CN114084246B - 一种面向太空微重力环境的仿人形机器人下肢 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向太空微重力环境的仿人形机器人下肢，该人形机器人下肢包括腰部连接件，髋关节，大腿，膝关节，小腿，踝关节和人形足。其中髋关节一个自由度、膝关节一个自由度和踝关节两个自由度，均采用舵机驱动蜗轮蜗杆或者螺杆套筒的方式，结合四连杆机构进行传动，各个关节均可自锁。每个关节均有角度反馈，其中膝关节和踝关节的一个自由度还设计了误差反馈放大的机构，使得控制更为精准。本发明结构重量轻，设计轻巧简便，传动控制可靠性高，与人体具有高相似性，适用于太空微重力环境。

Description

一种面向太空微重力环境的仿人形机器人下肢

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种面向太空微重力环境的仿人形机器人下肢。

背景技术

目前，人形机器人基本都是依靠液压驱动或者高功率电机配合减速器驱动的模式。对于机器人下肢，因其在地面运动，运动时需要承载机器人本身的重力，并且在机器人执行如抓取、搬运的任务时，还需承载目标物体的重力，所以其关键支撑部件、传动部件，特别是其腿部零件，需要使用金属来加工制造以保证其刚度和强度达标。

在太空微重力环境中，如空间站内的服务机器人，在进行工作时不需要承载本身的重力，它们在执行简单的任务如按按钮、转动开关、搬运物件时，也不需要承载目标物体的重力。空间站中的机器人下肢需要具备的功能主要有：

1.限位：机器人待机或者执行任务时，需要像航天员一样与周围环境保持相对静止，为实现这一目的，需要机器人将脚掌伸进限位机构中，勾住限位机构，以防止在微重力环境中漂浮；

2.推壁：在机器人在从一个位置移动到另一位置时，需要使用上肢和下肢配合推动舱壁，来漂飞至指定位置；

3.调姿：在漂飞过程中，需要上肢和下肢配合调整机器人的姿态，以避免碰触其他物品，以及保证顺利伸入限位机构。

因此现有的应用于地面的人形机器人下肢与微重力环境匹配度低，可靠性低，其关节强度和刚度存在巨大的设计冗余，维护成本高，并且其质量大也意味着增加了其发射成本。

发明内容

基于上述说明，本发明的目的在于提出一种面向太空微重力环境的仿人形机器人下肢，相比于现有的人形机器人下肢，其结构重量轻，设计轻巧简便，传动控制可靠性高。其与人体1:1的高相似性使之能完成几乎所有宇航员能完成的任务。

所采用的技术方案如下：

一种面向太空微重力环境的仿人形机器人下肢，包括依次连接的腰部连接件，髋关节，大腿，膝关节，小腿，踝关节和人形足。

髋关节以蜗轮蜗杆的传动方式连接腰部连接件和大腿骨架，实现上述二者一个自由度的相对运动。其中，髋关节蜗轮轴与腰部连接件相固定，蜗杆与大腿骨架相固定，髋关节舵机固定于大腿后侧用以驱动髋关节蜗杆，在不进行主动驱动时可实现髋关节自锁。另外，髋关节外壳上安装有髋关节角度传感器，上述角度传感器的转子与髋关节蜗轮轴相连接，反映髋关节蜗轮轴与髋关节外壳的相对角度θ₁，即腰部与大腿的角度。

膝关节以螺杆套筒的传动方式连接大腿骨架和小腿骨架，实现上述二者一个自由度的相对运动。其中，膝关节内转动件与大腿骨架相固定，膝关节外转动件与小腿骨架相固定，大腿铰接膝关节舵机，膝关节舵机驱动膝关节螺杆，与铰接在小腿的踝关节上套筒进行配合，构成了一个四连杆机构，其能够在膝关节螺杆升角不大时能够实现膝关节的自锁。另外，膝关节外转动件外设齿轮，与固定于膝关节内转动件的膝关节测角齿轮相啮合，膝关节角度传感器转子连接测角齿轮轴，固定于测角齿轮外侧固定件上，以传动比k₂的倍数放大了二者的相对角度，即大腿与小腿的角度θ₂。

踝关节以踝关节螺杆套筒和蜗轮蜗杆的传动方式连接小腿骨架和人形足，实现上述二者两个自由度的相对运动。其中踝关节内转动件与小腿骨架相固定，踝关节支撑件一端与踝关节内转动件铰接，另一端与踝关节下套筒铰接，同时踝关节支撑件的底部蜗轮与足底平面固定在人形足上的足底蜗杆相配合。其中螺杆和蜗轮分别由不同的舵机驱动，且螺杆套筒部分构成了一个四连杆机构，在螺杆升角不大时能够进行自锁，足底蜗轮蜗杆配合亦能进行自锁。另外，踝关节支撑件外设齿轮，与固定于踝关节内转动件的测角齿轮相啮合，踝关节角度传感器转子连接踝关节测角齿轮轴，固定与测角齿轮外侧固定件上，以传动比k3的倍数放大了二者的相对角度，即小腿与人形足竖直方向的角度θ₃；在足底也安装有足底角度传感器，其转子与踝关节支撑件蜗轮轴相连接，反映足底与小腿的水平方向的角度θ₄。

一种面向太空微重力环境的仿人形机器人下肢的控制逻辑，将下肢目标姿态通过仿真或逆运动学解算为对应关节的四个角度，再结合相应关节角度传感器的负反馈和比例增益，计算生成各个关节的控制条件，最终达到目标姿态。进一步的，将下肢目标姿态通过逆运动学解算为对应关节的四个角度，再结合相应关节角度传感器的负反馈和比例增益，计算生成各个关节的控制条件，最终达到目标姿态。

α角的取值范围为：

k值(传动比)的取值为：

进行逆运动学解算时，以腰部坐标系为基坐标系，转换矩阵依次为：

/>

以距离基坐标系最远的足底坐标系为例，其转换矩阵为：

T₀₄＝T_0t·T₁₂.T₂₃.T₃₄

由此，给定足尖坐标后，可以求解α₁，α₂，α₃，α₄，在对足底朝向进行约束后，有唯一解。求解出α后，再结合各关节的传动比k，即可实现姿态的闭环控制。在比足尖更近的其它约束条件下，求解思路与上述过程一致。

本发明与现有其他技术相比有以下优点：

(1)相比与液压和高功率电机加减速器的驱动方式，在能够完成任务的同时，大大减小了其体积，降低了重量，减少了成本，更加适配微重力的任务环境，并且在机器人上半身质量不大的情况下，也适用于一些简单的地面任务，如行走，蹲起等。

(2)各关节采用舵机加蜗轮蜗杆与丝杠螺母的传动方式，结合四连杆机构，结构设计简洁，传动稳定，可靠性高，且每个关节均具有自锁功能；

(3)各关节均安装有与转轴直接或间接相连的角度传感器，实现角度的闭环控制，其膝关节和踝关节在外部设有转角放大机构，放大反馈误差，能对其进行更高精度的关节闭环控制；

(4)与人体下肢骨骼加肌肉的结构具有高相似性，与人体下肢外形具有1:1高相似性，几乎能完成所有人能完成的操作。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的正面图；

图2是本发明的一个实施例的背面图；

图3是本发明的传动机构简图；

图4是本发明的一个实施例的传动机构图；

图5是本发明的一个实施例的髋关节内部结构图；

图6是本发明的一个实施例的控制逻辑图。

具体实施方式

以下详细描述本发明的技术方案。本发明实施例仅供说明具体结构，该结构的规模不受实施例的限制。

实施例

参阅图1至图6，一种面向太空微重力环境的仿人形机器人下肢的包括依次连接的腰部连接件110，髋关节，大腿，膝关节，小腿，踝关节和人形足。其中，大腿，膝关节，小腿与其对应的螺杆套筒构成了一套四连杆机构；小腿，踝关节，足底与其对应的螺杆套筒构成了另一套四连杆机构。

一种面向太空微重力环境的仿人形机器人下肢的髋关节由髋关节外转动件210、髋关节外壳220、髋关节舵机230、髋关节蜗轮轴240、髋关节蜗杆250、髋关节内转动件260组成。髋关节内转动件260与腰部连接件110固结，髋关节蜗轮轴240穿过髋关节内转动件260且与之固结，并插入腰部连接件110的两侧端口，二者不可相互转动；髋关节外转动件210底部与大腿骨骼320固结，髋关节外转动件210的中部留有安装点位供大腿外壳310安装定位；髋关节外转动件210与髋关节外壳220形成了半封闭空间以保证髋关节蜗轮轴240的蜗轮部分与髋关节蜗杆250啮合；髋关节舵机230固定在髋关节外转动件210上，髋关节舵机230的输出轴所连接的髋关节蜗杆250两端均受到支撑，因此髋关节舵机230不会受到径向力作用；髋关节外壳220上安装髋关节角度传感器，髋关节蜗轮轴240轴与髋关节角度传感器的测量转子配合，髋关节角度传感器的安装便可测量出髋关节外壳220相对于髋关节蜗轮轴240的角度θ₁。

膝关节由膝关节内转动件410、膝关节外转动件420、膝关节舵机固定件430、膝关节舵机440、膝关节螺杆450、膝关节外壳460、膝关节测角齿轮470、膝关节测角齿轮固定件471组成。膝关节内转动件410与大腿骨骼320固结，膝关节内转动件410的上部留有安装点位供大腿外壳310安装定位；膝关节外转动件420与小腿骨骼520固结，膝关节外转动件420的下部留有安装点位供小腿外壳510安装定位；膝关节舵机440固定于膝关节舵机固定件430上，膝关节舵机固定件430与膝关节内转动件410的后部铰接，膝关节螺杆450连接于膝关节舵机440的转轴，并与踝关节上套筒680啮合，上述螺杆套筒组合与大小腿构成一个舵机驱动的四连杆机构，由于上下均为过舵机转轴的铰接，因此舵机不会受到径向力。

膝关节内转动件410中下部有齿轮固定孔，供膝关节测角齿轮470安装定位，膝关节测角齿轮470可在膝关节内转动件410上旋转，膝关节测角齿轮470与膝关节外转动件420的外侧齿形相啮合，膝关节角度传感器安装在膝关节测角齿轮固定件471上，膝关节角度传感器的转子卡入测角齿轮相应形状孔位中，以传动比k₂为倍数来放大膝关节内转动件410相对于膝关节外转动件420的角度θ₂。

踝关节由踝关节内转动件610、踝关节舵机固定件620、踝关节舵机630、踝关节螺杆640、踝关节下套筒650、踝关节支撑件660、踝关节外壳670、踝关节上套筒680、踝关节测角齿轮690、踝关节测角齿轮固定件691、足底720、足底舵机730、足底蜗轮740组成。踝关节内转动件610与小腿骨骼520固结，踝关节内转动件610和上部留有安装点位供小腿外壳510安装定位；踝关节支撑件660一端与踝关节内转动件610铰接，另一端与踝关节下套筒650铰接；踝关节舵机630固定于踝关节舵机固定件620上，踝关节舵机固定件620与踝关节内转动件610铰接，踝关节螺杆640连接于踝关节舵机630的转轴，并与踝关节下套筒650啮合，上述螺杆套筒组合与其铰接零部件构成一个四连杆的机构，同膝关节一样，该舵机不会受到径向力。踝关节内转动件610下部有踝关节测角齿轮固定件691，供踝关节测角齿轮690安装，同膝关节一样，踝关节测角齿轮690与踝关节外转动件的外侧齿形相啮合，以传动比k₃为倍数来放大踝关节内转动件610相对于踝关节支撑件660的竖直方向角度θ₃。

足底720与足部外壳710形成了半封闭空间以固定足底舵机730和连接于其上的足底蜗杆740，足底蜗杆740与踝关节支撑件660中下部蜗轮结构相啮合；踝关节支撑件660的底部与足底720铰接，足底720留有足底角度传感器安装位，使之能够将转子卡入踝关节支撑件660轴中相应形状孔位，便可以测量出足底720相对于踝关节支撑件660的水平方向的角度θ₄。

一种面向太空微重力环境的仿人形机器人下肢的控制逻辑为：将下肢目标姿态通过仿真学或逆运动学解算为对应关节的四个角度α₁、α₂、α₃、α₄，再结合相应关节角度传感器的负反馈θ₁、θ₂/k₂、θ₃/k₃、θ₄，计算生成各个关节的控制条件，最终达到目标姿态。

α角的取值范围为：如表1

表1：

k值(传动比)的取值为：如表2

表2

进行逆运动学解算时，以腰部坐标系为基坐标系，给出的各关节坐标系的参考定义，转换矩阵为：如表3

表3

以距离基坐标系最远的足底坐标系为例，其转换矩阵为：

T₀₄＝T_0t·T₁₂.T₂₃.T₃₄

由此，给定足尖坐标后，可以求解α₁，α₂，α₃，α₄，在对足底朝向进行约束后，有唯一解。

求解出α后，再结合各关节的传动比k，即可实现姿态的闭环控制。在比足尖更近的其它约束条件下，求解思路与上述过程一致。

Claims (7)

1.一种面向太空微重力环境的仿人形机器人下肢，其特征在于包括依次连接的腰部连接件、髋关节、大腿、膝关节、小腿、踝关节和人形足；

所述的髋关节，包括髋关节外转动件、髋关节外壳、髋关节舵机、髋关节蜗轮轴、髋关节蜗杆、髋关节内转动件；所述的髋关节内转动件与所述的腰部连接件固结；髋关节蜗轮轴穿过髋关节内转动件且与之固结，并插入腰部连接件的两侧端口，髋关节蜗轮轴和腰部连接件不可相互转动；所述的髋关节外转动件的底部与大腿的骨骼固结，且与大腿的外壳固定；所述的髋关节外转动件与髋关节外壳形成了半封闭空间，空间内安装有髋关节蜗杆，髋关节蜗轮轴和髋关节蜗杆相啮合；所述的髋关节舵机固定在所述的髋关节外转动件上，髋关节舵机的输出轴连接髋关节蜗杆两端，且均受到支撑，使得髋关节舵机不会受到径向力作用；

所述的膝关节，包括膝关节内转动件、膝关节外转动件、膝关节舵机固定件、膝关节舵机、膝关节螺杆、膝关节外壳、膝关节测角齿轮、膝关节测角齿轮固定件；所述的膝关节内转动件与所述的大腿的骨骼固结，膝关节内转动件与大腿的外壳相配合；所述膝关节外转动件与所述的小腿的骨骼固结，其下部与所述的小腿的外壳相配合；所述膝关节舵机固定于膝关节舵机固定件上，膝关节舵机固定件与膝关节内转动件的后部铰接；膝关节螺杆连接于膝关节舵机的转轴，并与踝关节上套筒啮合；

所述的踝关节，包括踝关节内转动件、踝关节舵机固定件、踝关节舵机、踝关节螺杆、踝关节下套筒、踝关节支撑件、踝关节外壳、踝关节上套筒、踝关节测角齿轮、踝关节测角齿轮固定件；所述的踝关节内转动件与小腿的骨骼固结，其上部与小腿外壳要配合；所述踝关节支撑件一端与踝关节内转动件铰接，另一端与踝关节下套筒铰接；所述的踝关节舵机固定在踝关节舵机固定件上，踝关节舵机固定件与踝关节内转动件铰接；踝关节螺杆一端连接于踝关节舵机的转轴，另一端与踝关节下套筒啮合；

所述的人形足，包括足底、足底舵机、足底蜗杆；足底与足部外壳形成了半封闭空间，空间内固定足底舵机和连接于其上的足底蜗杆，足底蜗杆与踝关节支撑件的中下部蜗轮结构相啮合。

2.根据权利要求1所述的一种面向太空微重力环境的仿人形机器人下肢，其特征是所述的髋关节外壳上安装有髋关节角度传感器，髋关节蜗轮轴外端的孔位卡紧髋关节角度传感器的测量转子，通过髋关节角度传感器能测量出髋关节外壳相对于髋关节蜗轮轴的角度，即腰部与大腿的角度θ1。

3.根据权利要求1所述的一种面向太空微重力环境的仿人形机器人下肢，其特征是所述的膝关节内转动件的中下部开有齿轮固定孔，齿轮固定孔安装有膝关节测角齿轮，膝关节测角齿轮与膝关节外转动件的外侧齿形相啮合；膝关节角度传感器安装在膝关节测角齿轮固定件上，其转子卡入膝关节测角齿轮轴，以传动比k2为倍数来放大膝关节内转动件相对于膝关节外转动件的角度，即大腿与小腿的角度θ2。

4.根据权利要求1所述的一种面向太空微重力环境的仿人形机器人下肢，其特征是所述的踝关节内转动件的下部开有齿轮固定孔，齿轮固定孔安装有踝关节测角齿轮，踝关节测角齿轮与踝关节外转动件外侧的齿形相啮合，以传动比k3为倍数来放大踝关节内转动件相对于踝关节支撑件的竖直方向角度，即小腿与人形足竖直方向的角度θ3。

5.根据权利要求1所述的一种面向太空微重力环境的仿人形机器人下肢，其特征是所述的踝关节支撑件的底部与足底铰接，足底安装足底角度传感器，其转子卡入踝关节支撑件的轴中相应形状孔位，测量出足底相对于踝关节支撑件的水平方向的角度，即足底与小腿的水平方向的角度θ4。

6.一种应用于权利要求1-5中任一项所述的一种面向太空微重力环境的仿人形机器人下肢的控制方法，其特征在于：将下肢目标姿态通过仿真或逆运动学解算为对应关节的四个角度，再结合相应关节角度传感器的负反馈和比例增益，计算生成各个关节的控制条件，最终达到目标姿态。

7.根据权利要求6所述的一种面向太空微重力环境的仿人形机器人下肢的控制方法，其特征在于将下肢目标姿态通过逆运动学解算为对应关节的四个角度α1、α2、α3、α4，再结合相应关节角度传感器的负反馈θ1、θ2/k2、θ3/k3、θ4，计算生成各个关节的控制条件，最终达到目标姿态；

α角的取值范围为：

α1 最大值50deg，方向为前；最小值-10deg，方向为后；

α2 最大值0deg；最小值-75deg，方向为后；

α3最大值45deg方向为上；最小值0deg；

α4 最大值15deg，方向为外；最小值-15deg，方向为内；

其中的，α1为其中的髋关节的角度；α2为其中的膝关节的角度；α3为其中的踝关节的角度；α4为其中的足底的角度；

k值即传动比的取值为：

k2的一级齿数36，二级齿数19，传动比0.528；

k3的一级齿数23，二级齿数19，传动比0.826；

k2为膝关节角度传感器的传动比；k3为踝关节角度传感器的传动比；

进行逆运动学解算时，以腰部坐标系为基坐标系，各关节坐标系的参考定义，转换矩阵为：

以距离基坐标系最远的足底坐标系为例，其转换矩阵为：

由此，给定足尖控制点的坐标后，可以求解α1，α2，α3，α4，在对足底朝向进行约束后，有唯一解；

求解出α后，再结合各关节的传动比k，即可实现姿态的闭环控制；

其中的L2为髋关节蜗轮轴的中心到膝关节转轴的距离；L3为膝关节转轴中心到足底蜗杆中心的距离；L4是足底蜗杆中心到足尖控制点的距离。

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