CN104986239A - 一种欠驱动双足机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种欠驱动双足机器人，它包括腰部、腿部和脚掌，所述腿部的上端与腰部通过髋关节连接，所述腿部的下端与脚掌通过踝关节连接，其特征在于：所述的踝关节包括沿腿部中轴线所在的任意三个不相重叠的竖直平面分别设置的三个主动杆，主动杆的上端均分别与腿部铰接，各主动杆的下端均分别铰接有一从动杆，各从动杆的下端与脚掌之间均分别通过各自的球形接头连接。本发明提供一种关节上任意角度的转动均由多个驱动器联动控制，从而使关节任意角度转动的灵活度好，精度高的欠驱动双足机器人。

Description

一种欠驱动双足机器人
技术领域
本发明涉及机器人的技术领域，具体地是一种欠驱动双足机器人。
背景技术
双足机器人是一种仿人型机器人，其行走机构通过控制多个运动副工作实现类似于人类双足交替前进的运动方式。因此较现有技术中的履带式或者轮式机器人而言，具有更好的逾越障碍物的能力。例如申请公开号为CN103010330A的双足步行机器人、申请公开号为CN104228993A的一种快速行走的双足机器人。但是现有的双足机器人，其行走机构中一个运动副的转动对应一个驱动器，因此不仅所需的驱动器和转动机构数量多，而且对于需要多个转动副实现联动的情况，其转动的灵活度差、精度低，这也是行业内的现有仿人型机器人渴望实现拟人快速行走的难题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种关节上任意角度的转动均由多个驱动器联动控制，从而使关节任意角度转动的灵活度好，精度高的欠驱动双足机器人。
本发明所采取的技术方案是：提供一种欠驱动双足机器人，它包括腰部、腿部和脚掌，所述腿部的上端与腰部通过髋关节连接，所述腿部的下端与脚掌通过踝关节连接，且所述腿部和脚掌均为成对设置，所述的踝关节包括沿腿部中轴线所在的任意三个不相重叠的竖直平面分别设置的三个主动杆，主动杆的上端均分别与腿部铰接，各主动杆的下端均分别铰接有一从动杆，各从动杆的下端与脚掌之间均分别通过各自的球形接头连接，所述腿部上设有用于驱动各自的主动杆沿腿部中轴线所在的竖直平面摆动的驱动电机。
采用以上结构后，本发明的一种欠驱动双足机器人与现有技术相比具有以下优点：首先，通过踝关节中的三个主动杆带动从动杆转动，可以使脚掌做任意角度的转动，三个驱动电机联动控制更加灵活，其次可以调节脚掌相对于腿部的升降，起到一定的左右腿长度的平衡调节，不仅利于各种不平整的复杂地形，同时也能起到左右平衡控制，防止侧向倾倒。而常规的现有双足机器人为了达到防止侧向倾倒的目的，仍然需要额外增加其他平衡设备。
作为一种改进，各主动杆的长度均相同、各从动杆的长度均相同。
作为另一种改进，所述踝关节内位于三个主动杆之间还设有弹性支撑块，所述弹性支撑块的上端与腿部的下端固定，弹性支撑块的下端与脚掌的上端固定。由于双足机器人的所有重量均压于踝关节上，因此长期承重过程容易导致踝关节损坏，而通过增设弹性支撑块可以减轻主动杆、从动杆的扭矩，同时也减少了驱动电机的负载。
作为优选，所述弹性支撑块为带有密闭空腔的气垫块，所述气垫块的空腔内设有用于加热空腔内气体的加热块。通过调节空腔内温度，可以改变弹性支撑块的弹力，因此根据不同的要求可以便于调节弹性支撑块所需输出的弹性支撑力。
作为还一种改进，髋关节包括第一气缸、第二气缸、第三气缸，各气缸的缸体部分与腰部之间以及各气缸的活塞杆部分与腿部的上端之间均通过一万向接头连接，且位于腰部上的三个万向接头之间以及位于腿部上的三个万向接头之间均不在同一直线上。通过三个气缸协同作用可以达到三个转动副的控制，因此，便于髋关节的各个角度的转向，同时通过气缸控制，不仅噪音小，而且也避免了齿轮调节中，齿间隙导致的误差。
作为优选，所述的一种双足机器人还包括用于控制各关节中的驱动机构的控制器。通过控制器可以控制踝关节中的驱动电机的工作从而控制踝关节的转向，也可以控制加热块的工作，另外，同样可以控制各气缸的气压变化。
进一步地，所述脚掌底部设有若干压力感应器，所述压力感应器与控制器电连接。
附图说明
图1是本发明的一种欠驱动双足机器人的结构示意图。
图2是本发明的一种欠驱动双足机器人的侧视图。
图3是本发明的踝关节部分的局部放大结构示意图。
图4是本发明的髋关节部分的局部放大结构示意图。
图5是本发明的踝关节部分的结构简图。
其中，1、腰部，2、腿部，3、脚掌，4、髋关节，4.1、第一气缸，4.2、第二气缸，4.3、第三气缸，5、踝关节，5.1、主动杆，5.2、从动杆，6、球形接头，7、弹性支撑块，8、控制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
本文所述的髋关节4的定义，是指一种用于连接腰部和腿部，且使腿部相对腰部做多个角度的转动的转动机构，即模拟人体构造中的大腿与盆骨之间的髋关节。同理，踝关节是指用于连接腿部与脚掌之间的多角度转动机构，即模拟人体构造中的脚掌和小腿下端的踝关节。
如图所示，本发明提供一种欠驱动双足机器人，它包括腰部1、腿部2和脚掌3，所述腿部2的上端与腰部1通过髋关节4连接，所述腿部2的下端与脚掌3通过踝关节5连接，且所述腿部2和脚掌3均为成对设置。所述的踝关节5包括沿腿部2中轴线所在的任意三个不相重叠的竖直平面分别设置的三个主动杆5.1，各主动杆5.1的上端均分别与腿部2铰接，各主动杆5.1的下端均分别铰接有一从动杆5.2，各从动杆5.2的下端与脚掌3之间均分别通过各自的球形接头6连接，所述腿部上设有用于驱动各自的主动杆5.1沿腿部2中轴线所在的竖直平面摆动的驱动电机。
上述的腿部2和脚掌3均为成对设置是指，腿部分为左腿和右腿，脚掌3分为左脚掌和右脚掌，所述的腿部2和脚掌3均为对称设于腰部上的两个。
上述的各主动杆5.1、从动杆5.2与腿部的位置关系是指，一个主动杆5.1对应一个从动杆5.2与腿部的中轴线构成一个竖直平面，且主动杆5.1和从动杆5.2仅在所对应的竖直平面内转动。即，三个主动杆5.1与腿部2的中轴线分别构成三个不相重叠的竖直平面。也就是说，一个主动杆5.1对应一个从动杆5.2和一个对应的驱动电机，由此使一个主动杆5.1与该主动杆5.1对应的从动杆5.2在一个竖直平面内摆动，同理，另外的两组主动杆5.1也带动各自对应的从动杆5.2在过腿部2的中轴线的不同竖直平面内摆动。由此通过三点构成平面的原理控制脚掌所在平面的转动。
另外，当三个主动杆5.1同时联动时可以实现脚掌3与腿部2下端之间距离的变化，换句话说，脚掌3可以沿腿部2的轴线方向运动，即脚掌可以实现升降的微调，因此对于左右高低不平的路面，通过感应器反馈信号至控制器，实现左右脚掌2上的踝关节上的差别控制，实现左右均衡，最终使本发明的双足机器人可以在不平整的道路上平稳的行走。
作为优选，各主动杆5.1的长度均相同，各从动杆5.2的长度也均相同。在三个主动杆5.1和从动杆5.2的长度均相同时，其复位到初始位置时，即脚掌与地面平行，而腿部垂直于脚掌时，各个主动杆5.1和从动杆5.2受到的作用力相同，达到最优化。当然通过简单的计算可知，单侧的主动杆5.1和从动杆5.2长度过短则无法达到本发明的技术目的，这些根据实际的长度尺寸需要进行简单的计算即可得到三个主动杆5.1和从动杆5.2之间的尺寸要求。故，在此不进行赘述。
所述踝关节5内位于三个主动杆5.1之间还设有弹性支撑块7，所述弹性支撑块7的上端与腿部2的下端固定，弹性支撑块7的下端与脚掌3的上端固定。所述弹性支撑块7设于三个主动杆5.1、三个从动杆5.2以及脚掌3的上端面和腿部下端面所围成的容腔内。
所述弹性支撑块7为带有密闭空腔的气垫块，所述气垫块的空腔内设有用于加热空腔内气体的加热块。所述空腔内可以设有加热电源用于对加热块进行加热，且所述加热电源可以与机器人的控制单元信号连接。
髋关节4包括第一气缸4.1、第二气缸4.2、第三气缸4.3，各气缸的缸体部分与腰部1之间以及各气缸的活塞杆部分与腿部2的上端之间均通过一万向接头连接，且位于腰部1上的三个万向接头之间以及位于腿部2上的三个万向接头之间均不在同一直线上。通过各个气缸的伸缩，从而实现腿部2的不同方位的摆动。当然各气缸所需的气源可以通过外部气源输入，可以在本发明的机器人上设置空压机，通过空压机和多通气阀实现对于多个气缸的供气。
上述的腰部1上的三个万向接头之间以及位于腿部2上的三个万向接头之间均不在同一直线上是指，位于腰部1上的三个万向接头的安装位置不在同一直线上，即保证三个万向接头可以确定一个平面，同理腿部2上的三个万向接头的安装位置也不在同一直线上，由此当三个气缸的长度伸缩变化时，可以控制腿部2上端所在平面的角度转动，由此控制腿部2的各个方向的位置变化。
所述的一种双足机器人还包括用于控制各关节中的驱动机构的控制器8。具体地，所述控制器8用于控制各驱动电机的工作、和/或控制加热块的工作、和/或控制各气缸的工作。
所述脚掌3底部设有若干压力感应器，所述压力感应器与控制器8电连接。
在本行业的行走机器人领域中，驱动单元等于或者大于活动单元数量的情况称之为全驱动机器人，顾名思义，全驱动机器人的各个活动关节均由驱动机构进行驱动，由于其活动单元均受驱动机构控制，因此较容易实现行走，现有的行走机器人也多在全驱动领域范畴，而相对的，驱动单元少于活动单元数量的欠驱动领域则发展较为缓慢，本发明正是在欠驱动行走机器人领域上作出了极大的贡献。通过踝关节的三个驱动单元可以控制踝关节三个转动方向和一个轴向移动方向的运动，实现了欠驱动。

Claims (7)

1.一种欠驱动双足机器人，它包括腰部(1)、腿部(2)和脚掌(3)，所述腿部(2)的上端与腰部(1)通过髋关节(4)连接，所述腿部(2)的下端与脚掌(3)通过踝关节(5)连接，且所述腿部(2)和脚掌(3)均为成对设置，其特征在于：所述的踝关节(5)包括沿腿部(2)中轴线所在的任意三个不相重叠的竖直平面分别设置的三个主动杆(5.1)，主动杆(5.1)的上端均分别与腿部(2)铰接，各主动杆(5.1)的下端均分别铰接有一从动杆(5.2)，各从动杆(5.2)的下端与脚掌(3)之间均分别通过各自的球形接头(6)连接，所述腿部上设有用于驱动各自的主动杆(5.1)沿腿部(2)中轴线所在的竖直平面摆动的驱动电机(5.3)。
2.根据权利要求1所述的一种欠驱动双足机器人，其特征在于：各主动杆(5.1)的长度均相同、各从动杆(5.2)的长度均相同。
3.根据权利要求1所述的一种欠驱动双足机器人，其特征在于：所述踝关节(5)内位于三个主动杆(5.1)之间还设有弹性支撑块(7)，所述弹性支撑块(7)的上端与腿部(2)的下端固定，弹性支撑块(7)的下端与脚掌(3)的上端固定。
4.根据权利要求3所述的一种欠驱动双足机器人，其特征在于：所述弹性支撑块(7)为带有密闭空腔的气垫块，所述气垫块的空腔内设有用于加热空腔内气体的加热块。
5.根据权利要求1所述的一种欠驱动双足机器人，其特征在于：髋关节(4)包括第一气缸(4.1)、第二气缸(4.2)、第三气缸(4.3)，各气缸的缸体部分与腰部(1)之间以及各气缸的活塞杆部分与腿部(2)的上端之间均通过一万向接头连接，且位于腰部(1)上的三个万向接头之间以及位于腿部(2)上的三个万向接头之间均不在同一直线上。
6.根据权利要求1～5中的任意一项所述的一种欠驱动双足机器人，其特征在于：所述的一种双足机器人还包括用于控制各关节中的驱动机构的控制器(8)。
7.根据权利要求6所述的一种欠驱动双足机器人，其特征在于：所述脚掌(3)底部设有若干压力感应器，所述压力感应器与控制器(8)电连接。
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