CN104015825B - 一种机器人行走装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人行走装置，包括机身、柔顺行走机构和安装在机身上的装夹机构，柔顺行走机构是类J形弹性构件，类J形构件上端联结于机身上，末端联接于机身内的电机动力输出端，在动力带动下做圆周运动，该行走装置通过柔顺构件变形来实现仿生的步行轨迹；且所需零件极少，加工装配简单，适用于中小型或微型机器人；适用于二足或多足机器人，附上履带就兼有步行功能和履带式行走功能；柔顺机构有弹性，可设计双稳态，能够压缩收纳进机身里方便携带。

Description

一种机器人行走装置

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种机器人行走装置。

背景技术

行走机器人主要分轮式、履带式和步行式，其中研究热点主要为步行式，而目前的步行机构，大部分都是刚体机构，且不论是单驱动还是多驱动，几乎都是通过控制机构联接处(关节)的运动来控制“脚部”的运动轨迹，这种传统机构比较复杂，不适于微小型机器人。

柔顺机构是一种利用构件自身的弹性变形来完成运动和力的传递与转换的新型机构，具有减少构件数量和装配时间、简化加工制造过程、无摩擦磨损和运动副间隙，以及降低振动和噪音等优点，适合用于设计微小型机器人的行走机构。并且有些柔顺机构具有多稳态的特性，可以在多种形状下稳定不变。

发明内容

本发明提供一种机器人行走装置，包括机身、装夹机构和柔顺行走机构。装夹机构可用于搭载智能控制系统或设备；柔顺行走机构兼有步行功能和履带式行走功能。该柔顺机构用较的少零件，代替了繁杂的传统机构，实现平稳步行所需的脚部轨迹，适用于中小型或微型的二足或多足机器人；且由于其柔顺机构具有弹性，可以压缩进机器人机身进行收纳。

本发明所采用的技术方案是：

一种机器人行走装置，包括机身和安装在机身上的装夹机构，还包括柔顺行走机构，柔顺行走机构安装在机身下部。

进一步优化的，柔顺行走机构是类J形弹性构件，类J形构件上端联结于机身上，末端联接于机身内的电机动力输出端，在动力带动下末端做圆周运动。

进一步优化的，类J形构件各部分满足或近似满足以下关系：

$A\·l_1^2-B\·l_{1}h-C\·l_{2}h=0$

其中， $B=\frac{c_{\mathrm{\θM}}}{{\mathrm{\γ}}_1{K}_{\mathrm{\θ}1M}}\·\frac{1}{E_1{I}_1},C=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_2{K}_{\mathrm{\θ}2M}}\·\frac{1}{E_2{I}_2}$

式中l₁为类J形构件右边一段的长度，其对应的材料弹性模量为E₁，横截面惯性矩为I₁；l₂为类J形构件底部一段的长度，其对应的材料弹性模量为E₂，横截面惯性矩为I₂；h为左边一段在竖直方向上的高度，为类J形构件右边一段的伪刚体模型与竖直方向的夹角，c_θF和c_θM为柔顺杆末端角度与伪刚体模型角度的比例系数，γ₁和γ₂为特征半径系数，K_θ1F、K_θ1M和K_θ2M为刚度系数，以上系数因各段柔顺杆的弯曲程度和受力或受弯矩的不同而不同，可查柔顺机构学参数表取得。

进一步优化的，当类J形构件右边一段和底部一段材料相同且横截面相同时，E₁＝E₂且I₁＝I₂。

进一步优化的，所述柔顺行走机构外部还绕有履带，履带在另一个电机带动下转动。

进一步的，该柔顺行走机构具有双稳态，即以正常工作时为一个稳态，被压缩进机身并卡住为另一个稳态。

本发明的优势在于，相比传统步行机构实现“脚底”的运动轨迹的方法，本机构不是控制机构联接处(关节)的运动，而是控制其中柔顺构件的变形，以此来实现仿生的步行轨迹；且所需零件极少，加工装配简单，适用于中小型或微型机器人；适用于二足或多足机器人，附上履带就兼有步行功能和履带式行走功能；柔顺机构有弹性，可设计双稳态，能够压缩收纳进机身中方便携带；装夹机构可搭载任意智能控制系统装置。

附图说明

图1a是实例中机器人行走装置的结构示意图；

图1b为实例中二足机器人实例结构示意图。

图2a是柔顺行走机构实施例示意图；

图2b是柔顺行走机构为类J形构件时各段的划分示意图；

图2c所示柔顺行走机构的简化示意图；

图2d是类J形构件末端作圆周运动的示意图；

图2e～图2g是类J形构件的受力过程分析图。

图3a和图3b分别是实例中的柔顺步行机构开启和收纳稳态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明的实施方式不限于此，需指出的是，以下若有未特别说明的部件或方法，均是本领域技术人员可以参照现有技术实现的。

图1a和图1b中，中间部分是机器人机身1，可用于安置电源、电机5和减速箱6；机身1左上方可以设置有装夹机构8；右下方为柔顺行走机构2，主要由其中的类J形弹性构件3和外部的履带4构成。图1b中具有两个柔顺行走机构2，可用于实现二足机器人行走装置。

图2a中，行走机构2的主体为类J形弹性条形构件3，类J形构件3上端与机身固联，末端与减速箱6输出轴上的曲柄7联接，在电机5带动下做圆周运动。J形弹性柔顺构件上端固定在机器人机身上，末端在曲柄带动下做圆周运动(相对于机身)，带动整个柔顺构件做周期性的变形动作，此时类J形构件3底部做类似动物行走时脚部“水平后划——离地——迈出——着地”的过程，用非传统机构实现步行脚部轨迹。柔顺构件外部可设置履带，在另一个电机带动下转动实现履带式行走功能，与步行功能互不干涉；且柔顺机构有弹性，可设计双稳态，正常工作是一个稳态，压缩进机身是另一个稳态，以便减小体积提高便携性。

以下计算给出能够实现此步行过程的实例参数关系，但不限于此。

首先简化模型以便分析计算，如图2b，将该柔顺机构3分成主要的三段，长度分别为l₁、l₂、l₃，用伪刚体模型法将每段替换成相应的平面连杆(可参考柔顺机构学)，同时在每个关节处添加一个扭簧，以保留柔顺机构原来的储能特性，如图2c。

该伪刚体模型右上端固定在机身上，而左端输入的是一个圆周运动(通过电机实现)。曲柄7在下偏左60°到下偏右60°这段运动区间内使机构“脚部”l₂段较水平地划动，使步行平稳，如图2d所示A范围区域。在右边60°和左边60°范围内(斜向上和斜向下围成的范围)，如图B和D范围区域，“脚部”l₂段有效地抬起和落下，使其在C范围内往前“迈腿”时，“脚部”l₂段有效离开地面，避免摩擦。另外，将主要输入轨迹A简化为水平向右输入，同时输入力F也假设为水平向右，可在误差尽量小的前提下方便分析计算，如图2e。

设输入为力F，对于l₁段，将F平移到l₁段末端，得力F和弯矩M₁，其变为初始弯曲柔顺杆模型。将l₁段刚化，l₂段也可变为初始弯曲柔顺杆模型，同样将F平移到l₂段末端，得力F和弯矩M₂。

(1)如图2f，此处求力F对l₁段末端角度的影响：

有

其中，T为力F作用在末端时造成的力矩，l₁为伪刚体段长度，F_t为F在转动切线方向上的分力，为伪刚体段l₁与竖直方向的夹角，K_1F为扭簧扭转刚度，θ_1F为F造成的伪刚体段l₁的转角；ρ为特征半径系数，K_θ1F为刚度系数，可根据柔顺杆l₁段的弯曲程度查柔顺机构学参数表取得，E₁为材料弹性模量，I₁为l₁段的横截面惯性矩，l₁为l₁段的长度，θ_1F-end为F造成的柔顺杆末端转角，c_θF为柔顺杆末端角度与伪刚体模型角度的比例系数。

可得，力F引起柔顺l₁段末端的角度逆时针变化

(2)如图2(f)，此处求F平移到l₁段末端产生的弯矩M₁对l₁段末端角度的影响：

弯矩 $\left\{\begin{array}{c}{M}_1=\mathrm{Fh}\\ M_1=K_{1M}{\mathrm{\θ}}_{1M}\\ K_{1M}={\mathrm{\γ}}_1{K}_{\mathrm{\θ}1M}\frac{E_1{I}_1}{l_1}\\ {\mathrm{\θ}}_{1M-\mathrm{end}}=c_{\mathrm{\θM}}{\mathrm{\θ}}_{1M}\end{array}\right.$

其中，M₁为力F平移到l₁段末端时产生的弯矩，h为力F平移前与地面的距离，即l₃段在竖直方向上的高度，K_1M为扭簧扭转刚度，θ_1M为M₁造成的伪刚体段l₁的转角，γ₁为特征半径系数，K_θ1M为刚度系数，γ₁和K_θ1M可根据柔顺杆l₁段的弯曲程度查柔顺机构学参数表取得，E₁为材料弹性模量，I₁为l₁段的横截面惯性矩，l₁为l₁段的长度，θ_1M-end为M₁造成的柔顺杆末端转角，c_θM为柔顺杆末端角度与伪刚体模型角度的比例系数。

可得，弯矩M₁引起柔顺l₁段末端的角度顺时针变化

${\mathrm{\θ}}_{1M-\mathrm{end}}=\frac{c_{\mathrm{\θM}}}{{\mathrm{\γ}}_1{K}_{\mathrm{\θ}1M}{E}_1{I}_1}{\mathrm{Fl}}_{1}h$ ②

(3)如图2(g)，F在l₂段上的切向上F_t＝0，对角度无影响，此处求M₂对l₂段上角度的影响：

弯矩 $\left\{\begin{array}{c}{M}_2=\mathrm{Fh}\\ M_2=K_{2M}{\mathrm{\θ}}_{2M}\\ K_{2M}={\mathrm{\γ}}_2{K}_{\mathrm{\θ}2M}\frac{E_2{I}_2}{l_2}\end{array}\right.$

其中，M₂为力F平移到l₂段末端时产生的弯矩，h为力F平移前与地面的距离，即l₃段在竖直方向上的高度，K_2M为扭簧扭转刚度，γ₂为特征半径系数，K_θ2M为刚度系数，γ₂和K_θ2M可查柔顺机构学参数表取得，E₂为材料弹性模量，I₂为l₂段的横截面惯性矩，l₂为l₂段的长度。

得伪刚体段l₂的角度变化

(4)本装置能平稳行走，需“脚部”能水平运动，即l₂段保持水平，所以其角度变化Δθ₂＝0，即θ_1F-end-θ_1M-end-θ_2M＝0 ④

将①②③代入④得 $A\·l_1^2-B\·l_{1}h-C\·l_{2}h=0$ ⑤

其中， $B=\frac{c_{\mathrm{\θM}}}{{\mathrm{\γ}}_1{K}_{\mathrm{\θ}1M}}\·\frac{1}{E_1{I}_1},C=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_2{K}_{\mathrm{\θ}2M}}\·\frac{1}{E_2{I}_2}$

式中l₁为类J形构件右边一段的长度，l₂为底部一段的长度，h为左边一段在竖直方向上的高度。特别情况下，当l₁段和l₂段材料相同且横截面相同时，E₁＝E₂且I₁＝I₂。

满足或近似满足式⑤所示关系的该类型机构即能实现“脚部”水平后划的运动，同时也能满足迈步的功能。

这个参数关系综合考虑了功能的实现、美观性、触感舒适性、加工简便性和成本等问题，是一个比较合理的实施方案，但不是唯一方案。

同时，该条类J形弹性构件3外边可紧绕一条履带4，在另一个电机带动下转动，实现步行的同时还能实现履带式行走。

此外，本装置的柔顺行走机构2设计了双稳态，使机构有“开启”和“收纳”两种状态，工作时“开启”腿部柔顺机构，不工作时可以“收纳”，缩小空间，实现便携的效果。双稳态的柔顺机构有以下变化过程：从一个势能极小值点，经过势能先升高后降低，达到另外一个势能极小值点。

如图3a正常情况下腿部柔顺机构2处于该“开启”状态，能实现行走的功能；当该腿部柔顺机构2被用力压到机身内时，受碍于图3b所示机身壳内左下部的凸起物9，需经历势能先升高后降低的过程，达到另一个稳态，此时处于“收纳”状态。为了更精确地定下“收纳”时的位置，机身壳中在凸起物9处再设置一个凸起定位销10，腿部柔顺机构2上设置一个与该凸起定位销配合的凹槽11，可供扣紧，图3b中右侧大圆中的结构是对左侧小圆所圈部分的放大。其原理是，在双稳态间的势能先升高后降低时，增加一个势能突变下降，有利于两个稳态相互区别开来。

Claims (5)

1.一种机器人行走装置，包括机身和安装在机身上的装夹机构，其特征在于：还包括柔顺行走机构，柔顺行走机构安装在机身下部；柔顺行走机构是类J形弹性构件，类J形弹性构件上端联接于机身上，末端联接于机身内的电机动力输出端，在动力带动下末端做圆周运动。

2.根据权利要求1所述的机器人行走装置，其特征在于：类J形弹性构件各部分满足或近似满足以下关系：

$A\·l_1^2-B\·l_{1}h-C\·l_{2}h=0$

其中，

式中l₁为类J形弹性构件右边一段的长度，其对应的材料弹性模量为E₁，横截面惯性矩为I₁；l₂为类J形弹性构件底部一段的长度，其对应的材料弹性模量为E₂，横截面惯性矩为I₂；h为左边一段在竖直方向上的高度，为类J形弹性构件右边一段的伪刚体模型与竖直方向的夹角，c_θF和c_θM为柔顺杆末端角度与伪刚体模型角度的比例系数，γ₁和γ₂为特征半径系数，K_θ1F、K_θ1M和K_θ2M为刚度系数，以上系数因各段柔顺杆的弯曲程度和受力或受弯矩的不同而不同，可查柔顺机构学参数表取得。

3.根据权利要求2所述的机器人行走装置，其特征在于：当类J形弹性构件右边一段和底部一段材料相同且横截面相同时，E₁＝E₂且I₁＝I₂。

4.根据权利要求1所述的机器人行走装置，其特征在于：所述柔顺行走机构外部还绕有履带，履带在另一个电机带动下转动。

5.根据权利要求1所述的机器人行走装置，其特征在于：该柔顺行走机构具有双稳态，即以正常工作时为一个稳态，被压缩进机身并卡住为另一个稳态。