CN105599822A - 一种基于柔性驱动器的欠驱动双足步行机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于柔性驱动器的欠驱动双足步行机器人。该步行机器人由四个基于柔性驱动器的主动关节模块、大（小）腿连杆和两个欠驱动足部组成。其中，左右腿各有两个关节，分别为髋关节和膝关节，只具有俯仰自由度。足部为两个半圆柱构件，与地面之间发生滚动摩擦并绕接触线旋转。在所搭建的运动环境中，机器人整体可在矢状面内做平面运动。所发明的双足步行机器人四个关节均采用柔性驱动器，具有行走步态自然、能量效率高、有效减少驱动电机所承受碰撞产生的瞬时转矩、缓冲吸震等特点；欠驱动的方式使机器人具有节能、拟人的特点。该机器人可实现主动步行的功能，同时对环境适应性好，成本低、能耗低，可以广泛应用于医学、助残等仿人机器人的下肢结构。

Description

一种基于柔性驱动器的欠驱动双足步行机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种各主动关节均采用柔性驱动器的欠驱动双足步行机器人。

背景技术

仿人机器人是目前机器人技术发展领域最高级的体现，它们具有类人的外形，在结构和行走方式上也模仿人类。仿人机器人稳定运行的核心技术与研究难点是实现稳定的双足步行。

从机器人技术的发展历史来看，双足步行一直被认为是一项最高难度的挑战。早在著名的仿人机器人ASIMO、QRIO和HRP-2出现前的三十年中，双足步行一直是步行机器人技术发展的难点。最早的研究暨平台开发可以追溯到早1966年稻田大学的加藤一郎和1968年牛津大学的D.C.Witt所进行的研究工作。加藤一郎等人在1973年创建了世界上第一台具有双腿和双臂并受计算机控制的仿人机器人WABOT-1。虽然这是一项标志性的成果，但是WAB0T-1只能做到静态步行运动。在1980年前后，实现双足动态步行是一个重要的研究趋势，国内外很多研究人员开始积极从事相关理论研究和机器人平台的开发。到1986年，已开发出许多能实现动态步行运动的双足步行机器人。即便是在双足步行机器人已成功开发(以1996年本田推出仿人双足步行机器人P2为标志)了十多年的今天，实现稳定双足步行的步态规划和控制仍然是一个研究热点，国内外还有很多研究机构研究和开发各种双足步行机器人。

从生物力学角度，双足步行可以分为基于主动控制的运动和基于被动行走的运动。基于主动控制的双足步行中，一般在所有关节都施加驱动，各个关节的运动轨迹是事先规划好的，根据期望的关节轨迹，计算各时刻所需要施加的驱动力矩，用轨迹跟踪的方法控制机器人各关节准确跟踪事先规划的轨迹。这种控制方法的优点在于：可以对机器人的运动方式进行精确的规划，机器人可以在驱动器功率允许的范围内完成各种复杂的运动，便于实现对双足运动的精确控制；缺点在于：能量消耗大，效率低，对驱动器的性能要求较高，步态不自然，与实际人类运动相差较大。基于被动行走的双足运动，一般不对各个关节的运动轨迹进行精确的规划，直接施加较简单的驱动和控制即可实现行走。这种行走的优点在于：运动效率高，步态自然，接近人类实际步行运动，制作相对简单，易于实现；缺点在于：控制难度高，运动的稳定性不容易保证，难以实现上下楼梯，跨越障碍物等较复杂的运动。

显然，未来双足步行机器人的发展趋势，是将主动控制与被动行走相结合，制作出既有较高的效率和自然的步态又能实现多种运动、有较强实用性的机器人。在20世纪90年代，日本早稻田大学进行了柔性驱动的相关研究，研究者参考了人类行走时肌肉的驱动方式以及关节柔性可以实时改变的特点，在基于主动控制的机器人“WL-14”上加入了拮抗驱动关节以及由非线性弹簧实现的可变关节柔性。实验结果发现，与关节柔性不可改变的情况相比，机器人在运动的摆腿阶段(swingphase)能量消耗减少了25％，即引入可控柔性的关节显著提高了机器人的运动效率。

发明专利CN101428657A公开了一种欠驱动双足步行机器人行走机构，主要由手臂、上身、髋关节、大腿、膝关节、小腿和脚等七部分组成，共10个自由度，在这10个自由度中，仅对3个自由度进行驱动，其中膝关节、踝关节不进行驱动，双臂分别通过机械链接机构与对侧的腿联动，髋关节采用集成联动-驱动髋关节机构，主要由髋关节器件安装板、角平分线联动机构、驱动电动机不完全齿轮传动机构、双向驱动机构四个部分组成；机器人双脚采用双层结构的多模式弹性脚。虽然该发明设计的欠驱动双足步行机器人结构简单，能够采用灵活、高能量效率的驱动系统设计，但是该步行机器人的拟人性效果较差，只有3个驱动自由度，与人体下肢的运动机理相差较大。

发明专利CN101423075A公开了一种模块化的六自由度主动关节型双足步行机器人，主要由六个关节模块和两个圆环状足组成。每个关节模块具有一个转动自由度，由直流伺服电机驱动。关节模块有两种型式，其关节转轴分别与关节连杆轴线平行和垂直，各称为I型关节和T型关节。各模块依次按串联方式连接，顺序为：足部-I型关节-T型关节-T型关节-T型关节-T型关节-I型关节-足部。中间四个T型关节的转轴互相平行，并与两端I型关节的转轴垂直。该机器人的步行模式有多种，包括扭转步态、横移步态和翻转步态。虽然所发明的机器人具有自由度少、主动步行、结构和控制简单、对环境的适应性好、越障能力强、能耗小等特点，但拟人效果差。

发明专利CN104626196A公开了一种变刚度柔性驱动器，包括一机架，在机架上安装截面为方形的动力输入轴，在动力输入轴上滑动地设置一具有环形槽的滑套；动力输出轴与动力输入轴同轴心，并由多个拉伸弹簧连接滑套与动力输出轴；动力输入轴可带动滑套转动，并使拉伸弹簧发生扭转，进而带动动力输出轴转动，实现动力的柔性输出。在机架上与动力输入轴平行地设置一丝杠，在丝杠上螺接一拨叉，拨叉的两个伸出臂插设到滑套的环形槽内；丝杠转动时，通过拨叉带动滑套沿动力输入轴滑动，从而改变拉伸弹簧的预紧力，实现刚度的调节。虽然该发明具有结构简单、调节快速、易于控制等优点，但是结构不够紧凑，不易应用于双足步行机器人中。

总体来说，目前双足步行机器人领域的研究已经取得了一些显著的成果，要得到运动高效、步态自然、能实现多种步态的双足运动，就需要在双足步行机器人中加入被动关节和柔性驱动。对于应用到双足步行机器人上的柔性驱动器来说，除了要能够改变柔性、储存释放能量以外，还应该尽量具有较简单的机械结构和较小的重量。如何让驱动器对柔性进行较好的控制，且能实现较大的柔性变化范围和较大的驱动力，是当下双足步行机器人设计和制造中亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明主要是为解决现有技术所存在的技术问题而提出了一种基于柔性驱动器的欠驱动双足步行机器人。该机器人通过柔性驱动器提高能量效率，使旋转关节能够缓冲吸震、有效减少驱动电机所承受碰撞产生的瞬时转矩，并且行走步态更加自然；欠驱动步行机器人利用其自身固有动力学特性，使机器人具有节能、拟人的特点。为医疗、助残等领域的仿人机器人提供一种新型下肢结构。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于柔性驱动器的欠驱动双足步行机器人，其特征在于，包括至少四个关节模块，至少两个足部组件，连接髋关节与膝关节、膝关节与足部组件的左右腿连杆组件，以及连接左右腿的腰部组件；

所述髋关节模块与膝关节模块均采用柔性驱动方式，只具有一个俯仰自由度，髋关节模块与膝关节模块通过连接模块与腿部连杆紧固连接在一起；小腿连杆末端与欠驱动的足部组件连接；左右腿的髋关节内套筒与腰部紧固连接，构成双足步行机器人的整体结构；

所述双足步行机器人腰部与滑块紧固连接，可沿滑轨在运行环境中的矢状面(将直立人体切成左右两部分并与地面垂直的切面称为正中面)内进行两自由度的平面运动。

在上述的一种基于柔性驱动器的欠驱动双足步行机器人，其特征在于，所述基于柔性驱动器的髋关节模块包括：第一三叉固定块、第一线性弹簧、第一三叉输出单元、第一直流伺服电机及行星齿轮减速器、第一动力输入轴、第一电机连接块、髋关节内套筒、第一轴承端盖、第一深沟球轴承、髋关节外套筒、髋关节连接板、定位套筒；其中三个第一三叉固定块沿圆周均布在髋关节外套筒内，通过螺钉紧固连接；第一三叉输出单元与第一三叉固定块上设有圆柱形凸起，可固定线性弹簧，二者通过三组对称的线性弹簧柔性连接；第一直流伺服电机及行星齿轮减速器的第一动力输出轴通过形配合与第一电机连接块紧固连接；第一电机连接块再与第一三叉输出单元通过螺钉紧固连接；第一电机及行星齿轮减速器通过螺钉固定在髋关节内套筒上；髋关节内套筒与髋关节外套筒之间装有两个第一深沟球轴承保证两者相对转动；两轴承间通过定位套筒定位轴承内圈；第一轴承端盖通过螺钉与髋关节外套筒紧固连接，定位轴承外圈；髋关节连接板通过螺钉固定在髋关节外套筒上，再通过螺钉与大腿连杆紧固连接；

所述基于柔性驱动器的膝关节模块与髋关节模块相似，包括：第二三叉固定块、第二线性弹簧、第二三叉输出单元、第二直流伺服电机及行星齿轮减速器、第二动力输入轴、第二电机连接块、第二轴承端盖、第二深沟球轴承、膝关节内套筒、膝关节下连接板、膝关节上连接板、膝关节外套筒；其中三个第二三叉固定块通过螺钉沿圆周固定在膝关节外套筒内；第二三叉输出单元通过三组对称的第二线性弹簧与第二三叉固定块柔性连接；通过螺钉与形配合将第二三叉输出单元、第二直流伺服电机及行星齿轮减速器、第二动力输出轴、第二电机连接块、膝关节内套筒紧固连接；膝关节外套筒与膝关节内套筒之间装有两个第二深沟球轴承保证两者相对转动；第二轴承端盖通过螺钉固定在膝关节外套筒上；膝关节上连接板通过螺钉固定在膝关节外套筒上，再通过螺钉与大腿连杆紧固连接；膝关节下连接板套在膝关节内套筒上，通过销钉周向定位，再通过螺钉与小腿连杆紧固连接；

所述足部组件为一圆弧面构件，通过螺钉与小腿连杆紧固连接；圆弧面与地面为线接触，可与地面之间发生滚动摩擦，并绕接触线旋转。

在上述的一种基于柔性驱动器的欠驱动双足步行机器人，其特征在于，所述运行环境包括：整体框架、水平滑轨、水平滑块、竖直滑轨和竖直滑块；所述整体框架由型材紧固连接构成，四个水平滑轨两个一组，分别用螺钉固定在框架两侧；四个水平滑块分别与水平滑轨配合；竖直滑轨用螺钉与同侧的两个水平滑块紧固连接，使其垂直于地面沿水平滑轨进行直线运动；竖直滑块用螺钉与机器人腰部紧固连接，并与竖直滑轨配合。

本发明由于采用以上技术方案，使其具有以下优点：1.不设置髋关节的摆动自由度与踝关节，只有四个具有俯仰自由度的髋关节与膝关节模块，在所搭建的运行环境中的矢状面做平面运动；2.串并联相结合的结构，每条腿上的两个关节模块通过串联方式依次连接，左右腿的装配形式是相同的，采用并联方式进行连接，拆装方便快捷；3.各关节采用柔性驱动器，利用弹簧进行能量的储存与释放，使关节的动能与势能相互转换，有效减少驱动电机所承受碰撞产生的瞬时转矩，同时具有步态自然、缓冲吸震的特点；4.柔性驱动器结构紧凑、质量轻，便于应用于双足步行机器人中；5.足部采用两个半圆柱构件，实现整个双足步行机器人充分利用其自身固有动力学特性，使机器人更加节能，动作更加拟人化。

附图说明

图1是本发明的双足步行机器人在运行环境中的外观图。

图2是本发明的双足步行机器人的外观图。

图3是本发明的双足步行机器人的髋关节模块外观图。

图4a是发明的双足步行机器人的髋关节模块侧视图。

图4b是发明的双足步行机器人的髋关节模块爆炸图。

图5是本发明的双足步行机器人的膝关节模块外观图。

图6a是本发明的双足步行机器人的膝关节模块侧视图。

图6b是本发明的双足步行机器人的膝关节模块爆炸图。

图7是本发明的双足步行机器人的足部组件外观图。

图8是本发明的运行环境。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本发明在整体结构设计方面，提供一种基于柔性驱动器的欠驱动双足步行机器人，如图2所示，该机器人共四个自由度，包括只具有俯仰自由度的关节模块和欠驱动的足部组件。各模块采用串并联结合方式连接，顺序依次为：足部组件F1—小腿连杆E1—膝关节D1—大腿连杆C1—髋关节B1—胯部A—髋关节B2—大腿连杆C2—膝关节D2—小腿连杆E2—足部组件F2。各俯仰自由度转轴相互平行，机器人站立时呈倒U形。如图1所示为机器人在所搭建的运行环境中，机器人整体可在矢状面内进行平面运动。

如图3所示为该双足步行机器人基于柔性驱动器的髋关节模块。俯仰旋转自由度由maxon公司的直流伺服电机驱动，通过配套的行星齿轮减速器减速后输出转矩。三个第一三叉固定块1沿圆周均布在髋关节外套筒10内，通过螺钉紧固连接；第一三叉输出单元3与第一三叉固定块1上设有圆柱形凸起，可固定线性弹簧2，二者通过三组对称的线性弹簧2柔性连接；第一直流伺服电机及行星齿轮减速器4的第一动力输出轴5通过形配合与第一电机连接块6紧固连接；第一电机连接块6再与第一三叉输出单元3通过螺钉紧固连接；第一电机及行星齿轮减速器4通过螺钉固定在髋关节内套筒7上；髋关节内套筒7与髋关节外套筒10之间装有两个第一深沟球轴承9保证两者相对转动；两轴承间通过定位套筒12定位轴承内圈；第一轴承端盖8通过螺钉与髋关节外套筒10紧固连接，定位轴承外圈；髋关节连接板11通过螺钉固定在髋关节外套筒10上，再通过螺钉与大腿连杆紧固连接。这样的结构设计，没有连带多余结构，结构紧凑，在保证结构强度的同时节省了空间，缩小了关节的整体尺寸，降低关节的重量，便于安装，并且提高关节的灵活性。电机驱动机器人行走时，关节模块中的弹簧发生弹性变形，既有效地缓冲吸震，又储存了一定能量，在下一个步态中释放能量，提高能量效率，同时有效减少驱动电机所承受碰撞产生的瞬时转矩。采用该结构进行柔性驱动还能使机器人的行走步态更加自然。

如图5所示为该双足步行机器人的膝关节模块，与髋关节相似，也采用了柔性驱动的方式，区别在于与腿部连杆的连接方式：膝关节上连接板23通过螺钉固定在膝关节外套筒24上，再通过螺钉与大腿连杆紧固连接；膝关节下连接板22套在膝关节内套筒21上，通过销钉周向定位，再通过螺钉与小腿连杆紧固连接。这样的结构讲膝关节与大小腿连接起来，既保证了俯仰运动的精度，又简单紧凑，便于安装。

如图7所示为该双足步行机器人的足部组件，通过螺钉与小腿连杆紧固连接，圆弧面与地面为线接触，在机器人行走过程中可与地面之间产生滚动摩擦绕接触线旋转。采用这种欠驱动足部结构替代了传统双足步行机器人的踝关节和足部，可以充分利用机器人本身固有动力学特性，使机器人整体更加节能、更加拟人。

如图8所示为该双足步行机器人的运行环境，整体框架26由型材紧固连接构成，四个水平滑轨27两个一组，分别用螺钉固定在框架两侧；四个水平滑块28分别与水平滑轨28配合；竖直滑轨30用螺钉与同侧的两个水平滑块28紧固连接，使其垂直于地面沿水平滑轨27进行直线运动；竖直滑块与竖直滑轨30配合，用螺钉与机器人腰部紧固连接，用于安装机器人；双足步行机器人在运行环境中可通过水平滑轨27与竖直滑轨30在矢状面中做平面运动。

本文中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (3)

1.一种基于柔性驱动器的欠驱动双足步行机器人，其特征在于，包括至少四个关节模块，至少两个足部组件，连接髋关节与膝关节、膝关节与足部组件的左右腿连杆组件，以及连接左右腿的腰部组件；

所述髋关节模块与膝关节模块均采用柔性驱动方式，只具有一个俯仰自由度，髋关节模块与膝关节模块通过连接模块与腿部连杆紧固连接在一起；小腿连杆末端与欠驱动的足部组件连接；左右腿的髋关节内套筒与腰部紧固连接，构成双足步行机器人的整体结构；

所述双足步行机器人腰部与滑块紧固连接，可沿滑轨在运行环境中的矢状面内进行两自由度的平面运动；

所述基于柔性驱动器的髋关节模块包括：第一三叉固定块(1)、第一线性弹簧(2)、第一三叉输出单元(3)、第一直流伺服电机及减速器(4)、第一动力输入轴(5)、第一电机连接块(6)、髋关节内套筒(7)、第一轴承端盖(8)、第一深沟球轴承(9)、髋关节外套筒(10)、髋关节连接板(11)、定位套筒(12)；

其中三个第一三叉固定块(1)沿圆周均布在髋关节外套筒(10)内，通过螺钉紧固连接；第一三叉输出单元(3)与第一三叉固定块(1)上设有圆柱形凸起，可固定线性弹簧(2)，二者通过三组对称的线性弹簧(2)柔性连接；第一直流伺服电机及减速器(4)的第一动力输出轴(5)通过形配合与第一电机连接块(6)紧固连接；第一电机连接块(6)再与第一三叉输出单元(3)通过螺钉紧固连接；第一电机及减速器(4)通过螺钉固定在髋关节内套筒(7)上；髋关节内套筒(7)与髋关节外套筒(10)之间装有两个第一深沟球轴承(9)保证两者相对转动；两轴承间通过定位套筒(12)定位轴承内圈；第一轴承端盖(8)通过螺钉与髋关节外套筒(10)紧固连接，定位轴承外圈；髋关节连接板(11)通过螺钉固定在髋关节外套筒(10)上，再通过螺钉与大腿连杆紧固连接；

所述基于柔性驱动器的膝关节模块，包括：第二三叉固定块(13)、第二线性弹簧(14)、第二三叉输出单元(15)、第二直流伺服电机及减速器(16)、第二动力输入轴(17)、第二电机连接块(18)、第二轴承端盖(19)、第二深沟球轴承(20)、膝关节内套筒(21)、膝关节下连接板(22)、膝关节上连接板(23)、膝关节外套筒(24)；

其中三个第二三叉固定块(13)通过螺钉沿圆周固定在膝关节外套筒(24)内；第二三叉输出单元(15)通过三组对称的第二线性弹簧(14)与第二三叉固定块(13)柔性连接；通过螺钉与形配合将第二三叉输出单元(15)、第二直流伺服电机及减速器(16)、第二动力输出轴(17)、第二电机连接块(18)、膝关节内套筒(21)紧固连接；膝关节外套筒(24)与膝关节内套筒(21)之间装有两个第二深沟球轴承(20)保证两者相对转动；第二轴承端盖(19)通过螺钉固定在膝关节外套筒(24)上；膝关节上连接板(23)通过螺钉固定在膝关节外套筒(24)上，再通过螺钉与大腿连杆紧固连接；膝关节下连接板(22)套在膝关节内套筒(21)上，通过销钉周向定位，再通过螺钉与小腿连杆紧固连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于柔性驱动器的欠驱动双足步行机器人，其特征在于，所述足部组件(25)为一半圆柱构件，通过螺钉与小腿连杆紧固连接；圆弧面与地面为线接触，可与地面之间产生滚动摩擦绕接触线旋转。

3.根据权利要求2所述的一种基于柔性驱动器的欠驱动双足步行机器人，其特征在于，所述运行环境包括：整体框架(26)、水平滑轨(27)、水平滑块(28)、竖直滑块(29)、竖直滑轨(30)；四个水平滑轨(27)两个一组，分别用螺钉水平固定在整体框架(26)两侧；四个水平滑块(28)分别与水平滑轨(28)配合；竖直滑轨(30)用螺钉与同侧的两个水平滑块(28)紧固连接，使其垂直于地面，可沿水平滑轨(27)进行直线运动；竖直滑块(29)用螺钉与机器人腰部紧固连接，并与竖直滑轨(30)配合。