CN1883994A - 一种拟人双足机器人人工腿 - Google Patents

Abstract

一种拟人双足机器人人工腿，属于机器人技术领域。包括髋关节、膝关节、踝关节、脚、大腿连杆及小腿连杆，其特征在于在髋关节和膝关节之间的大腿连杆上安装有膝关节驱动电机，膝关节为两个四连杆封闭链结构，膝关节驱动电机通过平行四连杆机构与膝关节的四连杆的后杆连接，在四连杆的前端固定有挡块，在四连杆的前杆上端的转轴上安装有编码器。本发明优点是提高了脚离地的高度，增强脚在行走过程中有更好的避障能力，而且在小腿摆动过程中不会碰到地面，增强行走的稳定性和高效性。腿的质量分布更接近于人腿，整体结构紧凑，传动精度高。

Description

一种拟人双足机器人人工腿

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别是涉及一种拟人双足机器人人工腿。

技术背景

我国现有腿部残疾人约30多万，而且每年增加大约1.5万人，如果人的腿部因故从膝关节以上被切除，将会给他本人及家人带来极大的痛苦。他们都企盼着具有适合中国国情的智能仿生腿的问世。伴随着微电子技术和控制技术的发展，20世纪90年代开始，康复医学领域研究用微处理器控制的智能假肢来代偿残疾人的残缺肢体。智能假肢是一种能够很好代替残疾人部分或全部下肢功能的装置，可以帮助残疾人像正常人一样站立、行走、上下楼梯、跑步甚至参加体育运动，做到“活动自如”。它是集机械、电子、控制、人工智能、生物医疗等技术为一体的前沿性、多学科交叉的研究课题。目前，国外已经研制出智能仿生腿产品，但价格昂贵、技术保密，而且服务上也不够到位。在下肢智能假肢的研制开发过程中，需要对智能假肢做大量、重复、多种步态的实验。显然，如果让一个残疾人穿戴智能假肢做这样的实验是不现实的，因为可能对残疾人造成不必要的伤害，而且残疾人也无法满足所要求的大量、重复性好、各种步态的实验。所以，智能假肢的开发需要一个理想的实验平台，这个实验平台的作用就是代替穿戴智能假肢的残疾人做各种各样的实验。这就要求实验平台具有良好的拟人性，能够模拟人的各种行走步态。

我们来分析一下普通双腿行走机器人的腿与人腿在结构上存在的根本差别以及产生的影响：人腿骨骼机构是人类经过漫长的进化形成的，应该是最适合双腿行走的生物机构。人腿膝关节主要由股骨内外侧髁、胫骨平台、髌骨、交叉韧带ACL和PCL、肌肉和神经组成。生物医学研究表明，股骨下端和胫骨上端接触表面形状不规则，在膝关节屈伸活动中，两表面间既有滚动又有滑动。韧带位于骨头之间，起润滑和缓冲作用。膝关节水平转动轴在屈伸活动中位置是不恒定的，可有一定的移动，其曲率中心即瞬时旋转中心(Instant Centre ofRotation，ICR)移动轨迹按J形曲线变化，如图1所示。关节由内外两侧肌肉伸缩运动驱动，如图2所示。因此，在人体步行过程中，大、小腿长度是变化的，膝关节ICR也是变化的，可以在较小关节曲屈角度下，提高脚离地高度。其中大小腿长度是指上下大小腿连杆的交点分别与髋关节和踝关节中心点之间的距离。同时，膝关节ICR的变化，可以调节地面反力对膝关节的转矩大小，也可以影响髋关节转动对膝关节的从动作用，所以对行走的稳定性和高效性有直接的影响。而目前大多数的双腿行走机器人，为了机构设计、控制、数学模型的建立和解算的方便，关节模型相比人体关节进行了大量的简化。尤其是有源双腿行走机器人，膝关节都沿用了工业机器人中常用的二连杆绞链膝关节机构，转动中心(Centre ofRotation，CR)固定不变，如图3所示。

这种膝关节结构上的差别导致保证支撑相稳定方法不同，人腿在站立和处于支撑相时，膝关节是伸直状态，而普通双腿机器人在站立状态或处于支撑相时，大都弯曲着双腿，为防止冲击，脚在落地前总要先放平，并导致行走速度缓慢。人腿与普通双足机器人的腿另一个区别是：人脚具有柔性，而机器人的脚是刚性的。由于机器人的脚缺乏柔性，没有缓冲作用，为避免在行走过程中地面对脚的冲击，必须从行走姿态上进行控制，从而影响了机器人步态的拟人性。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明提供一种拟人双足机器人人工腿，它使机器人具有拟人的行走步态，并降低控制的难度，用这种机器人作为开发研制智能假肢的试验平台。

本发明的人工腿包括髋关节、膝关节、踝关节、脚、大腿连杆及小腿连杆，在髋关节和膝关节之间的大腿连杆上安装有膝关节驱动电机，膝关节为两个四连杆封闭链结构，膝关节驱动电机通过平行四连杆机构与膝关节的四连杆的前杆连接，在四连杆的前端固定有挡块，在四连杆的前杆上端的转轴上安装有编码器。

其膝关节处的四连杆封闭链结构：是在膝关节两侧分别设有一组四连杆，之间通过转轴连接。平行四连杆机构是以大腿连杆为一连杆形成的。踝关节为倒U型，倒U型结构内平行置有两个转轴，在一个转轴上安装有踝关节电机，在倒U型结构外部一侧，两转轴端部分别安装有消隙齿轮，两齿轮相啮合传动，在安装有电机的转轴靠近齿轮的一侧安装有谐波减速器。脚为柔性储能假脚，安装在倒U型结构内下方的踝关节转轴上。

本发明的优点是膝关节采用四连杆封闭链结构，有利于提高的脚离地高度，增强脚在行走过程中有更好的避障能力，而且在小腿摆动过程中不会碰到地面，增强行走的稳定性和高效性。采用平行四连杆机构将电机的驱动力矩传递到膝关节处，使腿的质量分布更接近于人腿，使膝关节的结构更加紧凑；从动力学角度来说，可以降低对髋关节电机驱动力矩的要求，降低驱动力矩的耦合程度，使动力学模型更加简单，更加易于控制。踝关节采用谐波减速器加消隙齿轮传动，结构更紧凑，而且传动精度提高；采用柔性储能假脚，使其接近于人脚。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中膝关节结构示意图；

图3是本发明中膝关节驱动、传动结构示意图；

图4是本发明中踝关节结构示意图；

图5是人腿膝关节结构示意图；

图6是人腿膝关节肌肉驱动示意图；

图7是现有的单轴膝关节转动示意图；

图8是人腿膝关节等效转换示意图；

图9是单轴和多轴膝关节摆动离地高度对比示意图，其中(a)为单轴膝关节，(b)为多轴膝关节；

图10是本发明支撑相反力作用线与ICR的关系示意图，其中：a为支撑相初期，b为支撑相中期，c为支撑相晚期；

图11刚体旋转和平移示意图；

图12是本发明的机构尺寸定义示意图；

图13是本发明中踝关节点轨迹跟踪效果曲线示意图；

图14是优化程序流程图。

图中1.髋关节，2.大腿连杆，3.膝关节驱动电机，4.平行四连杆机构，5.膝关节，6.小腿连杆，7.踝关节，8.脚，9.挡块，10.膝关节连杆，11.编码器，12.踝关节电机，13.踝关节转轴，14.肌肉，15.消隙齿轮，16.股骨头，17.胫骨头，18.肌肉内侧，19.肌肉外侧。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

如图1所示，本发明包括髋关节1、膝关节5、踝关节7、脚8、大腿连杆2及小腿连杆6，在髋关节1和膝关节5之间的大腿连杆2上安装有膝关节驱动电机3，膝关节5为两个四连杆封闭链结构，膝关节驱动电机3通过平行四连杆机构4与膝关节5的四连杆的后杆连接，在四连杆的前端固定有挡块9，在四连杆的前杆上端的转轴上安装有编码器11。

膝关节处的四连杆封闭链结构，如图2所示，是在膝关节5两侧分别设有一组四连杆，之间通过转轴连接。平行四连杆机构4如图3所示，是以大腿连杆2为一连杆形成的。如图4所示，踝关节7为倒U型，倒U型结构内平行置有两个转轴，在一个转轴上安装有踝关节电机12，倒U型结构外部一侧的两转轴端部分别安装有消隙齿轮15，两齿轮啮合传动，在安装有电机的转轴靠近齿轮的一侧安装有谐波减速器。脚8为柔性储能假脚，安装在倒U型结构内下方的踝关节转轴13上。

本发明中膝关节驱动电机3带动平行四连杆机构4运动，将动力传递给膝关节5的四连杆，使四连杆带动小腿、踝关节及脚运动，达到仿真人腿的效果。

如图5所示为人腿膝关节结构示意图，图6为人腿膝关节肌肉驱动示意图，图7为单轴膝关节示意图，由于四连杆膝关节的瞬时转动中心ICR的位置在转动过程中是变化的，从而导致大小腿长度在摆动中变化，如图9所示，所以在膝关节曲屈角度θ相同时，两种膝关节使脚的离地高度是不同的；膝关节ICR的变化，可以调节地面反力对膝关节的转矩大小，也可以影响髋关节转动对膝关节的从动作用，所以对行走的稳定性和高效性有直接的影响，支撑相地面反力作用线与ICR的关系，如图10所示。膝关节瞬时转动中心ICR的变化，可以调节地面反力GRF对膝关节的转矩大小，也可以影响髋关节Hip(Hip是髋关节的英文表示)转动对膝关节的从动作用，所以对行走的稳定性和高效性(即能耗)有直接的影响。支撑相地面反力作用线与ICR的关系如图10所示。a图为支撑相初期，即脚跟着地，地面反力GRF的延长线在瞬时转动中心的前面，GRF产生的力矩使腿绕ICR逆时针转动，但这种转动被限位挡块挡住，所以腿只能伸直；b图表示支撑相的中期，即脚掌平落在地面上，这时GRF的延长线已经向后移动，但仍然可以保证使腿伸直；c图为支撑相末期，即脚跟离地而脚尖着地，这时GRF的延长线已经移到ICR的后面，GRF产生的力矩将使腿弯曲，为腿的摆动相做准备。

本发明的设计过程中，最主要的是膝关节设计。下面就四连杆多轴仿生膝关节的设计作以具体说明：

1、仿生设计要求

本发明人工腿尺寸应该尽量类似人类双腿尺寸，所以在本发明的设计中，以成年中国男子为参照对象，机构总体参数设计采用类比设计方法。

参考对象人体参数如表1所示：

表1：

项目	值
		身高	1.76m
大腿长度	0.46m
		小腿长度	0.48m
脚高度	0.1m
		脚宽度	0.07m
脚长	0.25m
		踝关节中心点在脚底面的位置(距离脚后跟)	0.055m

大腿重量	7.725kg，占总体比例10.3％
		小腿重量	3.225kg，占总体比例4.3％
脚重量	1.125kg，占总体比例1.5％
		正常步速	95～125步/min
步长	150～160cm
		步宽	5～10cm
跨步长	75～83cm
		步态周期	0.45~0.6s
支撑相比例	步态周期的40％(正常步速下)
		摆动相比例	步态周期的60％(正常步速下)
踝关节屈伸角度范围	跎屈20度，背伸15度
		膝关节屈伸角度范围	充分伸展，屈曲60度
髋关节屈伸角度范围	前屈30度，后伸10度

在设计时，除上身外，要充分考虑上述的参数设计，从而使本发明的人工腿具有和人体非常逼近的机构参数和外形尺寸，关节运动范围相同，从根本上保证人工腿行走的拟人性。除上表中的参数外，在设计中还需考虑：膝关节中心应该位于腿直立状态时地面支撑反力作用线后方10至30mm处，以便于膝关节机构的支撑相自锁，保证支撑稳定；踝关节应位于膝关节后下方，两者前后的距离取决与所选择的脚的类型，在假肢领域称为假肢的对线技术；脚的背屈和跖屈范围根据脚的类型和体重来确定。

这些性质都是人腿所具有的特性，在设计中需满足的，也是以往双腿行走机器人设计中所没有考虑的。以往双腿行走机器人的设计只注重整体大小和人体类似，没有关注关节摆动特性、关节中心点在站立状态垂直坐标之间的位置关系等细节。

2、四连杆多轴膝关节机构综合

由于仿生腿膝关节的四连机构是一个封闭机构链，机构参数设计较开链复杂。仿生腿膝关节四连杆机构参数的设计是一个机构综合问题，要求在大小腿满足人腿摆动角度关系的情况下，保证仿生膝关节转动中心点和踝关节转动中心点的轨迹与人腿相应关节转动中心的轨迹相同，归属于机构综合刚体引导(Rigid Body Guide，RBG)问题。参数的确定可以通过多变量优化计算实现。

根据上面提出的对仿生膝关节刚体引导的要求，确定优化目标函数为

$\min f\left(X\right)=\min \begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{C}_1\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{{({\tilde{x}}_{\mathrm{kpi}}-x_{\mathrm{kpi}})}^2+{({\tilde{z}}_{\mathrm{kpi}}-z_{\mathrm{kpi}})}^2}\\ +C_2\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left|\cos ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ki}}-\mathrm{\φ})\right|\sqrt{{({\tilde{x}}_{\mathrm{api}}-x_{\mathrm{api}})}^2+{({\tilde{z}}_{\mathrm{api}}-z_{\mathrm{api}})}^2}\end{array}\right]---\left(1\right)\end{array}$

St.l_i min＜l_i＜l_i max，max(x_ki)-min(x_ki)≤X_max，max(z_ki)-min(z_ki)≤Z_max

其中，

i＝1…n表示轨迹采样数；

x_kpi，z_kpi表示实际膝关节转动中心的笛卡尔坐标值；

表示理想膝关节转动中心的笛卡尔坐标值；

x_api，z_api表示实际踝关节转动中心的笛卡尔坐标值；

表示理想踝关节转动中心的笛卡尔坐标值；

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ki}}={\mathrm{\θ}}_2^b-{\mathrm{\θ}}_5^b$ 表示小腿相对对于大腿的延长线的摆角；

C₁，C₂表示加权系数，C₁+C₂＝1。因为踝关节转动中心的轨迹比膝关节转动中心的轨迹对仿生特性影响大，所以一般C₂比C₁的取值大很多，本设计：C₁＝0.2，C₂＝0.8。

目标函数第一部分用来评价实际膝关节转动中心轨迹跟踪理想膝关节转动中心轨迹的性能；

目标函数第二部分用来评价实际踝关节转动中心点轨迹跟踪理想踝关节转动中心轨迹的性能；

|cos(θ_ki-φ)|用于表示小腿的位姿并不是同等重要，φ表示小腿摆动中非常重要的姿态角，一般是脚到达离地最高点时的小腿摆动角度。优化计算中不需要考虑大腿的摆动，所以膝关节机构参数设计可以在大腿不动，小腿摆动情况下进行。

仿生腿膝关节中心K_P点计算公式为

$K_P=\frac{1}{4}\underset{i=1}{\overset{4}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i---\left(2\right)$

约束条件中的第一项为连杆长度约束，第二、三项为运动空间约束。

为计算优化目标，首先要建立关节转动角度和关键点空间坐标之间的变换模型。在此不采用D-H参数建模。因为D-H参数是一种综合参数，无法表征机构详细特性，不利于机构优化设计。要求解四连杆机构参数优化问题，首先需建立关节中心点笛卡尔坐标和机构参数之间的关系。

定义Rot(y，θ)为平面旋转矩阵，也就是机器人学坐标变换中的旋转变换矩阵。将旋转矩阵作用到一个既有平动又有转动的刚体上，并用刚体上的两个点P、Q构成的向量 和表示刚体的位置，如图11所示，则下式成立

$\left[\begin{array}{c}{x}_{Q2}-x_{P2}\\ 0\\ z_{Q2}-z_{P2}\end{array}\right]=\mathrm{Rot}(y,\mathrm{\θ})\left[\begin{array}{c}{x}_{Q2}-x_{P1}\\ 0\\ z_{Q1}-z_{P1}\end{array}\right]---\left(3\right)$

根据旋转矩阵定义，从式(3)可以得到

$\left[\begin{array}{c}{x}_{Q2}\\ 1\\ z_{Q2}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& x_{P2}-x_{P1}\cos \mathrm{\θ}-z_{P1}\sin \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\θ}& z_{P2}+x_{P1}\sin \mathrm{\θ}-z_{P1}\cos \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{x}_{Q1}\\ 1\\ z_{Q1}\end{array}\right]---\left(4\right)$

式(4)可简化为Q₂＝T₂₁Q₁，式中T₂₁称为点平面位移矩阵，表示在物体运动过程中，P点由P₁运动到P₂点，同时 旋转了θ角情况下Q点坐标变换，P点称为牵连点。对于仿生膝关节K₂、K₃是A点的牵连点；K₁又是K₂的牵连点；K₄又是K₃的牵连点。各点之间是刚性连接，膝关节和踝关节中心点的空间轨迹由K₁、K₂、K₃、K₄、A点的初始坐标和连杆摆动角度确定。5个点的初始坐标又是由l₂ ^b、l₃ ^b、l₄ ^b、l₅ ^b、l₉ ^b、l₁₀ ^b、l₁₁ ^b、l₁₂ ^b、α、β等10个机构参数确定，所以机构刚体引导优化设计参数共有10个。

将得到的优化目标步态数据作为人工腿设计的模拟对象。由于变量受到等式和不等式约束，所以本文采用拟牛顿法和内惩罚函数方法进行优化计算，其计算流程如图12所示。包括以下步骤：

1.给定初始变量，控制精度及约束条件；

初始变量即优化变量：首先膝关节四杆机构共有l₃ ^b，l₄ ^b，l₉ ^b，l₁₀ ^b共4个边长可调。其次大腿固结于膝关节上连杆上的位置也是可调的，其位置可用固结点到k₁ ^b的距离l₁₁ ^b，大腿杆长度l₂ ^b及大腿杆与上连杆之间的夹角α三者来表示。同样，小腿也有3个可调参数：小腿在膝关节下连杆上的固结点到k₂ ^b的距离l₁₂ ^b，小腿杆长度l₅ ^b以及小腿杆与下连杆之间的夹角β。可见，整个仿生腿系统共有10个参数可供调整。即： $X={[l_2^b,l_3^b,l_4^b,l_5^b,l_9^b,l_{10}^b,l_{11}^b,l_{12}^b,\mathrm{\α},\mathrm{\β}]}^T.$

给定初始变量：在优化开始，需要给优化变量一个初始值，根据约束条件，在符合约束的范围内，优化变量初始量可任意给定，通过优化程序，优化变量逐渐逼近最优结果。

约束条件：

a)仿生性条件

机构运动过程中，各构件上的任何点除满足性能要求外，其运动位置不能超过人体下肢的活动范围。一是膝关节机构在小腿接受腔相对转动的所有角度都有正常合理的外观，且在站立相时其瞬时转动中心有较高的位置；二是膝关节机构在工作时其各杆和铰链点必须位于正常人体下肢的活动范围内；三是膝关节机构的屈曲角的范围小于120°。

上述仿生性条件可通过对设计变量取值范围的限定来解决，即：

$x_{i\min }^b\≤x_i^b\≤x_{i\max }^b---(i=\mathrm{1,2},\·\·\·,10)$

b)动态外形合理性条件

为使假肢膝关节在运动过程中其外形与正常人体膝关节相吻合，可通过对膝关节瞬时转动中心ICR(x_icr，y_icr)的位置变化区域加以限制来实现。即：

x_icr min≤x_icr≤x_icr max，y_icr min≤y_icr≤y_icr max

c)四杆膝关节闭链约束条件

仿生腿膝关节4-bar封闭链几何约束可表示以下的复数形式：

$-L_9^b{e}^{j({\mathrm{\θ}}_2^b-\mathrm{\α})}-L_3^b{e}^{j{\mathrm{\θ}}_3^b}+{L^b}_{10}{e}^{j({\mathrm{\θ}}_5^b-\mathrm{\β})}+L_4^b{e}^{j{\mathrm{\θ}}_4^b}=0$

控制精度：就是优化算法停止的条件，优化中：当目标函数值≤1×10^-6，优化停止，否则继续优化。

2.按约束条件确定各加权系数；

不同的约束对机构设计的影响是不一样的，为了突出这种特点，给目标函数不同部分赋予不同权值。显然，踝关节的目标轨迹的影响对人工腿设计是最重要的，因此C₁＜C₂。

3.设置优化计算的循环次数cycle＝0；

4.调用无约束极小化过程，求得使惩罚函数取极小值的变量X。无约束极小化过程可采用多种优化算法来实现，本设计采用的是“变尺度法”优化算法，通过VC编程实现。

5.判断‖f(X)‖≤ε是否成立，若成立，转到第9步：已求出最优解，优化计算结束；否则继续下一步；其中‖f(X)‖是优化目标函数值，ε是前面设定的精度1×10^-6。

6.调用外插过程，求得X^(cycle)；

优化是一个逐渐逼近的过程，每次优化都会得到一个比前次优化更好的结果X^(cycle)，通过反复多次优化，就会得到最优结果。外插过程是“求解X^(cycle)”的程序，通过程序中的调用，求得本次优化的变量X^(cycle)的结果作为下次优化的初始变量值。

7.设置优化计算循环次数Cycle＝cycle+1；

8.判断优化计算循环次数Cycle≤MaxCycle是否成立，如果成立，则返回第四步；如果不成立，则认为得到最优解，优化计算结束；

优化结果和设定的误差控制精度有关。优化结果有可能在设定的精度范围内得不到最优解，这时候应该放大控制精度。MaxCycle即最大优化次数，当在最大优化次数范围内，仍未求得满足控制精度的结果时，程序应停止，以免死循环。

9.令X_min＝X^(cycle)，已得到最优解，程序可以停止了。X^(cycle)是每次优化的结果，X_min是我们最终得到的最优解。优化变量 $X={[l_2^b,l_3^b,l_4^b,l_5^b,l_9^b,l_{10}^b,l_{11}^b,\mathrm{\α},\mathrm{\β}]}^T.$

10.程序停止。

通过流程优化计算，即给了初始变量值和理想目标轨迹后，程序自动运行，所有的数据计算都是按照设计的优化算法程序自动计算，优化结果如表2所示。本例中所设计的人工腿的踝关节点轨迹跟踪效果，如图13所示。图14为优化程序流程图。

表2

l2 b	l3 b	l4 b	l5 b	l9 b	l10 b	l11 b	l12 b	α	β
										0.447	0.089	0.04	0.389	0.059	0.079	0.001	0.027	2.49	1.57

Claims (5)

1、一种拟人双足机器人人工腿，包括髋关节、膝关节、踝关节、脚、大腿连杆及小腿连杆，其特征在于在髋关节和膝关节之间的大腿连杆上安装有膝关节驱动电机，膝关节为两个四连杆封闭链结构，膝关节驱动电机通过平行四连杆机构与膝关节的四连杆的后杆连接，在四连杆的前端固定有挡块，在四连杆的前杆上端的转轴上安装有编码器。

2、根据权利要求1所述的一种拟人双足机器人人工腿，其特征在于所述的膝关节处的四连杆封闭链结构：是在膝关节两侧分别设有一组四连杆，之间通过转轴连接。

3、根据权利要求1所述的一种拟人双足机器人人工腿，其特征在于所述的平行四连杆机构是以大腿连杆为一连杆形成的。

4、根据权利要求1所述的一种拟人双足机器人人工腿，其特征在于所述的踝关节为倒U型，倒U型结构内平行置有两个转轴，在一个转轴上安装有踝关节电机，在倒U型结构外部一侧的两转轴端部分别安装有消隙齿轮，两齿轮相啮合，在安装有电机的转轴靠近齿轮的一侧安装有谐波减速器。

5、根据权利要求1所述的一种拟人双足机器人人工腿，其特征在于所述的脚为柔性储能假脚，安装在倒U型结构内下方的踝关节转轴上。

Images