CN104890756A - 一种三维仿人双足步行机器人的机械结构及行走方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维仿人双足步行机器人的机械结构，从上至下依次包括躯干、对称设置的两个髋关节、角平分机构、手臂-大腿耦合机构及对称设置的腿机构，其中，每一侧腿机构从上至下依次包括大腿、膝关节、小腿、踝关节及足底；躯干上安装有主控芯片。本发明基于被动力学相关原理，仿人程度高，有效解决了现有机器人能源效率低、步态僵硬的问题。可作为外骨骼帮助残疾人实现行走，并且可以在未来战争中充当代步设备，提升单兵作战能力。本发明还公开了一种三维仿人双足步行机器人的机械结构的行走方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，更具体是涉及一种基于被动力学的三维仿人双足步行机器人的机械结构及行走方法。
背景技术
本发明是关于一种仿人步行机器人的设计。顾名思义，仿人机器人是从机器人的形态和功能的角度来进行定义的，区别于工业机器人的概念，仿人机器人具有和人体相类似的外形。从移动方式上来说，仿人机器人区别于多足步行和轮履等复合式底盘移动的方式，利用和人步行类似的双腿交替运动实现行走。在所有的类人行为中，机器人应当具有的最大特征之一就是步行功能，因此，仿人双足步行机器人的研究对于深入解析人类步行原理和助力行走，人工假肢等帮助残障人士实现行走的医疗器械的研究具有良好的应用价值。
被动式仿人步行机器人就是一种动态行走的双足步行机器人，它的研究主要是从降低能耗的角度出发，可以分成完全被动和半被动两种形式。完全被动的仿人步行机器人能够依靠重力作用沿着斜坡(倾斜1°—3°)稳定行走，半被动式的仿人步行机器人是在个别关节部位提供微小的能量输入使得机器人能够在平地上行走。最早的被动式步行机器人是在1988年以玩具的形式出现的，由于被动双足步行机器人的行走模式和人的行走机理更加接近，成为目前仿人步行研究的又一热点。目前，国内对被动步行机器人的研究正在如火如荼的开展着，本发明较专利CN201210207721和专利CN200810225507来说具有仿人程度高，机械结构更加简单的特点。
被动仿人双足步行机器人将机械结构和被动动力学特性相结合，这种机器人在行走过程中具有相应机械特性的同时，还具备和人类步行相类似的能量消耗。这一点是主动式仿人双足步行机器人不能相比的。正是这种特有的行走模式，使得被动仿人双足步行机器人具有很大的研究价值，有利于揭示人类行走机理以及仿人双足步行的控制原理。被动仿人双足步行机器人的研制还可以促进助力行走设备的研制，这种设备可以作为外骨骼帮助残疾人实现行走，并且可以在未来战争中充当代步设备，提升单兵作战能力。
发明内容
发明目的：针对传统的主动式仿人双足步行机器人耗能大、控制原理复杂等缺陷，本发明将基于被动力学相关原理，设计一种仿人程度高，能够实现三维被动步行的双足仿人机器人机械结构。
为实现上述目的，本发明的具体技术方案是：
一种三维仿人双足步行机器人的机械结构，从上至下依次包括躯干、对称设置的两个髋关节、角平分机构、手臂-大腿耦合机构及对称设置的双腿机构，其中，每一侧腿机构从上至下依次包括大腿、膝关节、小腿、踝关节及足底；
所述的躯干包括躯体、半固定环、连接环、轴承及轴承挡圈；其中，躯体的底部固定连接连接环，所述躯体上滑动连接滑块；
所述两个髋关节同轴水平布置在所述躯体的底部，躯体的底部设有用于与两个髋关节转动连接的连接环装置；每个髋关节和同侧的手臂固定连接；
所述的角平分机构包括两根连杆连接轴、四个连杆及两个曲柄；其中，每个所述髋关节上分别固定连接一个曲柄的一端，两个曲柄的另一端分别通过一个连杆连接轴与两个连杆转动连接，四个所述连杆两两交叉组合成两组后再分别和躯干上的滑块铰接，所述滑块上设有供铰接的连接轴；
所述手臂-大腿耦合机构包括分别布置在两个髋关节上的两组，每组包括大腿连接套筒和L型连接板，其中，L型连接板包括纵向直角边和横向直角边，纵向直角边与大腿连接套筒固定连接，横向直角边与角平分机构上的其中一根连杆连接轴固定连接，两个直角边的交汇处与同侧所述髋关节转动连接；
所述的膝关节包括电磁铁、电磁铁固定套筒、限位挡板、下连接套筒、上连接套筒、膝关节轴承及销轴，其中，大腿和小腿分别固定在下连接套筒和上连接套筒上，下连接套筒和上连接套筒之间通过销轴及轴承转动连接，大腿上固定连接有电磁铁固定套筒，电磁铁固定套筒上固定连接电磁铁，所述下连接套筒上固定连接所述限位挡板；
所述的踝关节包括万向节、弹簧连接套筒、足底连接套筒、足底连接板和弹簧；其中，弹簧连接套筒的上部与小腿固定连接，中部通过万向节连接足底连接套筒，足底连接套筒的底部固定连接足底连接板，所述弹簧连接套筒的下底面和足底连接板的上表面之间纵向布置三组弹簧。
进一步的，所述弹簧连接套筒上设有弹簧调节螺钉、调节螺母，所述足底连接板的上表面固定连接有弹簧固定螺钉，所述所述弹簧的上端与弹簧调节螺钉非螺纹端连接，另一端与弹簧固定螺钉连接，弹簧调节螺钉的螺纹端上螺纹连接调节螺母。
进一步的，所述连接环内左、右对称的设有两个轴承，所述两个轴承的内圈分别与一个髋关节固定连接。
本发明还公开了一种三维仿人双足步行机器人的机械结构的行走方法，
根据行走过程的不同状态，将整个步行周期分为四个相态；相态一支撑腿的膝关节锁合，支撑腿上的大腿和小腿不会发生相对旋转；此时，摆动腿的膝关节放开，进行自由摆动，系统为三个自由度；
当摆动腿上的小腿和大腿摆动到同一条直线上时，摆动腿上限位挡板的压力传感器会受到膝关节的限位挡板和电磁铁的挤压，压力传感器将接收到的碰撞信号传递给主控芯片，主控芯片接收到该信号之后发出指令控制电磁铁通电，摆动腿膝关节锁合，此时为相态二，系统变为两个自由度；
在相态三中，机器人变为双直腿结构，大腿和小腿以同样的角速度摆动，系统具有两个自由度；
当足底曲面板和地面发生碰撞之后，微动开关将被触碰，此时，摆动腿和支撑腿角色互换，该状态为相态四。
微动开关检测到足底曲面板和地面发生碰撞，将碰撞信号传递给主控芯片，主控芯片发出指令让原支撑腿的电磁铁断电，原支撑腿的膝关节打开，原支撑腿变为摆动腿，此时又变回三自由度，行走状态将回到相态一。
本发明的有益效果：
第一、所述角平分机构有效组合了两个曲柄滑块机构，将滑块运行的轨迹限定在两个曲柄夹角的角平分线上，从而进一步将躯干的运动限定在大腿夹角的角平分线上，达到了减少系统自由度的目的。
第二、所述足底采用了一种特殊的曲面，这个曲面从机器人正面和侧面看过去都是一个圆弧，这个曲面使得该被动步行机器人在行走过程中具有前后摆动和侧向摆动两个方向的运动，对机器人的行走路径进行引导。
第三、手臂-大腿耦合机构、柔性踝关节、足底曲面的共同作用，避免双足被动步行机器人行走过程中的偏航。
附图说明
图1为三维仿人双足步行机器整体结构图；
其中，1、躯干；2、角平分机构；3、膝关节；4、踝关节；5、足底；6、手臂-大腿耦合机构；
图2为躯干整体结构图；
其中，11、轴承挡圈；12、连接轴；13、躯体；14、滑块；15、半固定环；16、轴承；17、连接环；
图3为角平分机构结构图；
其中，21、连杆连接轴；22、连杆；23、髋关节；24、曲柄；
图4为膝关节结构图；
其中，31、小腿；32、下连接套筒；33、上连接套筒；34、电磁铁固定套筒；35、大腿；36、电磁铁；37、限位挡板；38、膝关节轴承；39、销轴；
图5图4的A向视图；
图6为踝关节、足底结构图；
其中，41、弹簧固定螺钉；42、弹簧调节螺钉；43、弹簧连接套筒；44、调节螺母；45、弹簧；46、万向节；47、足底连接套筒；51、足底连接板；52、足底曲面板；
图7为手臂-大腿耦合机构结构图；
其中，61、手臂；(62、63)套筒；64、大腿连接套筒；65、L型连接板；
图8为被动步行机器人行走过程原理图；
图9为被动步行机器人运行过程流程图；
图10为控制系统的原理图。
具体实施方式
下面结合附图，进一步阐述本发明。
如图1所示，本发明的机械本体结构可以按照功能分为躯干1、角平分机构2、膝关节3、踝关节4、足底5、手臂-大腿耦合机构6，共6个部分。
如图2所示，所述躯干1主要由轴承挡圈11、半固定环15、连接轴12、滑块14、躯体13、连接环17、螺栓13、轴承16组成。滑块14可以在躯体13上进行滑动并通过连接轴12和角平分机构的连杆22进行连接。半固定环15将躯体和连接环通过螺栓固定，轴承挡圈11用于限制轴承在连接环17中的轴向移动。这样的结构设计可以让躯干1在髋关节23上自由转动。
如图3所示，所述的角平分机构2主要是由两组曲柄滑块机构共同组成。每组曲柄滑块机构包含连杆连接轴21、连杆22、曲柄24。每个曲柄24和一个髋关节23固定连接，每一个连杆连接轴21上安装有两个连杆22，连杆22可以绕连杆连接轴21自由转动，这四个连杆22交叉组合成两组分别和滑块14铰接，以确保两个滑块14的运动保持一致。由于滑块14的运动被限定在躯干1上，因此，躯干1的位姿始终保持在和滑块14铰接的两个连杆22的夹角平分线上。
如图4和图5所示，所述的膝关节3连接了大腿35和小腿31，其主要是由电磁铁36、电磁铁固定套筒34、限位挡板37、下连接套筒32、上连接套筒33、膝关节轴承38、销轴39和一些用来固定的螺栓、螺母组成。大腿35和小腿31分别固定在下连接套筒32和上连接套筒33上，两者可以绕销轴39自由转动。限位挡板37和下连接套筒32固连，帮助实现关节锁合并限制膝关节3的转角不超过180度，电磁铁36和电磁铁固定套筒34固连，电磁铁固定套筒34和大腿35固连，随着大腿35一同摆动。膝关节3会在特定的时间内锁合，来提升机器人行走的稳定性。
如图6所示，所述的踝关节4连接了小腿31和足底曲面板52，它主要是由万向节46、弹簧固定螺钉41、弹簧调节螺钉42、弹簧调节螺母44、弹簧连接套筒43、足底连接套筒47、足底连接板51和弹簧45组成。万向节46具有很高的自由度，万向节46的两端分别和弹簧45、连接套筒43、足底连接套筒47固连，其中弹簧连接套筒43和小腿31固连，足底连接套筒47和足底连接板51固连。
弹簧连接套筒43上和足底连接板51上安装有三组弹簧调节装置，每一组包含一个弹簧固定螺钉41、一个弹簧调节螺钉42和一个弹簧调节螺母44，其中弹簧固定螺钉41和足底连接板51固连。弹簧调节螺钉42和弹簧固定螺钉41之间通过弹簧45拉紧连接。通过弹簧调节螺母44旋转来改变弹簧调节螺钉42的伸长长度，从而达到调节踝关节4刚度的作用，确保行走的稳定性。
如图7所示，所述手臂-大腿耦合机构6将一侧手臂61的运动和异侧大腿34的运动进行同步，符合人类步行机理。该机构中大腿34通过大腿连接套筒64和L型连接板65，L型连接板65可以绕同侧的髋关节23旋转，髋关节23和同侧的手臂61固定连接。L型连接板65通过连杆连接轴21将动力传递给异侧的曲柄24，该曲柄24和与其同侧的髋关节23固定连接。
曲柄24会带动与其同侧的髋关节23旋转，髋关节23带动与其同侧的手臂61旋转。这样，一侧大腿34的运动就和异侧手臂61的运动相同步。髋关节23上安装有用来定位的套筒62，,连杆连接轴21上安装有用来定位的套筒63，使用螺纹连接件对相关零件进行安装固定。
为了提高行走稳定性，在膝关节3安装了自锁结构，利用电磁铁36的吸力限制小腿31和大腿35的相对运动。
系统行走时，支撑腿的膝关节会保持自锁状态；摆动腿在摆动过程中，膝关节发生碰撞之后会自锁；摆动腿触地之后，变为支撑腿，原支撑腿膝关节会打开。
进一步的，所述的足底5采用了一种特殊曲面，这个曲面从机器人正面和侧面看过去都是一个圆弧，这个曲面使得该被动步行机器人在行走过程中具有前后摆动和侧向摆动两个方向的运动。
如图8所示，是该被动步行机器人行走过程原理图。
一个行走过程可以分为四个相态,通过不同相态之间的转化来实现周期步行,每个相态对应图7的a、b、c、d。将该机器人放置在倾斜3度的斜坡上。支撑腿的膝关节锁合，摆动腿的膝关节打开。在初始状态下，给摆动腿一个摆动的初始速度，在重力作用下，机器人能够自动走下斜坡，不需要提供额外的驱动力。当摆动腿的小腿和大腿摆动到同一条直线的时候，摆动腿膝关节发生碰撞并锁死。此时的被动步行机器人变为两个自由度，进入相态三，继续摆动。当摆动腿足地发生碰撞之后，进入相态四。摆动腿和支撑腿角色互换，原支撑腿的膝关节打开，机器人变为三个自由度。此时的运行状态回到相态一。
通过一定步数的行走，机器人的步态会逐步收敛到稳定状态，即相态四的结束状态和相态一的起始状态保持一致。
结合图9和图10，一种三维仿人双足步行机器人的机械结构的行走方法如下：
根据行走过程的不同状态，将整个步行周期分为四个相态；相态一支撑腿的膝关节锁合，支撑腿上的大腿和小腿不会发生相对旋转；此时，摆动腿的膝关节放开，进行自由摆动，系统为三个自由度；
当摆动腿上的小腿和大腿摆动到同一条直线上时，摆动腿上限位挡板的压力传感器会受到膝关节的限位挡板和电磁铁的挤压，压力传感器将接收到的碰撞信号传递给主控芯片，主控芯片接收到该信号之后发出指令控制电磁铁通电，摆动腿膝关节锁合，此时为相态二，系统变为两个自由度；
在相态三中，机器人变为双直腿结构，大腿和小腿以同样的角速度摆动，系统具有两个自由度；
当足底曲面板和地面发生碰撞之后，微动开关将被触碰，此时，摆动腿和支撑腿角色互换，该状态为相态四。
微动开关检测到足底曲面板和地面发生碰撞，将碰撞信号传递给主控芯片，主控芯片发出指令让原支撑腿的电磁铁断电，原支撑腿的膝关节打开，原支撑腿变为摆动腿，此时又变回三自由度，行走状态将回到相态一。
Claims (5)
1.一种三维仿人双足步行机器人的机械结构，其特征在于，从上至下依次包括躯干(1)、对称设置的两个髋关节(23)、角平分机构(2)、手臂-大腿耦合机构(6)及对称设置的腿机构，其中，每一侧腿机构从上至下依次包括大腿(35)、膝关节(3)、小腿(31)、踝关节(4)及足底(5)；躯干(1)上安装有主控芯片；
所述的躯干(1)包括躯体(13)、半固定环(15)、连接环(17)、轴承(16)及轴承挡圈(11)；其中，躯体(13)的底部固定连接连接环(17)，所述躯体(13)上滑动连接滑块(14)；
所述两个髋关节(23)同轴水平布置在所述躯体(13)的底部，躯体(13)的底部设有用于与两个髋关节(23)转动连接的连接环装置；每个髋关节(23)和同侧的手臂固定连接；
所述的角平分机构(2)包括两根连杆连接轴(21)、四个连杆(22)及两个曲柄(24)；其中，每个所述髋关节(23)上分别固定连接一个曲柄(24)的一端，两个曲柄(24)的另一端分别通过一个连杆连接轴(21)与两个连杆(22)转动连接，四个所述连杆(22)两两交叉组合成两组后再分别和躯干(1)上的滑块(14)铰接，所述滑块(14)上设有供铰接的连接轴(12)；
所述手臂-大腿耦合机构(6)包括分别布置在两个髋关节(23)上的两组，每组包括大腿连接套筒(64)和L型连接板(65)，其中，L型连接板(65)包括纵向直角边和横向直角边，纵向直角边与大腿连接套筒(64)固定连接，横向直角边与角平分机构(2)上的其中一根连杆连接轴(21)固定连接，两个直角边的交汇处与同侧所述髋关节(23)转动连接；
所述的膝关节(3)包括压力传感器、电磁铁(36)、电磁铁固定套筒(34)、限位挡板(37)、下连接套筒(32)、上连接套筒(33)、轴承(38)及销轴(39)，其中，大腿(35)和小腿(31)分别固定在下连接套筒(32)和上连接套筒(33)上，下连接套筒(32)和上连接套筒(33)之间通过销轴(39)及膝关节轴承(38)转动连接，大腿(35)上固定连接有电磁铁固定套筒(34)，电磁铁固定套筒(34)上固定连接电磁铁(36)，所述下连接套筒(32)上固定连接所述限位挡板(37)；
所述的踝关节(4)包括万向节(46)、弹簧连接套筒(43)、足底连接套筒(47)、足底连接板(51)和弹簧(45)；其中，弹簧连接套筒(43)的上部与小腿(31)固定连接，中部通过万向节(46)连接足底连接套筒(47)，足底连接套筒(47)的底部固定连接足底连接板(51)，所述弹簧连接套筒(43)的下底面和足底连接板(51)的上表面之间纵向布置三组弹簧(45)；所述足底连接板(51)的下方具有足底曲面板(52)；足底曲面板(52)上设有微动开关。
2.根据权利要求1所述的三维仿人双足步行机器人的机械结构，其特征在于，所述弹簧连接套筒(43)上设有弹簧调节螺钉(42)、调节螺母(44)，所述足底连接板(51)的上表面固定连接有弹簧固定螺钉(41)，所述弹簧(45)的上端与弹簧调节螺钉(42)非螺纹端连接，另一端与弹簧固定螺钉(41)连接，弹簧调节螺钉(42)的螺纹端上螺纹连接调节螺母(44)。
3.根据权利要求1所述的三维仿人双足步行机器人的机械结构，其特征在于，所述连接环(17)内左、右对称的设有两个轴承(16)，所述两个轴承(16)的内圈分别与一个髋关节(23)固定连接。
4.根据权利要求1所述的三维仿人双足步行机器人的机械结构，其特征在于，所述髋关节(23)和连杆连接轴(21)上分别通过螺纹连接件安装有用来定位的套筒。
5.一种如权利要求1—4中任一所述的三维仿人双足步行机器人的机械结构的行走方法，其特征是，根据行走过程的不同状态，将整个步行周期分为四个相态；相态一支撑腿的膝关节(3)锁合，支撑腿上的大腿(35)和小腿(31)不会发生相对旋转；此时，摆动腿的膝关节(3)放开，进行自由摆动，系统为三个自由度；
当摆动腿上的小腿和大腿摆动到同一条直线上时，摆动腿上限位挡板(37)的压力传感器会受到膝关节的限位挡板(37)和电磁铁(36)的挤压，压力传感器将接收到的碰撞信号传递给主控芯片，主控芯片接收到该信号之后发出指令控制电磁铁(36)通电，摆动腿膝关节(3)锁合，此时为相态二，系统变为两个自由度；
在相态三中，机器人变为双直腿结构，大腿(35)和小腿(31)以同样的角速度摆动，系统具有两个自由度；
当足底曲面板(52)和地面发生碰撞之后，微动开关将被触碰，此时，摆动腿和支撑腿角色互换，该状态为相态四。
微动开关检测到足底曲面板(52)和地面发生碰撞，将碰撞信号传递给主控芯片，主控芯片发出指令让原支撑腿的电磁铁断电，原支撑腿的膝关节打开，原支撑腿变为摆动腿，此时又变回三自由度，行走状态将回到相态一。
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