CN106005079A - 带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构，包括依次铰接的机身、大腿、小腿和足部，所述机身与大腿的铰接处设有驱动大腿旋转的方向驱动装置，所述大腿上设有驱动小腿转动的第一跳跃驱动装置，所述小腿的上端具有与大腿下端铰接的小腿顶板，小腿顶板与第一跳跃驱动装置之间设有膝关节传动杆，所述膝关节传动杆的两端分别与小腿顶板与第一跳跃驱动装置铰接，所述大腿与小腿的铰接出设有驱动小腿旋转的第二跳跃驱动装置；所述小腿和足部之间设有缓冲机构。本发明解决了现有技术对机器人跳跃中蓄能能力弱，不能实现髋膝协同工作，以及无法保护踝关节电机免受跳跃中冲击的问题。

Description

带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构。

背景技术

随着科技的进步，机器人时代正在向我们走来。仿人机器人已经成为社会关注的热点，如何实现机器人的快速跳跃和跑步运动已经成为机器人技术领域的研究重点。人体腿部能够实现行走、跳跃、等运动，对腿式机器人提升其运动性能有重要的借鉴意义。目前我国对腿式机器人的研究主要集中在实现步行和爬行等功能，但是运动速度受到自身重量与电机功率等因素的限制，相比于国外先进的腿式机器人存在一定的差距。

单腿机器人是腿式机器人中结构最简单的机器人，具有动力学模型简单、干扰较少、研究成本低和周期短的优点。通过设计单腿机器人机构，可以更好地了解腿式机器人的结构特点和运动特性。

如授权公告号为CN103879470B的专利文献公开的一种连杆传动的单腿机器人跳跃机构，包括依次铰接的机身、大腿和小腿，大腿设有驱动小腿转动的跳跃驱动装置，机身与大腿的铰接处设有驱动大腿旋转的方向驱动装置，小腿上端具有与大腿下端铰接的小腿顶板，小腿顶板与跳跃驱动装置之间设有传动杆，传动杆的两端分别与驱动装置和小腿顶板铰接，大腿与小腿顶板之间还设有弹性储能件。方向驱动装置能够驱动大腿旋转，实现方向控制；跳跃驱动装置和方向驱动装置靠近机身，这降低了大腿相对于机身的转动惯量，能减少第一驱动电机的能耗，提高机器人运动的稳定性和敏捷性；通过平衡飞轮，增加了机器人的稳定性；通过设置的弹性储能件和平衡件，既能储能又能缓冲。但该机器人没有踝关节及足底，不能利用踝关节运动提高机器人的跳跃能力，在高强度跳跃运动中对减缓地面对机器人膝关节与髋关节冲击的能力也较为有限。

申请公布号为CN 102556193 A的专利文献提供的弹跳机器人能够实现弹跳和保持平衡，但是在工作时主要依赖电机提供能量，不具备机构储能装置，因此对电机的负荷比较大。

申请公布号为CN 103264733 A的专利文献公开了一种动力储能的单腿机器人原地跳跃机构，机器人由机身、髋关节、膝关节、足底和大小腿五部分组成，机身与大腿、大腿与小腿之间分别通过髋关节和膝关节连接；髋关节由电机、谐波减速器、编码器和髋弹簧等元件组成，具有主动输出关节力矩的功能，通过同步带为膝关节提供主动的力矩输出；膝关节的膝转轴安装膝弹簧，膝关节通过将机器人的重力势能转化为膝弹簧的弹性势能，为机器人的跳跃积蓄和补偿能量；足部安装有力传感器，用于检测机器人的触地信息。但是该单腿机器人原地跳跃机构虽然采用了串联弹性驱动装置，具有一定的储能效果，但储能能力较弱，且由于没有髋关节驱动器，机器人只能在原地弹跳，不能进行前进或后退运动。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构。解决了现有技术对机器人跳跃中蓄能能力较弱，无法实现髋膝协同工作，以及无法实现踝关节蓄能并在运动中做功的问题。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构，包括依次铰接的机身、大腿、小腿和足部，所述机身与大腿的铰接处设有驱动大腿旋转的方向驱动装置，所述大腿上设有驱动小腿转动的第一跳跃驱动装置，所述小腿的上端具有与大腿下端铰接的小腿顶板，小腿顶板与第一跳跃驱动装置之间设有膝关节传动杆，所述膝关节传动杆的两端分别与小腿顶板与第一跳跃驱动装置铰接，所述大腿与小腿的铰接出设有驱动小腿旋转的第二跳跃驱动装置；所述小腿和足部之间设有缓冲机构；所述足部上还设有微动开关，所述微动开关向用于反馈足部着地的信息；所述机身上安装有控制器，所述方向驱动装置、第一跳跃驱动装置、第二跳跃驱动装置和微动开关均与控制器相连。

进一步地，所述大腿包括：

与机身铰接的安装架，用于安装方向驱动装置和第一跳跃驱动装置；

三脚架，一端与安装架固定，另一端与小腿铰接。

进一步地，所述方向驱动装置包括：

固定在安装架上的髋关节电机，所述髋关节电机与控制器相连；

固定在安装架上与髋关节电机配合传动的髋谐波减速器；

与髋谐波减速器输出轴配合的髋关节弹性驱动器；

所述髋关节弹性驱动器包括同心布置能相对旋转的第一外环和第一内环，第一外环与第一内环之间设置有若干第一弹簧件，所述第一内环与髋谐波减速器的输出轴固定，所述第一外环与机身固定。

进一步地，所述第一跳跃驱动装置包括：

固定在安装架上的膝关节电机，所述膝关节电机与控制器相连；

固定在安装架上与膝关节电机配合传动的膝谐波减速器；

与膝谐波减速器输出轴配合的膝关节弹性驱动器，

所述膝关节弹性驱动器包括同心布置能相对旋转的第二外环和第二内环，第二外环与第二内环之间设置有若干第二弹簧件，所述第二内环与膝谐波减速器的输出轴固定，所述第二外环与膝关节传动杆的一端铰接。

进一步地，所述第二跳跃驱动装置包括：

固定在小腿上的踝关节电机，所述踝关节电机与控制器相连；

固定在三脚架上与踝关节电机配合传动的踝谐波减速器；

与踝谐波减速器输出端固定的踝关节驱动杆；

踝电机编码器，所述踝电机编码器的转子与踝关节驱动杆固定连接，定子与小腿固定连接。

进一步地，所述缓冲机构包括：

踝关节传动杆，一端与踝关节驱动杆末端铰接；

小腿铰接杆，一端与小腿的下部铰接；

弹性机构，上端分别与踝关节传动杆的另一端和小腿铰接杆的另一端铰接，下端与足部铰接；

所述小腿、踝关节驱动杆、踝关节传动杆和小腿铰接杆构成一个平行四边形四连杆机构。

进一步地，所述弹性机构包括：

与踝关节传动杆的另一端和小腿铰接杆的另一端铰接的踝关节上弹簧座；

固定在踝关节上弹簧座上的踝关节弹簧锁扣；

两个踝关节上弹簧座之间设有若干踝关节弹簧，所述踝关节弹簧通过踝关节弹簧锁扣固定在踝关节上弹簧座。

进一步地，所述小腿和足部的铰接处设有踝关节编码器；所述踝关节编码器与控制器相连。

进一步地，所述足部包括足部主体，所述足部主体后部固定有足后跟连杆；所述弹性机构的下端与足后跟连杆铰接；所述足部主体包裹有足部橡胶，用于降低跳跃冲击并增大与地面的摩擦力；所述足底踏板设置在足部橡胶和足部主体之间，足底踏板的前端嵌入足部主体的限位卡槽中，足底踏板的后端铰接在足部主体的下端；所述足底踏板和足部主体之间设置有足底弹簧，足底弹簧处于压缩状态，用于使足底踏板与足部主体下端保持距离；所述足部主体内部还安装有两个微动开关；所述微动开关的拨杆贴在足底踏板表面；所述微动开关与控制器相连。

进一步地，所述小腿、小腿铰接杆、踝关节弹簧和足后跟连杆构成一个四连杆机构。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：

1、附带有踝关节电机，能够主动控制踝关节运动，进而实现膝踝联合运动，提升机器人的运动能力；

2、踝关节安装有串联弹性装置，能够在机器人着地阶段缓解冲击，存储冲击能量并在起跳阶段为机器人提供能量；

3、安装有仿生足部，减缓跳跃过程对机身的冲击，仿生足部内部的微动开关能够灵敏检测机器人的落地状态。

附图说明

图1是本发明带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人的结构示意图；

图2是机器人小腿与足部的侧视图；

图3是踝关节弹性机构的结构示意图；

图4是仿生足部的局部剖视图；

图5是髋关节弹性转盘的结构示意图；

图6是膝关节弹性驱动器的结构示意图。

图中，1.机身、2.大腿、3.小腿、4.足部、5.髋关节电机、6.髋谐波减速器、7.髋关节弹性驱动器、8.膝关节电机、9.膝谐波减速器、10.膝关节弹性驱动器、11.膝关节传动杆、12.踝关节电机、13.踝传动皮带、14.踝谐波减速器、15.踝关节驱动杆、16.踝关节传动杆、17.小腿铰接杆、18.踝关节弹簧、19.踝关节弹簧上连杆轴、20.踝关节上弹簧座、21.踝关节下弹簧座、22.踝关节弹簧锁扣、23.踝关节弹簧下连杆轴、24.足后跟连杆、25.足部橡胶、26.足底踏板、27.微动开关、28.踝电机编码器、29.踝关节编码器、30.足底弹簧、31.限位卡槽、32.足部主体、33.小腿顶板、34.髋压缩弹簧、35.膝压缩弹簧、36.安装架、37.三脚架。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步的说明。

如图1-6所示，一种带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构，包括依次铰接的机身1、大腿2、小腿3和足部4，所述机身1与大腿2的铰接处设有驱动大腿2旋转的方向驱动装置，所述大腿2上设有驱动小腿3转动的第一跳跃驱动装置，所述小腿3的上端具有与大腿2下端铰接的小腿顶板33，小腿顶板与第一跳跃驱动装置之间设有膝关节传动杆11，所述膝关节传动杆11的两端分别与小腿顶板33与第一跳跃驱动装置铰接，所述大腿2与小腿3的铰接出设有驱动小腿3旋转的第二跳跃驱动装置；所述小腿3和足部4之间设有缓冲机构；所述足部4上还设有微动开关27，所述微动开关27向用于反馈足部4着地的信息；所述机身1上安装有控制器，所述方向驱动装置、第一跳跃驱动装置、第二跳跃驱动装置和微动开关27均与控制器相连。

所述大腿2包括：

与机身1铰接的安装架36，用于安装方向驱动装置和第一跳跃驱动装置；

三脚架37，一端与安装架36固定，另一端与小腿3铰接。

所述方向驱动装置包括：

固定在安装架36上的髋关节电机5，并与控制器相连；

固定在安装架36上与髋关节电机5配合传动的髋谐波减速器6；

与髋谐波减速器输出轴配合的膝关节弹性驱动器，

所述髋关节弹性驱动器7包括同心布置能相对旋转的第一外环和第一内环，第一外环与第一内环之间预紧安装有六个髋压缩弹簧34，所述第一内环与髋谐波减速器的输出轴固定，所述第一外环与机身固定，即当髋关节电机5转动时，带动髋谐波减速器6转动，髋谐波减速器6驱动髋关节弹性驱动器盘7转动，髋关节弹性驱动器盘7带动机身1转动；

所述第一跳跃驱动装置包括：

固定在安装架36上的膝关节电机8，并与控制器相连；

固定在安装架36上与膝关节电机8配合传动的膝谐波减速器9；

与膝谐波减速器输出轴配合的膝关节弹性驱动器，

所述膝关节弹性驱动器10包括同心布置能相对旋转的第二外环和第二内环，第二外环与第二内环之间预紧安装有六个髋压缩弹簧35，所述第二内环与膝谐波减速器的输出轴固定，所述第二外环与膝关节传动杆11的一端铰接，即当膝关节电机8转动时，带动膝谐波减速器9转动，膝谐波减速器9驱动膝关节弹性驱动器10转动，膝关节弹性驱动器10带动膝关节传动杆11运动，将转动传递到小腿顶板33。

所述第二跳跃驱动装置包括：

固定在小腿3上的踝关节电机12，并与控制器相连；

固定在三脚架37上与踝关节电机12配合传动的踝谐波减速器14；

与踝谐波减速器14输出端固定的踝关节驱动杆15；

踝电机编码器28，所述踝电机编码器28的转子与踝关节驱动杆15固定连接，定子与小腿3固定连接。

所述缓冲机构包括：

踝关节传动杆16，一端与踝关节驱动杆15末端铰接；

小腿铰接杆17，一端与小腿3的下部铰接；

弹性机构，上端分别与踝关节传动杆16的另一端和小腿铰接杆17的另一端铰接，下端与足部4铰接；

所述小腿3、踝关节驱动杆15、踝关节传动杆16和小腿铰接杆17构成一个平行四边形四连杆机构。

所述弹性机构包括：

与踝关节传动杆16的另一端和小腿铰接杆17的另一端铰接的踝关节上弹簧座20；

固定在踝关节上弹簧座20上的踝关节弹簧锁扣22；

两个踝关节上弹簧座20之间设有若干踝关节弹簧18，所述踝关节弹簧18通过踝关节弹簧锁扣22固定在踝关节上弹簧座20。

所述小腿3和足部4的铰接处设有踝关节编码器29；所述踝关节编码器29与控制器相连。

所述足部4包括足部主体32，所述足部主体32后部固定有足后跟连杆24；所述弹性机构的下端与足后跟连杆24铰接；所述足部主体32包裹有足部橡胶25，用于降低跳跃冲击并增大与地面的摩擦力；所述足底踏板26设置在足部橡胶25和足部主体32之间，足底踏板26的前端嵌入足部主体32的限位卡槽31中，足底踏板26的后端铰接在足部主体32的下端；所述足底踏板26和足部主体32之间设置有足底弹簧30，足底弹簧30处于压缩状态，用于使足底踏板26与足部主体下端保持距离；所述足部主体32内部还安装有两个微动开关27；所述微动开关27的拨杆贴在足底踏板26表面；所述微动开关27与控制器相连；当足部橡胶25离地时，足底弹簧30压迫解除，足底踏板26离开足部主体下端，受足部限位卡槽31的约束与足部主体下端保持一定距离。此时微动开关27断开，向控制系统反馈足部4离地的信息。所述控制器可以采用Elmo公司Gold Solo Guitar型号的产品，但不限于此。

本发明的工作过程如下：

机器人的控制器安装在身体1内部。大腿2上安装有髋关节电机5、膝关节电机8、髋谐波减速器6、膝谐波减速器9、髋关节弹性驱动器盘7和膝关节弹性驱动器10。髋关节电机5通过髋谐波减速器6与髋关节弹性驱动器盘7联接，髋关节弹性驱动器盘7输出端与身体1联接，髋关节电机5转动时，带动髋谐波减速器9转动，髋谐波减速器6驱动髋关节弹性驱动器盘7转动，髋关节弹性驱动器盘7带动身体1转动；膝关节电机8通过膝谐波减速器9与膝关节弹性驱动器10联接，膝关节弹性驱动器10输出端与膝关节传动杆11铰接，膝关节传动杆11另一端与小腿3顶端铰接，膝关节电机8转动时，带动膝谐波减速器9转动，膝谐波减速器9驱动膝关节弹性驱动器10转动，膝关节弹性驱动器10带动膝关节传动杆11运动，将转动传递到小腿顶板33。

为减小踝关节驱动机构对髋膝关节的转动惯量，踝关节电机12、踝谐波减速器14、踝关节驱动杆15安装在机器人的小腿顶板33上，踝谐波减速器14与膝关节同轴。踝关节电机12输出轴通过踝传动皮带13带动踝谐波减速器14输入端转动，踝谐波减速器14输出端与踝关节驱动杆15固接，踝电机编码器28与膝关节转轴同轴安装，其转子与踝关节驱动杆15固接，定子与小腿3固接；踝关节驱动杆15末端与踝关节传动杆16铰接，踝关节传动杆16另一端与小腿铰接杆17、踝关节上弹簧座20通过踝关节弹簧上连杆轴19铰接，小腿铰接杆17另一端与小腿3铰接。小腿3、踝关节驱动杆15、踝关节传动杆16、小腿铰接杆17构成一个平行四边形四连杆机构；小腿3、小腿铰接杆17、踝关节弹簧18和足后跟连杆24也构成一个四连杆机构。踝关节上弹簧座20上固定有三个踝关节弹簧锁扣22，踝关节弹簧锁扣22通过中部的圆槽将三条踝关节弹簧18末端固定在踝关节上弹簧座20上。三条踝关节弹簧18的另一端通过另外三个踝关节弹簧锁扣22固定在踝关节下弹簧座21上。运动时，通过踝电机编码器28读取踝关节驱动杆相对于小腿的转角，通过踝关节编码器29读取足部4相对于小腿3的转角。三个踝关节弹簧18具备拉伸功能，因此在机器人着地时踝关节弹簧18拉伸以存储能量；踝关节弹簧18在压缩方向没有弹性，可以看作刚体，因此机器人在空中回摆足部4时没有弹性的干扰，可以较精确地定位。实际使用中，根据机器人质量的变化，踝关节弹簧18可以从一个到三个进行调节，其长度与劲度系数也可以相应更改。当踝关节弹簧18没有拉伸时，小腿3、小腿铰接杆17、踝关节弹簧18和足后跟连杆24构成的四连杆机构为平行四边形，此时踝电机编码器28与踝关节编码器29读数相同；当踝关节弹簧18受力拉伸时，小腿3、小腿铰接杆17、踝关节弹簧18和足后跟连杆24构成的四连杆机构变形，踝关节编码器29和踝电机编码器28读数不再相同。根据踝关节编码器29与踝电机编码器28读数的差值可以计算出踝关节弹簧18的伸长量，通过胡克定律计算出足部橡胶25所受的压力，控制系统能够以此判断机器人的运动状态和姿态，进而控制髋关节电机5、膝关节电机8与踝关节电机12的运动。

机器人足部4后部固接有足后跟连杆24，踝关节部位与踝关节编码器29定子固接，小腿与踝关节编码器29转子固接。踝关节下弹簧座21与足后跟连杆24通过踝关节弹簧下连杆轴23铰接。足部4包裹有足部橡胶25用于降低跳跃冲击并增大与地面的摩擦力；足部4内部安装有两个微动开关27，微动开关27拨杆贴在足底踏板26表面；足底踏板26后端铰接在足部4下端，足底踏板26前端嵌入足部限位卡槽31中。当足部4着地时，足底弹簧30受力收缩，足底踏板26牢牢贴在足部4下端，此时微动开关27拨杆受到压迫，微动开关27闭合，向控制系统反馈足部橡胶25着地的信息；当足部橡胶25离地时，足底弹簧30压迫解除，足底踏板26离开足部4下端，受足部限位卡槽31的约束与足部4下端保持一定距离。此时微动开关27断开，向控制系统反馈足部4离地的信息。

Claims (10)

1.一种带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构，包括依次铰接的机身、大腿、小腿和足部等，所述机身与大腿的铰接处设有驱动大腿旋转的方向驱动装置，所述大腿上设有驱动小腿转动的第一跳跃驱动装置，所述小腿的上端具有与大腿下端铰接的小腿顶板，小腿顶板与第一跳跃驱动装置之间设有膝关节传动杆，所述膝关节传动杆的两端分别与小腿顶板与第一跳跃驱动装置铰接，其特征在于，所述大腿与小腿的铰接出设有驱动小腿旋转的第二跳跃驱动装置；所述小腿和足部之间设有缓冲机构；所述足部上还设有微动开关，所述微动开关向用于反馈足部着地的信息；所述机身上安装有控制器，所述方向驱动装置、第一跳跃驱动装置、第二跳跃驱动装置和微动开关均与控制器相连。

2.根据权利要求1所述的带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述大腿包括：

与机身铰接的安装架，用于安装方向驱动装置和第一跳跃驱动装置；

三脚架，一端与安装架固定，另一端与小腿铰接。

3.根据权利要求2所述的带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述方向驱动装置包括：

固定在安装架上的髋关节电机，所述髋关节电机与控制器相连；

固定在安装架上与髋关节电机配合传动的髋谐波减速器；

与髋谐波减速器输出轴配合的髋关节弹性驱动器；

所述髋关节弹性驱动器包括同心布置能相对旋转的第一外环和第一内环，第一外环与第一内环之间设置有若干第一弹簧件，所述第一内环与髋谐波减速器的输出轴固定，所述第一外环与机身固定。

4.根据权利要求3所述的带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述第一跳跃驱动装置包括：

固定在安装架上的膝关节电机，所述膝关节电机与控制器相连；

固定在安装架上与膝关节电机配合传动的膝谐波减速器；

与膝谐波减速器输出轴配合的膝关节弹性驱动器，

所述膝关节弹性驱动器包括同心布置能相对旋转的第二外环和第二内环，第二外环与第二内环之间设置有若干第二弹簧件，所述第二内环与膝谐波减速器的输出轴固定，所述第二外环与膝关节传动杆的一端铰接。

5.根据权利要求4所述的带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述第二跳跃驱动装置包括：

固定在小腿上的踝关节电机，所述踝关节电机与控制器相连；

固定在三脚架上与踝关节电机配合传动的踝谐波减速器；

与踝谐波减速器输出端固定的踝关节驱动杆；

踝电机编码器，所述踝电机编码器的转子与踝关节驱动杆固定连接，定子与小腿固定连接。

6.根据权利要求5所述的带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述缓冲机构包括：

踝关节传动杆，一端与踝关节驱动杆末端铰接；

小腿铰接杆，一端与小腿的下部铰接；

弹性机构，上端分别与踝关节传动杆的另一端和小腿铰接杆的另一端铰接，下端与足部铰接；

所述小腿、踝关节驱动杆、踝关节传动杆和小腿铰接杆构成一个平行四边形四连杆机构。

7.根据权利要求6所述的带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述弹性机构包括：

与踝关节传动杆的另一端和小腿铰接杆的另一端铰接的踝关节上弹簧座；

固定在踝关节上弹簧座上的踝关节弹簧锁扣；

两个踝关节上弹簧座之间设有若干踝关节弹簧，所述踝关节弹簧18通过踝关节弹簧锁扣22固定在踝关节上弹簧座20。

8.根据权利要求7所述的带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述小腿和足部的铰接处设有踝关节编码器；所述踝关节编码器与控制器相连。

9.根据权利要求8所述的带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述足部包括足部主体，所述足部主体后部固定有足后跟连杆；所述弹性机构的下端与足后跟连杆铰接；所述足部主体包裹有足部橡胶，用于降低跳跃冲击并增大与地面的摩擦力；所述足底踏板设置在足部橡胶和足部主体之间，足底踏板的前端嵌入足部主体的限位卡槽中，足底踏板的后端铰接在足部主体的下端；所述足底踏板和足部主体之间设置有足底弹簧，足底弹簧处于压缩状态；所述足部主体内部还安装有两个微动开关；所述微动开关的拨杆贴在足底踏板表面；所述微动开关与控制器相连。

10.根据权利要求9所述的带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述小腿、小腿铰接杆、踝关节弹簧和足后跟连杆构成一个四连杆机构。