CN105857431B - 一种结构设计合理的机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种结构设计合理的机器人，其包括设置躯壳以及与躯壳铰接的肢体驱动装置；所述肢体驱动装置通过相应的转轴或相应的平面轴承与躯壳转动连接；所述肢体驱动装置为左腿驱动装置、右腿驱动装置、左臂驱动装置和/或右臂驱动装置；本发明结构紧凑，设计合理，提升机器人负重工作能力，适合大规模推广。

Description

一种结构设计合理的机器人

技术领域

本发明涉及一种结构设计合理的机器人，具体涉及一种能够承担一定负重在 道路上行走的人形机器人。

背景技术

人形机器人广泛采用的是自平衡技术来实现运动能力，用金属部件构建机器 人的人形结构，通过控制电机实现人体关节功能，在控制电机和在人形机器人身 体内部安装速度、位置、加速度、角度等各类传感器，通过传感器信息分析来控 制机器人的动作状态，通过控制电机调整保持肢体平衡，避免摔倒的情况下实现 行走、摆臂、下蹲、转身等各种动作。然而其具有以下缺点：首先是机器人成本 居高不下，要实现自平衡行走，保证机器人有一个稳定的动作状态，避免人形机 器人在运动过程中摔倒，必须具备完善的传感器感知系统，传感器响应时间、数 据精度要求较高，要求机器人各部驱动电机具有较高的控制精度与响应速度，同 时自平衡机器人数据处理逻辑关系复杂，多项原因使得人形机器人成本高昂；目 前人形机器人上肢前后摆臂、下肢左右转动由对应的电机驱动，电机驱动轴或轴 动力输出装置与上、下肢直接连接，因电机轴直径限制，不能承受轴的径向剪切 力，无法承担负重；市场多数人形机器人仅用于简单的语言和人类交流，能够从 事一定的舞蹈动作，但多数人形机器不具备负重工作的能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种结构设计合理的机器人。

为解决上述问题，本发明所采取的技术方案是：

一种结构设计合理的机器人，包括设置躯壳以及与躯壳铰接的肢体驱动装 置；所述肢体驱动装置通过相应的转轴或相应的平面轴承与躯壳转动连接；

所述肢体驱动装置为左腿驱动装置、右腿驱动装置、左臂驱动装置和/或右 臂驱动装置。

进一步，左腿驱动装置包括髋骨上连接架、左腿转轴以及左腿联轴器；髋骨 上连接架通过左腿转轴与左腿联轴器传动连接，髋骨上连接架通过左腿转轴与躯 壳转动连接。

进一步，左腿转轴包括与躯壳固定连接的固定法兰架、穿装在固定法兰架内 且自转设置的转动轴以及固定设置在转动轴一端且与髋骨上连接架的旋转连接 法兰，转动轴另一端与左腿联轴器传动连接。

进一步，左腿转轴还包括沿轴向设置在转动轴内的内通孔，在内通孔内设 置有传动轴，传动轴一端与左腿联轴器传动连接，传动轴通过旋转连接法兰与髋 骨上连接架传动连接。

进一步，右腿驱动装置与左腿驱动装置的结构相同，左腿驱动装置与右腿驱 动装置相对于躯壳中心线对称设置。

进一步，还包括铰接在左腿驱动装置下端的左脚驱动装置、铰接在右腿驱动 装置下端的右脚驱动装置以及电气控制单元；

左脚驱动装置包括设置在铁板上方且与左腿驱动装置铰接的左脚架以及设 置在左脚架上的左脚电磁铁，左脚电磁铁与铁板的上表面相对应；

右脚驱动装置包括设置在铁板上方且与右腿驱动装置铰接的右脚架以及设 置在右脚架上的右脚电磁铁，右脚电磁铁与铁板的上表面相对应；

左腿驱动装置包括模仿人体腿部关节的控制电机以及与控制电机连接的模 仿人体的腿骨连机架；

电气控制单元包括设置在躯壳内的电机控制器与逻辑控制主板、用于检查左 脚电磁铁与铁板的上表面接触的左检测模块以及用于检查右脚电磁铁与铁板的 上表面接触的右检测模块，左检测模块与右检测模块分别将各自采集的电信号传 递给逻辑控制主板，逻辑控制主板通过电机控制器控制相应的控制电机主轴转 动，逻辑控制主板分别控制左脚电磁铁的线圈和/或右脚电磁铁的线圈通断电。

进一步，所述左检测模块包括设置在左脚电磁铁一侧的左前趾尖接触元件与 设置在左脚电磁铁另一侧的左后脚跟接触元件或设置在左脚电磁铁一侧的左前 趾尖接触元件与用于检查左脚电磁铁水平的左水平仪元件；

所述右检测模块包括设置在右脚电磁铁一侧的右前趾尖接触元件与设置在 右脚电磁铁另一侧的右后脚跟接触元件或设置在右脚电磁铁一侧的右前趾尖接 触元件与用于检查右脚电磁铁水平的右水平仪元件。

进一步，左腿驱动装置还包括带动左脚电磁铁前后摆动的左跖趾关节电机、 左脚连接架、带动左脚连接架摆动的左脚踝关节电机、左小腿连接架、带动左小 腿连接架前后摆动的左膝关节前后摆动电机、左大腿连接架、带动左大腿连接架 前后摆动的左髋关节摆动电机以及固定设置在躯壳左下端的左髋关节转动电机；

左脚架与左跖趾关节电机的电机轴铰接，左跖趾关节电机的壳体与左脚连接 架固定连接，左脚连接架与左脚踝关节电机的壳体固定连接，左脚踝关节电机的 电机轴与左小腿连接架铰接，左小腿连接架与左膝关节前后摆动电机的壳体固定 连接，左膝关节前后摆动电机的电机轴与左大腿连接架铰接，左大腿连接架与左 髋关节摆动电机的壳体固定连接，左髋关节摆动电机的电机轴与髋骨上连接架铰 接，左腿联轴器与左髋关节转动电机连接。

进一步，左臂驱动装置包括左肩胛骨连接架、左肩转轴以及左臂联轴器，

左肩胛骨连接架通过左肩转轴与左臂联轴器传动连接；左肩转轴与左腿转轴 的结构相同，左肩胛骨连接架通过左肩转轴与左躯壳转动连接；

右臂驱动装置与左臂驱动装置的结构相同，右臂驱动装置与左臂驱动装置相 对于躯壳中心线对称设置。

进一步，左臂驱动装置包括左手指关节电机、左手掌连接架、左腕关节电 机、左小臂连接架、左肘关节电机、左大臂连接架以及左肩关节摆动电机以及固 定设置在躯壳上的左臂关节转动电机，

左手指关节电机的电机轴与左手掌连接架铰接，左手掌连接架与左腕关节电 机的壳体固定连接，左腕关节电机的电机轴与左小臂连接架铰接，左小臂连接架 与左肘关节电机的壳体固定连接，左肘关节电机的电机轴与左大臂连接架铰接， 左大臂连接架与左肩关节摆动电机的壳体固定连接，左肩关节摆动电机的电机轴 与左肩胛骨连接架铰接，左臂联轴器与左臂关节转动电机连接。

进一步，所述电气控制单元还包括设置在躯壳上的人机交互界面、无线通讯 模块以及动力电源；动力电源用于提供电源，逻辑控制主板将信号传送到人机交 互界面，无线通讯模块将电信号传递给逻辑控制主板，逻辑控制主板通过电机控 制器控制左跖趾关节电机、左脚踝关节电机、左膝关节左右摆动电机、左膝转动 关节电机、左膝关节前后摆动电机、左髋关节摆动电机、左髋关节转动电机、左 手指关节电机、左腕关节电机、左肘关节电机、左肩关节摆动电机、左臂关节转 动电机、右臂驱动装置相应的控制电机和/或右脚驱动装置相应的控制电机的转 动。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明通过以改变保持吸力的仿生下肢髋关节、膝关节、跖趾关节和踝关节 位置角度为出发，由逻辑控制主板发出指令，相应的控制电机以1个及以上动作 角度进行细微调节，使得躯干壳体做出向上、下、前倾、后倾、左转、右转等轻 微动作、带动处于新的目标位置断电情况下的电磁铁做出姿态调整，直至断电情 况下的电磁铁与行走路面之间达到预设距离并保证通电后能够形成面接触。

在本发明中，调整非吸力保持的仿生下肢髋关节、膝关节、跖趾关节和踝关 节位置角度为出发，由逻辑控制主板发出指令，相应的控制电机以1个及以上动 作角度进行细微调节，做出仿生的抬脚尖、压脚尖、抬脚、落脚等动作，直至断 电情况下的电磁铁与行走路面之间达到预设距离并保证通电后能够形成面接触。

在本发明中，保持吸力的仿生下肢与非吸力保持的仿生下肢各关节可同时 调整，由逻辑控制主板发出指令，相应的控制电机以1个及以上动作角度进行细 微调节，直至断电情况下的电磁铁与行走路面之间达到预设距离并保证通电后能 够形成面接触。

可扩展为增加人形机器人自由度的控制电机，能够提供运动特征传感器或位 置特征传感器安装位置，使得非通电磁铁及安装成一体的接触元件向前或后移动 时不与行走路面产生碰撞，

通过各个控制电机使得非通电磁铁及安装成一体的接触元件向前或后移动， 仿生为单腿迈步动作，

左膝关节左右摆动电机、左膝关节转动连接架以及左膝转动关节电机，增加 了左腿的自由度，调整人形机器在行走过程中重心，防止摔倒，设计更加合理。

电机控制器可以向各个控制电机发出电机轴旋转方向和角度或时间或速度 指令。

上述控制电机转速和电机轴旋转角度和停止位置能够定量控制，控制指令为 电脉冲信号或电信号。组装前，应该首先确定控制电机所在安装位置转向，在各 个转向上的的最大与最小转动角度，同时比较在哪个方向上机械关节运动空间角 度最小，在上述角度中以最小为基准，确定控制电机输出轴的初始位置角度。安 装过程中，将控制电机联接在电机控制器上，将控制电机输出轴旋转到之前确定 的初始角度，断开联接，手动扭转人形机器人关节，使机械部件之间的夹角与控 制电机输出轴初始角度对应，然后进行组装。通过上述操作，能够有效避免控制 电机堵转，进一步消除堵转后控制电机的烧毁。无特殊情况控制电机可选择为舵 机。

其中本发明的各个接触元件向逻辑控制主板发送对应电磁铁与人形机器人 行走的路面之间靠近时产生的开关量或压力信号或磁感应信号，要求处于触发状 态接触元件不能阻碍电磁铁与行走道路间的距离接触，在非潮湿环境下可选择微 动开关。

其中本发明的各个连接架可选择铝、工程塑料等材质，连接架与控制电机轴 之间可加装轴承或杯式轴承减少摩擦阻力，对于易造成控制电机堵转的部位可以 加装弹性垫片。

其中本发明的逻辑控制主板被配制向电机控制器发送动作指令，电机控制器 能够独立进行控制电机操作，控制电机间不相互干扰，通过安装在左下肢、右下 肢、左上肢、右上肢、躯干、头部六部分的控制电机实现人形机器人的协同动作， 逻辑控制主板以不同动作阶段向电机控制器分别发送动作指令，分步达到人形机 器人行走目的。

其中本发明的无线通讯模块可为蓝牙、Wi-Fi、无线数据通信、GSM/GPRS 模块等，无线通讯模块与逻辑控制主板连接，人形机器人操作员根据需要通过无 线或有线向逻辑主板发送预先设定的指令代码，实现人形机器人远方操控。其中 本发明的动力电源提供来自外部功率源或电池或蓄能器的能量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的主视结构示意图。

图3是本发明的立体结构示意图。

图4是本发明改进的结构示意图。

图5是本发明改进的主视结构示意图。

图6是本发明左肩转轴的主视结构示意图。

图7是本发明左肩转轴的结构示意图。

图8是本发明左小腿连接架的结构示意图。

图9是本发明左肩胛骨连接架的结构示意图。

图10是本发明的电路结构框图。

其中：1、左脚驱动装置；2、左腿驱动装置；3、左臂驱动装置；4、右脚驱 动装置；5、右腿驱动装置；6、右臂驱动装置；7、躯壳；8、头部驱动装置；9、 左前趾尖接触元件；10、左后脚跟接触元件；11、左脚电磁铁；12、左脚架；13、 左跖趾关节电机；14、左脚连接架；15、左脚踝关节电机；16、左小腿连接架； 17、左膝关节前后摆动电机；18、左大腿连接架；19、左髋关节摆动电机；21、 髋骨上连接架；22、左腿转轴；23、左腿联轴器；24、左髋关节转动电机；25、左手指关节电机；26、左手掌连接架；27、左腕关节电机；28、左小臂连接架； 29、左肘关节电机；30、左大臂连接架；31、左肩关节摆动电机；32、左肩胛骨 连接架；33、左肩转轴；34、左臂联轴器；35、左臂关节转动电机；36、头部转 动电机；37、电机控制器；38、人机交互界面；39、无线通讯模块；40、动力电 源；41、逻辑控制主板；42、传感器控制模块；43、左膝盖侧摆连接架；44、左 膝关节左右摆动电机；45、左膝关节转动连接架；46、左膝转动关节电机；47、 转动轴；48、旋转连接法兰；49、固定法兰架；50、内通孔；51、传动轴；52、 固定电机架；53、中间架；54、铰接电机架；55、带键槽通孔；56、右前趾尖接 触元件；57、右后脚跟接触元件；58、右脚电磁铁。

具体实施方式

如图1-10所示，本发明包括设置躯壳7以及与躯壳7铰接的肢体驱动装置； 肢体驱动装置通过相应的转轴或相应的平面轴承与躯壳7转动连接；肢体驱动装 置为左腿驱动装置2、右腿驱动装置5、左臂驱动装置3和/或右臂驱动装置6。

进一步，左腿驱动装置2包括髋骨上连接架21、左腿转轴22以及左腿联 轴器23；左腿驱动装置2包括髋骨上连接架21、左腿转轴22以及左腿联轴器 23；髋骨上连接架21通过左腿转轴22与左腿联轴器23传动连接，髋骨上连接 架21通过左腿转轴22与躯壳7转动连接。

进一步，左腿转轴22包括与躯壳7固定连接的固定法兰架49、穿装在固 定法兰架49内且自转设置的转动轴47以及固定设置在转动轴47一端且与髋骨 上连接架21的旋转连接法兰48，转动轴47另一端与左腿联轴器23传动连接。

进一步，左腿转轴22还包括沿轴向设置在转动轴47内的内通孔50，在内 通孔50内设置有传动轴51，传动轴51一端与左腿联轴器23传动连接，传动轴 51通过旋转连接法兰48与髋骨上连接架21传动连接。

即躯壳7与任何肢体驱动装置通过相应的转轴或相应的平面轴承转动连接， 都是本发明的保护范围。

在左腿转轴22中，固定法兰架49与转动轴47之间可以设置有轴承或滚珠， 从而减少转动阻力。通过转轴或相应的平面轴承将相应任何肢体驱动装置所承受 的作用力传递到躯壳7上，从而减轻或避免肢体驱动装置对带动其动作的控制电 机的电机轴的作用力，即弯矩或剪切力，克服了仅能通过提升控制电机轴的直径 来抵消弯矩或剪切力的弊端；消除了电机轴直径增加，相应的控制电机功率提升， 必须额外增加电源容量，电源成本大幅度提升的影响，同时降低能耗，节约能源； 增加的转轴重量占用机器人整体重量百分比例在个位数以内，但是通过转轴的应 用，机器人自重与承担负重的比提升百分比例在十位数以上，在同样的条件下可 以大幅提升其负重效率；特别是四肢力量汇集于躯壳，直接通过传感器采集躯壳 状态信息，能够快速抓住机器人动作异常数据，快速做出机器人姿态调整决策， 提升控制响应速度，提升机器人运动的稳定性。

具体的说，本发明包括设置在铁板上方的躯壳7、分别铰接在躯壳7下端两 侧的左腿驱动装置2与右腿驱动装置5、铰接在左腿驱动装置2下端的左脚驱动 装置1、铰接在右腿驱动装置5下端的右脚驱动装置4以及电气控制单元，左腿 驱动装置2与右腿驱动装置5的结构相同，左腿驱动装置2与右腿驱动装置5 相对于躯壳7中心线对称设置，右脚驱动装置4与左脚驱动装置1的结构相同， 右脚驱动装置4与左脚驱动装置1相对于躯壳7中心线对称设置；

左脚驱动装置1包括设置在铁板上方且与左腿驱动装置2铰接的左脚架12 以及设置在左脚架12上的左脚电磁铁11，左脚电磁铁11与铁板的上表面相对 应；

右脚驱动装置4包括设置在铁板上方且与右腿驱动装置5铰接的右脚架以及 设置在右脚架上的右脚电磁铁58，右脚电磁铁58与铁板的上表面相对应；

作为本发明的结构变形，左脚架12与左脚电磁铁11可以是一体的，右脚架 与右脚电磁铁58可以是一体的；

左腿驱动装置2包括至少两个模仿人体腿部关节的控制电机以及设置在控 制电机之间模仿人体的腿骨连机架；

电气控制单元包括设置在躯壳7内的电机控制器37与逻辑控制主板41、用 于检查左脚电磁铁11与铁板的上表面接触的左检测模块以及用于检查右脚电磁 铁58与铁板的上表面接触的右检测模块，左检测模块与右检测模块分别将各自 采集的电信号传递给逻辑控制主板41，逻辑控制主板41通过电机控制器37控 制相应的控制电机主轴转动，逻辑控制主板41分别控制左脚电磁铁11的线圈和 /或右脚电磁铁58的线圈通断电。

进一步，左检测模块包括设置在左脚电磁铁11一侧的左前趾尖接触元件9 与设置在左脚电磁铁11另一侧的左后脚跟接触元件10或设置在左脚电磁铁11 一侧的左前趾尖接触元件9与用于检查左脚电磁铁11水平的左水平仪元件；

右检测模块包括设置在右脚电磁铁58一侧的右前趾尖接触元件56与设置在 右脚电磁铁58另一侧的右后脚跟接触元件57或设置在右脚电磁铁58一侧的右 前趾尖接触元件56与用于检查右脚电磁铁58水平的右水平仪元件。

进一步，还包括铰接在躯壳7上端一侧的左臂驱动装置3、铰接设置在躯壳 7上端另一侧的右臂驱动装置6和/或铰接设置在躯壳7上端的头部驱动装置8。

进一步，左腿驱动装置2包括带动左脚电磁铁11前后摆动的左跖趾关节电 机13、左脚连接架14、带动左脚连接架14摆动的左脚踝关节电机15、左小腿 连接架16、带动左小腿连接架16前后摆动的左膝关节前后摆动电机17、左大腿 连接架18、带动左大腿连接架18前后摆动的左髋关节摆动电机19、髋骨上连接 架21、左腿转轴22、左腿联轴器23以及固定设置在躯壳7左下端的左髋关节转 动电机24；

左脚架12与左跖趾关节电机13的电机轴铰接，左跖趾关节电机13的壳体 与左脚连接架14固定连接，左脚连接架14与左脚踝关节电机15的壳体固定连 接，左脚踝关节电机15的电机轴与左小腿连接架16铰接，左小腿连接架16与 左膝关节前后摆动电机17的壳体固定连接，左膝关节前后摆动电机17的电机轴 与左大腿连接架18铰接，左大腿连接架18与左髋关节摆动电机19的壳体固定 连接，左髋关节摆动电机19的电机轴与髋骨上连接架21铰接，髋骨上连接架 21通过左腿转轴22与左腿联轴器23传动连接，左腿联轴器23与左髋关节转动 电机24连接。

进一步，左腿驱动装置2包括带动左脚电磁铁11前后摆动的左跖趾关节电 机13、左脚连接架14、带动左脚连接架14摆动的左脚踝关节电机15、左小腿 连接架16、左膝盖侧摆连接架43、带动左膝盖侧摆连接架43左右摆动的左膝关 节左右摆动电机44、左膝关节转动连接架45、左膝转动关节电机46、带动左膝 盖侧摆连接架43前后摆动的左膝关节前后摆动电机17、左大腿连接架18、带动 左大腿连接架18前后摆动的左髋关节摆动电机19、髋骨上连接架21、左腿转轴 22、左腿联轴器23以及固定设置在躯壳7左下端的左髋关节转动电机24；

左脚架12与左跖趾关节电机13的电机轴铰接，左跖趾关节电机13的壳体 与左脚连接架14固定连接，左脚连接架14与左脚踝关节电机15的壳体固定连 接，左脚踝关节电机15的电机轴与左小腿连接架16铰接，左小腿连接架16与 左膝转动关节电机46的壳体固定连接，左膝转动关节电机46的电机轴与左膝关 节转动连接架45转动连接，左膝关节转动连接架45与左膝关节前后摆动电机 17的壳体固定连接，左膝关节前后摆动电机17的电机轴与左大腿连接架18铰 接，左大腿连接架18与左膝关节左右摆动电机44壳体固定连接，左膝关节左右 摆动电机44的电机轴与左膝盖侧摆连接架43铰接，左膝盖侧摆连接架43与左 髋关节摆动电机19的壳体固定连接，左髋关节摆动电机19的电机轴与髋骨上连 接架21铰接，髋骨上连接架21通过左腿转轴22与左腿联轴器23传动连接，左 腿联轴器23与左髋关节转动电机24连接。

进一步，左臂驱动装置3包括左手指关节电机25、左手掌连接架26、左腕 关节电机27、左小臂连接架28、左肘关节电机29、左大臂连接架30、左肩关节 摆动电机31、左肩胛骨连接架32、左肩转轴33、左臂联轴器34以及固定设置 在躯壳7上的左臂关节转动电机35，左肩转轴33与左腿转轴22的结构相同， 左肩胛骨连接架32通过左肩转轴33与左躯壳7转动连接；

左手指关节电机25的电机轴与左手掌连接架26铰接，左手掌连接架26与 左腕关节电机27的壳体固定连接，左腕关节电机27的电机轴与左小臂连接架 28铰接，左小臂连接架28与左肘关节电机29的壳体固定连接，左肘关节电机 29的电机轴与左大臂连接架30铰接，左大臂连接架30与左肩关节摆动电机31 的壳体固定连接，左肩关节摆动电机31的电机轴与左肩胛骨连接架32铰接，左 肩胛骨连接架32通过左肩转轴33与左臂联轴器34传动连接，左臂联轴器34 与左臂关节转动电机35连接；

右臂驱动装置6与左臂驱动装置3的结构相同，右臂驱动装置6与左臂驱动 装置3相对于躯壳7中心线对称设置。

进一步，上端头部驱动装置8包括壳体固定设置在躯壳7上的头部转动电 机36。

进一步，电气控制单元还包括设置在躯壳7上的人机交互界面38、无线通 讯模块39以及动力电源40；动力电源40用于提供电源，逻辑控制主板41将信 号传送到人机交互界面38，无线通讯模块39将电信号传递给逻辑控制主板41， 逻辑控制主板41通过电机控制器37控制左跖趾关节电机13、左脚踝关节电机 15、左膝关节左右摆动电机44、左膝转动关节电机46、左膝关节前后摆动电机 17、左髋关节摆动电机19、左髋关节转动电机24、左手指关节电机25、左腕关 节电机27、左肘关节电机29、左肩关节摆动电机31、左臂关节转动电机35、头 部转动电机36、右臂驱动装置6相应的控制电机和/或右脚驱动装置4相应的控 制电机的转动。

进一步，电气控制单元还包括传感器控制模块42，传感器控制模块42为 陀螺仪和/或角度检测传感器和/或倾斜角度检测传感器和/或多轴重力加速度传 感器和/或颜色检测传感器和/或红外线传感器，传感器控制模块42与逻辑控制 主板41电连接。

进一步，传感器控制模块42设置在左脚驱动装置1、左腿驱动装置2、左 臂驱动装置3、右脚驱动装置4、右腿驱动装置5、右臂驱动装置6、躯壳7和/ 或头部驱动装置8上。

进一步，左小腿连接架16、左大腿连接架18、左手掌连接架26、左小臂连 接架28以及左大臂连接架30的结构相同，左手掌连接架26包括铰接电机架54、 与铰接电机架54连接的中间架53以及设置在中间架53另一端的固定电机架52， 在铰接电机架54上设置有带键槽通孔55，

左手指关节电机25的电机轴设置在带键槽通孔55内并通过键连接，固定电 机架52与左腕关节电机27的壳体固定连接。当然，各部连接架可以采用常见的 连接筋板等结构。

逻辑控制主板为AVR、STM32或Atmel微处理器为核心的集成电路板，可 选用树莓派、arduino、AVR等集成系统环境。

如图1-10所示，一种控制机器人在铁板上行走的方法，其使用上述的机器 人；其包括预备阶段以及在预备阶段之后的第一行走阶段；

预备阶段包括如下步骤：

步骤a：执行机器人立正，左前趾尖接触元件9、左后脚跟接触元件10、右 前趾尖接触元件56以及右后脚跟接触元件57分别与铁板相接触，逻辑控制主板 41控制左脚电磁铁11和/或右脚电磁铁58通电后与铁板相接触；

步骤b：在执行完步骤a后，执行机器人起步；逻辑控制主板41控制左脚 电磁铁11断电且右脚电磁铁58通电，逻辑控制主板41通过电机控制器37分别 控制左髋关节摆动电机19前摆、左脚踝关节电机15上摆以及左膝关节前后摆动 电机17后摆，逻辑控制主板41通过电机控制器37分别控制左前趾尖接触元件 9、左后脚跟接触元件10以及左脚电磁铁11向上抬起离开铁板；

第一行走阶段包括如下步骤：

步骤c：在执行步骤b同时或在执行完步骤b后，执行机器人水平迈步；逻 辑控制主板41通过电机控制器37分别控制左髋关节摆动电机19前摆，左膝关 节前后摆动电机17复位伸直、左脚踝关节电机15摆动以及左跖趾关节电机13 摆动，

同时，以右脚电磁铁58的电磁吸力为支点，右腿驱动装置5的右脚踝关节 电机与右跖趾关节电机带动躯壳7向前位移转动，右腿驱动装置5的右髋关节摆 动电机做出与右脚踝关节电机、右跖趾关节电机轴转动方向相反动作，保持躯壳 7竖直状态；

步骤d：在执行完步骤c后，执行机器人前脚水平触地动作；逻辑控制主板 41以单位脉冲通过电机控制器37控制左髋关节摆动电机19、左脚踝关节电机 15、左跖趾关节电机13、右腿驱动装置5的右髋关节摆动电机、右脚踝关节电 机和/或右跖趾关节电机做出驱动左脚电磁铁11与铁板形成面接触的调整动作， 直到左前趾尖接触元件9与左后脚跟接触元件10与铁板上表面相接触，左前趾 尖接触元件9与左后脚跟接触元件10反馈电信号给逻辑控制主板41，逻辑控制 主板41通过电机控制器37控制调整动作停止，左脚电磁铁11到达相对于铁板 上表面的预制高度；

步骤e：在执行完步骤d后，执行机器人电磁吸力倒换；左前趾尖接触元件 9与左后脚跟接触元件10将电信号传递给逻辑控制主板41，逻辑控制主板41 控制右脚电磁铁58断电且左脚电磁铁11通电；

步骤f：在执行完步骤e后，执行机器人重心前移推送；逻辑控制主板41 通过电机控制器37控制右腿驱动装置5相应的控制电机，以右脚驱动装置4为 支点，向前做出重心推送动作，同步逻辑控制主板41通过电机控制器37控制左 腿驱动装置2和左脚驱动装置1相应的控制电机，以左脚电磁铁11的电磁吸力 为支点，做出重心前拉动作，将重心推送到左脚驱动装置1上方，左脚电磁铁 11与铁板上表面吸合；

步骤g：在执行完步骤f后，执行机器人向前收后脚；以左脚驱动装置1支 点，逻辑控制主板41通过电机控制器37控制右腿驱动装置5和/或右脚驱动装 置4相应的控制电机，带动右脚驱动装置4向前摆动或向前收脚；

在执行完步骤g后，第一行走阶段执行完毕。

进一步，在执行步骤c同时或在执行完步骤c后且在执行步骤f之前，执行 机器人上肢摆动，逻辑控制主板41通过电机控制器37分别控制左臂驱动装置3 和/或右臂驱动装置6做出摆臂动作。

进一步，在步骤d中，预制高度为零或可使左脚电磁铁11与铁板上表面产 生磁吸力的高度，磁吸力的高度根据采用的电磁铁吸力大小设定。

进一步，在执行步骤a之前，执行对机器人的预调试，首先确定相应的控制 电机所在安装位置转向以及在各个转向上的最大与最小转动角度，同时比较在相 应连接架的最小运动空间角度，以最小运动空间角度为基准，确定相应控制电机 输出轴的初始位置角度，将控制电机联接在电机控制器上，然后将相应控制电机 输出轴旋转到初始位置角度，断开电联接，手动扭转相应控制电机，从而与控制 电机输出轴初始位置角度相对应，最后进行组装。

当继续向前行走时，右腿驱动装置5执行第一行走阶段中左腿驱动装置2 的相应动作，右脚驱动装置4执行第一行走阶段中左脚驱动装置1；而左腿驱动 装置2执行第一行走阶段中右腿驱动装置5的相应动作，左脚驱动装置1执行第 一行走阶段中右脚驱动装置4；从而实现前进，同理可以实现后退。

作为优选，作为本领域技术人员根据本发明，可以对模仿各个关节活动的控 制电机数量进行增减，从而满足不同的需要，通过对各个肢体上关节活动的控制 电机位置进行调整，从而增加动作的自由度，是本发明的等同替换，是显而易见 的，其中各个连接架的机构可以是相同的或不同，可以根据需要采用钢板焊接而 成。通过水平仪与接触元件组合来替代两个接触元件对本领域技术人员是显而易 见的的等同替换。

本发明成本造价低廉、动作稳定可靠、运动过程中不会摔倒与失控，能够担 负一定负重的在铁质材料铺设道路上行走的人形机器人，特别是将人形机器人四 肢受力转移到人形机器人躯干壳体上，提升人形机器人负重能力，消除运动过程 中摔倒与失控的风险。

本发明通过脚底接触元件将信号反馈到处理器，逻辑控制主板接收反馈的电 信号或预制程序通过电机控制器带动各个控制电机转动，完成相应的模仿人体关 节的动作，可实现躯干壳体的上升、下降、向前、向后移动，运动结构更加合理； 同时控制相应的电磁铁与铁板的吸合实现在铁板铺设的道路上负重行走。

通过转轴设计结构避免了电机轴承受剪切力的危害，来自于肢体的符合汇集 到人形机器人躯干壳体上，更加有利于人形机器人负重能力的提升与姿态控制， 更加有利于人形机器人负重能力的提升与姿态控制。

本发明可以通过计算机程序，即用于在所述计算机程序在计算机以及非暂存 计算机可读录制介质上，并执行本步骤。

本发明基于仿生人体运动过程中各肢体协同配合作用为构思，以该方式，人 形机器人避免摔倒与失控的风险，提升人形机器人的负重行走能力，进一步的实 现人形机器人服务于人类的目的。

本发明仿生人体的迈步阶段，两只电磁铁中可以仅有一只电磁铁在通电状 态，即可以只有一只电磁铁与铁板铺设路面的保持吸力。改变保持吸力的仿生下 肢髋关节、膝关节、跖趾关节和踝关节位置角度，使得躯干壳体做出向上、下、 前、后、左转、右转动作、达到新的目标位置，调整非吸力保持的仿生下肢髋关 节、膝关节、跖趾关节和踝关节位置角度，能够做出抬脚、下肢前或后伸、左或 右转等仿生动作。

通过改变两只电磁铁之间的空间垂直距离，能够使得非通电磁铁及安装成一 体的接触元件向前或后移动时不与行走路面产生碰撞；改变两只电磁铁之间空间 水平距离，使得非通电磁铁及安装成一体的接触元件向前或后移动，仿生为单腿 迈或退步动作；改变两个电磁铁的通电状态，就是已通电电磁铁改为断电状态， 断电状态电磁铁改为通电状态，电磁铁与铁板铺设路面吸力在两个电磁铁之间进 行一次切换，实现支持力的转换。

本发明通过以改变保持吸力的仿生下肢髋关节、膝关节、跖趾关节和踝关节 位置角度为出发，由逻辑控制主板发出指令，相应的控制电机以1个及以上动作 角度进行细微调节，使得躯干壳体做出向上、下、前倾、后倾、左转、右转等轻 微动作、带动处于新的目标位置断电情况下的电磁铁做出姿态调整，直至断电情 况下的电磁铁与行走路面之间达到预设距离并保证通电后能够形成面接触。

在本发明中，调整非吸力保持的仿生下肢髋关节、膝关节、跖趾关节和踝关 节位置角度为出发，由逻辑控制主板发出指令，相应的控制电机以1个及以上动 作角度进行细微调节，做出仿生的抬脚尖、压脚尖、抬脚、落脚等动作，直至断 电情况下的电磁铁与行走路面之间达到预设距离并保证通电后能够形成面接触。

在本发明中，保持吸力的仿生下肢与非吸力保持的仿生下肢各关节可同时 调整，由逻辑控制主板发出指令，相应的控制电机以1个及以上动作角度进行细 微调节，直至断电情况下的电磁铁与行走路面之间达到预设距离并保证通电后能 够形成面接触。

可扩展为增加人形机器人自由度的控制电机，能够提供运动特征传感器或位 置特征传感器安装位置，使得非通电磁铁及安装成一体的接触元件向前或后移动 时不与行走路面产生碰撞，

通过各个控制电机使得非通电磁铁及安装成一体的接触元件向前或后移动， 仿生为单腿迈步动作，

左膝关节左右摆动电机44、左膝关节转动连接架45以及左膝转动关节电机 46，增加了左腿的自由度，调整人形机器在行走过程中重心，防止摔倒，设计更 加合理。

电机控制器可以向各个控制电机发出电机轴旋转方向和角度或时间或速度 指令。

上述控制电机转速和电机轴旋转角度和停止位置能够定量控制，控制指令为 电脉冲信号或电信号。组装前，应该首先确定控制电机所在安装位置转向，在各 个转向上的的最大与最小转动角度，同时比较在哪个方向上机械关节运动空间角 度最小，在上述角度中以最小为基准，确定控制电机输出轴的初始位置角度。安 装过程中，将控制电机联接在电机控制器上，将控制电机输出轴旋转到之前确定 的初始角度，断开联接，手动扭转人形机器人关节，使机械部件之间的夹角与控 制电机输出轴初始角度对应，然后进行组装。通过上述操作，能够有效避免控制 电机堵转，进一步消除堵转后控制电机的烧毁。无特殊情况控制电机可选择为舵 机。

其中本发明的各个接触元件向逻辑控制主板发送对应电磁铁与人形机器人 行走的路面之间靠近时产生的开关量或压力信号或磁感应信号，要求处于触发状 态接触元件不能阻碍电磁铁与行走道路间的距离接触，在非潮湿环境下可选择微 动开关。

其中本发明的各个连接架可选择铝、工程塑料等材质，连接架与控制电机轴 之间可加装轴承或杯式轴承减少摩擦阻力，对于易造成控制电机堵转的部位可以 加装弹性垫片。

其中本发明的逻辑控制主板被配制向电机控制器发送动作指令，电机控制器 能够独立进行控制电机操作，控制电机间不相互干扰，通过安装在左下肢、右下 肢、左上肢、右上肢、躯干、头部六部分的控制电机实现人形机器人的协同动作， 逻辑控制主板以不同动作阶段向电机控制器分别发送动作指令，分步达到人形机 器人行走目的。

其中本发明的无线通讯模块可为蓝牙、Wi-Fi、无线数据通信、GSM/GPRS 模块等，无线通讯模块与逻辑控制主板连接，人形机器人操作员根据需要通过无 线或有线向逻辑主板发送预先设定的指令代码，实现人形机器人远方操控。

其中本发明的动力电源提供来自外部功率源或电池或蓄能器的能量。

其中转轴本发明的可选择为轴承。

本发明的传感器模块可以为陀螺仪和/或角度和/或倾斜角度和/或多轴重力 加速度和/或颜色和/或红外线等传感器，更加准确的定位人形机器人的运动状态 与空间位置，通过完善逻辑控制主板内部程序，提升控制电机的响应速度与精度， 使得人形机器人做出更加复杂的常规动作与应急动作。

进一步，本发明可以用于接受用户输入和/或用于向用户提供信息。用户界 面可以包括显示器、旋钮、一个或多个按钮、触摸屏、一个或多个灯(例如，LED) 等。

其中左脚驱动装置1、左腿驱动装置2、左臂驱动装置3、右脚驱动装置4、 右腿驱动装置5、右臂驱动装置6与头部驱动装置8分别模仿人体的左脚、左臂、 右脚、右臂以及头部各个关节的动作，左前趾尖接触元件9、左后脚跟接触元件 10、右前趾尖接触元件56以及右后脚跟接触元件57可以压力传感器或限位开关 等常见反馈器件，左脚电磁铁11用于固定吸附肢体，承受负重，左跖趾关节电 机13模仿跖趾关节，左脚踝关节电机15模仿左脚踝关节，左膝关节前后摆动电 机17模仿左膝关节,左髋关节摆动电机19模仿左髋关节摆动，左髋关节转动电 机24模仿左髋关节转动，左手指关节电机25模仿左手指关节，左腕关节电机27模仿左腕关节，左肘关节电机29模仿左肘关节，左肩关节摆动电机31模仿 左肩关节摆动，左臂关节转动电机35模仿左臂关节转动，头部转动电机36模仿 头部转动，电机控制器37用于控制各个控制电机的转动方向、角度以及转速， 控制电机可以为伺服电机或步进电机等，各个连接架模仿人体各个连接骨。作为 本领域的技术人员，通过对各个控制电机的连接方向倒转安装，即安装方向与附 图方向相反；作为步骤b的等同替换，通过控制右腿驱动装置5上的脚趾关节、 踝关节以及髋关节动作，从而带动躯壳7向上抬起，从而左脚驱动装置1与铁板 的分离是显而易见的，实现执行机器人起步，均为简单的等同替换。

本发明结构紧凑，设计合理，可以实现负重工作，适合大规模推广。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制； 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理 解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术 特征进行等同替换；作为本领域技术人员对本发明的多个技术方案进行组合是显 而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例 技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种结构设计合理的机器人，其特征在于：包括设置躯壳(7)以及与躯壳(7)铰接的肢体驱动装置；所述肢体驱动装置通过相应的转轴或相应的平面轴承与躯壳(7)转动连接；所述肢体驱动装置为左腿驱动装置(2)、右腿驱动装置(5)、左臂驱动装置(3)和/或右臂驱动装置(6)；左腿驱动装置(2)包括髋骨上连接架(21)、左腿转轴(22)以及左腿联轴器(23)；髋骨上连接架(21)通过左腿转轴(22)与左腿联轴器(23)传动连接，髋骨上连接架(21)通过左腿转轴(22)与躯壳(7)转动连接；左腿转轴(22)包括与躯壳(7)固定连接的固定法兰架(49)、穿装在固定法兰架(49)内且自转设置的转动轴(47)以及固定设置在转动轴(47)一端且与髋骨上连接架(21)的旋转连接法兰(48)，转动轴(47)另一端与左腿联轴器(23)传动连接；左腿转轴(22)还包括沿轴向设置在转动轴(47)内的内通孔(50)，在内通孔(50)内设置有传动轴(51)，传动轴(51)一端与左腿联轴器(23)传动连接，传动轴(51)通过旋转连接法兰(48)与髋骨上连接架(21)传动连接。

2.根据权利要求1所述的一种结构设计合理的机器人，其特征在于:右腿驱动装置(5)与左腿驱动装置(2)的结构相同，左腿驱动装置(2)与右腿驱动装置(5)相对于躯壳(7)中心线对称设置。

3.根据权利要求2所述的一种结构设计合理的机器人，其特征在于:还包括铰接在左腿驱动装置(2)下端的左脚驱动装置(1)、铰接在右腿驱动装置(5)下端的右脚驱动装置(4)以及电气控制单元；左脚驱动装置(1)包括设置在铁板上方且与左腿驱动装置(2)铰接的左脚架(12)以及设置在左脚架(12)上的左脚电磁铁(11)，左脚电磁铁(11)与铁板的上表面相对应；右脚驱动装置(4)包括设置在铁板上方且与右腿驱动装置(5)铰接的右脚架以及设置在右脚架上的右脚电磁铁(58)，右脚电磁铁(58)与铁板的上表面相对应；左腿驱动装置(2)包括模仿人体腿部关节的控制电机以及与控制电机连接的模仿人体的腿骨连机架；电气控制单元包括设置在躯壳(7)内的电机控制器(37)与逻辑控制主板(41)、用于检查左脚电磁铁(11)与铁板的上表面接触的左检测模块以及用于检查右脚电磁铁(58)与铁板的上表面接触的右检测模块，左检测模块与右检测模块分别将各自采集的电信号传递给逻辑控制主板(41)，逻辑控制主板(41)通过电机控制器(37)控制相应的控制电机主轴转动，逻辑控制主板(41)分别控制左脚电磁铁(11)的线圈和/或右脚电磁铁(58)的线圈通断电。

4.根据权利要求3所述的一种结构设计合理的机器人，其特征在于:所述左检测模块包括设置在左脚电磁铁(11)一侧的左前趾尖接触元件(9)与设置在左脚电磁铁(11)另一侧的左后脚跟接触元件(10)或设置在左脚电磁铁(11)一侧的左前趾尖接触元件(9)与用于检查左脚电磁铁(11)水平的左水平仪元件；所述右检测模块包括设置在右脚电磁铁(58)一侧的右前趾尖接触元件(56)与设置在右脚电磁铁(58)另一侧的右后脚跟接触元件(57)或设置在右脚电磁铁(58)一侧的右前趾尖接触元件(56)与用于检查右脚电磁铁(58)水平的右水平仪元件。

5.根据权利要求4所述的一种结构设计合理的机器人，其特征在于:左腿驱动装置(2)还包括带动左脚电磁铁(11)前后摆动的左跖趾关节电机(13)、左脚连接架(14)、带动左脚连接架(14)摆动的左脚踝关节电机(15)、左小腿连接架(16)、带动左小腿连接架(16)前后摆动的左膝关节前后摆动电机(17)、左大腿连接架(18)、带动左大腿连接架(18)前后摆动的左髋关节摆动电机(19)以及固定设置在躯壳(7)左下端的左髋关节转动电机(24)；左脚架(12)与左跖趾关节电机(13)的电机轴铰接，左跖趾关节电机(13)的壳体与左脚连接架(14)固定连接，左脚连接架(14)与左脚踝关节电机(15)的壳体固定连接，左脚踝关节电机(15)的电机轴与左小腿连接架(16)铰接，左小腿连接架(16)与左膝关节前后摆动电机(17)的壳体固定连接，左膝关节前后摆动电机(17)的电机轴与左大腿连接架(18)铰接，左大腿连接架(18)与左髋关节摆动电机(19)的壳体固定连接，左髋关节摆动电机(19)的电机轴与髋骨上连接架(21)铰接，左腿联轴器(23)与左髋关节转动电机(24)连接。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种结构设计合理的机器人，其特征在于:左臂驱动装置(3)包括左肩胛骨连接架(32)、左肩转轴(33)以及左臂联轴器(34)，左肩胛骨连接架(32)通过左肩转轴(33)与左臂联轴器(34)传动连接；左肩转轴(33)与左腿转轴(22)的结构相同，左肩胛骨连接架(32)通过左肩转轴(33)与左躯壳(7)转动连接；右臂驱动装置(6)与左臂驱动装置(3)的结构相同，右臂驱动装置(6)与左臂驱动装置(3)相对于躯壳(7)中心线对称设置。