CN102582714A

CN102582714A - 具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构

Info

Publication number: CN102582714A
Application number: CN2012100217832A
Authority: CN
Inventors: 李贻斌; 王海燕; 马昕; 樊会星
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: CN102582714B

Abstract

本发明公开了一种具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构，包括两条机器人腿，所述每条机器人腿上部均与一个机器人转向机构相连，所述机器人转向机构设置于机器人躯干上，所述每条机器人腿下部均连接有一只机器人足；所述每条机器人腿、每个机器人转向机构和每一只机器人足均采用液压驱动；其中，一条机器人腿、一个机器人转向机构和一只机器人足上共设有一个以机器人躯干法向为轴的主动旋转自由度转动副I、一个侧向主动自由度转动副II、一个侧向被动自由度转动副VI及三个前向主动自由度分别是转动副III、转动副IV和转动副V。该机构构造简单、具有越障能力、能够转向、易于维护、动态响应能力强，具有负载能力。

Description

具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构

技术领域

本发明涉及一种双足机器人，尤其是一种具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构。

背景技术

目前双足机器人移动方式能耗较低，对非结构环境具有较好的适应性，例如巷道和活动空间较小的危险区域，具有更好的机动性和更强的避障能力。国内外双足机器人的研究取得了丰硕的成果。

美国波士顿动力公司于2009年推出第一代液压驱动双足机器人“petman”，2011年9月推出第二代“petman”，它的职能是为美军实验防护服装。日本本田公司推出的“ASIMO”，它的目标是家庭服务。中国专利文献CN101856286A公开了“一种用于下肢假肢性能测试的双足步行机器人装置”，该装置用于智能下肢假肢定量测试和评估。中国专利文献CN101229826A公开了“一种双足机器人的下肢机构”，该机构是电机驱动，基本不具有负重能力。中国专利文献CN101565064A公开了“一种双足机器人步行机构”，该机构可实现较多的仿人动作，基本不具有负重能力。中国专利文献CN101121424A公开了“一种多自由度的双足机器人下肢机构”，该机构具有一定的承载能力，但是机构比较复杂。目前，双足机器人研究，大都追求仿人的动作及与人的交流。机器人基本不具有负重能力。近年来，双足负重机器人的研究已逐步展开。

2005年日本国际博览会(简称为″爱知世博会″)丰田公司展出“I-foot”的载人机器人，可搭载一名体重在70公斤以下的驾驶员，同时可以搬动60公斤左右的重物，身高2.36m，其自身重量为200公斤，机构比较笨重。日本千叶工业大学未来机器人研究中心研制出可以搬运100kg的人或重物的双足步行机器人“Core”，这是目前世界上双足机器人可以搬运的最大重量。Core作为原型机，高1.915米，重230kg，在关节部位总共搭载了12台强力大型马达从而实现100kg的载重。运动能力相对较差。

现有负重型机器人机构比较笨重，运动能力相对较差，而且，大都采用电驱动，机器人自身重量比较大。开发一种、机构简单、运动能力强并且具有负重能力的液压驱动的双足机器人具有理论和实际意义。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构，该机构构造简单、具有越障能力、能够转向、易于维护、动态响应能力强，具有负载能力。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构，包括两条机器人腿，所述每条机器人腿上部均与一个机器人转向机构相连，所述机器人转向机构设置于机器人躯干上，所述每条机器人腿下部均连接有一只机器人足；所述每条机器人腿、每个机器人转向机构和每一只机器人足均采用液压驱动；其中，一条机器人腿、一个机器人转向机构和一只机器人足上共设有一个以机器人躯干法向为轴的主动旋转自由度转动副I、一个侧向主动自由度转动副II、一个侧向被动自由度转动副VI及三个前向主动自由度分别是转动副III、转动副IV和转动副V。

所述每个机器人转向机构均由主动部分和从动部分组成；所述主动部分包括：液压马达、直齿齿轮、止动垫圈I和螺钉，所述液压马达安装于机器人躯干上，液压马达的输出轴向下穿过机器人躯干，直齿齿轮安装在液压马达输出轴上，轴端的固定方式为止动垫圈I加螺钉；

所述从动部分包括单腿转向用从动直齿齿轮轴、侧摆油缸固定支架、机器人腿支架、角位移传感器和角位移传感器支架；所述单腿转向用从动直齿齿轮轴穿过机器人躯干并通过轴承装置固定于机器人躯干上，角位移传感器通过角位移传感器支架安装于轴承装置顶端，且角位移传感器与单腿转向用从动直齿齿轮轴相连；单腿转向用从动直齿齿轮轴与主动部分的直齿齿轮相啮合，单腿转向用从动直齿齿轮轴下端与机器人腿支架相连，机器人腿支架上设置有侧摆油缸固定支架。

所述轴承装置包括轴承盖、圆螺母、止动垫圈、圆锥滚子轴承I、轴承支撑架、圆锥滚子轴承II，所述圆锥滚子轴承I和圆锥滚子轴承II的外圈宽对宽反装，上下安装于轴承支撑架中，所述轴承盖固定于轴承支撑架上部，圆锥滚子轴承I和轴承盖之间由下向上设有止动垫圈和圆螺母。

所述轴承支撑架下端设有能够固定于机器人躯干上的法兰盘。

所述轴承盖上设有供单腿转向用从动直齿齿轮轴穿过的孔。

所述每条机器人腿均由三段依次连接的腿节组成，其中，三段依次连接的腿节由上而下分别为：机器人腿节I、机器人大腿、机器人小腿；

所述机器人腿节I，通过轴线沿躯干纵向的转动副II和液压伺服油缸I与机器人腿支架相连；

所述机器人大腿，通过轴线沿躯干横向的转动副III和液压伺服油缸II与机器人腿节I连接；

所述机器人小腿，通过轴线沿躯干横向的转动副IV和液压伺服油缸III与机器人大腿连接；

所述液压伺服油缸I一端铰接于所述侧摆油缸固定支架上，另一端铰接于机器人腿节I内侧面上。

所述液压伺服油缸II一端铰接于机器人腿节I上，另一端铰接于机器人大腿上。

所述液压伺服油缸III一端铰接于机器人大腿上，另一端铰接于机器人小腿上。

所述每一个机器人足，均通过轴线沿躯干横向的转动副V和液压伺服油缸IV与机器人小腿连接；

每一个机器人足均包括：足部转动轴支架I，圆柱螺旋扭转弹簧，转动轴，液压伺服油缸连接架，阻尼器，足部转动轴支架II，足部支撑板I，足部支撑板II，缓冲装置，六维力传感器，套筒；

所述足部转动轴支架I和足部转动轴支架II固定于足部支撑板I上，转动轴两端分别伸入足部转动轴支架I和足部转动轴支架II中，伸入足部转动轴支架I中的转动轴上套有圆柱螺旋扭转弹簧，伸入足部转动轴支架II中的转动轴上套有套筒，靠近足部转动轴支架II的转动轴上设有阻尼器；液压伺服油缸连接架设置于转动轴上，转动轴与机器人小腿铰接组成转动副V；液压伺服油缸IV一端铰接于机器人小腿上，另一端铰接于液压伺服油缸连接架上；所述足部支撑板I下部通过六维力传感器连接有足部支撑板II，足部支撑板II下部设有缓冲装置。

转动副VI是被动运动自由度，当液压伺服油缸I，推动机器人腿侧摆时，为保证机器人足与地面的充分接触，机器人足底绕转轴旋转一定角度，当机器人足离地时，圆柱螺旋扭转弹簧提供机器人足底运动的恢复力。阻尼器限制机器人腿摆动时，足底相对于转动轴的自由转动。

所述每一个液压伺服油缸均包括电液伺服阀、液压缸、线位移传感器和力传感器，力传感器安装在液压缸的缸杆上，线位移传感器安装液压缸的一侧；电液伺服阀与液压缸为一体结构。

机器人负重时，采用静步态行走。首先，机器人双足支撑，机器人重心先向右移，根据左足六维力传感器反馈信息确定左腿的抬腿时刻，左腿相对于机器人躯干向前运动的同时，右腿相对于机器人躯干向后运动，右足保持与地面的相对静止；重心恢复的同时左腿落下，机器人由单足支撑变为双足支撑；机器人重心左移，根据右足六维力传感器反馈信息确定右腿的抬腿时刻，右腿相对于机器人躯干向前运动的同时，左腿相对于机器人躯干向后运动，左足与地面保持相对静止；重心恢复的同时右腿落下，机器人由单足支撑变为双足支撑，一个迈步周期结束。

机器人负重较小或者不负重行走时，重心加速侧移的同时，机器人抬腿，侧移的加速度根据六维力传感器反馈值进行调整。

以支撑腿和机器人躯干相对前向加速度的变化，保持机器人纵向平稳，以躯干3侧向位置及侧向加速度变化，保持机器人侧向平稳。

本发明与现有技术相比具有以下特点：

(1)采用液压驱动，使机器人功率/质量比大，工作平稳，可进行无级调速、且调速范围大，使机器人具有更大的负重能力；

(2)每条腿有五个主动关节，一个被动关节，可保证机器人具有较强的行走能力和地形适应能力。

(3)机器人二个转向关节采用液压马达，其余八个主动关节采用完全相同的液压伺服油缸驱动，使机器人结构简单，易于维护。

附图说明

图1是本发明机器人立体结构示意图；

图2是本发明机器人转向机构示意图；

图3是本发明机器人前视图；

图4是本发明机器人右视图；

图5是本发明机器人足的整体结构示意图；

图6是本发明机器人足的内部结构示意图；

图7是本发明液压伺服油缸示意图；

图中：1.机器人腿，2.机器人转向机构，3.机器人躯干，4.机器人躯干与腿的连接装置，5.机器人足，6.轴承盖，7.圆螺母，8.止动垫圈II，9.圆锥滚子轴承I，10.轴承支撑架，11.圆锥滚子轴承II，12.单腿转向用从动直齿齿轮轴，13.侧摆油缸固定支架，14.机器人腿支架，15.液压马达，16.直齿齿轮，17.止动垫圈I，18.螺钉，19.角位移传感器，20.角位移传感器支架，21.转动副I，22.转动副II，23.液压伺服油缸I，24.机器人腿节I，25.液压伺服油缸II，26.转动副III，27.机器人大腿，28.液压伺服油缸III，29.转动副IV，30.机器人小腿，31.液压伺服油缸IV，32.转动副V，33.足部转动轴支架I，34.圆柱螺旋扭转弹簧，35.转动轴，36.液压伺服油缸连接架，37.转动副VI，38.阻尼器，39.足部转动轴支架II，40.足部支撑板I，41.足部支撑板II，42.缓冲装置，43.六维力传感器，44.套筒，45.力传感器，46.液压缸，47.线位移传感器，48.电液伺服阀。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，一种具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构，其包括：两条机器人腿1、两个机器人转向机构2、机器人躯干3、两个机器人躯干与腿的连接装置4、两只机器人足5。本发明具有一个以躯干法向为轴的主动旋转自由度转动副I21、一个侧向主动自由度转动副II22、一个侧向被动自由度转动副VI37及三个前向主动自由度分别是转动副III26、转动副IV29和转动副V32。

如图2所示，所述机器人每条腿上的转向机构2，由主动部分和从动部分组成。主动部分包括：液压马达15、直齿齿轮16、止动垫圈I17、螺钉18，直齿齿轮16安装在液压马达15输出轴上，轴端的固定方式为止动垫圈I17加螺钉18；从动部分包括：轴承盖6、圆螺母7、止动垫圈II8、圆锥滚子轴承I9、轴承支撑架10、圆锥滚子轴承II11、单腿转向用从动直齿齿轮轴12、侧摆油缸固定支架13、机器人腿支架14、角位移传感器19、角位移传感器支架20。圆锥滚子轴承I9和圆锥滚子轴承II11，外圈宽对宽反装，双支点各单向固定。角位移传感器19与单腿转向用从动直齿齿轮轴12相连，角位移传感器支架20安装在轴承盖6上。转向时，机器人采用静步态转向，机体小角度多次旋转达到转向角度要求。机器人转弯时，机器人双足支撑，机器人重心先向右移，根据左足六维力传感器43反馈信息确定左腿抬腿时刻，左足离地，根据控制系统指令，左腿液压马达15作动，安装在左腿液压马达15上的直齿齿轮16与左腿单腿转向用从动齿轮轴12啮合传动。由于机器人腿支架14与左腿单腿转向用从动齿轮轴12及侧摆油缸固定支架13刚性连接，机器人左腿与左腿单腿转向从动齿轮轴12旋转相同的角度，左腿角位移传感器19反馈数据与控制回路形成闭环。达到初始设定旋转角度时，左腿旋转结束。右足支撑状态下，机器人重心恢复，同时，左足落下；机器人重新双足支撑，重心向左移，根据右足六维力传感器43反馈信息确定右腿抬腿时刻，右腿旋转过程与左腿相同。多次重复上述过程至达到机器人整体转向要求。

如图3、4所示，每条机器人腿，均由三段依次连接的腿节组成。其中，三段依次连接的腿节由上而下分别为：机器人腿节I24、机器人大腿27、机器人小腿30。机器人腿节I24，通过轴线沿躯干纵向的转动副II22和液压伺服油缸I 23与机器人腿支架14相连；机器人大腿27，通过轴线沿躯干横向的转动副III26和液压伺服油缸II25与机器人腿节I24连接；机器人小腿30，通过轴线沿躯干横向的转动副IV29和液压伺服油缸III28与机器人大腿27连接；机器人足5，通过轴线沿躯干横向的转动副V32和液压伺服油缸IV31与机器人小腿30连接。

如图5、6所示，所述机器人足包括：足部转动轴支架I33，圆柱螺旋扭转弹簧34，转动轴35，液压伺服油缸连接架36，阻尼器38，足部转动轴支架II39，足部支撑板I40，足部支撑板II41，缓冲装置42，六维力传感器43，套筒44。转动副VI37是被动运动自由度，当液压伺服油缸I23，推动机器人腿偏转时，为保证机器人足5与地面的充分接触，机器人足底绕转动轴35旋转一定角度，当机器人足5离地时，圆柱螺旋扭转弹簧34提供机器人足底运动的恢复力。阻尼器38限制机器人腿摆动时，足底相对于转动轴35的自由转动。

如图7所示，所述每一个液压伺服油缸均包括电液伺服阀48、液压缸46、线位移传感器47和力传感器45，力传感器45安装在液压缸46的缸杆上，线位移传感器47安装液压缸46的一侧。

机器人负重时，采用静步态行走。首先，机器人双足支撑，机器人重心先向右移，根据左足六维力传感器43反馈信息确定左腿的抬腿时刻，左腿相对于躯干3向前运动的同时，右腿相对于躯干3向后运动，右足保持与地面的相对静止；重心恢复的同时左腿落下，机器人由单足支撑变为双足支撑；机器人重心左移，根据右足六维力传感器43反馈信息确定右腿的抬腿时刻，右腿相对于躯干3向前运动的同时，左腿相对于躯干3向后运动，左足与地面保持相对静止；重心恢复的同时右腿落下，机器人由单足支撑变为双足支撑，一个迈步周期结束。

机器人负重较小或者不负重行走时，重心加速侧移的同时，机器人抬腿，侧移的加速度根据六维力传感器43反馈值进行调整。

以支撑腿和躯干3相对前向加速度的变化，保持机器人纵向平稳，以躯干3侧向位置及侧向加速度变化，保持机器人侧向平稳。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims

1.一种具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构，其特征是，包括两条机器人腿，所述每条机器人腿上部均与一个机器人转向机构相连，所述机器人转向机构设置于机器人躯干上，所述每条机器人腿下部均连接有一只机器人足；所述每条机器人腿、每个机器人转向机构和每一只机器人足均采用液压驱动；其中，一条机器人腿、一个机器人转向机构和一只机器人足上共设有一个以机器人躯干法向为轴的主动旋转自由度转动副I、一个侧向主动自由度转动副II、一个侧向被动自由度转动副VI及三个前向主动自由度分别是转动副III、转动副IV和转动副V。

2.如权利要求1所述的具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构，其特征是，所述每个机器人转向机构均由主动部分和从动部分组成；所述主动部分包括：液压马达、直齿齿轮、止动垫圈I和螺钉，所述液压马达安装于机器人躯干上，液压马达的输出轴向下穿过机器人躯干，直齿齿轮安装在液压马达输出轴上，轴端的固定方式为止动垫圈I加螺钉；

3.如权利要求2所述的具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构，其特征是，所述轴承装置包括轴承盖、圆螺母、止动垫圈、圆锥滚子轴承I、轴承支撑架、圆锥滚子轴承II，所述圆锥滚子轴承I和圆锥滚子轴承II的外圈宽对宽反装，上下安装于轴承支撑架中，所述轴承盖固定于轴承支撑架上部，圆锥滚子轴承I和轴承盖之间由下向上设有止动垫圈和圆螺母。

4.如权利要求3所述的具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构，其特征是，所述轴承支撑架下端设有能够固定于机器人躯干上的法兰盘。

5.如权利要求3所述的具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构，其特征是，所述轴承盖上设有供单腿转向用从动直齿齿轮轴穿过的孔。

6.如权利要求2所述的具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构，其特征是，所述每条机器人腿均由三段依次连接的腿节组成，其中，三段依次连接的腿节由上而下分别为：机器人腿节I、机器人大腿、机器人小腿；

所述机器人小腿，通过轴线沿躯干横向的转动副IV和液压伺服油缸III与机器人大腿连接。

7.如权利要求6所述的具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构，其特征是，所述液压伺服油缸I一端铰接于所述侧摆油缸固定支架上，另一端铰接于机器人腿节I内侧面上；

8.如权利要求6所述的具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构，其特征是，所述液压伺服油缸III一端铰接于机器人大腿上，另一端铰接于机器人小腿上。

9.如权利要求6所述的具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构，其特征是，所述每一个机器人足，均通过轴线沿躯干横向的转动副V和液压伺服油缸IV与机器人小腿连接；

10.如权利要求9所述的具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构，其特征是，所述每一个液压伺服油缸均包括电液伺服阀、液压缸、线位移传感器和力传感器，力传感器安装在液压缸的缸杆上，线位移传感器安装液压缸的一侧；电液伺服阀与液压缸为一体结构。