CN104688494B - 一种面向外骨骼助行机器人的重心调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向外骨骼助行机器人的重心调节装置，通过将该装置设置于机器人的足底，通过铰链调节机构的运转带动承重板在冠状面内的摆动，随重心的偏移调整机器人足底的左右摆角，调节重心平衡。使得机器人在关节结构简化的情况下仍具有冠状面内的运动自由度，并可以进行重心调整，增强机器人稳定性与灵活性，同时具有结构简单、控制容易等优点。

Description

一种面向外骨骼助行机器人的重心调节装置

技术领域

本发明属于外骨骼机器人技术领域，具体涉及一种面向外骨骼助行机器人的重心调节装置。

背景技术

外骨骼机器人是指套在人体外面的机器人，也称可穿戴的机器人，外骨骼是指为生物提供保护和支持的坚硬外部，具有支撑和保护作用，外骨骼机器人技术是融合传感、控制、信息、融合、移动计算，为作为操作者的人提供一种可穿戴的机械机构的综合技术。它将人的智能与外部机械动力装置的机械能量结合在一起，可以给人提供额外的动力和能力，增强人体机能，近年来外骨骼机器人的研究开发已经成为一个新的热点，并在军事、科研、工业生产和日常生活中逐步得到了广泛的应用。

目前，在外骨骼机器人或双足机器人的研究中，为简化机器人结构，通常将下肢的关节自由度进行简化，简化后的机器人具有矢状面内的运动自由度，但冠状面内的自由度通常被忽略，导致机器人很难实现重心切换和转弯等动作，同时降低了机器人的稳定性。

为了解决上述问题，现有机器人需要在冠状面内进行重心调节，但目前重心调节通常由增加髋关节、踝关节在冠状面的自由度来实现，这种方法使得机器人关节结构复杂，不易控制。

鉴于以上问题，有必要提出一种重心调节装置，能使机器人在关节结构简化的情况下仍具有冠状面内的运动自由度，并可以进行重心调整，增强机器人稳定性与灵活性，同时具有结构简单、控制容易等优点。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种面向外骨骼助行机器人的重心调节装置，通过将该装置设置于机器人的足底，随重心的偏移调整机器人足底的左右摆角，使得机器人在关节结构简化的情况下仍具有冠状面内的运动自由度，并可以进行重心调整，增强机器人的稳定性与灵活性，同时具有结构简单、控制容易等优点。

根据本发明的目的提出的一种面向外骨骼助行机器人的重心调节装置，所述重心调节装置包括固定设置的支撑板，设置于所述支撑板上方的承重板，所述支撑板与所述承重板间设置有铰链调节机构，机器人足底与所述承重板固定连接，通过铰链调节机构的运转带动承重板在冠状面内的摆动，实现机器人足底的左右摆动，调节重心平衡。

优选的，所述铰链调节机构包括左右设置的驱动铰链机构与辅助铰链机构；所述驱动铰链机构至少包括一组铰链杆与驱动机构，每组包括两根铰链杆，两根铰链杆的一端相互铰连接，驱动机构连接于两铰链杆的铰接处，一铰链杆的另一端与支撑板铰连接，另一铰链杆的另一端与承重板铰连接，驱动机构带动两根铰链杆移动调节两根铰链杆间的夹角，继而调整承重板的摆角；

所述辅助铰链机构包括两根固定杆，一固定杆一端固定连接承重板，另一固定杆一端固定连接支撑板，且两根固定杆间相互铰连接。

优选的，所述驱动铰链机构还包括连杆，所述连杆一端与驱动机构铰连接，另一端连接于两根铰链杆的铰接处。

优选的，所述驱动机构固定于所述承重板的底部，随承重板同步摆动，且驱动机构的运动方向与承重板相平行。

优选的，所述驱动机构包括驱动电机、传动带、丝杠螺母机构以及与螺母固定连接的滑块，所述滑块与连杆铰连接。

优选的，所述驱动铰链机构与辅助铰链机构为前后对称设置的两组。

优选的，所述驱动铰链机构包括对称设置的两组铰链杆、一根连杆与一组驱动机构，所述连杆的两端分别与两组铰链杆的铰接处铰接；所述驱动机构铰接于所述连杆的中间位置处。

优选的，所述承重板在冠状面内的左右偏转角度为-20°＜α＜20°。

与现有技术相比，本发明公开的面向外骨骼助行机器人的重心调节装置的优点是：

通过将该装置设置于机器人的足底，通过铰链调节机构的运转带动承重板在冠状面内的摆动，随重心的偏移调整机器人足底的左右摆角，调节重心平衡。使得机器人在关节结构简化的情况下仍具有冠状面内的运动自由度，并可以进行重心调整，增强机器人稳定性与灵活性，同时具有结构简单、控制容易等优点。

通过丝杠螺母机构来控制铰链调节结构的动作，运动范围较精确且机构稳定性较好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为冠状面的机器人受力简图。

图2机器人倾斜时的受力简图。

图3为足底偏转角度与重心偏移量之间的关系图。

图4为冠状面内重心调节装置的原理图。

图5为重心调节装置的结构示意图。

图6为铰链调节机构的结构示意图。

图7为驱动机构直线驱动距离与足底偏转角度的对应关系图。

图中的数字或字母所代表的相应部件的名称：

1、支撑板 2、承重板 3、驱动铰链机构 4、辅助铰链机构

31、第一铰链杆 32、第二铰链杆 33、连杆 34、滑块 35、驱动电机 36、传动带 37、丝杠螺母机构

41、第一固定杆 42、第二固定杆

具体实施方式

目前，在外骨骼机器人或双足机器人的研究中，为简化机器人结构，通常将下肢的关节自由度进行简化，简化后的机器人具有矢状面内的运动自由度，但冠状面内的自由度通常被忽略，导致机器人很难实现重心切换和转弯等动作，同时降低了机器人的稳定性。现有机器人在冠状面内的重心调节通常由增加髋关节、踝关节在冠状面的自由度来实现，这种方法使得机器人关节结构复杂，不易控制。

本发明针对现有技术中的不足，提供了一种面向外骨骼助行机器人的重心调节装置，通过将该装置设置于机器人的足底，随重心的偏移调整机器人足底的左右摆角，使得机器人在关节结构简化的情况下仍具有冠状面内的运动自由度，并可以进行重心调整，增强机器人稳定性与灵活性，同时具有结构简单、控制容易等优点。

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

重心计算及其调整原理：

如图1所示为简化的机器人冠状面内受力简图，在此平面内，机器人关节无运动自由度。建立O-xy坐标系，O点为单侧脚与地面接触点，y轴竖直向上，x指向另一侧脚。图中L代表腿部的长度，w代表双腿间的宽度，Lc代表腿部重心位置到地面的距离，m₁g代表腿部所受重力，m₂g代表躯干所受的重力。点G代表机器人重心在地面上的投影，G在x轴上，与O的距离设为e。

初始时刻，即身体处于直立的平衡状态，未发生重心偏移时，根据力平衡原理，所有力到重心投影点G的力矩和为0，即

$m_{1}g\·e+m_{2}g\·(e-\frac{1}{2}w)=m_{1}g\·(w-e)---\left(1\right)$

由(1)式可解得

$e=\frac{w}{2}$

因此，当机器人直立时，其重心位于身体中心在地面上的投影。

当机器人身体发生倾斜时，机器人单脚触地，如图2所示。此时需调整重心位置，使机器人平衡。设机器人倾斜角度θ，重心投影在x轴的位置为e，则所有力其对重心G的力矩平衡方程为

$m_{1}g\·(l_c\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+e)+m_{2}g\·(l\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)+e-\frac{1}{2}w\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right))=m_{1}g\·(w\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-l_c\·\sin \left(\mathrm{\θ}\right)-e)---\left(2\right)$

由式(2)可解得

$e=\frac{1}{2}w\·\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-\frac{2m_1{l}_c+m_{2}l}{2m_1+m_2}\sin \left(\mathrm{\θ}\right)---\left(3\right)$

由式(3)可知，对于某一重心位置，必须通过调整倾斜角使机器人稳定。

假设机器人结构参数L＝170cm，Lc＝51cm，w＝32cm，m₁＝12kg，m₂＝50kg，根据式(3)可计算足底偏转角度与重心偏移量之间的关系曲线，如图3所示。即当重心位置相对初始位置的偏移量大约为(-20cm～20cm)时，足底必须偏转角度(-12度～12度)，才可使机器人稳定。

请一并参见图4至图6，依据上述原理，本发明设计了一种面向外骨骼助行机器人的重心调节装置，该重心调节装置包括固定设置的支撑板1，设置于支撑板1上方的承重板2，支撑板1与承重板2间设置有铰链调节机构，机器人足底与承重板2固定连接，通过铰链调节机构的运转带动承重板2在冠状面内的摆动，实现机器人足底的左右摆动，调节重心平衡。

铰链调节机构包括左右设置的驱动铰链机构3与辅助铰链机构4；驱动铰链机构3至少包括一组铰链杆与驱动机构，每组包括两根铰链杆，两根铰链杆的一端相互铰连接，驱动机构连接于两铰链杆的铰接处，第一铰链杆31的另一端与支撑板1铰连接，第二铰链杆32的另一端与承重板2铰连接，驱动机构带动两根铰链杆移动调节两根铰链杆间的夹角，继而调整承重板的摆角。

辅助铰链机构包括两根固定杆，第一固定杆41一端固定连接承重板2，第二固定杆42一端固定连接支撑板1，且两根固定杆间相互铰连接。

驱动铰链机构还包括连杆33，连杆33一端与驱动机构铰连接，另一端连接于两根铰链杆的铰接处。通过驱动机构带动连杆移动将运动传递给铰链杆。

其中各铰链杆、固定杆以及连杆的长度根据具体研究需要而定，在此不做限制。

驱动机构固定于承重板2的底部，随承重板同步摆动，且驱动机构的运动方向与承重板相平行。驱动机构包括驱动电机35、传动带36、丝杠螺母机构37以及与螺母固定连接的滑块34，滑块34与连杆33铰连接。通过控制滑块移动的距离最终控制铰链杆处的夹角，继而控制承重板的摆角。其中驱动机构还可为气缸、导轨、滑块配合等驱动方式，在此不做限制。

本发明优选驱动铰链机构与辅助铰链机构为前后对称设置的两组。驱动铰链机构包括对称设置的两组铰链杆、一根连杆与一组驱动机构，连杆33的两端分别与两组铰链杆的铰接处铰接；驱动机构铰接于连杆33的中间位置处。通过一根连杆控制两组铰链杆摆动，实现摆动的同步性，避免出现前后位置处的摆动误差，提高承重板摆角的准确性。

承重板在冠状面内的左右偏转角度为-20°＜α＜20°。具体偏转角度根据实际需要而定，在此不做限制。

其中驱动铰链机构还可为对称设置的两组或多组，每组包括两根铰链杆、一根根连杆与一组驱动机构，多组驱动铰链机构前后均布设置，具体组数及设置方式不做限制。

该重心调节装置的原理如下：

参见图4，图中A、B、C、D、E为铰链，具有冠状面内的旋转自由度，F(滑块)为直线运动自由度。当需要调整重心时，F左右移动，则引起铰链A、B、C、D、E的旋转，BCD的角度发生变化，从而带动承重板相对支撑板的旋转，实现重心调整。

实施例

在图4中，在O点建立如图所示的O-xy坐标系。根据几何关系，可求得驱动F的位置与承重板相对x轴的倾斜角度。当给定初始参数AF＝25cm，AC＝34cm，BC＝32cm，GE＝22cm，CD＝30cm，OE＝20cm，BG＝89cm，OD＝95cm，计算得到的承重板的倾斜角度与驱动F的位置关系如图7所示。由图7可知，当F的位置由33～53时，可使承重板倾斜-12～12度，即可保证足底的偏转角度为-12～12度。具体偏转角度可由F的移动位置而定，在此不做限制。

本发明公开了一种面向外骨骼助行机器人的重心调节装置，通过将该装置设置于机器人的足底，通过铰链调节机构的运转带动承重板在冠状面内的摆动，随重心的偏移调整机器人足底的左右摆角，调节重心平衡。使得机器人在关节结构简化的情况下仍具有冠状面内的运动自由度，并可以进行重心调整，增强机器人稳定性与灵活性，同时具有结构简单、控制容易等优点。

通过丝杠螺母机构来控制铰链调节结构的动作，运动范围较精确且机构稳定性较好。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种面向外骨骼助行机器人的重心调节装置，其特征在于，所述重心调节装置包括固定设置的支撑板，设置于所述支撑板上方的承重板，所述支撑板与所述承重板间设置有铰链调节机构，机器人足底与所述承重板固定连接，通过铰链调节机构的运转带动承重板在冠状面内的摆动，实现机器人足底的左右摆动，调节重心平衡；

所述铰链调节机构包括左右设置的驱动铰链机构与辅助铰链机构；所述驱动铰链机构至少包括一组铰链杆与驱动机构，每组包括两根铰链杆，两根铰链杆的一端相互铰连接，驱动机构连接于两铰链杆的铰接处，一铰链杆的另一端与支撑板铰连接，另一铰链杆的另一端与承重板铰连接，驱动机构带动两根铰链杆移动调节两根铰链杆间的夹角，继而调整承重板的摆角；

所述辅助铰链机构包括两根固定杆，一固定杆一端固定连接承重板，另一固定杆一端固定连接支撑板，且两根固定杆间相互铰连接。

2.如权利要求1所述的面向外骨骼助行机器人的重心调节装置，其特征在于，所述驱动机构固定于所述承重板的底部，随承重板同步摆动，且驱动机构的运动方向与承重板相平行。

3.如权利要求1所述的面向外骨骼助行机器人的重心调节装置，其特征在于，所述驱动机构包括驱动电机、传动带、丝杠螺母机构以及与螺母固定连接的滑块。

4.如权利要求1所述的面向外骨骼助行机器人的重心调节装置，其特征在于，所述承重板在冠状面内的左右偏转角度为-20°＜α＜20°。

5.一种面向外骨骼助行机器人的重心调节装置，其特征在于，所述重心调节装置包括固定设置的支撑板，设置于所述支撑板上方的承重板，所述支撑板与所述承重板间设置有铰链调节机构，机器人足底与所述承重板固定连接，通过铰链调节机构的运转带动承重板在冠状面内的摆动，实现机器人足底的左右摆动，调节重心平衡；

所述铰链调节机构包括左右设置的驱动铰链机构与辅助铰链机构；所述驱动铰链机构至少包括一组铰链杆、连杆与驱动机构，每组包括两根铰链杆，两根铰链杆的一端相互铰连接，所述连杆一端与驱动机构铰连接，另一端连接于两根铰链杆的铰接处；一铰链杆的另一端与支撑板铰连接，另一铰链杆的另一端与承重板铰连接，驱动机构通过连杆带动两根铰链杆移动调节两根铰链杆间的夹角，继而调整承重板的摆角；

所述辅助铰链机构包括两根固定杆，一固定杆一端固定连接承重板，另一固定杆一端固定连接支撑板，且两根固定杆间相互铰连接。

6.如权利要求5所述的面向外骨骼助行机器人的重心调节装置，其特征在于，所述驱动铰链机构与辅助铰链机构为前后对称设置的两组。

7.如权利要求5所述的面向外骨骼助行机器人的重心调节装置，其特征在于，所述驱动机构包括驱动电机、传动带、丝杠螺母机构以及与螺母固定连接的滑块，所述滑块与连杆铰连接。

8.一种面向外骨骼助行机器人的重心调节装置，其特征在于，所述重心调节装置包括固定设置的支撑板，设置于所述支撑板上方的承重板，所述支撑板与所述承重板间设置有铰链调节机构，机器人足底与所述承重板固定连接，通过铰链调节机构的运转带动承重板在冠状面内的摆动，实现机器人足底的左右摆动，调节重心平衡；

所述铰链调节机构包括左右设置的驱动铰链机构与辅助铰链机构；所述驱动铰链机构包括对称设置的两组铰链杆、一根连杆与一组驱动机构，每组包括两根铰链杆，两根铰链杆的一端相互铰连接，所述连杆的两端分别与两组铰链杆的铰接处铰接；所述驱动机构铰接于所述连杆的中间位置处；一铰链杆的另一端与支撑板铰连接，另一铰链杆的另一端与承重板铰连接，驱动机构通过连杆带动两根铰链杆移动调节两根铰链杆间的夹角，继而调整承重板的摆角；

所述辅助铰链机构包括两根固定杆，一固定杆一端固定连接承重板，另一固定杆一端固定连接支撑板，且两根固定杆间相互铰连接。

9.如权利要求8所述的面向外骨骼助行机器人的重心调节装置，其特征在于，所述驱动机构包括驱动电机、传动带、丝杠螺母机构以及与螺母固定连接的滑块，所述滑块与连杆铰连接。