CN102336230A - 一种无动力行走双足机构 - Google Patents

Abstract

一种无动力行走双足机构，用于研制和开发新型灵活、操纵性强的直立行走机构。机器人沿微倾的斜坡向下行走，不需要施加任何控制，斜坡提供的重力势能转化为机器人行走所需的动能。被动行走生成的步态非常自然，能量效率可以达到人类的水平。本发明的目的在于使用高效、优秀的结构，设计出一种无动力供给的双足行走机器人，提出一种新的机器人设计思路，优秀的结构设计可以减少机器人对能源的损耗，从而引导机器人行业的节能化、低碳化设计。本发明可以较好的引导未来机器人行业及其他行业的发展，使科技的发展不会大大的影响人类所在的环境，研发出节能低碳的机器人，此机器人也可以用于玩具、礼品等领域，具有较高的实用价值。

Description

一种无动力行走双足机构

技术领域：

本发明专利涉及一种无动力行走双足机构，用于研制和开发新型灵活、操纵性强的直立行走机构，也可用于人型机器人领域以及玩具和收藏品领域。

背景技术：

目前，双足机器人的行走方法主要包括静态行走，ZMP行走，以及极限环行走。其中静态行走是出现最早的也是最基础的一种行走方法，其要求行走过程中机器人的质心始终保持在地面上双脚构成的多边形以内，这种方式很容易保持机器人的稳定，但也极大的限制了机器人的行走速度。ZMP行走要求机器人的零矩点始终保持在双脚构成的多边形以内，这种方法在一定程度上比静态行走减少了人为约束，因此在一些机器人上实现了较高速度的行走。

目前，ZMP行走的成功实例包括本田公司的AsIM0，日本AIsT研究所的HRP3，以及索尼公司的Qrio等。但是与传统工业机器人相似，ZMP行走仍然采用了较多的人为约束，因此在能量效率、行走速度、抗干扰能力、以及步态自然性等方面很难再有突破。极限环行走是近年来出现的一种新的行走理念，它的提出受到了人类行走的启发，要求周期性的步态序列是轨道稳定的，即步态序列可以在状态空间中形成一个稳定的极限环，但在步态周期中的任意瞬时并不具备局部稳定性。这种方法对机器人的人为约束较少，充分地利用了机器人自身的动力学特性，因而具有较大的空间提高机器人的能量效率、行走速度、以及抗干扰能力。目前，采用极限环行走原理的成功实例包括MIT的Sping Flaningo及其虚拟模型控制方法，法国科学院的Rabbit及其混合零动力学控制方法，Geng等人的RunHot及其中枢神经控制方法，以及CMU的双足机器人及其再励学习方法等。这些机器人在行走速度、能量效率、以及抗干扰能力等方面实现了较大的突破，但步态生成方法较为繁琐，并且需要外界供给能量而使其行走。

被动行走是极限环行走的一种典型范例，机器人沿微倾的斜坡向下行走，不需要施加任何控制，斜坡提供的重力势能转化为机器人行走所需的动能。被动行走生成的步态非常自然，能量效率可以达到人类的水平，约是ZMP行走机器人AsTM0的十几分之一。

本发明所述的无动力行走双足机构行走方法以被动行走为基础，通过机构整体与着地脚板之间形成扭矩，将重力势能转化成动能，使整个机构在斜面上不断前进，而无需外界供应任何动力。

设计内容：

本发明的目的在于使用高效、优秀的结构，设计出一种无动力供给的双足行走机器人，提出一种新的机器人设计思路，优秀的结构设计可以减少机器人对能源的损耗，从而引导机器人行业的节能化、低碳化设计。

本发明跳出实现机器人各个关节转动要靠舵机来完成的思维模式，而是利用被动动力学等原理，让机器人能够在一个倾斜面上以稳定的式样行走，所有关节无需驱动。被动动力学则是指利用外部环境与关节的交互做到灵巧自如的运动。

本发明的技术方案如下：一种实现双足机器人在斜面上以稳定步态行走而所有关节无需驱动。

其具体特征如下：

无动力可行走：机器人没有任何动力驱动装置，而是利用本身的重力在斜面上进行行走。

巧妙的结构：巧妙优良的结构设计是实现机器人行走的先决条件，并且使机器人在组装、使用上都简便易操作。

低碳、节能：简洁轻巧的机器人做到了低成本、无需消耗电能或其他能源，可谓未来机器人发展的趋势。

由于以上所述的特点，本发明可以较好的引导未来机器人行业及其他行业的发展，使科技的发展不会大大的影响人类所在的环境，研发出节能低碳的机器人，此机器人也可以用于玩具、礼品等领域，具有较高的实用价值。

附图说明：

图一为无动力行走双足机器人行走的原理示意图。

图中，1为支架；2为右腿转动副；3为左腿转动副；4为右腿；5为左腿；6为右脚支杆；7为左脚支杆；8为右脚板、9为左脚板。

图二为无动力行走双足机器人实例应用行走原理示意图。

图中，1为支架；2为右腿转动副、3为左腿转动副；4为右腿；5为左腿；6为右脚外侧支杆；7为左脚外侧支杆；8为右脚内侧支杆、9为左脚内侧支杆。

具体实施方式：

本发明的基本行走原理为图一。

右腿4通过右腿转动副2铰接于支架1，左腿5通过左腿转动副3铰接于支架1，右脚板8与右腿4连接，左脚板9与左腿5连接，右脚支杆6与右腿4连接，左脚支杆7与左腿5连接，右脚支杆6在右脚板8之上，左脚支杆7在左脚板9之上。最终实现了设计的目的。

工作状态：当整个机构处于斜面上双腿平行静止时，腿部是倾斜的。当身体被推向一侧时，悬空的脚板在自身重力的作用下，会趋向竖直状态，并由于斜面与地面成一定角度使机器人足部自动向前迈出。机构整体在自身重力与着地脚板形成的扭矩作用下，身体摆回。由于惯性，机构会向迈出的腿倾斜，在脚板自身重力的作用下，当前悬空的脚板又会自动向前迈出。由于迈出的脚板又会比另一脚板低，为结构的摆动蓄能，提供不断摆动的动力。依此下去，机构便能够在斜面上一直向下行走。

图二是此原理的实际应用原理示意图。

图三为无动力行走双足机构的实际应用实体图。

本发明实施方案为利用外部环境与机器人关节的交互方式来完成灵巧自如的运动，不局限于机器人的外观形式，只要机器人靠重力在斜面上实现行走，即符合图一的行走原理，而对具体的外观形式没有严格的限制。

Claims (5)

1.一种无动力双足行走机构，主要包括：(1)为支架；(2)为右腿转动副；(3)为左腿转动副；(4)为右腿；(5)为左腿；(6)为右脚支杆；(7)为左脚支杆；(8)为右脚板；(9)为左脚板。其特征在于：右腿(4)通过右腿转动副(2)铰接于支架(1)，左腿(5)通过左腿转动副(3)铰接于支架(1)，右脚板(8)与右腿(4)连接，左脚板(9)与左腿(5)连接，右脚支杆(6)与右腿(4)连接，左脚支杆(7)与左腿(5)连接，右脚支杆(6)在右脚板(8)之上，左脚支杆(7)在左脚板(9)之上。

2.根据权利要求1所述无动力行走双足机构，其特征在于：当整个机构处于斜面上静止时，左腿(5)与右腿(4)垂直于斜面。当身体被推向左腿(5)一侧时，悬空的右脚板(8)在自身重力的作用下，会趋向竖直状态，并由于惯性而向前迈出。机构整体在自身重力与着地左脚板(9)形成的扭矩作用下，身体摆回。由于惯性，机构重心会向迈出的右腿(4)倾斜，带动左脚板(9)离开斜面，在左脚板(9)自身重力的作用下，左脚板(9)会趋向竖直并向前迈出。由于迈出的左脚板(9)又会比右脚板(8)低，为结构的摆动蓄能，依此下去，机构便能够在斜面上一直向下行走。

3.根据权利要求1所述无动力行走双足机构，其特征在于：当整个机构处于斜面上静止时，左腿(5)与右腿(4)垂直于斜面。当身体被推向右腿(4)一侧时，悬空的左脚板(9)在自身重力的作用下，会趋向竖直状态，并由于惯性而向前迈出。机构整体在自身重力与着地右脚板(8)形成的扭矩作用下，身体摆回。由于惯性，机构重心会向迈出的左腿(5)倾斜，带动右脚板(8)离开斜面，在右脚板(8)自身重力的作用下，右脚板(8)会趋向竖直并向前迈出。由于迈出的右脚板(8)又会比左脚板(9)低，为结构的摆动蓄能，依此下去，机构便能够在斜面上一直向下行走。

4.根据权利要求1所述左脚支杆(7)与右脚支杆(6)在同一超水平线并高于左脚板(9)与右脚板(8)所形成的水平线。

5.根据权力要求书1-4任意一条所述一种无动力双足行走机构，其特征在于：不需任何外部动力，在与地面成一定角度的平面上实现稳定的向前行走。

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