CN114044065B - 一种双足机器人下肢结构及其运动方法 - Google Patents
一种双足机器人下肢结构及其运动方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114044065B CN114044065B CN202111369010.9A CN202111369010A CN114044065B CN 114044065 B CN114044065 B CN 114044065B CN 202111369010 A CN202111369010 A CN 202111369010A CN 114044065 B CN114044065 B CN 114044065B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- connecting rod
- foot
- thigh
- robot
- motor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 210000003141 lower extremity Anatomy 0.000 title claims abstract description 12
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 title abstract description 9
- 210000000689 upper leg Anatomy 0.000 claims abstract description 49
- 210000003127 knee Anatomy 0.000 claims abstract description 33
- 210000000629 knee joint Anatomy 0.000 claims abstract description 20
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims abstract description 12
- 210000002683 foot Anatomy 0.000 claims description 64
- 210000002414 leg Anatomy 0.000 claims description 40
- 230000035939 shock Effects 0.000 claims description 18
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 15
- 239000006096 absorbing agent Substances 0.000 claims description 9
- 239000003638 chemical reducing agent Substances 0.000 claims description 8
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 7
- 238000005452 bending Methods 0.000 claims description 7
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 6
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 2
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 claims description 2
- 210000003414 extremity Anatomy 0.000 claims description 2
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 claims description 2
- 210000001364 upper extremity Anatomy 0.000 claims description 2
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 claims 2
- 244000309466 calf Species 0.000 abstract description 3
- 230000003139 buffering effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 210000003423 ankle Anatomy 0.000 description 2
- 210000000544 articulatio talocruralis Anatomy 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005021 gait Effects 0.000 description 1
- 230000009191 jumping Effects 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
- B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
- B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
- B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
- B62D57/032—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
- F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
- F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
- F16F15/04—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using elastic means
- F16F15/06—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using elastic means with metal springs
- F16F15/067—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using elastic means with metal springs using only wound springs
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Transportation (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Acoustics & Sound (AREA)
- Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
- Manipulator (AREA)
Abstract
本发明公开了一种双足机器人下肢结构，包括大腿部、小腿部、足部、减震部、平衡部、伸膝限位部、棘轮棘爪部、曲柄摇杆部，大腿部的底端与小腿部的顶端以及小腿部的底端与足部分别铰接，伸膝限位部安装于大腿部与小腿部的连接处之间，棘轮棘爪部安装于大腿部内并与伸膝限位部连接，曲柄摇杆部安装于小腿部与足部的连接处之间，减震部、平衡部分别安装于足部的内部。并公开了其运动方法。本发明通过设置的仿人型带有弧度的足部，和减震部、平衡部配合能够起到平稳行走缓冲减震的作用设置的曲柄摇杆部带动足部的上下转动，能够避免足部的运动角度过大导致行走失去稳定；膝关节的伸膝限位部的设置能够起到小腿伸直状态的限位作用。
Description
技术领域
本发明涉及双足机器人领域，尤其是涉及一种双足机器人下肢结构及其运动方法。
背景技术
双足机器人在行走过程中有四个阶段。阶段一，支撑腿膝关节伸直并锁死，摆动腿脱离地面，膝关节弯曲，向前摆动；阶段二，摆动腿摆动至相应位置，摆动腿的大腿与小腿在膝关节发生碰撞，膝关节锁死；阶段三，单腿支撑阶段；阶段四，脚与地面碰撞，双腿速度发生突变，摆动腿与支撑腿进行状态切换。在这四个阶段中，膝关节的碰撞锁合起着重要的作用，避免了机器人在支撑阶段由于关节弯曲引起的机器人摔倒。所有有膝盖的动态行走机器人都面临着通过进行伸膝屈膝进行支撑腿和摆动腿切换的问题。
在现有技术中有膝关节的双足机器人，大都利用电机进行屈膝与伸直，利用机器人自身重力加上弹簧和卡槽来进行伸膝限制，以完成腿的支撑和摆动过程。该方法在脚离地瞬间，膝关节的弹簧弹出时，由于弹簧反力的作用，会使机器人在单腿支撑和摆动的时候失去平衡，不利于机器人的进行支撑腿和摆动腿切换的流畅性。
发明内容
发明目的：针对上述问题，本发明的目的是提供一种双足机器人下肢结构，解决机器人在行走过程中支撑摆动不平稳的问题，提高机器人在平地上行走的稳定性。并提供了本下肢结构的运动方法。
技术方案：一种双足机器人下肢结构，包括大腿部、小腿部、足部、减震部、平衡部、伸膝限位部、棘轮棘爪部、曲柄摇杆部，大腿部的底端与小腿部的顶端以及小腿部的底端与足部分别铰接，伸膝限位部安装于大腿部与小腿部的连接处之间，棘轮棘爪部安装于大腿部内并与伸膝限位部连接，曲柄摇杆部安装于小腿部与足部的连接处之间，减震部、平衡部分别安装于足部的内部。
进一步的，伸膝限位部包括驱动电机、固定接头一、长连接杆、固定接头二、短连接杆、挡块、同步带轮、谐波减速器，驱动电机安装于大腿部的内部，同步带轮穿设于大腿部的一侧面，其一端与驱动电机连接，谐波减速器设置于同步带轮下方，其输入端穿设于大腿部的一侧面并与同步带轮带连接，输出端与小腿部的上部连接，长连接杆的一端通过固定接头一与小腿部上部的正面连接，短连接杆的一端通过固定接头二与大腿部的下部连接，长连接杆的另一端与短连接杆的另一端铰接，短连接杆靠近大腿部的一侧面上设有挡块，短连接杆与长连接杆连接的一端与棘轮棘爪部连接。
进一步的，棘轮棘爪部包括悬臂、棘爪、弹簧一、棘轮、减速电机一、圆锥齿轮一、圆锥齿轮二，减速电机一电机轴朝下安装于大腿部上，圆锥齿轮一与减速电机一连接，棘轮安装于大腿部上，圆锥齿轮二与棘轮通过连接轴连接并与圆锥齿轮一啮合，悬臂的一端通过弹簧一与棘爪连接，棘爪与棘轮配合，悬臂的另一端与伸膝限位部连接。
进一步的，曲柄摇杆部包括减速电机二、曲柄、固定接头三、连杆、圆锥齿轮三、圆锥齿轮四、驱动轴，减速电机二电机轴朝下安装于小腿部的上部，圆锥齿轮三与减速电机二连接，驱动轴水平设置，其一端与小腿部的一侧面连接，另一端与曲柄连接，锥齿轮四安装于驱动轴上并与圆锥齿轮三啮合，连杆的一端与曲柄铰接，另一端通过固定接头三与足部连接。
进一步的，足部包括脚本体、脚后跟，两者组成完整的脚部形状，足底的脚后跟的底面相对于脚本体的底面向下凸出，是脚后跟顶面与脚后跟之间具有间隔。
最佳的，减震部包括弹簧二、减震器活塞缸、活塞、活塞环，减震器活塞缸安装于脚本体内，活塞环安装于脚后跟内，活塞竖直设置，其一端与减震器活塞缸连接，另一端与活塞环连接，弹簧二套设于活塞环上，其两端分别与减震器活塞缸、活塞环接触。
最佳的，平衡部包括连杆组件、拉簧、固定柱，固定柱竖直安装于脚本体内的下部，拉簧在固定柱的周向至少间隔均布有两根，拉簧水平放置，其一端与固定柱的外周面固定，另一端通过连杆组件与脚本体连接。
最佳的，连杆组件包括上连杆、下连杆，上连杆与下连杆上下相对设置，上连杆一端与下连杆一端铰接，上连杆的另一端、下连杆另一端分别与脚本体铰接，拉簧在上连杆与下连杆的连接处分别与二者连接。
一种上述的双足机器人下肢结构的运动方法，包括以下步骤：
步骤一：当机器人处于阶段一时，以顺时针为正，机器人处于起始状态，大腿部和小腿部连接的膝关节位置处于伸直状态，并且在奇点和自身重力的作用下保持锁死，摆动腿脱离地面时，膝关节发生弯曲，伸膝限位部反向运作，小腿部弯曲，机器人开始行走；
步骤二：当机器人在行走的第二阶段时，当伸膝限位部正向运作，小腿部相对于大腿部转动，膝关节伸直；棘轮棘爪部运作并碰撞到大腿部，使得伸膝限位部停止动作，与棘轮棘爪部配合形成锁合结构；同理，当伸膝限位部反向运作，锁合结构解开，小腿部实现弯曲；
步骤三：当机器人处于阶段三时，伸膝限位部内部结构恰好处于四杆机构的奇点附近，所需要的动力和加速度很大，在棘轮棘爪部的配合下，机器人能够在阶段三稳定支撑；
步骤四：当机器人处于第四阶段时，此时在减速电机二5的驱动，曲柄摇杆部带动足部向上摆动，减震部开始作用，减小足部与地面发生的碰撞，之后减震部停止作用，曲柄摇杆部带动足部向下摆动，直至脚底与地面接触，曲柄摇杆部停止运作。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点是：
1.通过设置的仿人型带有弧度的足部，和减震部、平衡部配合能够起到平稳行走缓冲减震的作用；
2.设置的曲柄摇杆部带动足部的上下转动，能够避免足部的运动角度过大导致行走失去稳定；
3.膝关节的伸膝限位部的设置能够起到小腿伸直状态的限位作用；
4.设置的棘轮棘爪部能够进行膝关节的锁合，保证支撑腿处于伸直状态，避免了由于腿部弯曲造成的失衡。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图；
图2为本发明的侧视图；
图3为双足机器人行走步态的四个阶段；
图4为伸膝限位部的结构示意图；
图5为足部结构示意图；
图6为减震部的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
一种双足机器人下肢结构，如图1～6所示，包括大腿部1、小腿部6、足部、减震部、平衡部、伸膝限位部、棘轮棘爪部、曲柄摇杆部，
大腿部1的底端与小腿部6的顶端以及小腿部6的底端与足部分别铰接，伸膝限位部安装于大腿部1与小腿部6的连接处之间，伸膝限位部包括驱动电机3、固定接头一12、长连接杆13、固定接头二14、短连接杆15、挡块16、同步带轮24、谐波减速器25，驱动电机3安装于大腿部1的内部，同步带轮24穿设于大腿部1的一侧面，其一端与驱动电机3连接，谐波减速器25设置于同步带轮24下方，其输入端穿设于大腿部1的一侧面并与同步带轮24带连接，输出端与小腿部6的上部连接，长连接杆13的一端通过固定接头一12与小腿部6上部的正面连接，短连接杆15的一端通过固定接头二14与大腿部1的下部连接，长连接杆13的另一端与短连接杆15的另一端铰接，短连接杆15靠近大腿部1的一侧面上设有挡块16，短连接杆15与长连接杆13连接的一端与棘轮棘爪部连接。谐波减速器25工作时，输出转动，小腿部6与谐波减速器25的一端相连接，带动小腿部6转动，小腿部6另一端用一个挡板4防止小腿的左右跳动。在长连接杆13的摆动下短连接杆15发生相应的摆动，转过一定的角度。
棘轮棘爪部安装于大腿部1内并与伸膝限位部连接，棘轮棘爪部包括悬臂17、棘爪18、弹簧一19、棘轮20、减速电机一21、圆锥齿轮一22、圆锥齿轮二23，减速电机一21电机轴朝下安装于大腿部1上，圆锥齿轮一22与减速电机一21连接，棘轮20安装于大腿部1上，圆锥齿轮二23与棘轮20通过连接轴连接并与圆锥齿轮一22啮合，悬臂17的一端通过弹簧一19与棘爪18连接，棘爪18与棘轮20配合，悬臂17的另一端与伸膝限位部连接。
短连接杆15的一端伸出一段悬臂17，在悬臂17上设置有挡块16。当机器人进入第二阶段即摆动阶段，且小腿部6的转动达到所要求的最大转角时，小腿部6和大腿部1理论上处于共线状态。在小腿部6的带动下，长连接杆13带动短连接杆15摆动，短连接杆15最终到达竖直状态。短连接杆15悬臂上的挡块16恰好碰撞大腿面，形成了膝关节伸直状态的限位。当大腿部1和小腿部6处于共线状态时，连接大腿部1的固定接头二14和连接小腿部6的固定接头一12在一条竖直的直线上，且共处一条直线上的还有达到竖直状态的短连接杆15。三者处于一条直线，达到一种接近于奇异点的状态，使得在该点处只有施加更大的力或者转矩才能使其发生过渡，继续转动。
减速电机一21用减速后的扭矩带动所述圆锥齿轮一22转动，圆锥齿轮二23带动轴转动，轴上装配有棘轮20。轴的转动带动着棘轮20的转动。在轴的一端用轴承2来承受轴向和径向的载荷。棘爪18装在悬臂17的顶端，棘爪18与棘轮20配合后会阻碍棘轮20的转动，相对应的，棘轮20会阻碍棘爪18的运动，形成膝关节的弯曲限制。因此将由四杆机构组成的伸膝限位部和棘轮棘爪部构成的膝关节弯曲限制综合起来形成了如图4所示的膝关节的锁合机构。
曲柄摇杆部安装于小腿部6与足部的连接处之间，减震部、平衡部分别安装于足部的内部。曲柄摇杆部包括减速电机二5、曲柄8、固定接头三10、连杆11、圆锥齿轮三261、圆锥齿轮四262、驱动轴263，减速电机二5电机轴朝下安装于小腿部6的上部，圆锥齿轮三261与减速电机二5连接，驱动轴263水平设置，其一端与小腿部6的一侧面连接，另一端与曲柄8连接，锥齿轮四262安装于驱动轴263上并与圆锥齿轮三261啮合，连杆11的一端与曲柄8铰接，另一端通过固定接头三10与足部连接。
曲柄摇杆部包括减速电机二5、曲柄8、固定接头三10、连杆11、圆锥齿轮三261、圆锥齿轮四262、驱动轴263，减速电机二5电机轴朝下安装于小腿部6的上部，圆锥齿轮三261与减速电机二5连接，驱动轴263水平设置，其一端与小腿部6的一侧面连接，另一端与曲柄8连接，锥齿轮四262安装于驱动轴263上并与圆锥齿轮三261啮合，连杆11的一端与曲柄8铰接，另一端通过固定接头三10与足部连接。
曲柄摇杆部中，曲柄8与连杆11尺寸并不是随机确定，而是通过所需的脚的转动的最大极限位置和最小极限位置求得。假设曲柄8长度为l1，连杆11长度为l2，连杆11与脚的连接处到脚踝处的垂直距离为l3，带动曲柄8转动的轴到脚踝处的垂直距离为l4。当脚的转动达到最大极限位置时，曲柄8与连杆11共线，且角度为180度，所以此时量出连杆11与脚本体9的连接处到曲柄8转动轴之间的距离l′1，得出等式一：l′1＝l1+l2；同理当脚本体9转到最小极限位置时量出距离l′2，得出等式二：l′2＝l2-l1。
综合等式一和等式二可以求得曲柄8和连杆11所需要的长度。
足部包括脚本体9、脚后跟7，两者组成完整的脚部形状，足底的脚后跟7的底面相对于脚本体9的底面向下凸出，是脚后跟7顶面与脚后跟7之间具有间隔。减震部包括弹簧二27、减震器活塞缸31、活塞32、活塞环33，减震器活塞缸31安装于脚本体9内，活塞环33安装于脚后跟7内，活塞32竖直设置，其一端与减震器活塞缸31连接，另一端与活塞环33连接，弹簧二27套设于活塞环33上，其两端分别与减震器活塞缸31、活塞环33接触。平衡部包括连杆组件、拉簧30、固定柱34，固定柱34竖直安装于脚本体9内的下部，拉簧30在固定柱34的周向至少间隔均布有两根，拉簧30水平放置，其一端与固定柱34的外周面固定，另一端通过连杆组件与脚本体9连接，形成弹簧减震器。连杆组件包括上连杆28、下连杆29，上连杆28与下连杆29上下相对设置，上连杆28一端与下连杆29一端铰接，上连杆28的另一端、下连杆29另一端分别与脚本体9铰接，拉簧30在上连杆28与下连杆29的连接处分别与二者连接。
本下肢结构可以实现踝关节的小幅度转动，以便机器人在行走时更加顺畅。通过曲柄8的转动，带动连杆11，最后作用于脚本体9，使脚能够上下小幅度地灵活摆动。在机器人摆动腿和支撑腿切换过程中，机器人小腿部6从弯曲到伸直过程中，脚本体9上摆，避免摆动腿在摆动时脚本体9与地面发生接触，造成机器人的磕绊，使机器人行走失衡。
本下肢结构还可以实现机器人脚与地面接触时的减震和平衡的维持，如图5、6所示，当脚与地面接触的时候，脚后跟7先着地，在力的作用下，与脚后跟7相连的活塞环33挤压着所述弹簧27，推动着活塞32在活塞缸31中移动。当脚后跟7与脚本体9接触时，弹簧27停止压缩，随之运动的就是脚本体9的摆动，使其平滑行走。当脚抬起时，在弹簧27恢复形变，推动所述脚后跟7回到原位，如此循环，完成脚本体9在与地面发生碰撞时的减震。平衡部用于机器人身体发生小幅度侧倾时能保持平衡。当身体向外发生侧倾时，按压可移动的脚板，脚板使得上连杆28和下连杆29发生运动，使拉簧30拉伸，拉簧30产生一个反力，阻止其发生形变，从而维持身体的平衡，阻止机器人的侧翻。
图3为双足行走的四个阶段，为从后退弯曲、前腿向后、后退向前、脚下落的一个行走过程，上述的双足机器人的行走过程中下肢结构的运动方法，包括以下步骤：
步骤一：当机器人处于阶段一时，以顺时针为正，机器人处于起始状态，支撑腿膝关节处于伸直状态并在奇点和自身重力的作用下保持锁死。摆动腿脱离地面时，膝关节发生弯曲，电机3反转，小腿弯曲，机器人开始行走。
步骤二：当机器人在行走的第二阶段时，电机3正转，小腿部6相对于大腿部1转动，膝关节伸直；同时减速电机反转，扭矩在锥齿轮的传递下输出给棘轮20所在的轴，然后带动棘轮转动；当短连接杆15处的凸块碰撞到大腿部1时，在接触位置会配备有直动式行程开关，感受到力的挤压的作用会将触头下压，发出电信号，通过单片机控制电机3停转，短连接杆15上悬臂末端的棘爪18与棘轮20啮合，形成锁合结构。同理当单片机控制电机3和减速电机一21反转时，行程开关触头在复位弹簧的作用下弹出，锁合机构解开，小腿可实现弯曲的功能。
步骤三：当机器人处于阶段三时，由于短连接杆15，固定接头二14和固定接头一12位于同一条直线上，恰好处于四杆机构的奇点附近，所需要的动力和加速度很大，且有棘轮棘爪的配合，所以，机器人能够在阶段三稳定支撑。
步骤四：当机器人处于第四阶段时，此时在减速电机二5的驱动下，曲柄8通过连杆11带动脚本体9向上摆动，使脚后跟7先着地，这时脚后跟7的弹簧减震装置开始作用，通过弹簧27的形变来减小脚与地面发生的碰撞。当脚后跟7与脚本体9接触时，弹簧减震器失去作用，脚后跟7上的行程开关的触头被压下，发出电信号输送到单片机上，单片机控制减速电机二5反转，使脚本体9向下摆动，直至脚底与地面接触。在脚底装有一个压力传感器，在受到压力的情况下发出信号，单片机接收后，一方面控制减速电机5停止转动，另一方面控制电机3反转，以此形成一个循环。当减速电机5停止转动时，双腿速度发生突变，摆动腿与支撑腿进行状态切换。脚后跟上的弹簧27和脚底板的拉簧30在没有力的作用下恢复弹性形变，借此相当于给了原来的支撑腿一个推力，使双腿的状态切换地更快也更平滑，增加了机器人行走的稳定性。
Claims (7)
1.一种双足机器人下肢结构，其特征在于：包括大腿部（1）、小腿部（6）、足部、减震部、平衡部、伸膝限位部、棘轮棘爪部、曲柄摇杆部，大腿部（1）的底端与小腿部（6）的顶端铰接，小腿部（6）的底端与足部铰接，伸膝限位部安装于大腿部（1）与小腿部（6）的连接处之间，棘轮棘爪部安装于大腿部（1）内并与伸膝限位部连接，曲柄摇杆部安装于小腿部（6）与足部的连接处之间，减震部、平衡部分别安装于足部的内部；
棘轮棘爪部包括悬臂（17）、棘爪（18）、弹簧一（19）、棘轮（20）、减速电机一（21）、圆锥齿轮一（22）、圆锥齿轮二（23），减速电机一（21）电机轴朝下安装于大腿部（1）上，圆锥齿轮一（22）与减速电机一（21）连接，棘轮（20）安装于大腿部（1）上，圆锥齿轮二（23）与棘轮（20）通过连接轴连接并与圆锥齿轮一（22）啮合，悬臂（17）的一端通过弹簧一（19）与棘爪（18）连接，棘爪（18）与棘轮（20）配合，悬臂（17）的另一端与伸膝限位部连接；
伸膝限位部包括驱动电机（3）、固定接头一（12）、长连接杆（13）、固定接头二（14）、短连接杆（15）、挡块（16）、同步带轮（24）、谐波减速器（25），驱动电机（3）安装于大腿部（1）的内部，同步带轮（24）穿设于大腿部（1）的一侧面，其一端与驱动电机（3）连接，谐波减速器（25）设置于同步带轮（24）下方，其输入端穿设于大腿部（1）的一侧面并与同步带轮（24）带连接，输出端与小腿部（6）的上部连接，长连接杆（13）的一端通过固定接头一（12）与小腿部（6）上部的正面连接，短连接杆（15）的一端通过固定接头二（14）与大腿部（1）的下部连接，长连接杆（13）的另一端与短连接杆（15）的另一端铰接，短连接杆（15）靠近大腿部（1）的一侧面上设有挡块（16），短连接杆（15）与长连接杆（13）连接的一端与棘轮棘爪部连接，短连接杆（15）的一端伸出一段悬臂（17），在悬臂（17）上设置有挡块（16）。
2.根据权利要求1所述的一种双足机器人下肢结构，其特征在于：曲柄摇杆部包括减速电机二（5）、曲柄（8）、固定接头三（10）、连杆（11）、圆锥齿轮三（261）、圆锥齿轮四（262）、驱动轴（263），减速电机二（5）电机轴朝下安装于小腿部（6）的上部，圆锥齿轮三（261）与减速电机二（5）连接，驱动轴（263）水平设置，其一端与小腿部（6）的一侧面连接，另一端与曲柄（8）连接，圆锥齿轮四（262）安装于驱动轴（263）上并与圆锥齿轮三（261）啮合，连杆（11）的一端与曲柄（8）铰接，另一端通过固定接头三（10）与足部连接。
3.根据权利要求2所述的一种双足机器人下肢结构，其特征在于：足部包括脚本体（9）、脚后跟（7），两者组成完整的脚部形状，足底的脚后跟（7）的底面相对于脚本体（9）的底面向下凸出，使脚后跟（7）顶面与脚本体（9）之间具有间隔。
4.根据权利要求3所述的一种双足机器人下肢结构，其特征在于：减震部包括弹簧二（27）、减震器活塞缸（31）、活塞（32）、活塞环（33），减震器活塞缸（31）安装于脚本体（9）内，活塞环（33）安装于脚后跟（7）内，活塞（32）竖直设置，其一端与减震器活塞缸（31）连接，另一端与活塞环（33）连接，弹簧二（27）套设于活塞环（33）上，其两端分别与减震器活塞缸（31）、活塞环（33）接触。
5.根据权利要求4所述的一种双足机器人下肢结构，其特征在于：平衡部包括连杆组件、拉簧（30）、固定柱（34），固定柱（34）竖直安装于脚本体（9）内的下部，拉簧（30）在固定柱（34）的周向至少间隔均布有两根，拉簧（30）水平放置，其一端与固定柱（34）的外周面固定，另一端通过连杆组件与脚本体（9）连接。
6.根据权利要求5所述的一种双足机器人下肢结构，其特征在于：连杆组件包括上连杆（28）、下连杆（29），上连杆（28）与下连杆（29）上下相对设置，上连杆（28）一端与下连杆（29）一端铰接，上连杆（28）的另一端、下连杆（29）另一端分别与脚本体（9）铰接，拉簧（30）在上连杆（28）与下连杆（29）的连接处分别与二者连接。
7.一种如权利要求6所述的双足机器人下肢结构的运动方法，其特征在于，分为后腿弯曲、前腿向后、后腿向前、脚下落四个阶段，包括以下步骤：
步骤一：当机器人处于阶段一时，以顺时针为正，机器人处于起始状态，支撑腿膝关节处于伸直状态并在奇点和自身重力的作用下保持锁死，摆动腿脱离地面时，膝关节发生弯曲，电机反转，小腿弯曲，机器人开始行走；
步骤二：当机器人在行走的第二阶段时，电机正转，小腿部相对于大腿部转动，膝关节伸直；同时减速电机反转，扭矩在锥齿轮的传递下输出给棘轮所在的轴，然后带动棘轮转动；当短连接杆处的凸块碰撞到大腿部时，在接触位置会配备有直动式行程开关，感受到力的挤压的作用会将触头下压，发出电信号，通过单片机控制电机停转，短连接杆上悬臂末端的棘爪与棘轮啮合，形成锁合结构；
步骤三：当机器人处于阶段三时，由于短连接杆，固定接头二和固定接头一位于同一条直线上，恰好处于四杆机构的奇点附近，达到所需要的动力和加速度，且有棘轮棘爪的配合，使机器人能够在阶段三稳定支撑；
步骤四：当机器人处于第四阶段时，此时在减速电机二的驱动下，曲柄通过连杆带动脚本体向上摆动，使脚后跟先着地，这时脚后跟的弹簧减震装置开始作用，通过弹簧的形变来减小脚与地面发生的碰撞，当脚后跟与脚本体接触时，弹簧减震器失去作用，脚后跟上的行程开关的触头被压下，发出电信号输送到单片机上，单片机控制减速电机二反转，使脚本体向下摆动，直至脚底与地面接触，在脚底装有一个压力传感器，在受到压力的情况下发出信号，单片机接收后，一方面控制减速电机停止转动，另一方面控制电机反转，以此形成一个循环，当减速电机停止转动时，双腿速度发生突变，摆动腿与支撑腿进行状态切换，脚后跟上的弹簧和脚底板的拉簧在没有力的作用下恢复弹性形变。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111369010.9A CN114044065B (zh) | 2021-11-10 | 2021-11-10 | 一种双足机器人下肢结构及其运动方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111369010.9A CN114044065B (zh) | 2021-11-10 | 2021-11-10 | 一种双足机器人下肢结构及其运动方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114044065A CN114044065A (zh) | 2022-02-15 |
| CN114044065B true CN114044065B (zh) | 2024-01-26 |
Family
ID=80210043
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111369010.9A Active CN114044065B (zh) | 2021-11-10 | 2021-11-10 | 一种双足机器人下肢结构及其运动方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114044065B (zh) |
Citations (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB738845A (en) * | 1953-01-23 | 1955-10-19 | Blatchford & Sons Ltd | Artificial limb |
| JPH023581A (ja) * | 1988-06-13 | 1990-01-09 | Agency Of Ind Science & Technol | 歩行脚制御装置 |
| CN1678434A (zh) * | 2002-08-28 | 2005-10-05 | 本田技研工业株式会社 | 步行式移动机器人 |
| CN1883994A (zh) * | 2006-07-10 | 2006-12-27 | 东北大学 | 一种拟人双足机器人人工腿 |
| CN101298260A (zh) * | 2008-06-11 | 2008-11-05 | 清华大学 | 低功耗双足步行移动系统及其步行控制方法 |
| CN101428657A (zh) * | 2008-12-16 | 2009-05-13 | 吉林大学 | 欠驱动双足步行机器人行走机构 |
| WO2011052032A1 (ja) * | 2009-10-27 | 2011-05-05 | トヨタ自動車株式会社 | 歩行補助装置 |
| EP1953071A3 (en) * | 2007-02-02 | 2013-06-26 | Honda Motor Co., Ltd. | Leg type mobile robot with schock absorber |
| CN104973160A (zh) * | 2015-06-29 | 2015-10-14 | 重庆邮电大学 | 一种双足带上身的直腿行走器 |
| JP2016529126A (ja) * | 2013-09-06 | 2016-09-23 | コミサリヤ ア レネルジ アトミク エ ウ エネルジ アルタナティブ | 外骨格または二足ロボットの下肢 |
| CN106005092A (zh) * | 2016-07-14 | 2016-10-12 | 浙江大学 | 串并联混合的仿人足球机器人腿部机构 |
| CN107571932A (zh) * | 2017-08-14 | 2018-01-12 | 江苏集萃智能制造技术研究所有限公司 | 一种类人脚掌偏转系统 |
| KR101846381B1 (ko) * | 2016-12-09 | 2018-04-06 | 국민대학교산학협력단 | 발 뒤꿈치의 스웨이 모션을 제공하는 로봇 다리 장치 및 의족 장치 |
| CN110074905A (zh) * | 2019-05-24 | 2019-08-02 | 北京交通大学 | 具有连杆储能与重心自调节的主动型踝关节假肢机构 |
| CN111037540A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-21 | 复旦大学 | 一种具有棘轮式膝关节的随行椅 |
| CN111267993A (zh) * | 2020-01-19 | 2020-06-12 | 之江实验室 | 一种双足机器人的足部结构及其全地形路面适应方法 |
| CN210822521U (zh) * | 2019-10-17 | 2020-06-23 | 杨聪智 | 一种平衡机构及行走机器人平衡装置 |
| CN111407472A (zh) * | 2020-04-21 | 2020-07-14 | 胡蓓 | 一种残疾人专用足部-小腿部分仿真义肢机械臂 |
| CN112975914A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-06-18 | 北京工业大学 | 一种足底控制式下肢储能助力机构 |
| CN214446548U (zh) * | 2021-03-24 | 2021-10-22 | 青岛韩润机电有限公司 | 一种机器人专用防碰撞装置 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR102072717B1 (ko) * | 2017-10-11 | 2020-02-03 | 김일수 | 보행보조장치 |
-
2021
- 2021-11-10 CN CN202111369010.9A patent/CN114044065B/zh active Active
Patent Citations (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB738845A (en) * | 1953-01-23 | 1955-10-19 | Blatchford & Sons Ltd | Artificial limb |
| JPH023581A (ja) * | 1988-06-13 | 1990-01-09 | Agency Of Ind Science & Technol | 歩行脚制御装置 |
| CN1678434A (zh) * | 2002-08-28 | 2005-10-05 | 本田技研工业株式会社 | 步行式移动机器人 |
| CN1883994A (zh) * | 2006-07-10 | 2006-12-27 | 东北大学 | 一种拟人双足机器人人工腿 |
| EP1953071A3 (en) * | 2007-02-02 | 2013-06-26 | Honda Motor Co., Ltd. | Leg type mobile robot with schock absorber |
| CN101298260A (zh) * | 2008-06-11 | 2008-11-05 | 清华大学 | 低功耗双足步行移动系统及其步行控制方法 |
| CN101428657A (zh) * | 2008-12-16 | 2009-05-13 | 吉林大学 | 欠驱动双足步行机器人行走机构 |
| WO2011052032A1 (ja) * | 2009-10-27 | 2011-05-05 | トヨタ自動車株式会社 | 歩行補助装置 |
| JP2016529126A (ja) * | 2013-09-06 | 2016-09-23 | コミサリヤ ア レネルジ アトミク エ ウ エネルジ アルタナティブ | 外骨格または二足ロボットの下肢 |
| CN104973160A (zh) * | 2015-06-29 | 2015-10-14 | 重庆邮电大学 | 一种双足带上身的直腿行走器 |
| CN106005092A (zh) * | 2016-07-14 | 2016-10-12 | 浙江大学 | 串并联混合的仿人足球机器人腿部机构 |
| KR101846381B1 (ko) * | 2016-12-09 | 2018-04-06 | 국민대학교산학협력단 | 발 뒤꿈치의 스웨이 모션을 제공하는 로봇 다리 장치 및 의족 장치 |
| CN107571932A (zh) * | 2017-08-14 | 2018-01-12 | 江苏集萃智能制造技术研究所有限公司 | 一种类人脚掌偏转系统 |
| CN110074905A (zh) * | 2019-05-24 | 2019-08-02 | 北京交通大学 | 具有连杆储能与重心自调节的主动型踝关节假肢机构 |
| CN210822521U (zh) * | 2019-10-17 | 2020-06-23 | 杨聪智 | 一种平衡机构及行走机器人平衡装置 |
| CN111037540A (zh) * | 2019-12-31 | 2020-04-21 | 复旦大学 | 一种具有棘轮式膝关节的随行椅 |
| CN111267993A (zh) * | 2020-01-19 | 2020-06-12 | 之江实验室 | 一种双足机器人的足部结构及其全地形路面适应方法 |
| CN111407472A (zh) * | 2020-04-21 | 2020-07-14 | 胡蓓 | 一种残疾人专用足部-小腿部分仿真义肢机械臂 |
| CN112975914A (zh) * | 2021-03-16 | 2021-06-18 | 北京工业大学 | 一种足底控制式下肢储能助力机构 |
| CN214446548U (zh) * | 2021-03-24 | 2021-10-22 | 青岛韩润机电有限公司 | 一种机器人专用防碰撞装置 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 一种新的双足机器人模型设计与相关研究;谭鹤毅;计算机测量与控制;第25卷(第2期);189-192 * |
| 具有屈膝行为的双足被动行走模型;安康;陈启军;控制理论与应用;第30卷(第3期);77-85 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114044065A (zh) | 2022-02-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107140052B (zh) | 一种具有悬挂系统的轮腿式六足机器人 | |
| US4816009A (en) | Power transmission system particularly useful for bicycles | |
| CN205327218U (zh) | 一种面向高速运动的双四杆机构四足机器人 | |
| CN108309688B (zh) | 一种用于外骨骼型下肢康复机器人的变刚度柔性驱动器 | |
| CN106184461B (zh) | 一种仿鸵鸟后肢机械腿 | |
| CN103264733B (zh) | 一种动力储能的单腿机器人原地跳跃机构 | |
| CN106005092A (zh) | 串并联混合的仿人足球机器人腿部机构 | |
| CN105857437A (zh) | 双足半被动行走器及其行走控制方法 | |
| CN103448828A (zh) | 一种四足仿生机器人腿机构 | |
| CN209454891U (zh) | 一种仿人机器人行走装置 | |
| CN109176597A (zh) | 一种外骨骼动力膝关节结构 | |
| CN103569232A (zh) | 一种触发式连续爬台机构 | |
| CN114044065B (zh) | 一种双足机器人下肢结构及其运动方法 | |
| CN210732447U (zh) | 一种具有双驱平行缓冲腿和并联柔性躯干的仿生机器人 | |
| CN112896361A (zh) | 一种具有重载缓振平稳功能的仿生双足行走机器人 | |
| KR100890430B1 (ko) | 탄성 다리구조 및 이를 구비한 다리형 로봇 | |
| CN107253498B (zh) | 一种足式机器人腿部结构及具有其的足式机器人 | |
| CN208737308U (zh) | 一种具有自动避开障碍物功能的机器人 | |
| CN106379432B (zh) | 一种基于傅里叶非圆齿轮驱动的单腿跳跃机构 | |
| CN112660265A (zh) | 一种基于五连杆的双足机器人腿部结构 | |
| CN106181966A (zh) | 下肢助力机械外骨骼 | |
| CN209479812U (zh) | 一种可翻滚与越障的多足机器人 | |
| CN106184448A (zh) | 一种基于巴斯噶蜗线非圆齿轮驱动的单腿跳跃机构 | |
| CN210707689U (zh) | 一种用于模仿动物行走的仿生装置 | |
| CN110497979A (zh) | 一种单驱动力的可自适应地形的多自由度脚部装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |