CN112896361A - 一种具有重载缓振平稳功能的仿生双足行走机器人 - Google Patents
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Abstract
一种具有重载缓振平稳功能的仿生双足行走机器人，由机身、冠状面摆动机构和两条机械腿组成。冠状面摆动机构包括电机、曲柄和主轴；机械腿包括髋关节运动机构、膝关节运动机构、踝关节运动机构和机械足机构。髋关节运动机构包括腿部电机、曲柄、髋部连杆和大腿；膝关节运动机构包括大腿、中腿和腿部连杆；踝关节运动机构包括中腿和小腿；机械足机构包括两个足部电机和两个足趾，足趾由减振弹簧、上足板和足底板组成。本发明通过模仿鸵鸟生物解剖结构和后肢运动特点设计了一种可实现二维运动、重载、减振的双足机器人。本发明利用冠状面摆动机构和髋关节运动机构来实现机械腿在矢状面和冠状面的运动，利用承重关节和足趾机构来实现机械腿的重载减振目标。
Description
技术领域
本发明属于仿生机器人领域，涉及一种能实现二维运动的可承重双足机器人。
背景技术
成年非洲鸵鸟体重能达到130-150公斤，它的后肢强壮而有力，具有稳健、持久和高速奔跑的能力，能够以稳定在60km/h的速度持续运动30分钟以上，冲刺速度甚至达到70km/h，是陆地上速度最快的双足动物。鸵鸟身体重量大，在奔跑过程中会产生巨大的冲击力，鸵鸟腿承受了鸵鸟高速奔跑过程中巨大的冲击载荷，这表明鸵鸟下肢关节和跗跖骨具有很好的机械强度和缓震性能。鸵鸟奔跑时，鸵鸟腿矢状面前进与冠状面外展内收运动同时进行，鸵鸟之所以能达到如此高的速度，和鸵鸟这样的运动步态关系甚大。相对于人类和其他鸟类，鸵鸟的腿部肌肉更加集中在腿部近端，远端仅通过细长的肌腱驱动。跖趾关节在肌腱的限定下永久离地，在运动中能够有效提高能量的利用效率。基于鸵鸟以上运动特征和生物组装特征，根据工程仿生学原理，可将鸵鸟的优越性能应用到双足机器人结构的设计中。
目前，国内外存在大量的仿生足式机器人，包括BISAM，HyQ，KOLT，BigDog，Aibo，ScoutⅡ，TITAN，LittleDog，Tekken，这些机器人研究比较成熟，但是在结构设计上还存在提高的空间，这些机器人与生物原型相比还有很大的差距。而且，目前的仿生足式机器人的足端结构单一，与地面产生较大冲击力，容易导致机器人产生振动，使其无法正常运作，严重时甚至损坏机器部件。机器人的构件通常是金属材料，再加上电机，机器人的机身往往计较沉重。为了使机器人与外界具有良好的交互性，对关节运动的缓震性、承载性等方面提出了越来越高的要求。
与双足机器人Cassie、Planer Elliptical Runner和FastRunner不同，本发明与生物原型更贴近，不仅能实现腿部在矢状面的运动和冠状面的摆动，而且承重位置模仿鸵鸟腿部关节结构形式，起到承重和缓冲减震的作用。并且，本发明注重足部的设计：模仿跖趾关节在肌腱的限定下永久离地，机械足上足板和足底板直接固接弹簧，起到缓冲减震的作用。每个机械足有两个足趾，每个足趾安装一个足趾电机，足趾的张合角度可以通过足趾电机调节。
本发明以能够高效运动的鸵鸟腿为仿生原型，通过鸵鸟奔跑后肢运动参数测试，结合鸵鸟的生物组装特征，优化设计出结构简单、安全可靠、振动性小、可实现高速运动可承重的仿生机器人。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有重载缓振平稳功能的仿生双足行走机器人。本发明能够模仿鸵鸟行走姿态，并具有结构简单、重载、减振的优点。本发明基于鸵鸟后肢的尺寸参数、鸵鸟承重关节减振特性以及跖趾关节减振特性，通过模仿鸵鸟生物解剖结构和后肢运动特点设计了一种可实现二维运动、重载、减振的双足机器人。
本发明包括机身、冠状面摆动机构和两条机械腿。冠状面摆动机构包括电机、曲柄和主轴；电机座通过机身连接件固定在机身上，曲柄固接于电机，主轴通过万向轴承与机身连接。电机的往复转动带动曲柄上提和下压，曲柄通过主轴带动机械腿外展或内收。
机械腿包括髋关节运动机构、膝关节运动机构、踝关节运动机构和机械足机构。髋关节运动机构带动膝关节运动机构运动，膝关节运动机构带动踝关节运动机构运动。髋关节运动机构是六连杆机构的一部分，包括腿部电机、曲柄、髋部连杆和大腿；腿部电机驱动曲柄做顺时针和逆时针转动，腿部电机通过曲柄摇杆机构将曲柄转动转换为髋部连杆、中腿、大腿、腿部连杆和小腿的往复摆动，小腿的往复摆动带动机械足的提升和落地。膝关节运动机构包括大腿、中腿和腿部连杆；踝关节运动机构包括中腿和小腿；机械足机构包括足部电机和两个足趾，足趾由减振弹簧、上足板和足底板组成。髋部连杆、中腿、大腿、腿部连杆和小腿之间通过销轴铰接。足部电机通过小腿连接件固定在小腿上，上足板轴端与足部电机轴固定连接；减振弹簧固接于上足板和足底板；两个足部电机的转动控制两个足趾的张合角度。
铰接点c、d、f、g为主要承重位置，连接处模仿动物关节结构形式。铰接点c处，髋部连杆通过销轴、软垫圈与中腿相连，中腿凸体1被设计成关节窝的形式。铰接点d处，大腿通过销轴、软垫圈与中腿相连。中腿凸体2被设计成关节窝的形式。铰接点f处，腿部连杆通过销轴、软垫圈与小腿相连，小腿凸体1被设计成关节窝的形式。铰接点g处，中腿通过销轴、软垫圈与小腿相连，小腿凸体2被设计成关节窝的形式。软垫圈相当于生物结构中的软骨，起到承重和缓冲减震的作用，中腿凸体和小腿凸体相当于生物结构中的关节窝，起到限位和支撑的作用。
本发明的有益效果：
1、整体采用连杆机构，并且只使用一台电动机进行动力输入，节约制造成本，整体结构紧凑，有利于减少能量传递损失以及提高机构运行的可靠性。
2、模仿鸵鸟的运动步态，通过鸵鸟奔跑后肢运动参数分析，优化设计出了具有冠状面摆动机构的双足机器人，能实现腿部在矢状面的运动和冠状面的摆动。
3、模仿鸵鸟跗骨间关节的生物组装特征，主要承重位置模仿动物关节结构形式，起到承重和缓冲减震的作用
4、模仿跖趾关节在肌腱的限定下永久离地，机械足上足板和足底板直接固接弹簧，起到缓冲减震的作用。每个机械足有两个足趾，每个足趾安装一个足趾电机，足趾的张合角度可以通过足趾电机调节。足趾的张合角度较大时适合负重稳定行走，足趾的张合角度较小时适合高速奔跑。
附图说明
图1是本发明的立体图。
图2是本发明的主视图。
图3是本发明的俯视图。
图4是本发明的冠状面摆动机构的结构立体图。
图5是本发明的髋关节运动机构的结构立体图。
图6是本发明的踝关节结构立体图。
具体实施方式
如图1、图2、图3和图4所示，本发明由机身、冠状面摆动机构和两条机械腿组成；机械腿包括髋关节运动机构、膝关节运动机构、踝关节运动机构和机械足机构；髋关节运动机构带动膝关节运动机构运动，膝关节运动机构带动踝关节运动机构运动。
髋关节运动机构是六连杆机构的一部分，包括腿部电机12、曲柄2、髋部连杆3和大腿4；其中曲柄2通过轴承与主轴13相连，铰接点为a，大腿4通过轴承与主轴13相连，铰接点为a，腿部电机12通过大腿连接件401安装在大腿上，腿部电机轴从大腿4的通孔伸出，固接在腿部电机轴端的齿轮与固接于曲柄的齿轮啮合；腿部电机12驱动曲柄2做顺时针和逆时针转动，腿部电机12并将曲柄2转动转换为髋部连杆3的往复摆动；髋部连杆3的往复摆动转换为中腿5的往复摆动，中腿5的往复摆动转换为大腿4、腿部连杆3和小腿7的往复摆动，小腿7的往复摆动带动机械足的提升和落地；曲柄2通过销轴与髋部连杆3相连，铰接点为b。
膝关节运动机构是六连杆机构的一部分，包括大腿4、中腿5和腿部连杆6；其中大腿4通过销轴与中腿5相连，铰接点为d,铰接d是膝关节所在处；大腿4通过销轴与腿部连杆6相连，铰接点为e；中腿5通过销轴与髋部连杆3相连，铰接点为c。
踝关节运动机构是六连杆机构的一部分，包括中腿5和小腿7；其中，中腿5通过销轴与小腿7相连，铰接点为g，铰接点g是踝关节所在处；腿部连杆6通过销轴与小腿7相连，铰接点为f。
机械足机构包括足部电机8和两个足趾，其中足趾由减振弹簧10、上足板9和足底板11组成；足部电机8固定在小腿7上，上足板9与足部电机8固定连接；减振弹簧10固接于上足板9和足底板11；两个足部电机的转动控制两个足趾的张合角度。
如图5所示，冠状面摆动机构包括包括电机14、曲柄1401和主轴13；电机14固定在机身1上，曲柄1401固接于电机，主轴13通过万向轴承15与机身1连接。电机的往复转动带动曲柄1401上提和下压，曲柄1401通过主轴13带动机械腿外展或内收。此双足机器人利用冠状面摆动机构实现机械腿在冠状面的运动。
如图6所示，所述铰接点c、d、f、g为主要承重位置，连接处模仿动物关节结构形式。
铰接点c处，髋部连杆3通过销轴、软垫圈与中腿5相连。第一中腿凸体501被设计成关节窝的形式，髋部连杆3、第一中腿凸体501、销轴和软垫圈共同组成一个仿生关节。
铰接点d处，大腿4通过销轴、软垫圈与中腿5相连。第二中腿凸体502被设计成关节窝的形式，大腿4、第二中腿凸体502、销轴和软垫圈共同组成一个仿生关节，即本发明的膝关节。
铰接点f处，腿部连杆6通过销轴、软垫圈与小腿7相连。第一小腿凸体701被设计成关节窝的形式，腿部连杆6、第一小腿凸体701、销轴和软垫圈共同组成一个仿生关节。
铰接点g处，中腿5通过销轴、软垫圈与小腿7相连。第二小腿凸体702被设计成关节窝的形式，中腿5、第二小腿凸体702、销轴和软垫圈共同组成一个仿生关节，即本发明的踝关节。
Claims (2)
1.一种具有重载缓振平稳功能的仿生双足行走机器人，其特征在于：由机身、冠状面摆动机构和两条机械腿组成；机械腿包括髋关节运动机构、膝关节运动机构、踝关节运动机构和机械足机构；髋关节运动机构带动膝关节运动机构运动，膝关节运动机构带动踝关节运动机构运动；
所述冠状面摆动机构包括包括电机(14)、曲柄(1401)和主轴(13)；电机(14)固定在机身(1)上，曲柄(1401)固接于电机，主轴(13)通过万向轴承(15)与机身(1)连接；电机的往复转动带动曲柄(1401)上提和下压，曲柄(1401)通过主轴(13)带动机械腿外展或内收；
所述髋关节运动机构是六连杆机构的一部分，包括腿部电机(12)、曲柄(2)、髋部连杆(3)和大腿(4)；其中曲柄通过轴承与主轴(13)相连，铰接点为a，大腿(4)通过轴承与主轴(13)相连，铰接点为a，腿部电机(12)通过大腿连接件(401)安装在大腿上，腿部电机轴从大腿(4)的通孔伸出；固接在腿部电机轴端的齿轮与固接于曲柄的齿轮啮合；腿部电机(12)驱动曲柄(2)做顺时针和逆时针转动，腿部电机(12)并将曲柄(2)转动转换为髋部连杆(3)的往复摆动；髋部连杆(3)的往复摆动转换为中腿(5)的往复摆动，中腿(5)的往复摆动转换为大腿(4)、腿部连杆(3)和小腿(7)的往复摆动，小腿(7)的往复摆动带动机械足的提升和落地；曲柄(2)通过销轴与髋部连杆(3)相连，铰接点为b；
所述膝关节运动机构是六连杆机构的一部分，包括大腿(4)、中腿(5)和腿部连杆(6)；其中大腿(4)通过销轴与中腿(5)相连，铰接点为d，铰接点d是膝关节所在处；大腿(4)通过销轴与腿部连杆(6)相连，铰接点为e；中腿(5)通过销轴与髋部连杆(3)相连，铰接点为c；
所述踝关节运动机构是六连杆机构的一部分，包括中腿(5)和小腿(7)；其中，中腿(5)通过销轴与小腿(7)相连，铰接点为g，铰接点g是踝关节所在处；腿部连杆(6)通过销轴与小腿(7)相连，铰接点为f；
所述机械足机构包括足部电机(8)和两个足趾，其中足趾由减振弹簧(10)、上足板(9)和足底板(11)组成；足部电机(8)固定在小腿(7)上，上足板(9)与足部电机(8)固定连接；减振弹簧(10)固接于上足板(9)和足底板(11)；两个足部电机的转动控制两个足趾的张合角度。
2.根据权利要求1所述的一种具有重载缓振平稳功能的仿生双足行走机器人，其特征在于：所述的铰接点c、铰接点d、铰接点f和铰接点g为主要承重位置，连接处模仿动物关节结构形式；
铰接点c处，髋部连杆(3)通过销轴、软垫圈与中腿(5)相连；第一中腿凸体(501)被设计成关节窝的形式，髋部连杆(3)、第一中腿凸体(501)、销轴和软垫圈共同组成一个仿生关节；
铰接点d处，大腿(4)通过销轴、软垫圈与中腿(5)相连；第二中腿凸体(502)被设计成关节窝的形式，大腿(4)、第二中腿凸体(502)、销轴和软垫圈共同组成一个仿生关节，即本发明的膝关节；
铰接点f处，腿部连杆(6)通过销轴、软垫圈与小腿(7)相连；第一小腿凸体(701)被设计成关节窝的形式，腿部连杆(6)、第一小腿凸体(701)、销轴和软垫圈共同组成一个仿生关节；
铰接点g处，中腿(5)通过销轴、软垫圈与小腿(7)相连；第二小腿凸体(702)被设计成关节窝的形式，中腿(5)、第二小腿凸体(702)、销轴和软垫圈共同组成一个仿生关节，为踝关节。
Priority Applications (1)
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| CN202110306455.6A CN112896361A (zh) | 2021-03-23 | 2021-03-23 | 一种具有重载缓振平稳功能的仿生双足行走机器人 |
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| CN112896361A true CN112896361A (zh) | 2021-06-04 |
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| CN202110306455.6A Pending CN112896361A (zh) | 2021-03-23 | 2021-03-23 | 一种具有重载缓振平稳功能的仿生双足行走机器人 |
Country Status (1)
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|---|---|
| CN (1) | CN112896361A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2023024372A1 (zh) * | 2021-08-26 | 2023-03-02 | 苏州大学 | 一种行走平稳的仿人双足腿机构 |
| CN115946795A (zh) * | 2023-03-10 | 2023-04-11 | 之江实验室 | 一种具有轻质腿特性的足式机器人 |
| CN117446049A (zh) * | 2023-12-22 | 2024-01-26 | 长春电子科技学院 | 一种用于机器人控制的腿部运动装置 |
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2021
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Cited By (5)
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