CN102700649A - 一种有躯体式准被动双足步行机器人系统 - Google Patents

Abstract

一种有躯体式准被动双足步行机器人系统，涉及机器人技术领域。解决了现有的机器人不符合步态自然、能耗低的设计要求的问题。串联弹性驱动单元传动机构的上下两端各与一个第三钢丝绳的一端连接，下端两根第三钢丝绳的另一端各与电机传动轮连接共同组成两组串联弹性驱动单元；第一辅助轮和位于其正下方的一个内腿传动轮通过第一钢丝绳连接，第一钢丝绳的缠绕方式呈C形，且两个第一钢丝绳的缠绕方向相反；第二辅助轮和位于其正下方的一个外腿传动轮通过第二钢丝绳连接，第二钢丝绳的缠绕方式呈S形，两个第二钢丝绳的缠绕方向相反。本发明使准被动机器人充分利用自身的自然动力学特性，使准被动机器人步行过程呈现出步态自然的特点、步行能耗低。

Description

一种有躯体式准被动双足步行机器人系统

技术领域

本发明涉及一种准被动步行机器人，涉及机器人技术领域。

背景技术

被动双足步行机器人是步行机器人研究领域内的重要分支，具有步态自然、能耗低的特点。被动机器人是能够利用自身惯性为步行提供能量从而获得稳定步行的步行机器人，与传统的主动步行机器人相比有结构简单，步态自然、能耗低的特点。被动步行机器人分为纯被动步行机器人与准被动步行机器人：纯被动步行机器人没有任何外力输入只靠自身的重力作用在斜坡上行走，分为无膝关节式与有膝关节式；准被动步行机器人对某些关节进行了驱动因此能够在平地上行走，分为有躯体式与无躯体式。

传统的主动机器人采用纯刚性的驱动单元即电机与纯刚性的减速器传统机构相连，这种设计不符合被动机器人步态自然、能耗低的设计要求。目前现有的有躯体式准被动步行机器人的躯体部分多为主动控制，通过电机拉动躯体使其始终保持在竖直位置，控制相对复杂，降低了系统的可靠程度；同时膝关节多为主动锁定与解锁如吸盘式电磁铁，这种锁定方式锁定并不完全可靠并且能量消耗相对较大。

发明内容

本发明为了解决现有的被动机器人不符合步态自然、能耗低的设计要求，以及现有主动机器人通过电机拉动躯体使其始终保持在竖直位置时存在控制相对复杂，系统的可靠程度差等问题，进而提供了一种有躯体式准被动双足步行机器人系统。

刚度改变可以使准被动机器人在不改变摆动腿输出角度的情况下改变其步行速度，因此本发明对串联弹性驱动器结构做出了调整，在电机与弹簧的连接处增加了螺杆螺栓结构的调节单元，通过调节螺杆在弹簧内的接触长度来改变弹簧的有效长度从而改变弹簧刚度。

为使躯体的运动方式完全为被动方式，本发明设计了髋关节角平分机构，它使躯体始终保持在两腿的角平分线上，运动方式为纯被动。

为解决现有的准被动机器人膝关节锁定方式不可靠且能耗大的问题，本发明设计了能够被动锁定主动解锁的膝关节锁定机构，通过电磁铁定位销及定位孔来实现锁定，锁定可靠且能耗低。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明所述准被动双足步行机器人系统包括躯体、内腿和外腿和电机，躯体包括上框和两个立柱，上框的下边框与两个立柱的上端连接，电机安装在上框上，所述机器人系统还包括主轴、辅助轴、两个第一辅助轮、两个第二辅助轮、电机传动轮、两个外腿传动轮、两个内腿传动轮、两根第一钢丝绳、两根第二钢丝绳、两个串联弹性驱动单元传动机构和四根第三钢丝绳；内腿由横撑和两个单内腿构成，横撑将两个单内腿的大腿连在一起，外腿由两个单外腿构成；辅助轴水平位于两个立柱之间且辅助轴的两端与相应端的立柱的中部通过轴承转动连接，水平位于辅助轴下方的主轴通过轴承分别安装在两个立柱的下端上，且主轴的两端分别穿出相应的立柱的下端，主轴的两端各与一个单外腿的上端固接；两个第一辅助轮和两个第二辅助轮均分散地固定安装在辅助轴上且两个第二辅助轮位于两个第一辅助轮之间；两个内腿传动轮可转动地安装在位于两个立柱之间的主轴上，两个外腿传动轮位于两个内腿传动轮之间且二者均固定安装在主轴上，电机传动轮固装在主轴上且位于两个外腿传动轮之间；两个内腿传动轮分别与每个单内腿的上端固接；每个串联弹性驱动单元传动机构的上下两端各与一个第三钢丝绳的一端连接，同时上端两根第三钢丝绳的另一端各与电机输出轮连接，下端两根第三钢丝绳的另一端各与电机传动轮连接共同组成两组串联弹性驱动单元；每个第一辅助轮和位于其正下方的一个内腿传动轮通过第一钢丝绳连接，所述第一钢丝绳的缠绕方式呈C形，且两个第一钢丝绳的缠绕方向相反；每个第二辅助轮和位于其正下方的一个外腿传动轮通过第二钢丝绳连接，所述第二钢丝绳的缠绕方式呈S形，且两个第二钢丝绳的缠绕方向相反。

本发明的有益效果是：

本发明能够使准被动机器人充分利用自身的自然动力学特性，使准被动机器人步行过程呈现出步态自然的特点，同时步行能耗较低。本发明的技术要点：1、电机通过钢丝绳及螺杆螺栓调节单元与弹簧连接构成可调节刚度的柔性驱动单元，是被动机器人能够满足步态自然、能耗低的步行特点的先决条件；2、通过在髋关节主轴与躯体辅助轴上分别设置四个传动轮并通过钢丝绳连接(其中两组采用“C形”联接，另外两组采用“S形”联接方式)来使躯体始终保持在两腿的角平分线上；3、膝关节采用框架式电磁铁来达到节省安装空间的目的，定位销上带有弹簧实现快速可靠定位。

传统的主动机器人采用纯刚性的驱动单元即电机与纯刚性的减速器传统机构相连，这种设计不符合被动机器人步态自然、能耗低的设计要求。而本发明提出了利用柔性驱动单元，采用串联弹性驱动器并改善其现有结构达到了可以改变柔性元件刚度的目的。

目前现有的有躯体式准被动步行机器人的躯体部分多为主动控制，通过电机拉动躯体使其始终保持在竖直位置，控制相对复杂，降低了系统的可靠程度；同时膝关节多为主动锁定与解锁如吸盘式电磁铁，这种锁定方式锁定并不完全可靠并且能量消耗相对较大。因此针对上述两种情况，本发明分别发明了髋关节角平分机构及膝关节锁定机构使上述情况得到了改善。

本发明涉及被动机器人的关键机构，包括髋关节角平分机构，该机构使被动机器人躯体始终保持在两腿角平分线上；膝关节锁定机构，该机构使膝关节的摆动完全被动。本发明是一种充分利用了自身自然动力学特性进行步行的准被动双足步行机器人系统。其主要包含的内容有：1、改进的串联弹性驱动单元，通过其可以调节串联弹性驱动单元的刚度，使准被动机器人步行的步态自然、能耗低。2、髋关节角平分机构使躯体始终保持在两腿的角平分线上，增加准被动机器人的被动性能，使系统的控制简单增加系统可靠性。3、膝关节锁定机构使膝关节成为被动锁定、主动解锁的机构，它使膝关节为完全被动关节，同时膝关节的锁定可靠，解锁消耗能量极低。

本发明的具体优点如下：

本发明所述机器人能够充分利用自身自然动力学特性进行步行，由于步行过程中只对摆动腿进行驱动，躯体及膝关节都是完全被动的关节，因此步行过程能耗低，步态自然，控制系统可靠；

本发明所述机器人的采用了柔性驱动单元作为驱动源对摆动腿进行驱动，它可以保证准被动机器人充分利用自身惯性从而达到步态自然、能耗低的设计要求。同时改进了的柔性驱动单元的传动机构部分能够调节柔性驱动单元的刚度可以使准被动机器人在保持其被动特性的前提下调节步行速度；

本发明所述机器人的髋关节角平分机构保证了躯体始终保持在两腿的角平分线上，三部分只构成一个自由度，躯体为完全被动的关节，这降低了系统的复杂度增加了系统的被动性能及可靠性；

本发明所述机器人的膝关节设计了可以被动锁定、主动解锁的锁定机构，该机构保证了准被动步行机器人膝关节锁定的可靠性，同时锁定过程能耗极低。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体图(髋关节角平分机构图)；图2是图1中的是串联弹性驱动单元传动机构(柔性驱动单元)的放大立体图；图3是图1中的膝关节锁定机构的原理图(锁定前状态，弯曲)，图4是图1中的膝关节锁定机构的原理图(锁定后状态，变直)。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～4所示，本实施方式所述的1、一种有躯体式准被动双足步行机器人系统，所述机器人系统包括躯体、内腿3和外腿4和电机5，躯体包括上框1和两个立柱2，上框1的下边框与两个立柱2的上端连接，电机5安装在上框1上，其特征在于：所述机器人系统还包括主轴6、辅助轴7、两个第一辅助轮8、两个第二辅助轮9、电机传动轮10、两个外腿传动轮11、两个内腿传动轮12、两根第一钢丝绳13、两根第二钢丝绳14、两个串联弹性驱动单元15和四根第三钢丝绳16；内腿3由横撑3-2和两个单内腿3-1构成，横撑3-2将两个单内腿3-1的大腿连在一起，外腿4由两个单外腿4-1构成；辅助轴7水平位于两个立柱2之间且辅助轴7的两端与相应端的立柱2的中部通过轴承转动连接，水平位于辅助轴7下方的主轴6通过轴承分别安装在两个立柱2的下端上，且主轴6的两端分别穿出相应的立柱2的下端，主轴6的两端各与一个单外腿4-1的上端固接；两个第一辅助轮8和两个第二辅助轮9均分散地固定安装在辅助轴7上且两个第二辅助轮9位于两个第一辅助轮8之间；两个内腿传动轮12可转动地安装在位于两个立柱2之间的主轴6上，两个外腿传动轮11位于两个内腿传动轮12之间且二者均固定安装在主轴6上，电机传动轮10固装在主轴6上且位于两个外腿传动轮11之间；两个内腿传动轮12分别与每个单内腿3-1的上端固接；每个串联弹性驱动单元传动机构15的上下两端各与一个第三钢丝绳16的一端连接，同时上端两根第三钢丝绳16的另一端各与电机5输出轮连接，下端两根第三钢丝绳16的另一端各与电机传动轮10连接共同组成两组串联弹性驱动单元；每个第一辅助轮8和位于其正下方的一个内腿传动轮12通过第一钢丝绳13连接，所述第一钢丝绳13的缠绕方式呈C形，且两个第一钢丝绳13的缠绕方向相反；每个第二辅助轮9和位于其正下方的一个外腿传动轮11通过第二钢丝绳14连接，所述第二钢丝绳14的缠绕方式呈S形，且两个第二钢丝绳14的缠绕方向相反。所述主轴6即为髋关节主轴。

具体实施方式二：如图1～4所示，本实施方式中，每个串联弹性驱动单元传动机构15由弹簧15-1、两个螺杆15-2和两个螺栓15-3构成，弹簧15-1的两端分别与一个螺杆15-2螺纹连接，螺杆15-2的外端拧有一个螺栓15-3；每个串联弹性驱动单元传动机构15上下两端的螺栓15-3各与一个第三钢丝绳16的一端连接。这种结构的串联弹性驱动单元，可通过调节螺杆15-2在弹簧15-1中的旋入深度，来改变弹簧的有效圈数，从而调整弹簧刚度进而调节整个串联弹元的刚度。具有结构简单、易调整的优点。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：如图1～4所示，本实施方式中，每个单内腿3-1以及每个单外腿4-1均包括上腿21、下腿22、电磁铁23、电磁铁销24和膝关节轴25，上腿21的下端和下腿22的上端通过膝关节轴25转动连接，上腿21的下端、下腿22的上端、膝关节轴25、电磁铁23、电磁铁销24构成膝关节锁定机构，电磁铁23安装在上腿21的下端，下腿22的上端设有用于插装电磁铁销24的销孔26，上腿21的下端还设有定位面27。定位面27可进一步限定下腿的摆动，增强定位可靠性。其它组成及连接关系与具体实施方式一或二相同。

针对本发明再进行如下阐述：

本发明中涉及的准被动机器人步行过程所采用的控制方式为PD控制，仅用一个电机5与串联弹性驱动单元传动机构15构成的串联弹性驱动单元即可完成对步行的控制。串联弹性驱动单元可以将力矩控制转化位置控制，即通过控制弹性元件的伸长量即可控制施加在其两边的力的大小。如图1及图2所示，一根线性弹簧及螺杆螺栓组成的串联弹性驱动单元传动机构15与电机5相连构成串联弹性驱动单元，通过调整螺杆在弹簧中的旋入深度即可调整弹簧的有效圈数进而调整弹簧刚度，通过调整螺栓15-3在螺杆15-2中的旋入长度即可调整弹簧的初始力大小。对摆动腿的控制可由公式(1)及公式(2)表示：

${\mathrm{\τ}}_s=-K_p(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}^d)-K_d\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

${\mathrm{\θ}}_m^d=180[K_p(\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}^d)-K_d\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}]/r^2\mathrm{p\π}+\mathrm{\θ}---\left(2\right)$

其中：τ_s——施加于摆动腿的目标转矩；

K_p——比例控制系数；

K_d——微分控制系数；

θ——摆动腿实际转动角度，控制系统输出量；

——摆动腿目标输出角度；

r——电机传动轮半径；

p——弹簧刚度。

整个系统的控制过程为：当位于足部微动开关检测到足部碰地时，系统控制电机5正向转动带动摆动腿向前摆动，同时膝关节锁定机构解锁，当摆动腿摆动到支撑腿前方即将落地时，膝关节被动锁定，摆动腿落地变为新的支撑腿，同时足部微动开关检测到足部碰地，系统控制电机反向转动，带动新的摆动腿向前摆动，同时膝关节锁定机构解锁，直至摆动腿碰地变为新的支撑腿为一个控制周期。

在整个控制过程中，只需对摆动腿进行控制其他所有关节均为被动关节，在控制过程中，躯体始终保持在两腿的角平分线上。如图1所示，髋关节角平分机构由两个第一辅助轮8和两个第二辅助轮9，两组第一钢丝绳1和两组第二钢丝绳14，两个外腿传动轮11和两个内腿传动轮12及辅助轴7组成。每个第一辅助轮8和位于其正下方的一个内腿传动轮12通过第一钢丝绳13连接，所述第一钢丝绳13的缠绕方式呈C形，且两个第一钢丝绳13的缠绕方向相反；每个第二辅助轮9和位于其正下方的一个外腿传动轮11通过第二钢丝绳14连接，所述第二钢丝绳14的缠绕方式呈S形，且两个第二钢丝绳14的缠绕方向相反。因此，当电机5带动外腿4向前转动时，外腿传动轮11将转动传递给辅助轴7，辅助轴7上第一辅助轮6将转动传递给内腿传动轮12但由于采用“S型”连接因此转动角度大小相同方向相反，因此两腿相对于躯体的转动角度始终大小相同反向相反，躯体始终保持在两腿角平分线上，这三部分在髋关节处只构成一个自由度。

如图3及图4所示，膝关节锁定机构主要由安装在上腿21的电磁铁23、电磁铁销24及安装在下腿的定位销孔26及定位面27组成，电磁铁23由继电器控制。当检测到足部碰地时，继电器控制电磁铁23将销24由定位孔26中拉出，膝关节解锁，解锁过程在瞬间完成。电磁铁通电时间被设定为400ms，当上腿摆动到前方停止时，下腿靠惯性向前摆动，直至锁定位置被动锁定。在下腿处有一定位面与上腿另一定位面27配合可以防止下腿的过度摆动，增加锁定可靠性。由于在一个步行周期中，电磁铁的通电时间仅为400ms，且仅拉动电磁销运动，因此消耗能量极低几乎可以忽略不计。

Claims (3)

1.一种有躯体式准被动双足步行机器人系统，所述机器人系统包括躯体、内腿(3)和外腿(4)和电机(5)，躯体包括上框(1)和两个立柱(2)，上框(1)的下边框与两个立柱(2)的上端连接，电机(5)安装在上框(1)上，其特征在于：所述机器人系统还包括主轴(6)、辅助轴(7)、两个第一辅助轮(8)、两个第二辅助轮(9)、电机传动轮(10)、两个外腿传动轮(11)、两个内腿传动轮(12)、两根第一钢丝绳(13)、两根第二钢丝绳(14)、两个串联弹性驱动单元传动机构(15)和四根第三钢丝绳(16)；内腿(3)由横撑(3-2)和两个单内腿(3-1)构成，横撑(3-2)将两个单内腿(3-1)的大腿连在一起，外腿(4)由两个单外腿(4-1)构成；辅助轴(7)水平位于两个立柱(2)之间且辅助轴(7)的两端与相应端的立柱(2)的中部通过轴承转动连接，水平位于辅助轴(7)下方的主轴(6)通过轴承分别安装在两个立柱(2)的下端上，且主轴(6)的两端分别穿出相应的立柱(2)的下端，主轴(6)的两端各与一个单外腿(4-1)的上端固接；两个第一辅助轮(8)和两个第二辅助轮(9)均分散地固定安装在辅助轴(7)上且两个第二辅助轮(9)位于两个第一辅助轮(8)之间；两个内腿传动轮(12)可转动地安装在位于两个立柱(2)之间的主轴(6)上，两个外腿传动轮(11)位于两个内腿传动轮(12)之间且二者均固定安装在主轴(6)上，电机传动轮(10)固装在主轴(6)上且位于两个外腿传动轮(11)之间；两个内腿传动轮(12)分别与每个单内腿(3-1)的上端固接；每个串联弹性驱动单元传动机构(15)的上下两端各与一个第三钢丝绳(16)的一端连接，同时上端两根第三钢丝绳(16)的另一端各与电机(5)输出轮连接，下端两根第三钢丝绳(16)的另一端各与电机传动轮(10)连接共同组成两组串联弹性驱动单元；每个第一辅助轮(8)和位于其正下方的一个内腿传动轮(12)通过第一钢丝绳(13)连接，所述第一钢丝绳(13)的缠绕方式呈C形，且两个第一钢丝绳(13)的缠绕方向相反；每个第二辅助轮(9)和位于其正下方的一个外腿传动轮(11)通过第二钢丝绳(14)连接，所述第二钢丝绳(14)的缠绕方式呈S形，且两个第二钢丝绳(14)的缠绕方向相反。

2.根据权利要求1所述的一种有躯体式准被动双足步行机器人系统，其特征在于：每个串联弹性驱动单元传动机构(15)由弹簧(15-1)、两个螺杆(15-2)和两个螺栓(15-3)构成，弹簧(15-1)的两端分别与一个螺杆(15-2)螺纹连接，螺杆(15-2)的外端拧有一个螺栓(15-3)；每个串联弹性驱动单元(15)上下两端的螺栓(15-3)各与一个第三钢丝绳(16)的一端连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种有躯体式准被动双足步行机器人系统，其特征在于：每个单内腿(3-1)以及每个单外腿(4-1)均包括上腿(21)、下腿(22)、电磁铁(23)、电磁铁销(24)和膝关节轴(25)，上腿(21)的下端和下腿(22)的上端通过膝关节轴(25)转动连接，上腿(21)的下端、下腿(22)的上端、膝关节轴(25)、电磁铁(23)、电磁铁销(24)构成膝关节锁定机构，电磁铁(23)安装在上腿(21)的下端，下腿(22)的上端设有用于插装电磁铁销(24)的销孔(26)，上腿(21)的下端还设有定位面(27)。

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