CN113511285B

CN113511285B - 一种行走平稳的仿人双足腿机构

Info

Publication number: CN113511285B
Application number: CN202110999877.6A
Authority: CN
Inventors: 詹葵华; 邱梓衔; 陆裕豪
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2021-08-26
Filing date: 2021-08-26
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2041-08-26
Also published as: WO2023024372A1; CN113511285A

Abstract

本发明涉及一种行走平稳的仿人双足腿机构，包括一个机体、分别安装于所述机体两侧的两个腿机构以及分别安装于所述两个腿机构上的脚结构，所述腿机构包括一个特殊四连杆机构和曲线放大机构，所述四连杆机构内第一连杆上端与所述曲线放大机构内第二连杆下端铰接，所述曲线放大机构内第三连杆下端与所述脚结构固定连接，所述四连杆机构内机架杆与所述机体相对固定，所述曲线放大机构内第四连杆上端通过固定铰链与所述机体外侧连接。工作状态下，所述脚结构与地面接触，实现行走过程中与地面无冲击的稳定支撑，双足等时、平稳交替，具有符合人体正常步行的步态特征。本发明可作为机器人腿机构、特定操作机械手应用于各类机器人系统中。

Description

一种行走平稳的仿人双足腿机构

技术领域

本发明涉及机械自动化技术领域，尤其是指一种行走平稳的仿人双足腿机构。

背景技术

仿人行走腿机构需要实现双足支撑和摆动的等时交替。以身体为参照，在支撑阶段，着地脚沿一条近似直线运动，而摆动阶段，摆动脚沿曲线运动。依据这样的人体步态特征，由一段近似直线和曲线组成的贝壳状曲线成了地面行走腿机构足部运动的目标轨迹，此类轨迹的生成机构以1926年被提出的霍肯机构为代表。霍肯机构以其简单的结构成为目前单自由度腿机构的经典设计，以此为基础，开发崎岖路面自适应行走机器人腿机构成为双足机器人机构设计的一个重要方向。由霍肯机构生成的贝壳状连杆曲线，其近似直线的误差虽然极小，但因不存在与直线高阶密切的点，作为仿人足部轨迹曲线，着地脚与地面存在额外冲击，从而影响机体支撑的稳定性。

1999年，东京工业大学武田研究室提出的用于“步行椅”的腿机构，成为又一个有影响的腿机构。此机构所生成的连杆曲线上也有一段较长的近似直线，但也不存在与直线高阶密切的点，所以并没有解决腿机构着地脚的振动问题。因此，如何解决着地脚的振动，实现平稳行走是本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中腿机构的设计缺陷，从技术上实现支撑腿无冲击，并且具有更加符合人体正常行走的步态特征。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种行走平稳的仿人双足腿机构，包括一个机体、分别安装于所述机体两侧的两个腿机构以及分别安装于所述两个腿机构上的脚结构，所述腿机构包括：

四连杆机构，所述四连杆机构包括曲柄、第一连杆、摇杆和机架杆，所述第一连杆下端与所述曲柄一端通过铰链转动连接，所述曲柄另一端与所述机架杆一端通过铰链转动连接，所述机架杆另一端与所述摇杆下端铰接，所述摇杆上端通过铰链与所述第一连杆的中点连接；

曲线放大机构，所述曲线放大机构包括第二连杆、第三连杆、第四连杆和短连接杆，所述第二连杆的中点与所述短连接杆一端铰接，所述短连接杆另一端与所述第三连杆杆身铰接，所述第二连杆上端与所述第四连杆中点铰接，所述第三连杆上端与所述第四连杆下端铰接，所述第二连杆与所述第三连杆平行设置，所述短连接杆与所述第四连杆平行设置；

所述四连杆机构内所述第一连杆上端与所述曲线放大机构内所述第二连杆下端铰接，所述曲线放大机构内所述第三连杆下端与所述脚结构固定连接，所述四连杆机构内所述机架杆与所述机体相对固定，所述曲线放大机构内所述第四连杆上端通过与摇杆下端的铰接点竖直对齐的固定铰链与所述机体外侧连接；

所述曲柄、所述第一连杆、所述摇杆和所述机架杆的杆长比例关系为1:8:4:3；所述四连杆机构内所述第一连杆上端点生成的轨迹与水平线存在5阶密切，所述第一连杆上端点轨迹方程为：35721-17010x-1377x²+1188x³-9x⁴-18x⁵+x⁶+(855+1188x-90x²-36x³+3x⁴)y²+(-81-18x+3x²)y⁴+y⁶＝0；

工作状态下，所述脚结构与地面接触。

进一步的，所述曲线放大机构生成的轨迹与所述四连杆机构生成的轨迹尺寸比例关系为2:1。

进一步的，所述第二连杆、所述第三连杆、所述第四连杆和所述短连接杆的杆长比例关系为1:2:2:1。

进一步的，所述曲柄、所述第一连杆、所述摇杆、所述机架杆、所述第二连杆、所述第三连杆、所述第四连杆和所述短连接杆的杆长比例关系为1:8:4:3:6:12:12:6。

进一步的，两个所述腿机构的曲柄之间通过机体内置传动轴传动连接。

进一步的，两个所述腿机构的曲柄之间转角差为180°。

进一步的，所述脚结构为带腹板的半圆盘。

进一步的，所述半圆盘为凸轮式修正半圆形。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1)本发明公开的行走平稳的仿人双足腿机构，本发明可作为机器人腿机构、特定操作机械手应用于各类机器人系统中，也可作为机器人外骨骼应用于肢体康复器械中，具有广泛的实用性。

2)本发明公开的行走平稳的仿人双足腿机构，本发明作为一种运动平稳且能较好体现人体步态特征的腿机构，可以优化运动结果的输出，具有技术上的创新性。

3)本发明公开的行走平稳的仿人双足腿机构，本发明结构简单、紧凑，可以降低产品的生产成本，增加经济效益，因而具有良好的市场前景。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中，

图1是本发明行走平稳的仿人双足腿机构的结构示意图；

图2是本发明行走平稳的仿人双足腿机构四连杆机构的机构简图；

图3是本发明行走平稳的仿人双足腿机构连杆曲线放大机构的机构简图；

图4是本发明行走平稳的仿人双足腿机构足部运动轨迹图；

图5是霍肯机构足部在与地面垂直方向的位移、速度和加速度无量纲曲线图；

图6是本发明行走平稳的仿人双足腿机构足部在与地面垂直方向的位移、速度和加速度无量纲曲线图；

图7是本发明行走平稳的仿人双足腿机构和霍肯机构足部运动的线速度无量纲曲线图；

图8是本发明行走平稳的仿人双足腿机构脚结构示意图；

图9是本发明行走平稳的仿人双足腿机构工作示意图；

图10是本发明行走平稳的仿人双足腿机构模拟地面行走时足部运动轨迹图。

说明书附图标记说明：10、机体；20、腿机构；21、四连杆机构；210、曲柄；211、第一连杆；212、摇杆；213、机架杆；22、曲线放大机构；220、第二连杆；221、第三连杆；222、第四连杆；223、短连接杆；30、脚结构；31、带腹板的半圆盘；32、半圆形轮廓；33、修正后足底外轮廓；40、第一连杆上端轨迹点/第二连杆下端轨迹点；41、第一连杆上端点轨迹；42、第三连杆下端轨迹点；43、第三连杆下端点轨迹；50、支撑期结束点；51、跨步起始点；52、右脚运动点；53、左脚运动点；60、右脚踝关节运动曲线；61、左脚踝关节运动曲线。

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地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。

参照图1至图10所示，本发明的一种行走平稳的仿人双足腿机构，包括一个机体10、分别安装于所述机体10两侧的两个腿机构20以及分别安装于所述两个腿机构20上的脚结构30，所述腿机构20包括：

四连杆机构21，所述四连杆机构21包括曲柄210、第一连杆211、摇杆212和机架杆213，所述第一连杆211下端与所述曲柄210一端通过铰链转动连接，所述曲柄210另一端与所述机架杆213一端通过铰链转动连接，所述机架杆213另一端与所述摇杆212下端铰接，所述摇杆212上端通过铰链与所述第一连杆211连接，所述连接点为所述第一连杆211的中点；

曲线放大机构，所述曲线放大机构包括第二连杆220、第三连杆221、第四连杆222和短连接杆223，所述第二连杆220与所述短连接杆一端铰接，所述铰接点为所述第二连杆220的中点，所述短连接杆223另一端与所述第三连杆221杆身铰接，所述第二连杆220上端与所述第四连杆222杆中点铰接，所述第三连杆221上端与所述第四连杆222下端铰接，所述第二连杆220与所述第三连杆221平行设置，所述短连接杆223与所述第四连杆222平行设置；

上述四连杆机构21内上述第一连杆211上端与上述曲线放大机构22内上述第二连杆220下端铰接，上述曲线放大机构22内上述第三连杆221下端与上述脚结构30固定连接，上述四连杆机构21内上述机架杆213与上述机体10相对固定，上述曲线放大机构22内上述第四连杆222通过与摇杆212下端的铰接点竖直对齐的固定铰链与上述机体10外侧连接。

工作状态下，上述脚结构30与地面接触。

本实施例中优选的实施方式，上述四连杆机构21内上述第一连杆211上端点生成的轨迹41与水平线存在5阶密切。

本实施例中优选的实施方式，上述曲线放大机构22生成的轨迹43与上述四连杆机构21生成的轨迹41尺寸比例关系为2:1。

本实施例中优选的实施方式，上述曲柄210、上述第一连杆211、上述摇杆212和上述机架杆213的杆长比例关系为1:8:4:3。

本实施例中优选的实施方式，上述第二连杆220、上述第三连杆221、上述第四连杆222和上述短连接杆223的杆长比例关系为1:2:2:1。

本实施例中优选的实施方式，上述曲柄210、上述第一连杆211、上述摇杆212、上述机架杆213、上述第二连杆220、上述第三连杆221、上述第四连杆222和上述短连接杆223的杆长比例关系为1:8:4:3:6:12:12:6。

本实施例中优选的实施方式，两个上述腿机构的曲柄210之间通过机体10内置传动轴传动连接。

本实施例中优选的实施方式，两个上述腿机构的曲柄210之间转角差为180°。

本实施例中优选的实施方式，上述脚结构30为带腹板的半圆盘31。

本实施例中优选的实施方式，上述半圆盘31为凸轮式修正半圆形。

步态轨迹生成机构说明：

本发明提供一个能生成与其切线具有5阶密切轨迹的四连杆机构。作为步态轨迹，与直线密切阶数越高表明着地脚与地面贴合度越好，冲击越小，行走越平稳。

如图2所示，四连杆机构由曲柄210、第一连杆211、摇杆212和机架杆213组成，所设计的杆长比例关系为1:8:4:3，第一连杆211上的铰接点为杆的中点。第一连杆上端点轨迹41在点40处与水平线存在5阶密切，呈现出较长的直线段，证明如下。

在图2的坐标系xOy中，取曲柄210长度为1，轨迹41的方程为

35721-17010x-1377x²+1188x³-9x⁴-18x⁵+x⁶+(855+1188x-90x²-36x³+3x⁴)y²+(-81-18x+3x²)y⁴+y⁶＝0 (1)

轨迹41在点40处的坐标为x＝3,

轨迹41的方程(1)对x求一阶导数得

W₁+y'(D₁)＝0， (2)

式中，

W₁＝-2835-459x+594x²-6x³-15x⁴+x⁵+(198-30x-18x²+2x³)y²+(-3+x)y⁴ (3)

D₁＝(285+396x-30x²-12x³+x⁴)y+(-54-12x+2x²)y³+y⁵ (4)

将x＝3,

代入(3)式得W₁＝0，由(2)式得y'＝0。

轨迹41的方程(1)对x求二阶导数得

W₂+y'(D₂+D₁')+y"(D₁)＝0， (5)

式中

W₂＝-459+1188x-18x²-60x³+5x⁴+(-30-36x+6x²)y²+y⁴ (6)

D₂＝(396-60x-36x²+4x³)y+(-12+4x)y³ (7)

将x＝3,

代入(6)式得W₂＝0，由(5)式得y"＝0。

轨迹41的方程对x求三阶导数得

W₃+y'(D₃+D₂'+D₁”)+y”(D₂+2D'₁)+y”'(D₁)＝0， (8)

式中

W₃＝1188-36x-180x²+20x³+(-36+12x)y² (9)

D₃＝(-60-72x+12x²)y+4y³ (10)

将x＝3,

代入(9)式得W₃＝0，由(8)式得y”'＝0。

轨迹41的方程(1)对x求四阶导数得

W₄+y'(D₄+D₃'+D₂”+D₁”')+y”(D₃+2D₂'+3D₁”)+y”'(D₂+3D₁')+y⁽⁴⁾(D₁)＝0， (11)

式中

W₄＝-36-360x+60x²+12y² (12)

D₄＝(-72+24x)y (13)

将x＝3,

代入(12)式得W₄＝0，由(2)式得y⁽⁴⁾＝0。

轨迹41的方程(1)对x求五阶导数得

W₅+y'(D₅+D₄'+D₃”+D₂”'+D₁ ⁽⁴⁾)+y”(D₄+2D₃'+3D₂”+4D₁”')+y”'(D₃+3D₂'+6D₁”)+y⁽⁴⁾(D₂+4D₁')+y⁽⁵⁾(D₁)＝0， (14)

式中

W₅＝-360+120y (15)

D₅＝24y (16)

将x＝3,

代入(15)式得W₅＝0，由(14)式得y⁽⁵⁾＝0。

由此证得轨迹41在位置42处与水平线存在5阶密切。轨迹41如图4所示。曲线如贝壳状，下半部分有一段较长的近似直线。

本发明提供的四连杆机构与霍肯机构比较：

图5和图6分别为霍肯机构和本四连杆机构足部在与地面垂直方向(图2y轴方向)的位移、速度和加速度曲线图，数据均显示为无量纲量。曲柄初始位置如图2所示，逆时针旋转。步行周期的摆动期对应曲柄转角90°—270°，支撑期对应曲柄转角270°-450°，分别见图5，图6中的虚线和着色区间。

图5显示，沿霍肯机构生成的曲线运动的双足，在支撑阶段(图5着色区间)，着地脚沿地面垂直方向的位移、速度、加速度存在波动，表明步行过程中机体会有振动。进入摆动阶段的摆动脚无启动速度(图5B，曲柄转角90°)，需要经过一段时间之后才能抬脚，产生垂直方向的位移(图5A，曲柄转角约105°之后)，表明跨步动作存在滞后现象。

相比之下，沿本机构生成的曲线运动的双足，支撑脚与地面高度贴合(图6A着色区间)，沿地面垂直方向的速度、加速度曲线没有波动(图6BC着色区间)，表明腿部运动平稳。支撑阶段前期、后期的微小位移表明，动点所对应的足部踝关节微微上抬，符合人体正常行走时支撑脚脚腕运动的特点。而摆动阶段前后期的速度和加速度均不为零，表明摆动腿存在启动速度和加速度，与人体行走时抬脚和落脚瞬间的表现相似。足部运动的线速度曲线(图7)显示，霍肯机构在支撑阶段(图7着色区间)的线速度接近匀速(图7实线)，意味着支撑脚在抓地过程中，机体被匀速推进，而本机构行走的速度为抬脚和落脚时慢，脚支撑中期速度快(图7虚线)，这样的速度变化规律具有人体正常步行时的节奏感，符合人体的步态特征。

另外，从支撑期结束的轨迹点50(图2)，到向前跨步的起点51(图2)，霍肯机构的曲柄需要转动约34°，本机构则约为22°，这进一步表明，霍肯腿机构跨步反应较为迟缓，双足行走更接近于鸭子的步态，与人体步态存在差异，而本腿机构与人体的步态更为接近。

曲线放大机构说明：

本腿机构在上述步态轨迹生成机构的基础上增加一个放大机构，起到将步态曲线下移以符合处于机体下方的足部位置需求，以及作为不同步幅输出的可调装置。如图3所示，放大机构由三根中间带铰链的杆件和一根短的连接杆组成。其中第二连杆220、第三连杆221、第四连杆222和短连接杆223的尺寸比例设置为6：12：12：6(数值以图1中曲柄1长取1为参照。不同的尺寸比例关系对应不同的放大倍数)。在固定铰链的约束下，第一连杆上端点轨迹41被第二连杆下端点放大为轨迹43，放大比例为2:1。

凸轮式修正半圆形脚结构说明：

本机构采用带腹板半圆盘与第三连杆221的下端固连。依据作为踝关节的第三连杆221下端点的运动轨迹43在支撑阶段前、后期的形态，将足底半圆形轮廓32按凸轮廓线的设计方法修正为轮廓33，以模拟由足底接触点改变引导的脚腕运动，示意图见图8。

仿人双足腿机构说明：

本腿机构为单自由度机构，它由步态曲线生成机构21和曲线放大机构22两部分组成，如图9实线所示。在机体10两侧分别安装一组腿机构，组成双足腿机构，实线代表右腿机构，双点画线代表左腿机构。右腿的驱动曲柄通过内置传动轴与左腿的曲柄保持180°的相位差，代表右脚踝关节的点52和左脚踝关节的点53的轨迹形态相同。图中点52和点53分别位于近似直线的两端，对应右腿腿机构驱动曲柄90°和左腿腿机构驱动曲柄270°的位置，表示此瞬时双脚同时接触地面，为步态周期中支撑阶段和摆动阶段的临界时刻，前一时刻，右脚为支撑脚，左脚为摆动脚，后一时刻右脚抬起，成为摆动脚，左脚成为支撑脚，双脚可实现等时、连续的交替运动。

实施例：

图1为本仿人双足行走腿机构的结构示意图。图10显示，在曲柄210逆时针驱动下，双腿交替向前行走，曲线60和曲线61分别为右脚踝关节和左脚踝关节的运动轨迹。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种行走平稳的仿人双足腿机构，其特征在于，包括一个机体、分别安装于所述机体两侧的两个腿机构以及分别安装于所述两个腿机构上的脚结构，所述腿机构包括：

工作状态下，所述脚结构与地面接触。

2.根据权利要求1所述的一种行走平稳的仿人双足腿机构，其特征在于，所述曲线放大机构生成的轨迹与所述四连杆机构生成的轨迹尺寸比例关系为2:1。

3.根据权利要求1所述的一种行走平稳的仿人双足腿机构，其特征在于，所述第二连杆、所述第三连杆、所述第四连杆和所述短连接杆的杆长比例关系为1:2：2:1。

4.根据权利要求1所述的一种行走平稳的仿人双足腿机构，所述曲柄、所述第一连杆、所述摇杆、所述机架杆、所述第二连杆、所述第三连杆、所述第四连杆和所述短连接杆的杆长比例关系为1:8:4:3:6:12:12:6。

5.根据权利要求1所述的一种行走平稳的仿人双足腿机构，其特征在于，两个所述腿机构的曲柄之间通过机体内置传动轴传动连接。

6.根据权利要求5所述的一种行走平稳的仿人双足腿机构，其特征在于，两个所述腿机构的曲柄之间转角差为180°。

7.根据权利要求1所述的一种行走平稳的仿人双足腿机构，其特征在于，所述脚结构为带腹板的半圆盘。

8.根据权利要求7所述的一种行走平稳的仿人双足腿机构，其特征在于，所述半圆盘为凸轮式修正半圆形。