CN108482510A - 具有辅助侧摆机构的无膝欠驱动仿生双足步行机 - Google Patents

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Abstract

一种具有辅助侧摆机构的无膝欠驱动仿生双足步行机，其髋部总成的机架二固连在机架三的中部，对称分布的第一机架、第四机架固连在第三机架的两侧，第五机架固定在两个第一机架的下端。其腿部总成左右对称分布，腿部在矢状面内的摆动动作。其右脚总成与左脚总成在结构上镜像对称。第一踝关节轴与第四连杆十字交叉且固连在一起，第二踝关节构件与第一踝关节轴构成转动副，前后成对使用的第一踝关节构件与第四连杆构成转动副，这两个转动副构成了步行机的踝关节。通过控制器对第一舵机、第二舵机及第三舵机控制实现步行机的左右侧摆运动、迈步动作、蹬地动作，使步行机在没有膝关节的情况下依然可以实现自然、稳健的行走。

Description

具有辅助侧摆机构的无膝欠驱动仿生双足步行机
技术领域
本发明属于机械仿生技术领域，具体涉及一种具有辅助侧摆机构的无膝欠驱动仿生双足步行机。
背景技术
由于双足步行机具有类人的行走特征，能在人类的生活和工作中与人类协同工作，而不需要专门为其对环境进行大规模改造。双足步行机在无人工厂、核电站、辅助行走、宇宙探索、康复医疗、大众服务等领域都有着潜在的应用前景。因此，有关双足步行机的研究工作在世界范围内得到广泛开展。
欠驱动双足步行机是双足步行机器人的一种，其能够利用少量驱动器实现在地面上的稳定行走。由于无膝欠驱动双足步行机与传统的主动步行机器人相比具有结构简单、低能耗的优点，故研究人员开始着手无膝欠驱动双足步行机的研发。文献调研表明，现有的无膝欠驱动双足步行机为了尽量减少步行机的自由度，降低控制难度，多使用曲面足来引导、辅助完成侧摆运动，这种非类人的结构特征在一定程度上影响了现有无膝欠驱动双足步行机的行走自然性。同时，由于曲面足与地面的接触面积较小，容易产生摆动腿绕支撑腿转动的现象，导致现有的欠驱动双足步行机在行走速度上十分有限。同时，现有的无膝欠驱动双足步行机由于没有膝关节，多采用改变腿长的方式避免摆动腿的擦地现象，这种方式也严重影响了其行走的自然性。
综观上述研究现状，急需一种结构更加简洁、行走更加自然、具有平底足部和辅助侧摆机构的无膝欠驱动仿生双足步行机。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有无膝欠驱动双足步行机普遍存在的机构结构复杂、地形适应能力差、行走不自然的问题，而提供一种具有辅助侧摆机构的无膝欠驱动仿生双足步行机，该双足步行机引入辅助侧摆机构，可以在没有膝关节的情况下避免擦地现象，具有结构简单、行走性能好、自然性高等特点。
本发明包括髋部总成、腿部总成、右脚总成和左脚总成。
所述的髋部总成包含第一机架、第一舵机、第一拉簧、第二机架、第三机架、第一柔性连接件、第二舵机、第四机架、偏心轮、第五机架、内六角螺钉、第二舵臂。其中，第二机架固连在第三机架的中部，对称分布的第一机架、第四机架同样固连在第三机架的两侧。第五机架固定在两个第一机架的下端，使髋部总成的整体结构更加稳定。成对使用的第一舵机对称地布置在两个第一机架的上端，主要负责步行机在矢状面内的驱动。第二舵机可以带动偏心轮旋转，辅助步行机产生侧摆运动。这里，第二舵机通过内六角螺钉与第二机架、第五机架固连。
所述的腿部总成包含髋关节轴、第一连杆、第一腿部构件、第三舵机、第二舵臂、第二柔性连接件、第二腿部构件。两部分腿部总成左右对称分布。两个对称布置的髋关节轴分别与两侧的第一机架、第四机架构成转动副，以保证第一舵机可以顺利通过第一拉簧、第一柔性连接件以及第一连杆来驱动步行机腿部在矢状面内的摆动动作。这里，第一腿部构件同时固定在髋关节轴、第一连杆的中部。这里，本发明选择在第一舵机的传动环节加入第一拉簧的原因在于，第一拉簧可以减少驱动器第一舵机给系统带来的振动。第三舵机布置在第一腿部构件的上端，负责为步行机的侧摆运动提供驱动。第二腿部构件固连在第一腿部构件的下端。
所述的右脚总成与左脚总成在结构上呈镜像对称，除了右脚掌、左脚掌以外，其余零部件均具有互换性。右脚总成包含右脚掌、第一踝关节轴、第一踝关节构件、接触开关、第二踝关节构件、第二连杆、第二拉簧、第三连杆、第四连杆、足趾构件、塔形弹簧、推杆、滑杆、旋转轴、足趾。其中，右脚总成通过第二踝关节构件与第二腿部构件连接。第一踝关节轴与第四连杆固连在一起，呈十字交叉形，第二踝关节构件与第一踝关节轴构成转动副，前后成对使用的第一踝关节构件与第四连杆构成转动副，这两个转动副构成了步行机的踝关节。这里第一踝关节构件固连在右脚掌上，第二踝关节构件绕第一踝关节轴的转动由第二拉簧限制。其中，成对使用的第二拉簧布置在第二连杆与第四连杆的两端。足趾的存在可以增加步行机行走的稳定性，足趾可以产生绕旋转轴的转动，该转动伴随着塔形弹簧的储能和能量释放的过程。这里，对称分布的足趾构件固定在右脚掌的前端，推杆作为足趾的推动元件，可以在塔形弹簧的作用下，产生轴向运动，其运动方向由滑杆以及足趾构件共同确定。本设计中使用塔形弹簧相较于普通压缩弹簧可以节省很多结构空间。右脚掌、左脚掌为平底足设计，可有效增加与地面的摩擦力避免产生摆动腿绕支撑腿转动的现象。
本发明的工作过程和原理：
在具体的实施中，由控制器对步行机上的舵机进行控制，过程如下：当右侧的接触开关触地，产生触发信号传递给控制器，由控制器同时控制步行机左侧的第三舵机以及第二舵机产生运动，第三舵机的运动通过第二舵臂、第二柔性连接件、第三连杆作用于左脚掌，从而使左脚掌产生一个外翻运动，使步行机完成向右的侧摆，为了使该侧摆过程速度更快，控制器控制第二舵机同时带动偏心轮产生顺时针的转动(从步行机后面观察)，利用偏心轮转动产生的转动惯量，辅助步行机向右侧的侧摆运动。在该侧摆运动完成之后，控制器给两个第一舵机发出信号，使左侧的第一舵机完成左侧腿部总成向前的迈步动作、右侧的第一舵机完成右侧腿部总成向后的蹬地动作。当左脚掌落地时，摆动腿变为支撑腿，位于左脚掌上的接触开关触地，产生触发信号传递给控制器，控制器控制步行机右侧的第三舵机以及第二舵机产生运动，最终使步行机完成向左的侧摆运动，接下来，控制器给两个第一舵机发出信号，使右侧的第一舵机完成右侧腿部总成向前的迈步动作、左侧的第一舵机完成左侧腿部总成向后的蹬地动作。循环往复，便可以实现步行机的行走。这里之所以要使步行机产生侧摆运动是因为这样可以避免右脚总成与左脚总成产生擦地现象，从而使步行机在没有膝关节的情况下依然可以实现自然、稳健的行走。
本发明的有益效果：
1、本发明采用仿人足部的平底足设计，与传统的曲面足欠驱动双足机器人相比，足部特征更加趋近与人类，步态切换更加自然。
2、本发明引入了辅助侧摆机构，有效避免了在没有膝关节的情况下双足步行机摆动腿的擦地现象，且没有增加步行机的自由度和控制难度，结构简单紧凑。
附图说明
图1为本发明的立体示意图。
图2为本发明的主视图。
图3为本发明的左视图。
图4为本发明的右足立体示意图。
图5为本发明的右足的左视图。
其中：1-髋部总成；11-第一机架；12-第一舵机；13-第一拉簧；14-第二机架；15-第三机架；16-第一柔性连接件；17-第二舵机；18-第四机架；19-偏心轮；110-第五机架；111-内六角螺钉；112-第二舵臂；2-腿部总成；21-髋关节轴；22-第一连杆；23-第一腿部构件；24-第三舵机；25-第二舵臂；26-第二柔性连接件；27-第二腿部构件；3-右脚总成；31-右脚掌；32-第一踝关节轴；33-第一踝关节构件；34-接触开关；35-第二踝关节构件；36-第二连杆；37-第二拉簧；38-第三连杆；39-第四连杆；310-足趾构件；311-塔形弹簧；312-推杆；313-滑杆；314-旋转轴；315-足趾；4-左脚总成；41-左脚掌。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4及图5所示，本实施例包括髋部总成1、腿部总成2、右脚总成3、左脚总成4。
所述的髋部总成1包含第一机架11、第一舵机12、第一拉簧13、第二机架14、第三机架15、第一柔性连接件16、第二舵机17、第四机架18、偏心轮19、第五机架110、内六角螺钉111、第二舵臂112。如图1所示，其中，第二机架14固连在第三机架15的中部，对称分布的第一机架11、第四机架18同样固连在第三机架15的两侧。第五机架110固定在两个第一机架11的下端，使髋部总成1的整体结构更加稳定。成对使用的第一舵机12对称地布置在两个第一机架11的上端，主要负责步行机在矢状面内的驱动。第二舵机17可以带动偏心轮19旋转，辅助步行机产生侧摆运动。这里，第二舵机17通过内六角螺钉111与第二机架14、第五机架110固连。
所述的腿部总成2包含髋关节轴21、第一连杆22、第一腿部构件23、第三舵机24、第二舵臂25、第二柔性连接件26、第二腿部构件27。如图2所示，两部分腿部总成2左右对称分布。两个对称布置的髋关节轴21分别与两侧的第一机架11、第四机架18构成转动副，以保证第一舵机12可以顺利通过第一拉簧13、第一柔性连接件16以及第一连杆22来驱动步行机腿部在矢状面内的摆动动作。这里，第一腿部构件23同时固定在髋关节轴21、第一连杆22的中部。同时，选择在第一舵机12的传动环节加入第一拉簧13的原因在于，第一拉簧13可以减少驱动器第一舵机12给系统带来的振动。第三舵机24布置在第一腿部构件23的上端，主要负责为步行机的侧摆运动提供驱动。第二腿部构件27固连在第一腿部构件23的下端。
所述的右脚总成3与左脚总成4在结构上呈镜像对称，除了右脚掌31、左脚掌41以外，其余零部件均具有互换性。右脚总成3包含右脚掌31、第一踝关节轴32、第一踝关节构件33、接触开关34、第二踝关节构件35、第二连杆36、第二拉簧37、第三连杆38、第四连杆39、足趾构件310、塔形弹簧311、推杆312、滑杆313、旋转轴314、足趾315。如图4、图5所示。其中，右脚总成3通过第二踝关节构件35与第二腿部构件27连接。第一踝关节轴32与第四连杆39固连在一起，呈十字交叉形，第二踝关节构件35与第一踝关节轴32构成转动副，前后成对使用的第一踝关节构件33与第四连杆39构成转动副，这两个转动副构成了步行机的踝关节。这里第一踝关节构件33固连在右脚掌31上，第二踝关节构件35绕第一踝关节轴32的转动由第二拉簧37限制。其中，成对使用的第二拉簧37布置在第二连杆36与第四连杆39的两端。足趾315的存在可以增加步行机行走的稳定性，足趾315可以产生绕旋转轴314的转动，该转动伴随着塔形弹簧311的储能和能量释放的过程。这里，对称分布的足趾构件310固定在右脚掌31的前端，推杆312作为足趾315的推动元件，可以在塔形弹簧311的作用下，产生轴向运动，其运动方向由滑杆313以及足趾构件310共同确定。本设计中使用塔形弹簧311相较于普通压缩弹簧可以节省很多结构空间。
在具体的实施中，需要控制器对步行机上的舵机进行控制，过程如下：假设右侧的接触开关34首先触地，产生触发信号传递给控制器，由控制器同时控制步行机左侧的第三舵机24以及第二舵机17产生运动，第三舵机24的运动通过第二舵臂25、第二柔性连接件26、第三连杆38作用于左脚掌41，从而使左脚掌41产生一个外翻运动，使步行机完成向右的侧摆，为了使该侧摆过程速度更快，控制器控制第二舵机17带动偏心轮19同时产生一个顺时针的转动(从步行机后面观察)，利用偏心轮19产生的转动惯量，辅助步行机向右侧的侧摆运动。在该侧摆运动完成之后，控制器给两个第一舵机12发出信号，使左侧的第一舵机12完成左侧腿部总成2向前的迈步动作、右侧的第一舵机12完成右侧腿部总成2向后的蹬地动作。当左脚掌41落地时，摆动腿变为支撑腿，位于左脚掌41上的接触开关34触地，产生触发信号传递给控制器，控制器控制步行机右侧的第三舵机24以及第二舵机17产生运动，最终使步行机完成向左的侧摆运动，接下来，控制器给两个第一舵机12发出信号，使右侧的第一舵机12完成右侧腿部总成2向前的迈步动作、左侧的第一舵机12完成左侧腿部总成2向后的蹬地动作。循环往复，便可以实现步行机的行走。这里之所以要使步行机产生侧摆运动是因为这样可以避免右脚总成3与左脚总成4产生擦地的现象，从而使步行机在没有膝关节的情况下依然可以实现自然、稳健的行走。

Claims (1)

1.一种具有辅助侧摆机构的无膝欠驱动仿生双足步行机，其特征在于：包括髋部总成(1)、腿部总成(2)、右脚总成(3)和左脚总成(4)；
所述的髋部总成(1)包含第一机架(11)、第一舵机(12)、第一拉簧(13)、第二机架(14)、第三机架(15)、第一柔性连接件(16)、第二舵机(17)、第四机架(18)、偏心轮(19)、第五机架(110)、内六角螺钉(111)、第二舵臂112；第二机架(14)固连在第三机架(15)的中部，对称分布的第一机架(11)、第四机架(18)同样固连在第三机架(15)的两侧；第五机架(110)固定在两个第一机架(11)的下端；成对使用的第一舵机(12)对称地布置在两个第一机架(11)的上端，负责步行机在矢状面内的驱动；第二舵机(17)能带动偏心轮(19)旋转，辅助步行机产生侧摆运动；第二舵机(17)通过内六角螺钉(111)与第二机架(14)、第五机架(110)固连；
所述的腿部总成(2)包含髋关节轴(21)、第一连杆(22)、第一腿部构件(23)、第三舵机(24)、第二舵臂(25)、第二柔性连接件(26)、第二腿部构件(27)；两部分腿部总成(2)左右对称分布；两个对称布置的髋关节轴(21)分别与两侧的第一机架(11)、第四机架(18)构成转动副，以保证第一舵机(12)可以顺利通过第一拉簧(13)、第一柔性连接件(16)以及第一连杆(22)来驱动步行机腿部在矢状面内的摆动动作；第一腿部构件(23)固定在髋关节轴(21)、第一连杆(22)的中部；第一舵机(12)的传动环节加入第一拉簧(13)，第一拉簧(13)能减少驱动器第一舵机(12)给系统带来的振动；第三舵机(24)布置在第一腿部构件(23)的上端，负责为步行机的侧摆运动提供驱动；第二腿部构件(27)固连在第一腿部构件(23)的下端；
所述的右脚总成(3)与左脚总成(4)在结构上呈镜像对称，右脚总成(3)包含右脚掌(31)、第一踝关节轴(32)、第一踝关节构件(33)、接触开关(34)、第二踝关节构件(35)、第二连杆(36)、第二拉簧(37)、第三连杆(38)、第四连杆(39)、足趾构件(310)、塔形弹簧(311)、推杆(312)、滑杆(313)、旋转轴(314)和足趾(315)；右脚总成(3)通过第二踝关节构件(35)与第二腿部构件(27)连接；第一踝关节轴(32)与第四连杆(39)固连在一起，呈十字交叉形，第二踝关节构件(35)与第一踝关节轴(32)构成转动副，前后成对使用的第一踝关节构件(33)与第四连杆(39)构成转动副，两个转动副构成了步行机的踝关节；第一踝关节构件(33)固连在右脚掌(31)上，第二踝关节构件(35)绕第一踝关节轴(32)的转动由第二拉簧(37)限制；成对使用的第二拉簧(37)布置在第二连杆(36)与第四连杆(39)的两端；足趾(315)的存在能增加步行机行走的稳定性，足趾(315)能产生绕旋转轴(314)的转动，该转动伴随着塔形弹簧(311)的储能和能量释放的过程；对称分布的足趾构件(310)固定在右脚掌(31)的前端，推杆(312)作为足趾(315)的推动元件，能在塔形弹簧(311)的作用下，产生轴向运动，其运动方向由滑杆(313)以及足趾构件(310)共同确定。
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