间的压力降到0（或接近0），从而使摩擦力降到0（或接近0， 摩擦力=摩擦系数*压力），为迈步创造起始条件；二、当迈步阶段的脚掌离开地面时，蹬地阶段的脚掌正好向后下方蹬地（由此产生的力量以下称为蹬地力），地面的反作用力推动身体前进。

基本的直行功能要求：身体直撑力要足够的大，以便克服身体的重量，创造迈步的起始条件。理想的直行效果要求：一、蹬地时推动力大且身体重量轻，以便产生较大的加速度（F=ma），关节在电机堵转的时候力矩大；二、在蹬地以外的其他时间中，关节的转动速度要足够快，以便缩小每个阶段和整体的时间。三、脚掌离开地面的高度要能达到足够合适的高度，以便身体在空中有足够的前进时间；四、脚掌离开地面的高度需要实时可控到尽可能的大，以便在凹凸不平的地面上，迈步不会受到突如其来的阻碍；

目前的行走机构大多是采用如下架构：安装在身体侧面的前后摆动的旋转关节（第一关节）带动左右摆动的转动关节（第二关节）构成双关节机构，该机构的后级为大腿部分，大腿的末端安装前后摆动的转动关节（第三关节），该关节的后级为小腿部分，小腿的末端安装一个被动转动的脚掌。其中，直行运动的功能是由第一关节和第三关节来行使的，转弯运动的功能由第二关节辅助行使。对于直行运动而言，在迈步阶段中，第一关节带动大腿向前转动，同时第三关节带动小腿向后转动，行成屈膝抬腿的动作；在蹬地阶段中，第一关节带动大腿向后运动，同时第三关节带动小腿向前运动，由屈膝向直膝转变，当腿部和地面垂直时，产生身体支撑力，将整个身体抬起，同时整个腿由第一关节的向后转动以及直膝过程产生的蹬地力，推动身体前进。

这种运动方式看上去符合正常四足动物的行走方式，但是存在主要问题是：

1、由于提腿的运动功能和迈步的功能不独立实现且二者的运动平面相同，使得迈步的零压力起始条件难以满足，即身体存在的重力通过第一关节的转动平面转递到准备迈步的小腿上，并在同一运动平面上对小腿的运动造成阻力干涉，这种阻力干涉需要在第一关节和第三关节电机提供很大堵转力矩的条件下才能克服，就要求第一关节的电机体积和重量大，并且会导致电机速度变慢，同时整个身体的重量大。

2、由于身体重量大，要求屈膝角度不能大，所以脚掌离开地面的高度不能达到很大，反过来进一步影响行进速度以及对凹凸不平的地面的适应。

正因如此，上述行走机构导致现有的四足机器人产品存在重量大，体积大，速度慢，能耗大以及不能适应复杂路面的缺点。实用性和娱乐性不佳，不利于家用或娱乐机器人的普及。

发明内容

本发明的目的是提供一种多足机器人的行走机构，使得整个多足机器人小型、轻便、速度快且能耗低。

为了达到上述目的，本发明的一个技术方案是提供了一种新型机器人行走机构，包括身体框架，在身体框架的左右两侧对称分布有至少两个行走单元，每个行走单元包括至少三个关节模组，每个关节模组包括一个关节转轴及一个转动臂，其特征在于：行走单元的某前级关节模组和某后级关节模组组合成为该行走单元独立行使提降腿功能的提降腿机构，其他 关节模组组合成为该行走单元独立行使行走功能的行走腿机构。

本发明的另一个技术方案是提供了一种上述新型机器人行走机构的行走方法，其特征在于：步骤为：

步骤1、将所有行走单元按照身体框架的几何对角线对称原则划分为两组，即第一组及第二组，在开始行走前，所有行走单元的姿态复位到原始站立姿势；

步骤2、第一组的行走单元提腿离地，离地后向前迈步或不迈步；

步骤3、第二组的行走单元向后蹬地，身体框架在向上运动的同时向前移动，在重力作用下致第一组的行走单元落地；

步骤4、第一组的行走单元降腿撑地，恢复成站立姿态；

步骤5、第二组的行走单元提腿离地，离地后向前迈步或不迈步；

步骤6、第一组的行走单元向后蹬地，身体框架在向上运动的同时向前移动，在重力作用下致第二组的行走单元落地；

步骤7、第二组的行走单元降腿撑地，恢复成站立姿态；

步骤8、重复步骤2至步骤7直至到达目的地。

由于提降腿机构的前级关节转轴脱离出身体内部，身体的重量不在转动平面上压迫转动副的另外一方。同时，提降腿机构的自身动作能够在较小的力矩以及不影响行走动作美观的前提下，模拟出腿部上下直线运动的功能，实现电机转矩不用太大的情况下，很容易满足迈步的起始条件，减轻了整个身体的重量，并有效提升了动作的速度和频度。同时，提降腿机构和行走腿的运动相互独立，提降腿机构中两个关节的运动平面垂直于行走腿机构的运动平面，前者为左右摆动方向，后者为前后摆动方向。这样，行走腿机构不会产生在蹬地过程中，地面的反作用力影响前面所述的提降腿机构中的构件相对位置。

综上所述，本发明提供的一种新型机器人行走机构及方法，能够使得整个多足机器人小型、轻便、速度快且能耗低，并能适应复杂路面的理想娱乐化效果。

附图说明

图1为本发明提供一种新型机器人行走机构的平面机构示意图；

图2为实施例中的新型机器人行走机构的总体结构示意图；

图3为实施例中的行走单元结构图；

图4A为实施例中的脚掌部件侧视图；

图4B为实施例中的脚掌部件仰视图。

具体实施方式

以下结合实施例来具体说明本发明。

实施例

如图1所示，本实施例公开的一种新型机器人行走机构，包括身体框架1，在身体框架1的左右两侧对称分布有两个行走单元2，每个行走单元2包括四个关节模组，每个关节模组包括一个关节转轴及一个转动臂，行走单元2的第一级关节模组和第二级关节模组组合成为该行走单元独立行使提降腿功能的提降腿机构，其他 关节模组组合成为该行走单元独立行使行走功能的行走腿机构。

如图2所示，第一级关节模组的关节转轴A位于身体框架1在竖直方向上所占区间F以外的区间内。当所述身体框架1行走过程中处于暂稳态（运动过程中的短暂停顿状态）时，第一级关节模组的转动臂B与过轴水平面D的夹角a1在-45度～+45度的区间内。第二级关节模组的转动臂C与过轴垂直面E的夹角a2在-45度～+45度的区间内。提降腿机构的运动平面垂直于行走腿机构的运动平面。

如图3所示，行走单元2包括水平设置的第一机器人关节模组2-1，在第一机器人关节模组2-1的末端下方设有第二机器人关节模组2-2，在复位状态下，第一机器人关节模组2-1与第二机器人关节模组2-2相互垂直，在第二机器人关节模组2-2的下方设有第三机器人关节模组2-3，第二机器人关节模组2-2的机体侧面2-4与第三机器人关节模组2-3的机体侧面2-5相垂直，脚掌部件2-7通过腿部构件2-8设于第三机器人关节模组2-3的下方。

第一机器人关节模组2-1、第二机器人关节模组2-2及第三机器人关节模组2-3的结构公开在申请号为200920067856.5的实用新型专利中。在机器人关节模组中，将安装电机的腔体构件称为机体，将机体驱动的转动部分构件称为转动臂。其中第二机器人关节模组2-2与第三机器人关节模组2-3的结构相同，第一机器人关节模组2-1和第二机器人关节模组2-2或第三机器人关节模组2-3的机体相同，但转动臂的构造不同。如图3所示，第一机器人关节模组2-1的转动臂末端构造成一个腔体，而第二机器人关节模组2-2及第三机器人关节模组2-3的转动臂末端构造成一个薄型圆柱体。腿部构件2-8是一个圆柱形构件，顶端构造成一个腔体。

在组装过程中，将第二机器人关节模组2-2的机体安装在第一机器人关节模组2-1的腔体中，将第三机器人关节模组2-3的转动臂和第二机器人关节模组2-2的转动臂以薄型圆柱体园柱端面和外轮廓重合的方式安装起来，并第二机器人关节模组2-2的机体侧面2-4与第三机器人关节模组2-3的机体侧面2-5相垂直，将腿部构件2-8的顶部腔体从第三机器人关节模组2-3的机体下部往上套合，最后将脚掌部件2-7的顶部固定在腿部构件2-8的底部。这样变完成了整个行走单元的组装。

如图4A及图4B所示，脚掌部件2-7包括主体部件2-7-1，前脚掌体2-7-3通过转轴2-7-2设于主体部件2-7-1的前端，在主体部件2-7-1的后端设有脚跟2-7-4。转轴2-7-2及脚跟2-7-4位于所述行走单元2的中心线两侧。

一种采用上述新型机器人行走机构的行走方法，步骤为：

步骤1、将所有行走单元2按照身体框架1的几何对角线对称原则划分为两组，即第一组及第二组，在开始行走前，所有行走单元2的姿态复位到原始站立姿势；

步骤2、第一组的行走单元2提腿离地，离地后向前迈步或不迈步；

步骤3、第二组的行走单元2向后蹬地，身体框架1在向上运动的同时向前移动，在重力作用下致第一组的行走单元2落地；

步骤4、第一组的行走单元2降腿撑地，恢复成站立姿态；

步骤5、第二组的行走单元2提腿离地，离地后向前迈步或不迈步；

步骤6、第一组的行走单元2向后蹬地，身体框架1在向上运动的同时向前移动，在重力作用下致第二组的行走单元2落地；

步骤7、第二组的行走单元2降腿撑地，恢复成站立姿态；

步骤8、重复步骤2至步骤7直至到达目的地。

其中，提腿离地的步骤为：前级关节转动臂向上转动，随后后级关节转动臂向身体框架1内侧方向转动。所述降腿撑地的步骤为：前级关节转动臂向下转动，随后后级关节转动臂向身体框架1外侧方向转动。

Claims (10)

1.一种新型机器人行走机构，包括身体框架（1），在身体框架（1）的左右两侧对称分布有一个或一个以上行走单元（2），每个行走单元（2）包括至少三个关节模组，每个关节模组包括一个关节转轴及一个转动臂，其特征在于：行走单元（2）的某前级关节模组和某后级关节模组组合成为该行走单元独立行使提降腿功能的提降腿机构，其他 关节模组组合成为该行走单元独立行使行走功能的行走腿机构。

2.如权利要求1所述的一种新型机器人行走机构，其特征在于：所述提降腿机构中,前级关节模组的关节转轴（A）位于所述身体框架（1）在竖直方向上所占区间（F）以外的区间内。

3.如权利要求1所述的一种新型机器人行走机构，其特征在于：当所述身体框架（1）行走过程中处于暂稳态时，所述提降腿机构中,前级关节模组的转动臂（B）与过轴水平面（D）的夹角（a1）在-45度～+45度的区间内。

4.如权利要求1所述的一种新型机器人行走机构，其特征在于：当所述身体框架（1）行走过程中处于暂稳态时，所述提降腿机构中,后级关节模组的转动臂（C）与过轴垂直面（E）的夹角（a2）在-45度～+45度的区间内。

5.如权利要求1所述的一种新型机器人行走机构，其特征在于：所述提降腿机构的运动平面垂直于所述行走腿机构的运动平面。

6.如权利要求1所述的一种新型机器人行走机构，其特征在于：所述行走单元（2）包括水平设置的第一机器人关节模组（2-1），在第一机器人关节模组（2-1）的末端下方设有第二机器人关节模组（2-2），在复位状态下，第一机器人关节模组（2-1）与第二机器人关节模组（2-2）相互垂直，在第二机器人关节模组（2-2）的下方设有第三机器人关节模组（2-3），第二机器人关节模组（2-2）的机体侧面（2-4）与第三机器人关节模组（2-3）的机体侧面（2-5）相垂直，脚掌部件（2-7）通过腿部构件（2-8）设于第三机器人关节模组（2-3）的下方。

7.如权利要求6所述的一种新型机器人行走机构，其特征在于：所述脚掌部件（2-7）包括主体部件（2-7-1），前脚掌体（2-7-3）通过转轴（2-7-2）设于主体部件（2-7-1）的前端，在主体部件（2-7-1）的后端设有脚跟（2-7-4）。

8.如权利要求7所述的一种新型机器人行走机构，其特征在于：所述转轴（2-7-2）及所述脚跟（2-7-4）位于所述行走单元（2）的中心线两侧。

9.一种如权利要求1所述新型机器人行走机构的行走方法，其特征在于：步骤为：

步骤1、将所有行走单元（2）按照身体框架（1）的几何对角线对称原则划分为两组，即第一组及第二组，在开始行走前，所有行走单元（2）的姿态复位到原始站立姿势；

步骤2、第一组的行走单元（2）提腿离地，离地后向前迈步或不迈步；

步骤3、第二组的行走单元（2）向后蹬地，身体框架（1）在向上运动的同时向前移动，在重力作用下致第一组的行走单元（2）落地；

步骤4、第一组的行走单元（2）降腿撑地，恢复成站立姿态；

步骤5、第二组的行走单元（2）提腿离地，离地后向前迈步或不迈步；

步骤6、第一组的行走单元（2）向后蹬地，身体框架（1）在向上运动的同时向前移动，在重力作用下致第二组的行走单元（2）落地；

步骤7、第二组的行走单元（2）降腿撑地，恢复成站立姿态；

步骤8、重复步骤2至步骤7直至到达目的地。

10.如权利要求9所述的一种行走方法，其特征在于：所述提腿离地的步骤为：前级关节转动臂向上转动，随后后级关节转动臂向身体框架（1）内侧方向转动；所述降腿撑地的步骤为：前级关节转动臂向下转动，随后后级关节转动臂向身体框架（1）外侧方向转动。

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