CN108438083B - 一种具有仿生拉压关节的双足机器人 - Google Patents
一种具有仿生拉压关节的双足机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有仿生拉压关节的双足机器人，包含机架、大腿、小腿、足底板和足趾，并通过仿生拉压髋关节、仿生拉压膝关节、仿生拉压踝关节和仿生拉压跖趾关节连接而成。每条腿上由被动型柔质构件和主动型柔质构件共同维持关节稳定和能量传递，其中主动型柔质构件主要作为驱动器向整个机器人提供动力，实现大腿、小腿、足底板和足趾的运动。本发明的双足机器人利用仿生拉压关节模仿人类骨骼肌肉系统的驱动和能量流动方式，与传统的刚性铰链关节相比，具有较高的柔顺性、运动稳定性和能耗低的优点。机器人具有较好的柔顺性对于提高人机物理交互安全性和人机共融具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于仿生机器人领域，具体涉及一种具有仿生拉压关节的双足机器人。
背景技术
自上世纪90年代以来，仿人双足机器人已逐渐成为国内外研究学者关注的热点问题。随着人工智能的发展，在未来的生产生活中，高效和稳定的仿人型双足行走机器人将可以帮助人类解决很多问题，比如，抢险救援、采矿、背负重物等繁重且危险的工作，进而大大降低人力成本。然而，涉及如沙地面、台阶、岩石地面等复杂地形时，传统的双足机器人常常难以稳定行走甚至摔倒，出现运动稳定性差的问题。分析发现，这主要是由于传统双足机器人通常采用刚性铰链式关节和电机、减速器等作为刚性驱动构件和驱动元件，导致机器人的整体刚度大、柔顺性低。此外，最具代表性的双足机器人ASIMO的步行无量纲机械能耗(单位体重、单位移动距离的机械能耗)高达1.6，约是人类的30倍，由此可知，传统双足机器人还存在能耗高的问题，这也限制了双足机器人的进一步广泛应用。
针对上述问题，本发明基于本专利申请人所在团队提出的仿生拉压体系统设计方法设计了一种具有仿生拉压关节的双足机器人。在仿生拉压关节中，受压的硬质构件通过具有三维构形的接触面相互接触且主要进行法向正压力的传递，并依靠柔质构件的拉力产生运动，其中，受拉的柔质构件包括被动型柔质构件和主动型柔质构件。一方面，利用多个仿生拉压关节形成的仿生拉压体系统自身的高柔性、自平衡和自稳定特性可有效缓解机器人在运动过程中碰撞产生的冲击，并降低能量损耗，进而提高机器人整体的柔顺性和运动稳定性。另一方面，在呈拓扑结构分布的被动型柔质构件的辅助下，主动型柔质构件作为柔性驱动器向整个机器人提供动力，进行能量的高效传递、分配和管理，同时驱动硬质构件产生运动，进而降低机器人能耗。
发明内容
本发明是为解决现有双足机器人采用刚性铰链式关节和电机驱动出现的整体刚度大、柔顺性低、能耗高等问题，进而提供一种具有仿生拉压关节的双足机器人。
一种具有仿生拉压关节的双足机器人，包括机架、左腿和右腿，左腿和右腿结构是完全对称的，左腿和右腿分别包括大腿、小腿、足底板、足趾，并通过仿生拉压髋关节、仿生拉压膝关节、仿生拉压踝关节和仿生拉压跖趾关节连接。左腿和右腿通过机架连接，机架通过仿生拉压髋关节与大腿连接，大腿通过仿生拉压膝关节与小腿连接，小腿通过仿生拉压踝关节与足底板连接，足底板通过仿生拉压跖趾关节与足趾连接。
左腿和右腿分别还包括被动型柔质构件和主动型柔质构件，分别为仿生拉压髋关节第一被动型柔质构件；仿生拉压髋关节第二被动型柔质构件；仿生拉压膝关节第一被动型柔质构件；仿生拉压膝关节第二被动型柔质构件；仿生拉压膝关节第三被动型柔质构件；仿生拉压踝关节第一被动型柔质构件；仿生拉压踝关节第二被动型柔质构件；仿生拉压踝关节第三被动型柔质构件；仿生拉压跖趾关节第一被动型柔质构件；仿生拉压跖趾关节第二被动型柔质构件；仿生拉压髋关节第一主动型柔质构件；仿生拉压髋关节第二主动型柔质构件；仿生拉压髋关节与仿生拉压膝关节之间的第一主动型柔质构件；仿生拉压髋关节与仿生拉压膝关节之间的第二主动型柔质构件；仿生拉压膝关节第一主动型柔质构件；仿生拉压膝关节第二主动型柔质构件；仿生拉压膝关节与仿生拉压踝关节之间的主动型柔质构件；仿生拉压膝关节与仿生拉压跖趾关节之间的主动型柔质构件；仿生拉压踝关节第一主动型柔质构件；仿生拉压跖趾关节第一主动型柔质构件。
所述的仿生拉压髋关节包括机架、大腿的上部、仿生拉压髋关节第一被动型柔质构件、仿生拉压髋关节第二被动型柔质构件、仿生拉压髋关节第一主动型柔质构件和仿生拉压髋关节第二主动型柔质构件。
所述的仿生拉压膝关节包括大腿的下部、小腿的上部、仿生拉压膝关节第一被动型柔质构件、仿生拉压膝关节第二被动型柔质构件、仿生拉压膝关节第三被动型柔质构件、仿生拉压膝关节第一主动型柔质构件和仿生拉压膝关节第二主动型柔质构件。
所述的仿生拉压踝关节包括大小腿的下部、足底板、仿生拉压踝关节第一被动型柔质构件、仿生拉压踝关节第二被动型柔质构件、仿生拉压踝关节第三被动型柔质构件和仿生拉压踝关节第一主动型柔质构件。
所述的仿生拉压跖趾关节包括足底板、足趾、仿生拉压跖趾关节第一被动型柔质构件、仿生拉压跖趾关节第二被动型柔质构件和仿生拉压跖趾关节第一主动型柔质构件，足趾的底面设置了锯齿状凹坑。
本发明的工作过程和原理：
在具体的实施过程中，仿生拉压髋关节第一被动型柔质构件和仿生拉压髋关节第二被动型柔质构件利用自身的预紧力将机架和大腿连接形成稳定的仿生拉压髋关节，在运动过程中仿生拉压髋关节第一被动型柔质构件和仿生拉压髋关节第二被动型柔质构件仅能被拉伸。仿生拉压髋关节第一主动型柔质构件和仿生拉压髋关节第二主动型柔质构件通过收缩牵引仿生拉压髋关节产生弯曲与伸展运动。仿生拉压膝关节第一被动型柔质构件、仿生拉压膝关节第二被动型柔质构件和仿生拉压膝关节第三被动型柔质构件利用自身的预紧力将大腿和小腿连接形成稳定的仿生拉压膝关节，在运动过程中仿生拉压膝关节第一被动型柔质构件、仿生拉压膝关节第二被动型柔质构件和仿生拉压膝关节第三被动型柔质构件仅能被拉伸。仿生拉压膝关节第一主动型柔质构件和仿生拉压膝关节第二主动型柔质构件通过收缩牵引仿生拉压膝关节产生弯曲与伸展运动。仿生拉压踝关节第一被动型柔质构件、仿生拉压踝关节第二被动型柔质构件和仿生拉压踝关节第三被动型柔质构件利用自身的预紧力将小腿和足底板连接形成稳定的仿生拉压踝关节，在运动过程中仿生拉压膝关节第一被动型柔质构件、仿生拉压膝关节第二被动型柔质构件和仿生拉压膝关节第三被动型柔质构件仅能被拉伸。仿生拉压踝关节第一主动型柔质构件通过收缩牵引仿生拉压踝关节产生弯曲与伸展运动。仿生拉压跖趾关节第一被动型柔质构件和仿生拉压跖趾关节第二被动型柔质构件利用自身的预紧力将足底板和足趾连接形成稳定的仿生拉压跖趾关节，在运动过程中仿生拉压跖趾关节第一被动型柔质构件和仿生拉压跖趾关节第二被动型柔质构件仅能被拉伸。仿生拉压跖趾关节第一主动型柔质构件通过收缩牵引仿生拉压跖趾关节产生弯曲与伸展运动。足趾底面的锯齿状凹坑与地面之间产生更大的摩擦力，为机器人行走提供较大的推力。
仿生拉压髋关节与仿生拉压膝关节之间的第一主动型柔质构件、仿生拉压髋关节与仿生拉压膝关节之间的第二主动型柔质构件、仿生拉压膝关节与仿生拉压踝关节之间的主动型柔质构件和仿生拉压膝关节与仿生拉压跖趾关节之间的主动型柔质构件形成拓扑式结构分布，有助于维持关节稳定并对能量传递起到辅助作用，这也使得机器人拥有更高的柔顺性、运动稳定性和较低的能耗。
本发明的有益效果：
本发明依据仿生拉压体系统设计方法设计了一种具有仿生拉压关节的双足机器人，包含了仿生拉压髋关节、仿生拉压膝关节、仿生拉压踝关节和仿生拉压跖趾关节。机器人的每条腿包含大腿、小腿、足底板和足趾，并通过仿生拉压髋关节、仿生拉压膝关节、仿生拉压踝关节和仿生拉压跖趾关节连接而成，两条腿之间由机架连接。每条腿上由被动型柔质构件和主动型柔质构件共同维持关节稳定和能量传递，其中主动型柔质构件主要作为驱动器向整个机器人提供动力，实现大腿、小腿、足底板和足趾的运动。本发明的双足机器人利用仿生拉压关节模仿人类骨骼肌肉系统的驱动和能量流动方式，与传统的刚性铰链关节相比，具有较高的柔顺性、运动稳定性和能耗低的优点。机器人具有较好的柔顺性对于提高人机物理交互安全性和人机共融具有重要意义。
附图说明
图1是本发明的立体示意图。
图2是本发明的主视图。
图3是本发明的右视图。
图4是本发明的俯视图。
图5是图4中的A—A剖视图。
图6是本发明的足底局部放大图。
其中：1—机架；2—大腿；3—小腿；4—足底板；5—足趾；61—仿生拉压髋关节第一被动型柔质构件；62—仿生拉压髋关节第二被动型柔质构件；71—仿生拉压膝关节第一被动型柔质构件；72—仿生拉压膝关节第二被动型柔质构件；73—仿生拉压膝关节第三被动型柔质构件；81—仿生拉压踝关节第一被动型柔质构件；82—仿生拉压踝关节第二被动型柔质构件；83—仿生拉压踝关节第三被动型柔质构件；91—仿生拉压跖趾关节第一被动型柔质构件；92—仿生拉压跖趾关节第二被动型柔质构件；101—仿生拉压髋关节第一主动型柔质构件；102—仿生拉压髋关节第二主动型柔质构件；103—仿生拉压髋关节与仿生拉压膝关节之间的第一主动型柔质构件；104—仿生拉压髋关节与仿生拉压膝关节之间的第二主动型柔质构件；111—仿生拉压膝关节第一主动型柔质构件；112—仿生拉压膝关节第二主动型柔质构件；113—仿生拉压膝关节与仿生拉压踝关节之间的主动型柔质构件；114—仿生拉压膝关节与仿生拉压跖趾关节之间的主动型柔质构件；121—仿生拉压踝关节第一主动型柔质构件；131—仿生拉压跖趾关节第一主动型柔质构件；
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本发明包括机架1、左腿和右腿，左腿和右腿结构是完全对称的，左腿和右腿分别包括大腿2、小腿3、足底板4、足趾5，并通过仿生拉压髋关节、仿生拉压膝关节、仿生拉压踝关节和仿生拉压跖趾关节连接。左腿和右腿通过机架1连接，机架1通过仿生拉压髋关节与大腿2连接，大腿2通过仿生拉压膝关节与小腿3连接，小腿3通过仿生拉压踝关节与足底板4连接，足底板4通过仿生拉压跖趾关节与足趾5连接。
左腿和右腿分别还包括被动型柔质构件和主动型柔质构件，分别为仿生拉压髋关节第一被动型柔质构件61；仿生拉压髋关节第二被动型柔质构件62；仿生拉压膝关节第一被动型柔质构件71；仿生拉压膝关节第二被动型柔质构件72；仿生拉压膝关节第三被动型柔质构件73；仿生拉压踝关节第一被动型柔质构件81；仿生拉压踝关节第二被动型柔质构件82；仿生拉压踝关节第三被动型柔质构件83；仿生拉压跖趾关节第一被动型柔质构件91；仿生拉压跖趾关节第二被动型柔质构件92；仿生拉压髋关节第一主动型柔质构件101；仿生拉压髋关节第二主动型柔质构件102；仿生拉压髋关节与仿生拉压膝关节之间的第一主动型柔质构件103；仿生拉压髋关节与仿生拉压膝关节之间的第二主动型柔质构件104；仿生拉压膝关节第一主动型柔质构件111；仿生拉压膝关节第二主动型柔质构件112；仿生拉压膝关节与仿生拉压踝关节之间的主动型柔质构件113；仿生拉压膝关节与仿生拉压跖趾关节之间的主动型柔质构件114；仿生拉压踝关节第一主动型柔质构件121；仿生拉压跖趾关节第一主动型柔质构件131。
所述的仿生拉压髋关节包括机架1、大腿2的上部、仿生拉压髋关节第一被动型柔质构件61、仿生拉压髋关节第二被动型柔质构件62、仿生拉压髋关节第一主动型柔质构件101和仿生拉压髋关节第二主动型柔质构件102。
所述的仿生拉压膝关节包括大腿2的下部、小腿3的上部、仿生拉压膝关节第一被动型柔质构件71、仿生拉压膝关节第二被动型柔质构件72、仿生拉压膝关节第三被动型柔质构件73、仿生拉压膝关节第一主动型柔质构件111和仿生拉压膝关节第二主动型柔质构件112。
所述的仿生拉压踝关节包括大小腿3的下部、足底板4、仿生拉压踝关节第一被动型柔质构件81、仿生拉压踝关节第二被动型柔质构件82、仿生拉压踝关节第三被动型柔质构件83和仿生拉压踝关节第一主动型柔质构件121。
所述的仿生拉压跖趾关节包括足底板4、足趾5、仿生拉压跖趾关节第一被动型柔质构件91、仿生拉压跖趾关节第二被动型柔质构件92和仿生拉压跖趾关节第一主动型柔质构件131，足趾5的底面设置了锯齿状凹坑。
在具体的实施过程中，仿生拉压髋关节第一被动型柔质构件61和仿生拉压髋关节第二被动型柔质构件62利用自身的预紧力将机架1和大腿2连接形成稳定的仿生拉压髋关节，在运动过程中仿生拉压髋关节第一被动型柔质构件61和仿生拉压髋关节第二被动型柔质构件62仅能被拉伸。仿生拉压髋关节第一主动型柔质构件101和仿生拉压髋关节第二主动型柔质构件102通过收缩牵引仿生拉压髋关节产生弯曲与伸展运动。仿生拉压膝关节第一被动型柔质构件71、仿生拉压膝关节第二被动型柔质构件72和仿生拉压膝关节第三被动型柔质构件73利用自身的预紧力将大腿2和小腿3连接形成稳定的仿生拉压膝关节，在运动过程中仿生拉压膝关节第一被动型柔质构件71、仿生拉压膝关节第二被动型柔质构件72和仿生拉压膝关节第三被动型柔质构件73仅能被拉伸。仿生拉压膝关节第一主动型柔质构件111和仿生拉压膝关节第二主动型柔质构件112通过收缩牵引仿生拉压膝关节产生弯曲与伸展运动。仿生拉压踝关节第一被动型柔质构件81、仿生拉压踝关节第二被动型柔质构件82和仿生拉压踝关节第三被动型柔质构件83利用自身的预紧力将小腿3和足底板4连接形成稳定的仿生拉压踝关节，在运动过程中仿生拉压膝关节第一被动型柔质构件71、仿生拉压膝关节第二被动型柔质构件72和仿生拉压膝关节第三被动型柔质构件73仅能被拉伸。仿生拉压踝关节第一主动型柔质构件121通过收缩牵引仿生拉压踝关节产生弯曲与伸展运动。仿生拉压跖趾关节第一被动型柔质构件91和仿生拉压跖趾关节第二被动型柔质构件92利用自身的预紧力将足底板4和足趾5连接形成稳定的仿生拉压跖趾关节，在运动过程中仿生拉压跖趾关节第一被动型柔质构件91和仿生拉压跖趾关节第二被动型柔质构件92仅能被拉伸。仿生拉压跖趾关节第一主动型柔质构件131通过收缩牵引仿生拉压跖趾关节产生弯曲与伸展运动。足趾5底面的锯齿状凹坑与地面之间产生更大的摩擦力，为机器人行走提供较大的推力。
仿生拉压髋关节与仿生拉压膝关节之间的第一主动型柔质构件103、仿生拉压髋关节与仿生拉压膝关节之间的第二主动型柔质构件104、仿生拉压膝关节与仿生拉压踝关节之间的主动型柔质构件113和仿生拉压膝关节与仿生拉压跖趾关节之间的主动型柔质构件114形成拓扑式结构分布，有助于维持关节稳定并对能量传递起到辅助作用，这也使得机器人拥有更高的柔顺性、运动稳定性和较低的能耗。
Claims (1)
1.一种具有仿生拉压关节的双足机器人，其特征在于：包括机架（1）、左腿和右腿，左腿和右腿结构是完全对称的，左腿和右腿分别包括大腿（2）、小腿（3）、足底板（4）、足趾（5），并通过仿生拉压髋关节、仿生拉压膝关节、仿生拉压踝关节和仿生拉压跖趾关节连接；左腿和右腿通过机架（1）连接，机架（1）通过仿生拉压髋关节与大腿（2）连接，大腿（2）通过仿生拉压膝关节与小腿（3）连接，小腿（3）通过仿生拉压踝关节与足底板（4）连接，足底板（4）通过仿生拉压跖趾关节与足趾（5）连接；
所述的仿生拉压关节中，受压的硬质构件通过具有三维构形的接触面相互接触且主要进行法向正压力的传递，并依靠柔质构件的拉力产生运动，其中，受拉的柔质构件包括被动型柔质构件和主动型柔质构件；
所述的主动型柔质构件通过收缩牵引仿生拉压关节产生弯曲与伸展运动，并形成拓扑式结构分布，对能量传递起到辅助作用；
所述的被动型柔质构件利用自身的预紧力来维持关节的稳定；
所述的左腿和右腿分别还包括被动型柔质构件和主动型柔质构件，分别为仿生拉压髋关节第一被动型柔质构件（61）；仿生拉压髋关节第二被动型柔质构件（62）；仿生拉压膝关节第一被动型柔质构件（71）；仿生拉压膝关节第二被动型柔质构件（72）；仿生拉压膝关节第三被动型柔质构件（73）；仿生拉压踝关节第一被动型柔质构件（81）；仿生拉压踝关节第二被动型柔质构件（82）；仿生拉压踝关节第三被动型柔质构件（83）；仿生拉压跖趾关节第一被动型柔质构件（91）；仿生拉压跖趾关节第二被动型柔质构件（92）；仿生拉压髋关节第一主动型柔质构件（101）；仿生拉压髋关节第二主动型柔质构件（102）；仿生拉压髋关节与仿生拉压膝关节之间的第一主动型柔质构件（103）；仿生拉压髋关节与仿生拉压膝关节之间的第二主动型柔质构件（104）；仿生拉压膝关节第一主动型柔质构件（111）；仿生拉压膝关节第二主动型柔质构件（112）；仿生拉压膝关节与仿生拉压踝关节之间的主动型柔质构件（113）；仿生拉压膝关节与仿生拉压跖趾关节之间的主动型柔质构件（114）；仿生拉压踝关节第一主动型柔质构件（121）；仿生拉压跖趾关节第一主动型柔质构件（131）；
所述的仿生拉压髋关节包括机架（1）、大腿（2）的上部、仿生拉压髋关节第一被动型柔质构件（61）、仿生拉压髋关节第二被动型柔质构件（62）、仿生拉压髋关节第一主动型柔质构件（101）和仿生拉压髋关节第二主动型柔质构件（102）；
所述的仿生拉压膝关节包括大腿（2）的下部、小腿（3）的上部、仿生拉压膝关节第一被动型柔质构件（71）、仿生拉压膝关节第二被动型柔质构件（72）、仿生拉压膝关节第三被动型柔质构件（73）、仿生拉压膝关节第一主动型柔质构件（111）和仿生拉压膝关节第二主动型柔质构件（112）；
所述的仿生拉压踝关节包括大小腿（3）的下部、足底板（4）、仿生拉压踝关节第一被动型柔质构件（81）、仿生拉压踝关节第二被动型柔质构件（82）、仿生拉压踝关节第三被动型柔质构件（83）和仿生拉压踝关节第一主动型柔质构件（121）；
所述的仿生拉压跖趾关节包括足底板（4）、足趾（5）、仿生拉压跖趾关节第一被动型柔质构件（91）、仿生拉压跖趾关节第二被动型柔质构件（92）和仿生拉压跖趾关节第一主动型柔质构件（131），足趾（5）的底面设置了锯齿状凹坑。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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