CN106564539A - 双足半被动对分上体行走装置 - Google Patents

Abstract

一种双足半被动对分上体行走装置，包括髋部和两条腿部，髋部包括髋部平衡板和支架，支架上设有竖直转轴与髋部平衡板旋转配合相连；支架的前后两端分别设有竖直板，两块竖直板之间设有侧动板，侧动板的前后两侧分别设有同轴的水平转轴Ⅰ与对应的竖直板旋转配合相连；腿部包括大腿和小腿，大腿旋转配合安装在侧动板上，侧动板上设有前后摆动驱动机构；髋部平衡板与侧动板之间设有用于驱动两条大腿做朝相背的方向同步张开或朝相向的方向同步闭合运动的腿部张开驱动机构；大腿和小腿之间铰接连接，且大腿和小腿之间设有半被动膝关节机构；髋部平衡板与支架之间设有用于驱动两个支架朝相反的方向同步转动进而带动髋部扭动的髋部扭动机构。

Description

双足半被动对分上体行走装置

技术领域

本发明涉及一种行走器械，具体的为一种双足半被动对分上体行走装置。

背景技术

目前，世界上大多数机器人是通过实时驱动，以模仿人类行走形态，所以导致机器人行走动作缓慢，且能耗超出人的十倍。这严重制约了机器人的续航、作业、载荷能力。被动行走原理的提出为实现高效自然行走提供了一个可能的解决途径。

被动动态行走是研究双足（两条腿）步行系统的一种方法，这个系统包括人类或其他双足动物，或你想制作或控制的双足步行机器人。被动动态行走是看待双足步行的一种方式。与其把它作为一个持续不断的努力保持平衡，不如把双足行走看做一个在足部接触变化的间歇干扰下的持续的被动跌倒，我们可以对它有一个更好的理解。然后可以将一串稳定持续的步子看做周期运动进行分析。

被动行走原理的提出为实现高效自然行走提供了一个可能的解决途径，被动行走系统是仅依靠重力来被动地转动机器人各关节，有许多优秀的基于被动动力学的双足行走机器人被设计出来, 包括荷兰Delft 大学的机器人Leo ；美国密歇根大学的机器人MABEL；英国斯特灵大学的机器人Runbot 等。

公开号为CN 105730551A的中国专利申请公开了一种半被动双足对分上体行走装置，公开号为CN104512493A的中国专利申请公开了一种齿轮传动对分上体节能被动行走装置及其控制方法，虽然均采用了“对分上体”的行走结构，但是均是采用齿轮传动实现的，存在结构复杂的问题，且行走中的稳定性是需要克服的一大难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种双足半被动对分上体行走装置，能够始终保持上体对分，以提高行走稳定性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种双足半被动对分上体行走装置，包括髋部和两条腿部，所述髋部包括髋部平衡板和分别设置在所述髋部平衡板左右两端下方的支架，所述支架上设有竖直转轴与所述髋部平衡板旋转配合相连；所述支架的前后两端分别设有竖直板，两块所述竖直板之间设有侧动板，所述侧动板的前后两侧分别设有同轴的水平转轴Ⅰ与对应的所述竖直板旋转配合相连；

所述腿部包括大腿和小腿，所述大腿旋转配合安装在所述侧动板上，所述侧动板上设有用于驱动所述大腿前后摆动的前后摆动驱动机构；所述髋部平衡板与所述侧动板之间设有用于驱动两条所述大腿做朝相背的方向同步张开或朝相向的方向同步闭合运动的腿部张开驱动机构；

所述大腿和小腿之间铰接连接，且所述大腿和小腿之间设有用于驱动所述小腿相对于所述大腿做弯曲伸直运动的半被动膝关节机构；所述髋部平衡板与所述支架之间设有用于驱动两个所述支架朝相反的方向同步转动进而带动所述髋部扭动的髋部扭动机构。

进一步，所述半被动膝关节机构包括膝关节拉线和固定安装在所述大腿上的膝关节电机，所述小腿上设有连接杆，所述膝关节拉线的两端分别与所述连接杆的两端固定连接，所述膝关节拉线的两端分别固定设有限位块，所述大腿上固定设有与所述限位块对应并滑动配合套装在所述膝关节拉线上的限位板，所述限位板与对应的所述限位块之间分别设有套装在所述膝关节拉线上的被动弹簧，所述被动弹簧的两端分别与对应的所述限位块和限位板固定连接；所述膝关节电机的输出轴上设有用于缠绕所述膝关节拉线并驱动所述膝关节拉线移动进而驱动所述小腿相对于所述大腿做弯曲伸直运动的驱动轮。

进一步，所述前后摆动驱动机构包括固定安装在所述侧动板上的前后摆动电机，所述大腿上设有与所述水平转轴Ⅰ垂直的水平转轴Ⅱ，所述前后摆动电机与所述水平转轴Ⅱ之间设有带传动机构或链传动机构或齿轮传动机构。

进一步，所述膝关节电机的轴线与所述水平转轴Ⅱ平行；或

所述膝关节电机的轴线与所述水平转轴Ⅱ共轴并驱动所述水平转轴Ⅱ转动，所述驱动轮套装在所述水平转轴Ⅱ上并与所述水平转轴Ⅱ同步转动，所述前后摆动电机与所述水平转轴Ⅱ之间设有带传动机构，所述带传动机构包括与所述大腿固定连接的带轮，所述带轮旋转配合套装在所述水平转轴Ⅱ上；或所述前后摆动电机与所述水平转轴Ⅱ之间设有链传动机构，所述链传动机构包括与所述大腿固定连接的链轮，所述链轮旋转配合套装在所述水平转轴Ⅱ上；或所述前后摆动电机与所述水平转轴Ⅱ之间设有齿轮传动机构，所述齿轮传动机构包括与所述大腿固定连接的被动齿轮，所述被动齿轮旋转配合套装在所述水平转轴Ⅱ上。

进一步，所述腿部张开驱动机构包括固定安装在所述髋部平衡板上且轴线与所述水平转轴Ⅰ平行的腿部张开电机，所述腿部张开电机与两条所述水平转轴Ⅰ之间分别设有用于驱动两条腿部做朝相背的方向同步张开或朝相向的方向同步闭合运动的腿部张开传动机构。

进一步，所述腿部张开传动机构包括设置在所述腿部张开电机输出轴上的传动轮Ⅰ和设置在所述水平转轴Ⅰ上的传动轮Ⅱ；所述传动轮Ⅰ与两个所述传动轮Ⅱ之间分别设有刹车管Ⅰ相连，且其中一根所述刹车管Ⅰ交叉设置后分别套装在对应的所述传动轮Ⅰ和传动轮Ⅱ上。

进一步，所述髋部扭动机构包括固定安装在所述髋部平衡板且轴线竖直的髋部扭动电机，所述髋部扭动电机与两根所述竖直转轴之间分别设有用于驱动两个所述支架朝相反的方向同步转动进而带动所述髋部扭动的扭动传动机构。

进一步，所述扭动传动机构包括设置在所述髋部扭动电机输出轴上的扭动轮Ⅰ和设置在所述竖直转轴上的扭动轮Ⅱ，所述扭动轮Ⅰ与所述扭动轮Ⅱ之间设有刹车管Ⅱ相连，且其中一根所述刹车管Ⅱ交叉设置后分别套装在对应的所述扭动轮Ⅰ和扭动轮Ⅱ上。

进一步，所述扭动轮Ⅱ与对应的所述竖直转轴之间设有谐波减速机。

进一步，所述大腿包括分别位于左右两侧的两块侧板，两块所述侧板分别位于所述侧动板的两侧；所述小腿的底部设有拟足板。

本发明的有益效果在于：

本发明的双足半被动对分上体行走装置，通过设置前后摆动驱动机构，能够驱动两条大腿前后摆动进而实现向前和向后行走；通过设置腿部张开驱动机构可驱动链条大腿做朝相背的方向同步张开或朝相向的方向同步闭合的运动，实现两条大腿之间的张开或闭合，且始终保持大腿张开闭合时上体对分；通过设置髋部扭动机构可驱动两个支架朝相反的方向同步转动，在实现髋部扭动的技术效果的同时，还能够始终保持上体对分；通过设置半被动膝关节机构驱动小腿相对于大腿做弯曲运动，行走更加灵活；

综上可知，本发明的双足半被动对分上体行走装置在行走过程中能够始终保持上体对分，即能够确保行走过程中的稳定性，通过设置半被动膝关节机构保持行走过程中的灵活性，并采用多个电机分别驱动，结构更加简洁可靠，通过对各个电机的控制，可方便地实现行走的控制。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明双足半被动对分上体行走装置实施例的结构示意图；

图2为图1的轴测图；

图3为图1的后视图；

图4为图3的轴测图；

图5为两个腿部张开时的状态图；

图6为髋部扭动时的状态图；

图7为半被动膝关节机构的结构简图。

附图标记说明：

1-髋部平衡板；2-支架；3-竖直板；4-侧动板；5-水平转轴Ⅰ；6-大腿；7-小腿；8-膝关节拉线；9-膝关节电机；10-连接杆；11-限位块；12-限位板；13-被动弹簧；14-前后摆动电机；15-水平转轴Ⅱ；16-带传动机构；17-腿部张开电机；18-传动轮Ⅰ；19-刹车管Ⅰ；20-髋部扭动电机；21-扭动轮Ⅰ；22-扭动轮Ⅱ；23-刹车管Ⅱ；24-谐波减速机；25-拟足板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

如图1所示，为本发明双足半被动对分上体行走装置实施例的结构示意图。本实施例的一种双足半被动对分上体行走装置，包括髋部和两条腿部，髋部包括髋部平衡板1和分别设置在髋部平衡板1左右两端下方的支架2，支架2上设有竖直转轴与髋部平衡板1旋转配合相连。支架2的前后两端分别设有竖直板3，两块竖直板3之间设有侧动板4，侧动板4的前后两侧分别设有同轴的水平转轴Ⅰ5与对应的竖直板3旋转配合相连。

本实施例的腿部包括大腿6和小腿7，大腿6旋转配合安装在侧动板3上，侧动板3上设有用于驱动大腿6前后摆动的前后摆动驱动机构。髋部平衡板1与侧动板3之间设有用于驱动两条大腿6做朝相背的方向同步张开或朝相向的方向同步闭合运动的腿部张开驱动机构。大腿6和小腿7之间铰接连接，且大腿6和小腿7之间设有用于驱动小腿7相对于大腿6做弯曲伸直运动的半被动膝关节机构。髋部平衡板1与支架2之间设有用于驱动两个支架2朝相反的方向同步转动进而带动髋部扭动的髋部扭动机构。

本实施例的半被动膝关节机构包括膝关节拉线8和固定安装在大腿6上的膝关节电机9，小腿7上设有连接杆10，膝关节拉线8的两端分别与连接杆10的两端固定连接，膝关节拉线8的两端分别固定设有限位块11，大腿6上固定设有与限位块11对应并滑动配合套装在膝关节拉线8上的限位板12，限位板12与对应的限位块11之间分别设有套装在膝关节拉线8上的被动弹簧13，被动弹簧13的两端分别与对应的限位块11和限位板12固定连接；膝关节电机9的输出轴上设有用于缠绕膝关节拉线8并驱动膝关节拉线8移动进而驱动小腿7相对于大腿6做弯曲伸直运动的驱动轮。通过设置膝关节拉线8和膝关节电机9，能够驱动小腿7相对于大腿6作弯曲伸直运动，且在被动弹簧13的作用下，可在大腿6和小腿7之间施加一个保持腿部伸直的被动力。

本实施例的前后摆动驱动机构包括固定安装在侧动板4上的前后摆动电机14，大腿6上设有与水平转轴Ⅰ5垂直的水平转轴Ⅱ15，前后摆动电机14与水平转轴Ⅱ15之间设有带传动机构或链传动机构或齿轮传动机构。本实施例的膝关节电机9的轴线与水平转轴Ⅱ15平行，前后摆动电机14与水平转轴Ⅱ15之间设有带传动机构16。当然，还可以将膝关节电机9与水平转轴Ⅱ15设置为共轴并驱动水平转轴Ⅱ15转动，驱动轮套装在水平转轴Ⅱ15上并与水平转轴Ⅱ15同步转动，前后摆动电机14与水平转轴Ⅱ15之间设有带传动机构，带传动机构包括与大腿6固定连接的带轮，带轮旋转配合套装在水平转轴Ⅱ上；或前后摆动电机与水平转轴Ⅱ之间设有链传动机构，链传动机构包括与大腿固定连接的链轮，链轮旋转配合套装在水平转轴Ⅱ上；或前后摆动电机与水平转轴Ⅱ之间设有齿轮传动机构，齿轮传动机构包括与大腿固定连接的被动齿轮，被动齿轮旋转配合套装在水平转轴Ⅱ上。

本实施例的腿部张开驱动机构包括固定安装在髋部平衡板1上且轴线与水平转轴Ⅰ5平行的腿部张开电机17，腿部张开电机17与两条水平转轴Ⅰ15之间分别设有用于驱动两条腿部做朝相背的方向同步张开或朝相向的方向同步闭合运动的腿部张开传动机构。本实施例的腿部张开传动机构包括设置在腿部张开电机17输出轴上的传动轮Ⅰ18和设置在水平转轴Ⅰ5上的传动轮Ⅱ。传动轮Ⅰ18与两个传动轮Ⅱ之间分别设有刹车管Ⅰ19相连，且其中一根刹车管Ⅰ19交叉设置后分别套装在对应的传动轮Ⅰ18和传动轮Ⅱ上。如此，当腿部张开电机17转动时，利用刹车管Ⅰ19分别驱动两侧的侧动板4绕水平转轴Ⅰ5转动，进而驱动腿部绕水平转轴Ⅰ5转动。且通过将其中一根刹车管Ⅰ19交叉设置后分别套装在对应的传动轮Ⅰ18和传动轮Ⅱ上，可实现同时驱动两条腿部做朝相背的方向同步张开或朝相向的方向同步闭合的运动，确保在腿部张开闭合过程中保持上体对分。

本实施例的髋部扭动机构包括固定安装在髋部平衡板1且轴线竖直的髋部扭动电机20，髋部扭动电机20与两根竖直转轴之间分别设有用于驱动两个支架2朝相反的方向同步转动进而带动髋部扭动的扭动传动机构。本实施例的扭动传动机构包括设置在髋部扭动电机20输出轴上的扭动轮Ⅰ21和设置在竖直转轴上的扭动轮Ⅱ22，扭动轮Ⅰ21与扭动轮Ⅱ22之间设有刹车管Ⅱ23相连，且其中一根刹车管Ⅱ23交叉设置后分别套装在对应的扭动轮Ⅰ21和扭动轮Ⅱ22上。且扭动轮Ⅱ22与对应的竖直转轴之间设有谐波减速机24。通过设置髋部扭动电机20和扭动传动机构，能够驱动两个支架2相对于髋部平衡板1旋转扭动，且通过将其中一根刹车管Ⅱ23交叉设置后分别套装在对应的扭动轮Ⅰ21和扭动轮Ⅱ22上，能够确保在髋部扭动过程中保持两个支架2朝相反的方向同步转动，进而实现在髋部扭动过程中保持上体对分。

本实施例的大腿6包括分别位于左右两侧的两块侧板，两块侧板分别位于侧动板4的两侧，本实施例的小腿7的底部设有拟足板25。

本实施例的双足半被动对分上体行走装置，通过设置前后摆动驱动机构，能够驱动两条大腿前后摆动进而实现向前和向后行走；通过设置腿部张开驱动机构可驱动链条大腿做朝相背的方向同步张开或朝相向的方向同步闭合的运动，实现两条大腿之间的张开或闭合，且始终保持大腿张开闭合时上体对分；通过设置髋部扭动机构可驱动两个支架朝相反的方向同步转动，在实现髋部扭动的技术效果的同时，还能够始终保持上体对分；通过设置半被动膝关节机构驱动小腿相对于大腿做弯曲运动，行走更加灵活；综上可知，本实施例的双足半被动对分上体行走装置在行走过程中能够始终保持上体对分，即能够确保行走过程中的稳定性，通过设置半被动膝关节机构保持行走过程中的灵活性，并采用多个电机分别驱动，结构更加简洁可靠，通过对各个电机的控制，可方便地实现行走的控制。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种双足半被动对分上体行走装置，包括髋部和两条腿部，其特征在于：所述髋部包括髋部平衡板和分别设置在所述髋部平衡板左右两端下方的支架，所述支架上设有竖直转轴与所述髋部平衡板旋转配合相连；所述支架的前后两端分别设有竖直板，两块所述竖直板之间设有侧动板，所述侧动板的前后两侧分别设有同轴的水平转轴Ⅰ与对应的所述竖直板旋转配合相连；

所述腿部包括大腿和小腿，所述大腿旋转配合安装在所述侧动板上，所述侧动板上设有用于驱动所述大腿前后摆动的前后摆动驱动机构；所述髋部平衡板与所述侧动板之间设有用于驱动两条所述大腿做朝相背的方向同步张开或朝相向的方向同步闭合运动的腿部张开驱动机构；

所述大腿和小腿之间铰接连接，且所述大腿和小腿之间设有用于驱动所述小腿相对于所述大腿做弯曲伸直运动的半被动膝关节机构；所述髋部平衡板与所述支架之间设有用于驱动两个所述支架朝相反的方向同步转动进而带动所述髋部扭动的髋部扭动机构。

2.根据权利要求1所述的双足半被动对分上体行走装置，其特征在于：所述半被动膝关节机构包括膝关节拉线和固定安装在所述大腿上的膝关节电机，所述小腿上设有连接杆，所述膝关节拉线的两端分别与所述连接杆的两端固定连接，所述膝关节拉线的两端分别固定设有限位块，所述大腿上固定设有与所述限位块对应并滑动配合套装在所述膝关节拉线上的限位板，所述限位板与对应的所述限位块之间分别设有套装在所述膝关节拉线上的被动弹簧，所述被动弹簧的两端分别与对应的所述限位块和限位板固定连接；所述膝关节电机的输出轴上设有用于缠绕所述膝关节拉线并驱动所述膝关节拉线移动进而驱动所述小腿相对于所述大腿做弯曲伸直运动的驱动轮。

3.根据权利要求2所述的双足半被动对分上体行走装置，其特征在于：所述前后摆动驱动机构包括固定安装在所述侧动板上的前后摆动电机，所述大腿上设有与所述水平转轴Ⅰ垂直的水平转轴Ⅱ，所述前后摆动电机与所述水平转轴Ⅱ之间设有带传动机构或链传动机构或齿轮传动机构。

4.根据权利要求2所述的双足半被动对分上体行走装置，其特征在于：所述膝关节电机的轴线与所述水平转轴Ⅱ平行；或

所述膝关节电机的轴线与所述水平转轴Ⅱ共轴并驱动所述水平转轴Ⅱ转动，所述驱动轮套装在所述水平转轴Ⅱ上并与所述水平转轴Ⅱ同步转动，所述前后摆动电机与所述水平转轴Ⅱ之间设有带传动机构，所述带传动机构包括与所述大腿固定连接的带轮，所述带轮旋转配合套装在所述水平转轴Ⅱ上；或所述前后摆动电机与所述水平转轴Ⅱ之间设有链传动机构，所述链传动机构包括与所述大腿固定连接的链轮，所述链轮旋转配合套装在所述水平转轴Ⅱ上；或所述前后摆动电机与所述水平转轴Ⅱ之间设有齿轮传动机构，所述齿轮传动机构包括与所述大腿固定连接的被动齿轮，所述被动齿轮旋转配合套装在所述水平转轴Ⅱ上。

5.根据权利要求1所述的双足半被动对分上体行走装置，其特征在于：所述腿部张开驱动机构包括固定安装在所述髋部平衡板上且轴线与所述水平转轴Ⅰ平行的腿部张开电机，所述腿部张开电机与两条所述水平转轴Ⅰ之间分别设有用于驱动两条腿部做朝相背的方向同步张开或朝相向的方向同步闭合运动的腿部张开传动机构。

6.根据权利要求5所述的双足半被动对分上体行走装置，其特征在于：所述腿部张开传动机构包括设置在所述腿部张开电机输出轴上的传动轮Ⅰ和设置在所述水平转轴Ⅰ上的传动轮Ⅱ；所述传动轮Ⅰ与两个所述传动轮Ⅱ之间分别设有刹车管Ⅰ相连，且其中一根所述刹车管Ⅰ交叉设置后分别套装在对应的所述传动轮Ⅰ和传动轮Ⅱ上。

7.根据权利要求1所述的双足半被动对分上体行走装置，其特征在于：所述髋部扭动机构包括固定安装在所述髋部平衡板且轴线竖直的髋部扭动电机，所述髋部扭动电机与两根所述竖直转轴之间分别设有用于驱动两个所述支架朝相反的方向同步转动进而带动所述髋部扭动的扭动传动机构。

8.根据权利要求7所述的双足半被动对分上体行走装置，其特征在于：所述扭动传动机构包括设置在所述髋部扭动电机输出轴上的扭动轮Ⅰ和设置在所述竖直转轴上的扭动轮Ⅱ，所述扭动轮Ⅰ与所述扭动轮Ⅱ之间设有刹车管Ⅱ相连，且其中一根所述刹车管Ⅱ交叉设置后分别套装在对应的所述扭动轮Ⅰ和扭动轮Ⅱ上。

9.根据权利要求8所述的双足半被动对分上体行走装置，其特征在于：所述扭动轮Ⅱ与对应的所述竖直转轴之间设有谐波减速机。

10.根据权利要求1所述的双足半被动对分上体行走装置，其特征在于：所述大腿包括分别位于左右两侧的两块侧板，两块所述侧板分别位于所述侧动板的两侧；所述小腿的底部设有拟足板。