CN104401419A - 一种基于气动人工肌肉的新型双足仿人机器人系统 - Google Patents

Abstract

一种基于气动人工肌肉的新型双足仿人机器人系统，属于机器人技术领域，尤其是一种运动能力强并且具有柔性仿人特点的双足机器人。本发明的双足机器人系统包括机械本体和电气控制系统，其特征在于：机械本体主要由腰、髋关节、大腿、膝关节、小腿、脚等七部分组成，共13个自由度；在这13个自由度中，腰部的3个自由度通过四根气动肌肉以及腰部脊柱的配合作用实现，而髋关节、膝关节、脚踝关节的单个自由度则是采用一根气动肌肉与一根弹簧通过对拉的方式构成对抗性回转力来实现；本发明系统设计提供一种控制平台，除了机器人学，还涉及控制科学和智能控制领域，可满足多学科科研、教学的需要。

Description

一种基于气动人工肌肉的新型双足仿人机器人系统

技术领域

本发明是一种基于气动人工肌肉的新型双足仿人机器人系统，属于仿生机器人技术领域。

背景技术

机器人技术作为21世纪非常重要的技术，与网路技术、通信技术、基因技术、虚拟现实技术等一样，属于高新技术。双足机器人是伴随着科学技术不断发展的趋势下出现的新型机器人。在双足机器人技术发展过程中，仿人的问题是双足机器人系统普遍存在的难题。同时人们对双足机器人的要求越来越高，双足机器人要具有仿人的外形，能模仿人的行为与动作，能进行人机交互，能在狭窄空间内灵活运动等性能。这些要求都是一般机器人很难达到的，因此从某种程度上说，双足仿人机器人是将来机器人研究的必然方向和趋势。

现有的大部分双足仿人机器人依靠模仿人的腿部结构来模仿人的行走方式，即机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿及髋关节、膝关节和踝关节，并以执行装置代替肌肉，实现对身体的支撑及连续地协调运动，各关节之间可以有一定角度的相对转动。例如，中国专利文献CN103010330A公开了“一种双足步行机器人”，该装置可以在斜坡，阶梯等复杂路况下实现行走、攀爬、转弯等多种驱动前进方式，但关节自由度配置少，行动机械、笨重。中国专利文献CN102700649A公开了“一种有躯体式准被动双足步行机器人系统”，该机构运动方式是纯被动，运动方式以及机构外观都不类人。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，基本不具有柔性机构。中国专利文献CN201816666U公开了“一种两足步行仿生机器人”，该机构不具有膝关节。

上述机器人设计多以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿及髋关节、膝关节和踝关节，这类设计方法直接、简单、易实现，但是基本不具有柔性结构，并且为了避免机构的复杂性，机器人各关节自由度配置少，从而导致这类机器人行动机械、笨重，运动能力相对较差，同时腿部有明显弯曲的特点，因此，开发一种运动能力强并且具有柔性仿人特点的双足机器人具有理论和实际意义。

人体的下肢可分为臀、股、小腿和足四部，由骨、关节和骨骼肌组成。各骨依靠关节连接成下肢骨骼，构成下肢的基本形态和支架，其主要功能是支持身体和行走，与上肢相比，其骨骼粗壮，肌形较大，关节稳固，足部还具有弹性的足弓。人体下肢是一个高度自动化调节系统,它在神经系统的控制下，通过骨骼肌收缩牵动骨，以关节为支点，产生运动，以维持人体的各种姿势或是某个部位发生位置的改变。在运动中，骨起着杠杆的作用，关节则是运动的枢纽，骨骼肌是运动的主动部分。

自由下肢骨包括髋骨、股骨、胫骨、腓骨和足骨。髋骨是下肢骨和上肢骨的连接部分，由互相融合的3块骨组成。股骨是人体最长和最结实的长骨，上端具有球形的股骨头，下端膨大形成内侧踝和外侧踝，两踝的下面和后面为关节面，与胫骨上端相关节。小腿骨主要由胫骨和腓骨组成,两者的近端和远端相连，连接处仅有微小的活动。胫骨位于小腿内侧，排骨细长，居小腿外侧。两者的下端均有关节面与距骨相关节，腓骨不承受重量，仅起稳定脚踝的作用。足骨由跗骨、跖骨、趾骨组成。

人体由两百余块骨骼组成，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。

双足仿人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。一般的双足仿人机器人机构设计中，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要求较高，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。双足仿人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。基于气动人工肌肉驱动的双足仿人机器人通过对人体的行走运动进行分析，选取了最优的结构来实现双足仿人机器人的一个最基本也是最仿人运动——双足仿人行走。

综上所述，以最优的结构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仿人机器人的高效率行走运动。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的不足，提供一种运动能力强，柔顺性好，外观及行为动作更加仿人的新型双足仿人机器人系统。本发明专利中的机器人系统不仅可以作为一种控制科学中的研究平台，为机器人学、人工智能等领域的研究和教学提供实验对象，还可以成为娱乐、展示的极具特色的工具。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种基于气动人工肌肉驱动的双足仿人机器人系统，该系统包括腰、髋关节、大腿、膝关节、小腿、脚七部分，共13个DOF自由度，其中，腰部(F1):3×1DOF，双髋关节(F2、F3):3×2DOF，双膝关节(F4、F5):1×2DOF，双脚踝关节(F6、F7):2×1DOF。

该系统包括空气压缩机及气罐1、上身支架2、腰部上端连接轴承3、腰部支柱4、腰部下端连接轴承5、腰部支架6、髋关节连接轴承7、机器人大腿8、机器人膝关节9、机器人小腿10、机器人踝关节11、机器人脚部12、气动人工肌肉M1-M16、弹簧S1-S12、快速接头J1-J7、接口j1-j17；

空气压缩机及气罐1安装在上身支架2上，上身支架2与腰部支架6中间通过腰部上端连接轴承3、腰部支柱4、腰部下端连接轴承5连接，其中腰部支柱4与上身支架2通过腰部上端连接轴承3连接，腰部支柱4与腰部支架6通过腰部下端连接轴承5连接，机器人大腿8通过髋关节连接轴承7与腰部支架6相连，机器人大腿8与机器人小腿10通过机器人膝关节9相连，所述机器人小腿10与机器人脚部12通过机器人踝关节11相连。

气动人工肌肉M1-M16作为驱动关节运动的动力机构，在该仿人机构中总共16根，其中，腰部4根即气动人工肌肉aM1、气动人工肌肉bM2、气动人工肌肉cM3、气动人工肌肉dM4，双髋关节3×2根即气动人工肌肉eM5、气动人工肌肉fM6、气动人工肌肉gM7、气动人工肌肉hM8、气动人工肌肉iM9、气动人工肌肉gM10，双膝关节1×2根即气动人工肌肉kM11、气动人工肌肉lM12，双脚踝关节2×2根即气动人工肌肉mM13、气动人工肌肉nM14、气动人工肌肉oM15、气动人工肌肉pM16；弹簧S1-S12与气动人工肌肉M5-M16相匹配，共同约束其俯仰、横滚和偏航方向的三个自由度；上身支架2与腰部支架6中间两侧分别对称有气动人工肌肉aM1、气动人工肌肉bM2与气动人工肌肉cM3、气动人工肌肉dM4，其中气动人工肌肉aM1、气动人工肌肉bM2斜交叉布置，气动人工肌肉cM3、气动人工肌肉dM4斜交叉布置；气动人工肌肉eM5一端连接腰部支架6上，另一端连接在右大腿一侧面上，弹簧S1沿右大腿对称布置在其另一端，形成约束右大腿髋关节横滚运动方向的约束；气动人工肌肉fM6一端连接腰部支架6上，另一端连接在右大腿正面上，弹簧S2沿右大腿对称布置在其另一端，形成约束右大腿髋关节偏航运动方向的约束；气动人工肌肉gM7一端连接腰部支架6上，另一端连接在右大腿另一侧面上，弹簧S3沿右大腿对称布置在其另一端，形成约束右大腿髋关节俯仰运动方向的约束，共同组成三个自由度的约束；同样，气动人工肌肉hM8、气动人工肌肉iM9、气动人工肌肉jM10与弹簧dS4、弹簧eS5、弹簧fS6相匹配，设置在左大腿与腰部支架6的髋关节处，共同组成俯仰、横滚和偏航三个自由度的约束。

气动人工肌肉kM11一端连接在右大腿正面上，另一端连接在右小腿正面上，中间为右膝关节，弹簧gS7对称布置在右膝关节的另一侧，共同形成一个自由度的约束；同理，气动人工肌肉lM12、弹簧hS8设置在左膝关节处，共同形成一个自由度的约束。

气动人工肌肉mM13、气动人工肌肉nM14、弹簧iS9、弹簧jS10设置在右脚踝关节处，气动人工肌肉mM13一端与右小腿侧面相连，另一端与右脚踝关节侧面相连，弹簧iS9对称布置在右脚踝关节另一侧面上，形成约束右脚踝关节的横滚运动方向的约束；气动人工肌肉nM14一端与右小腿正面相连，另一端与右脚踝关节正面相连，弹簧jS10对称布置在右脚踝关节另一侧面上，形成约束右脚踝关节的俯仰运动方向的约束；同理，气动人工肌肉oM13、气动人工肌肉pM16、弹簧kS11、弹簧lS12设置在左膝关节处，共同形成两个个自由度的约束。

气动人工肌肉M1-M16的控制是通过主控芯片控制电磁阀，从而控制空气压缩机及气罐1对气动人工肌肉M1-M16的进气量与出气量控制，上述连通电磁阀与气动人工肌肉M1-M16的是快速接头J1-J7，具体而言，快速接头J1-J7中，J1为七通快速接头a，J2、J3是五通快速接头b、五通快速接头c，J4、J5、J6、J7、J8是三通快速接头d、三通快速接头e、三通快速接头f、三通快速接头g，从而实现将气源中的气体输送到各个关节处。主控芯片通过气管连通快速接头的接口j1，而接口j2-j17分别连接电磁阀。

一种基于气动人工肌肉的双足仿人机器人系统的控制方法，其控制系统采用主控芯片控制电磁阀，进而控制底层气动人工肌肉的收缩。其特征在于主控芯片安装在机器人上，能够实现对机器人行走的自主控制，安装在机器人身上的传感器则将机器人步态数据反馈给主控芯片，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。在每个控制周期，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。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明设计中，采用模仿人体肌肉的气动肌肉驱动各关节运动，采用灵活、高能量效率的驱动系统设计，只需要控制好就能产生连贯、自然的仿人行走步态。

1)机构轻便，易于控制。

2)机器人外观高度仿人，从仿生的角度进行结构设计。在结构设计的过程中，参考相关仿生学的研究成果，使设计的仿人机器人腰部及下肢结构的关节转角达到相应的运动范围。

3)机器人运动能力强、柔顺性好，能够实现相似度较高的仿人行走步态。因为仿人机器人与外界交互，更重要的是其柔顺性而非高精度。

4)能较好的完成仿人腰部以及下肢的基本动作。

本发明具有以下优点：

第一，本发明作为一种智能机器人，可作为机器人学、控制科学和智能控制领域交叉的综合研究对象，满足多学科科研教学的需要。

第二，本发明所设计的新型的独轮自平衡机器人控制系统，因其具有独特的形态、结构和控制方法，具有新的应用价值，是一种与工程实际问题联系紧密，实用价值较高的研究、示教、展示、娱乐设备。并且，在一些实际应用中，如火箭发射，存在重心在支点之上的控制问题，本系统很好的模拟了这类问题，可作为研究这类特定系统控制问题的理想对象。

第三，本发明中的三个自由度的耦合使得系统的非线性和不确定性增加，更加适合非线性控制、鲁棒控制、智能控制和学习控制的研究。

第四，本发明的所有组件均采用模块化的设计思想，某种组件都可以拆卸更换，这为系统的维护和升级提供了极大的方便。

第五，本发明的可调式底部支架不仅可以根据机器人调试的需要改变底部支撑高度，而且作为机器人的保护装置，避免机器人在调试过程中的意外倾倒而摔坏。

附图说明

图1是双足仿人机器人系统机械结构及气动肌肉分配正视图

图2是双足仿人机器人系统机械结构及气动肌肉分配右视图

图3是双足仿人机器人系统自由度分配及尺寸图

图4是双足仿人机器人系统气管布线图。

图5是双足仿人机器人控制系统总体框图。

图中：1、空气压缩机及气罐，2、上身支架，3、腰部上端连接轴承，4、腰部支柱，5、腰部下端连接轴承，6、腰部支架，7、髋关节连接轴承，8、机器人大腿，9、机器人膝关节，10、机器人小腿，11、机器人踝关节，12、机器人脚部；

M1、气动人工肌肉a，M2、气动人工肌肉b，M3、气动人工肌肉c，M4、气动人工肌肉d，M5、气动人工肌肉e，M6、气动人工肌肉f，M7、气动人工肌肉g，M8、气动人工肌肉h，M9、气动人工肌肉i，M10、气动人工肌肉j，M11、气动人工肌肉k，M12、气动人工肌肉l，M13、气动人工肌肉m，M14、气动人工肌肉n，M15、气动人工肌肉o，M16、气动人工肌肉p；

J1、快速接头a，J2、快速接头b，J3、快速接头c，J4、快速接头d，J5、快速接头e，J6、快速接头f，J7、快速接头g；

S1、弹簧a，S2、弹簧b，S3、弹簧c，S4、弹簧d，S5、弹簧e，S6、弹簧f，S7、弹簧g，S8、弹簧h，S9、弹簧i，S10、弹簧j，S11、弹簧k，S12、弹簧l；

j1、接口a，j2、接口b，j3、接口c，j4、接口d，j5、接口e，j6、接口f，j7、接口g，j8、接口h，j9、接口i，j10、接口g，j11、接口k，j12、接口l，j13、接口m，j14、接口n，j15、接口o，j16、接口p，j17、接口q。

具体实施方式

以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

如图1-5所示，一种基于气动人工肌肉驱动的双足仿人机器人系统，该系统包括腰、髋关节、大腿、膝关节、小腿、脚七部分，共13个DOF自由度，其中，腰部(F1):3×1DOF，双髋关节(F2、F3):3×2DOF，双膝关节(F4、F5):1×2DOF，双脚踝关节(F6、F7):2×1DOF。

该系统包括空气压缩机及气罐1、上身支架2、腰部上端连接轴承3、腰部支柱4、腰部下端连接轴承5、腰部支架6、髋关节连接轴承7、机器人大腿8、机器人膝关节9、机器人小腿10、机器人踝关节11、机器人脚部12、气动人工肌肉M1-M16、弹簧S1-S12、快速接头J1-J7、接口j1-j17；

空气压缩机及气罐1安装在上身支架2上，上身支架2与腰部支架6中间通过腰部上端连接轴承3、腰部支柱4、腰部下端连接轴承5连接，其中腰部支柱4与上身支架2通过腰部上端连接轴承3连接，腰部支柱4与腰部支架6通过腰部下端连接轴承5连接，机器人大腿8通过髋关节连接轴承7与腰部支架6相连，机器人大腿8与机器人小腿10通过机器人膝关节9相连，所述机器人小腿10与机器人脚部12通过机器人踝关节11相连；

气动人工肌肉M1-M16作为驱动关节运动的动力机构，在该仿人机构中总共16根，其中，腰部4根即气动人工肌肉aM1、气动人工肌肉bM2、气动人工肌肉cM3、气动人工肌肉dM4，双髋关节3×2根即气动人工肌肉eM5、气动人工肌肉fM6、气动人工肌肉gM7、气动人工肌肉hM8、气动人工肌肉iM9、气动人工肌肉gM10，双膝关节1×2根即气动人工肌肉kM11、气动人工肌肉lM12，双脚踝关节2×2根即气动人工肌肉mM13、气动人工肌肉nM14、气动人工肌肉oM15、气动人工肌肉pM16；弹簧S1-S12与气动人工肌肉M5-M16相匹配，共同约束其俯仰、横滚和偏航方向的三个自由度；上身支架2与腰部支架6中间两侧分别对称有气动人工肌肉aM1、气动人工肌肉bM2与气动人工肌肉cM3、气动人工肌肉dM4，其中气动人工肌肉aM1、气动人工肌肉bM2斜交叉布置，气动人工肌肉cM3、气动人工肌肉dM4斜交叉布置；气动人工肌肉eM5一端连接腰部支架6上，另一端连接在右大腿一侧面上，弹簧S1沿右大腿对称布置在其另一端，形成约束右大腿髋关节横滚运动方向的约束；气动人工肌肉fM6一端连接腰部支架6上，另一端连接在右大腿正面上，弹簧S2沿右大腿对称布置在其另一端，形成约束右大腿髋关节偏航运动方向的约束；气动人工肌肉gM7一端连接腰部支架6上，另一端连接在右大腿另一侧面上，弹簧S3沿右大腿对称布置在其另一端，形成约束右大腿髋关节俯仰运动方向的约束，共同组成三个自由度的约束；同样，气动人工肌肉hM8、气动人工肌肉iM9、气动人工肌肉jM1与弹簧dS4、弹簧eS5、弹簧fS6相匹配，设置在左大腿与腰部支架6的髋关节处，共同组成俯仰、横滚和偏航三个自由度的约束；

气动人工肌肉kM11一端连接在右大腿正面上，另一端连接在右小腿正面上，中间为右膝关节，弹簧gS7对称布置在右膝关节的另一侧，共同形成一个自由度的约束；同理，气动人工肌肉lM12、弹簧hS8设置在左膝关节处，共同形成一个自由度的约束；

气动人工肌肉mM13、气动人工肌肉nM14、弹簧iS9、弹簧jS10设置在右脚踝关节处，气动人工肌肉mM13一端与右小腿侧面相连，另一端与右脚踝关节侧面相连，弹簧iS9对称布置在右脚踝关节另一侧面上，形成约束右脚踝关节的横滚运动方向的约束；气动人工肌肉nM14一端与右小腿正面相连，另一端与右脚踝关节正面相连，弹簧jS10对称布置在右脚踝关节另一侧面上，形成约束右脚踝关节的俯仰运动方向的约束；同理，气动人工肌肉oM13、气动人工肌肉pM16、弹簧kS11、弹簧lS12设置在左膝关节处，共同形成两个个自由度的约束；

气动人工肌肉M1-M16的控制是通过主控芯片控制电磁阀，从而控制空气压缩机及气罐1对气动人工肌肉M1-M16的进气量与出气量控制，上述连通电磁阀与气动人工肌肉M1-M16的是快速接头J1-J7，具体而言，快速接头J1-J7中，J1为七通快速接头a，J2、J3是五通快速接头b、五通快速接头c，J4、J5、J6、J7、J8是三通快速接头d、三通快速接头e、三通快速接头f、三通快速接头g，从而实现将气源中的气体输送到各个关节处。主控芯片通过气管连通快速接头的接口j1，而接口j2-j17分别连接电磁阀。

气动人工肌肉作为驱动关节运动的动力机构，在该仿人机构中总共十六根。腰部四根，双髋关节3×2根，双膝关节1×2根，双脚踝关节2×2根。由于气动人工肌肉只能提供单向驱动力，故该设计中，髋关节、膝关节、脚踝关节的单个自由度采用一根气动肌肉与一根弹簧通过对拉的方式构成对抗性回转力来实现，而腰部的三个自由度则通过四根气动肌肉(M1、M2、M3、M4)以及腰部脊柱4的配合作用实现。具体运动形式：气动人工肌肉(M1、M2、M3、M4)配合作用于机器人腰部，产生腰部的俯仰、横滚和偏航三个自由度，其中气动人工肌肉M1和M3收缩(舒展)，M2和M4舒展(收缩)，产生腰部的俯(仰)；M1和M2收缩(舒展)，M3和M4舒展(收缩)，产生腰部的左(右)方向的横滚；M1和M4收缩(舒展)，M2和M3舒展(收缩)，产生腰部左(右)方向的偏航。气动人工肌肉M5、M6、M7以及弹簧S1、S2、S3配合作用于机器人髋关节，产生髋关节的俯仰、横滚和偏航三个自由度，其中气动人工肌肉M5收缩(舒展)和弹簧S1对抗配合，产生机器人髋关节的偏航；气动人工肌肉M6收缩(舒展)和弹簧S2对抗配合，产生机器人髋关节的俯(仰)；气动人工肌肉M7收缩(舒展)和弹簧S3对抗配合，产生机器人髋关节的横滚。气动人工肌肉M11收缩(舒展)和弹簧S7对抗配合，产生机器人膝关节的俯仰。气动人工肌肉M13收缩(舒展)和弹簧S9对抗配合，产生机器人踝关节的横滚。气动人工肌肉M14收缩(舒展)和弹簧S10对抗配合，产生机器人踝关节的俯仰。

本发明中气动肌肉的应用不仅简化了腿部结构，还减轻了腿部的整体重量，通过拮抗的对拉方式将气动肌肉及弹簧的直线式运动转变为关节的旋转式运动。本设计通过安装在气动肌肉上的电磁阀来控制气动人工肌肉的进气量与出气量，进而控制气动肌肉的收缩长度，从而带动机器人相应关节的转动。关节轴的一端安装有角度传感器，关节转动时角度传感器获得关节的旋转角度，角度传感器将角度数返回给主控芯片，主控芯片根据情况不同发送不同信号给电磁阀，由电磁阀控制各个对应的气动肌肉的气压，最终实现仿人机器人腰部及下肢的运动。

本设计中气动人工肌肉的控制是通过主控芯片控制电磁阀的通断，从而控制进入气动人工肌肉的进气量与出气量。如图所示，主控芯片通过气管连通快速接头J1的接口j1，而快速接头J2-J7的接口j2-j17分别连接上述电磁阀。其中上述电磁阀均采用三位三通电磁阀，即可动铁芯能移到三个位置、三通道式电磁阀。由一个线圈、固定铁芯、可动铁芯组成，根据电流的大小，改变可动铁芯的位置，改变三个阀口之间的通路，实现系统的减压、保压、增压的工作状态。

本发明主要以人为仿生原型，进行类人机器人腰部及下肢的设计，考虑到人的行为动作多变并且运动灵活，所以要求设计的整个腿部机构在重量上不能太重，支承件的材料主要采用铝合金。它的密度较小(只有铁的1/3)，并且通过热处理强化，具有较好的强度和塑性。铝合金型构件是主要的支承连接件，在其上安装控制阀、驱动器等其他系统。关节尺寸考虑仿人特点，根据第二军医大学的研究《中国人群下肢正常骨与关节周围解剖数据库的建立》，得出下肢各关节相关数据，并据此得出本设计中系统各关节尺寸，如表格2所示，腰宽30cm,腰高15cm，大腿长30cm，小腿长30cm，脚高5cm。

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 (2)

1.一种基于气动人工肌肉驱动的双足仿人机器人系统，其特征在于：该系统包括腰、髋关节、大腿、膝关节、小腿、脚七部分，共13个DOF自由度，其中，腰部(F1):3×1DOF，双髋关节(F2、F3):3×2DOF，双膝关节(F4、F5):1×2DOF，双脚踝关节(F6、F7):2×1DOF；

该系统包括空气压缩机及气罐(1)、上身支架(2)、腰部上端连接轴承(3)、腰部支柱(4)、腰部下端连接轴承(5)、腰部支架(6)、髋关节连接轴承(7)、机器人大腿(8)、机器人膝关节(9)、机器人小腿(10)、机器人踝关节(11)、机器人脚部(12)、气动人工肌肉(M1)-(M16)、弹簧(S1)-(S12)、快速接头(J1)-(J7)、接口(j1)-(j17)；

空气压缩机及气罐(1)安装在上身支架(2)上，上身支架2与腰部支架(6)中间通过腰部上端连接轴承(3)、腰部支柱(4)、腰部下端连接轴承(5)连接，其中腰部支柱(4)与上身支架(2)通过腰部上端连接轴承(3)连接，腰部支柱(4)与腰部支架(6)通过腰部下端连接轴承(5)连接，机器人大腿(8)通过髋关节连接轴承(7)与腰部支架(6)相连，机器人大腿(8)与机器人小腿(10)通过机器人膝关节(9)相连，所述机器人小腿(10)与机器人脚部(12)通过机器人踝关节(11)相连；

气动人工肌肉(M1)-(M16)作为驱动关节运动的动力机构，在该仿人机构中总共16根，其中，腰部4根即气动人工肌肉a(M1)、气动人工肌肉b(M2)、气动人工肌肉c(M3)、气动人工肌肉d(M4)，双髋关节3×2根即气动人工肌肉e(M5)、气动人工肌肉f(M6)、气动人工肌肉g(M7)、气动人工肌肉h(M8)、气动人工肌肉i(M9)、气动人工肌肉g(M10)，双膝关节1×2根即气动人工肌肉k(M11)、气动人工肌肉l(M12)，双脚踝关节2×2根即气动人工肌肉m(M13)、气动人工肌肉n(M14)、气动人工肌肉o(M15)、气动人工肌肉p(M16)；弹簧(S1)-(S12)与气动人工肌肉(M5)-(M16)相匹配，共同约束其俯仰、横滚和偏航方向的三个自由度；上身支架(2)与腰部支架(6)中间两侧分别对称有气动人工肌肉a(M1)、气动人工肌肉b(M2)与气动人工肌肉c(M3)、气动人工肌肉d(M4)，其中气动人工肌肉a(M1)、气动人工肌肉b(M2)斜交叉布置，气动人工肌肉c(M3)、气动人工肌肉d(M4)斜交叉布置；气动人工肌肉e(M5)一端连接腰部支架(6)上，另一端连接在右大腿一侧面上，弹簧(S1)沿右大腿对称布置在其另一端，形成约束右大腿髋关节横滚运动方向的约束；气动人工肌肉f(M6)一端连接腰部支架(6)上，另一端连接在右大腿正面上，弹簧(S2)沿右大腿对称布置在其另一端，形成约束右大腿髋关节偏航运动方向的约束；气动人工肌肉g(M7)一端连接腰部支架(6)上，另一端连接在右大腿另一侧面上，弹簧(S3)沿右大腿对称布置在其另一端，形成约束右大腿髋关节俯仰运动方向的约束，共同组成三个自由度的约束；同样，气动人工肌肉h(M8)、气动人工肌肉i(M9)、气动人工肌肉j(M10)与弹簧d(S4)、弹簧e(S5)、弹簧f(S6)相匹配，设置在左大腿与腰部支架(6)的髋关节处，共同组成俯仰、横滚和偏航三个自由度的约束；

气动人工肌肉k(M11)一端连接在右大腿正面上，另一端连接在右小腿正面上，中间为右膝关节，弹簧g(S7)对称布置在右膝关节的另一侧，共同形成一个自由度的约束；同理，气动人工肌肉l(M12)、弹簧h(S8)设置在左膝关节处，共同形成一个自由度的约束；

气动人工肌肉m(M13)、气动人工肌肉n(M14)、弹簧i(S9)、弹簧j(S10)设置在右脚踝关节处，气动人工肌肉m(M13)一端与右小腿侧面相连，另一端与右脚踝关节侧面相连，弹簧i(S9)对称布置在右脚踝关节另一侧面上，形成约束右脚踝关节的横滚运动方向的约束；气动人工肌肉n(M14)一端与右小腿正面相连，另一端与右脚踝关节正面相连，弹簧j(S10)对称布置在右脚踝关节另一侧面上，形成约束右脚踝关节的俯仰运动方向的约束；同理，气动人工肌肉o(M13)、气动人工肌肉p(M16)、弹簧k(S11)、弹簧l(S12)设置在左膝关节处，共同形成两个个自由度的约束；

气动人工肌肉(M1)-(M16)的控制是通过主控芯片控制电磁阀，从而控制空气压缩机及气罐1对气动人工肌肉(M1)-(M16)的进气量与出气量控制，上述连通电磁阀与气动人工肌肉(M1)-(M16)的是快速接头(J1)-(J7)，具体而言，快速接头(J1)-(J7)中，(J1)为七通快速接头a，(J2)、(J3)是五通快速接头b、五通快速接头c，(J4)、(J5)、(J6)、(J7)、(J8)是三通快速接头d、三通快速接头e、三通快速接头f、三通快速接头g，从而实现将气源中的气体输送到各个关节处；主控芯片通过气管连通快速接头的接口(j1)，而接口(j2)-(j17)分别连接电磁阀。

2.一种基于气动人工肌肉的双足仿人机器人系统的控制方法，其特征在于：该方法控制系统采用主控芯片控制电磁阀，进而控制底层气动人工肌肉的收缩；其特征在于主控芯片安装在机器人上，能够实现对机器人行走的自主控制，安装在机器人身上的传感器则将机器人步态数据反馈给主控芯片，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；在每个控制周期，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。