CN104369790A - 一种双足机器人行走机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种双足机器人行走机构，包括腰部机构和两条结构相同的腿部机构，所述腿部机构对称设置连接于腰部机构两侧；所述腿部机构包括大腿机构和小腿机构，所述大腿机构由从上至下设置的切比雪夫机构和缩放仪机构串联连接组成，所述小腿机构由设置于小腿上部和小腿下部的两组平行四边形机构构成；所述小腿上部安装有小腿伸缩驱动电机，用于驱动调节小腿机构长度，从而调整行走机构的步态以跨越障碍物；所述腰部机构包括齿轮模组、轴承模组和腰部支架；通过规划腰部驱动电机的交替正反转实现腿部机构在行走过程中的转向；所述小腿机构上设置有用于实现轮式行走模式的滚轮，本发明具有功能多样、结构可靠、控制简单、成本低等优点。

Description

一种双足机器人行走机构
技术领域
本发明属于机器人技术领域，尤其是涉及一种双足机器人行走机构。
背景技术
服务机器人的巨大应用价值和市场前景已经成为包括欧美、日韩和中国在内的许多国家的共识，且已被一些国家制定专项发展规划和战略。而仿人机器人因具有能适应人类的生活环境、能直接使用人类的工具、以及因具有人的特征而拥有亲和力这三个突出优点，成为最被看好的人类未来的机器人伙伴，也使其成为服务机器人领域的研究热点之一。据不完全统计，从1973年第一台正真意义上的仿人机器人在日本诞生以来，全世界开展的仿人机器人项目已超过100个。
仿人机器人由头部、四肢和躯干构成，其中上肢实现抓取和操作，下肢实现行走。仿人机器人以人类作为仿生研究的原型，目前全世界范围内的研究者已对机器人四肢的仿生设计开展了大量的研究，在机构设计上模仿人类的关节进行自由度配置，以模拟人类的运动和动作特征。特别是单腿通常均设计有6-7个自由度，来实现手和脚在三维空间中的运动。如较有代表性的仿人机器人有总体上代表着仿人机器人最先进水平的ASIMO，韩国科学技术院的KHR和HUBO系列机器人，日本产业技术综合研究所的HRP系列机器人，意大利技术研究所的iCub，早稻田大学的WABIAN-2，东京大学开发的H7，慕尼黑工业大学在机器人Johnnie基础上开发的新一代机器人LOLA和PalRobotics开发的REEM-B，柏林洪堡大学开发的Myon，韩国三星电子开发的Mahru等，都拥有两条各有6或7个自由度的腿部。
在国内，也有多家研究机构对双足机器人开展了大量的研究工作，并取得了***的研究成果。较早开展仿人机器人研究的国防科技大学开发的先行者，以及后来的北京理工大学开发的BHR系列机器人、清华大学的THBIP、浙江大学的悟、空机器人和中科院合肥物质科学研究院在2013年开发的IPR-1等也都拥有两条各有6个自由度的腿部。
这些机器人腿部设计参考人类双腿的关节进行自由度配置，设计开发的机器人腿部拥有较高的灵活性，可以模拟人类完成直立行走、转弯、越障、上下楼梯等运动，但是多电机的使用也使这类机器人存在不足，概括如下：
1.成本高：机器人腿部每个自由度均配置一个电机、一个谐波减速器和一个电机驱动器，此外，通常还配置有多维力传感器等，这些标准件价格都较昂贵，使得机器人因高成本而距离实际应用还有很远的距离。
2.能耗大：多电机的使用使得机器人总体功率较大，而仿人机器人是靠电池供电，因此高功率对电池的续航能力造成了挑战。
3.重量大：电机、谐波减速器等标准件较重，使得机器人重量较大，一方面加剧了能量的消耗，一方面由于惯性大使得机器人安全性不高。
4.控制复杂：数量众多的电机使得控制***的复杂程度大为提高，同时使***的稳定性有所降低。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明所要解决的技术问题是，提供一种功能多样、结构可靠、控制简单、成本低的双足机器人行走机构。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：一种双足机器人行走机构，包括腰部机构和两条结构相同的腿部机构，所述腿部机构对称设置连接于腰部机构两侧；
所述腿部机构包括大腿机构和小腿机构，所述大腿机构由从上至下设置的切比雪夫机构和缩放仪机构串联连接组成；所述切比雪夫机构的输入铰链处安装有腿部驱动电机，通过该电机驱动用来产生适合行走的步态曲线，缩放仪机构用来放大该曲线；所述小腿机构由小腿上部和小腿下部两部分组成，且小腿上部和小腿下部均由平行四边形机构构成；所述小腿上部安装有小腿伸缩驱动电机，用于驱动调节小腿机构长度；所述小腿机构的长度通过调节小腿上部和下部之间的相对位置来实现，小腿上部安装有滑槽，小腿下部安装有滑杆，滑杆可以在滑槽内上下滑动，从而带动小腿下部远离(靠近)小腿上部，以增大(减小)小腿机构长度，用以调整行走机构的步态以跨越障碍物；
所述腰部机构包括齿轮模组、轴承模组和腰部支架；所述齿轮模组由四个相同的圆柱直齿轮呈轴线平行依次排列两两啮合组成，位于两侧的齿轮分别与腿部机构的框架固定连接，腰部驱动电机安装在中间两个圆柱直齿轮的其中一个上，当腰部驱动电机转动时，两侧的圆柱直齿轮转速一致但方向相反，通过规划腰部驱动电机的交替正反转实现腿部机构在行走过程中的转向；所述轴承模组由四个推力球轴承组成，分为两组安装在腰部支架内并分别与两条腿部机构连接，使两条腿部机构可以绕着腰部机构转动，实现变向行走。
所述小腿伸缩驱动电机输出轴为一根螺杆，螺杆上配合安装有一个螺母，该螺母安装在小腿下部，当小腿伸缩驱动电机正(反)转时，螺母沿螺杆向远离(靠近)电机一方移动，从而带动小腿下部远离(靠近)小腿上部使得腿部长度增加(减小)。
所述小腿机构上设置有用于实现轮式行走模式的滚轮，该滚轮安装在小腿上部底端，由滚轮驱动电机单独控制，当机器人工作在足式模式时，安装于小腿下部底端的足部低于安装于小腿上部底端的滚轮，即滚轮悬空，足部着地，而当机器人工作在轮式模式时，安装于小腿上部底端的滚轮低于安装于小腿下部底端的足部，即足部悬空，滚轮着地，双足行走机构通过改变小腿机构的长度来实现轮式和足式模式的切换。
与现有技术相比，由于采用上述技术方案，该双足行走机构双腿总共配置有七个自由度，相对于传统的多电机的机器人腿部设计，电机的数量减少近一半，但同样可以实现机器人的直行、转弯、越障和上下楼梯等，且具有足式和轮式两种行走模式。
本发明的有益效果是：具有功能多样、结构可靠、控制简单、成本低等优点，作为仿人机器人的行走机构，具有良好的应用价值。
附图说明
下面通过参考附图并结合实例具体地描述本发明，本发明的优点和实现方式将会更加明显，其中附图所示内容仅用于对本发明的解释说明，而不构成对本发明的任何意义上的限制，在附图中：
图1是本发明双足机器人行走机构总体效果图；
图2是本发明双足机器人行走机构的腿部结构图；图2中，图2(a)是本发明双足机器人行走机构的腿部机构简图；图2(b)是本发明双足机器人行走机构的左腿结构示意图；图2(c)是本发明双足机器人行走机构的小腿上部结构图；图2(d)是本发明双足机器人行走机构的小腿下部结构图；
图3是本发明双足机器人行走机构的腰部结构图；图3中，图3(a)是本发明双足机器人行走机构的腰部机构的结构示意图；图3(b)是本发明腰部机构中轴承模组与腿部连接结构示意图；图3(c)是本发明腰部机构中齿轮模组与腿部连接结构图；
图4是本发明双足机器人行走机构实现转向40°的原理图；图4中，图4(a)是本发明双足机器人行走机构实现转向40°的电机运动曲线图；图4(b)是本发明双足机器人行走机构实现转向40°的过程示意图；
图5是本发明双足机器人行走机构实现跨越障碍物的示意图；
图6是本发明双足机器人行走机构实现上楼梯的原理示意图；
图7是本发明双足机器人行走机构工作在轮式模式的原理图；图7中，图7(a)是本发明双足机器人行走机构工作在轮式模式的示意图；图7(b)是本发明双足机器人行走机构轮式模式的倒立摆控制模型图；
图8是本发明双足机器人行走机构的一个应用实施例；
附图中：
1、  腿部机构     2、腰部机构      11、大腿机构
12、小腿机构      13、腿部驱动电机 14、小腿伸缩驱动电机
21、轴承模组      22、齿轮模组     23、腰部支架
24、腰部驱动电机  121、小腿上部    122、小腿下部
123、足部         124、滑杆        125、滑槽
126、滚轮驱动电机 127、滚轮        141、螺杆
142、螺母
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步叙述本发明：
如图1-3所示，本发明一种双足机器人行走机构，包括腰部机构2和两条结构相同的腿部机构1，所述腿部机构1对称设置连接于腰部机构2两侧；
所述腿部机构包括大腿机构11和小腿机构12，所述大腿机构11由从上至下设置的切比雪夫机构和缩放仪机构串联连接组成；所述切比雪夫机构的输入铰链处安装有腿部驱动电机13，通过该电机驱动用来产生适合行走的步态曲线，缩放仪机构用来放大该曲线；所述小腿机构12由小腿上部121和小腿下部122两部分组成，且小腿上部121和小腿下部122均由平行四边形机构构成；所述小腿上部121安装有小腿伸缩驱动电机14，用于驱动调节小腿机构12的长度；所述小腿机构12的长度通过调节小腿上部121和小腿下部122之间的相对位置来实现，小腿上部121安装有滑槽123，小腿下部122安装有滑杆124，滑杆124可以在滑槽123内上下滑动，从而带动小腿下部122远离(靠近)小腿上部121，以增大(减小)小腿机构12的长度，用以调整行走机构的步态以跨越障碍物；
所述腰部机构2包括齿轮模组22、轴承模组21和腰部支架23；所述齿轮模组22由四个相同的圆柱直齿轮呈轴线平行依次排列两两啮合组成，位于两侧的齿轮分别与腿部机构1的框架固定连接，腰部驱动电机13安装在中间两个圆柱直齿轮的其中一个上，当腰部驱动电机13转动时，两侧的圆柱直齿轮转速一致但方向相反，通过规划腰部驱动电机13的交替正反转实现腿部机构1在行走过程中的转向；所述轴承模组21由四个推力球轴承组成，分为两组安装在腰部支架23内并分别与两条腿部机构1连接，使两条腿部机构1可以绕着腰部机构2转动，实现变向行走。
所述小腿伸缩驱动电机14输出轴为一根螺杆141，螺杆141上配合安装有一个螺母142，该螺母142安装在小腿下部122，当小腿伸缩驱动电机12正(反)转时，螺母142沿螺杆141向远离(靠近)电机一方移动，从而带动小腿下部122远离(靠近)小腿上部121使得腿部长度增加(减小)。
所述小腿机构12上设置有用于实现轮式行走模式的滚轮125，该滚轮125安装在小腿上部121的底端，由滚轮驱动电机126单独控制，当机器人工作在足式模式时，安装于小腿下部122底端的足部低于安装于小腿上部121底端的滚轮125，即滚轮125悬空，足部123着地，而当机器人工作在轮式模式时，安装于小腿上部121底端的滚轮125低于安装于小腿下部122底端的足部123，即足部123悬空，滚轮125着地，双足行走机构通过改变小腿机构12的长度来实现轮式和足式模式的切换。
图2(a)所示为本发明双足机器人行走机构的腿部机构简图，图中大写字母(A，B，C…)表示铰链，M1、M2和M3表示驱动电机，数字(1，2，3…)表示机构中的连杆；图中，ABCDE为切比雪夫机构，它是一个四连杆机构，由一个机架AB、一个一端固定在机架上的曲柄AC、一个一端固定在机架上的摇杆BD和一个同时与曲柄和摇杆相连的摆杆CDE构成，其长度比例为AB∶AC∶BC∶CD∶DE＝2∶1∶2.5∶2.5∶2.5；FGHIJK为缩放仪机构，它也是一个四连杆机构，由输入杆FGH、输出杆HJK、连杆GI和连杆IJ构成，GH平行且等于IJ，IG平行且等于HJ，F、I和K三点共线。
图4(a)为用于双足机器人行走机构实现转向的电机运动曲线图，当安装在齿轮模组内齿轮轴上的腰部驱动电机被赋予这样的运动规律后，其可实现在四步内实现转向40°的改变，如图4(b)所示。
图5所示的是通过改变小腿机构长度实现跨越障碍物的原理示意图，其中障碍物A为小腿机构长度固定在最大值时可以跨越的障碍物，B为在跨越过程中合理调节小腿机构长度可以跨越的障碍物，可以看出，通过调节小腿机构12的长度，可以跨越的障碍物的尺寸更大。
图6所示的是通过改变小腿机构长度实现上楼梯的原理示意图，①-⑩为左右腿交替完成的10个步骤，通过合理规划小腿伸缩驱动电机的运动规律，可以在10个步骤内实现双足机器人行走机构上四个台阶，下楼梯的规划与此类似。
图7(a)为双足机器人行走机构工作在轮式模式的示意图，图7(b)为双足机器人行走机构的轮式模式的倒立摆控制模型。
图8为双足机器人行走机构应用在拉小车中的一个实施例，双足机器人行走机构可以通过该应用用来拉载物体。
需要说明的是，图4-6只是用来说明本发明双足机器人行走机构可以实现转向、越障以及上下楼梯等功能，图8只是显示了本发明双足机器人行走机构的其中一种应用，但本发明双足机器人行走机构的运动规划和应用不限于上述几个实施例。
显然，本领域的技术人员可以对本发明的一种双足机器人行走机构及工作方法，进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种双足机器人行走机构，包括腰部机构和两条结构相同的腿部机构，所述腿部机构对称设置连接于腰部机构两侧，其特征在于：
所述腿部机构包括大腿机构和小腿机构，所述大腿机构由从上至下设置的切比雪夫机构和缩放仪机构串联连接组成；所述切比雪夫机构的输入铰链处安装有腿部驱动电机，通过该电机驱动用来产生适合行走的步态曲线，缩放仪机构用来放大该曲线；所述小腿机构由小腿上部和小腿下部两部分组成，且小腿上部和小腿下部均由平行四边形机构构成；所述小腿上部安装有小腿伸缩驱动电机，用于驱动调节小腿机构长度；所述小腿机构的长度通过调节小腿上部和下部之间的相对位置来实现，小腿上部安装有滑槽，小腿下部安装有滑杆，滑杆可以在滑槽内上下滑动，从而带动小腿下部远离(靠近)小腿上部，以增大(减小)小腿机构长度，用以调整行走机构的步态以跨越障碍物；
所述腰部机构包括齿轮模组、轴承模组和腰部支架；所述齿轮模组由四个相同的圆柱直齿轮呈轴线平行依次排列两两啮合组成，位于两侧的齿轮分别与腿部机构的框架固定连接，腰部驱动电机安装在中间两个圆柱直齿轮的其中一个上，当腰部驱动电机转动时，两侧的圆柱直齿轮转速一致但方向相反，通过规划腰部驱动电机的交替正反转实现腿部机构在行走过程中的转向；所述轴承模组由四个推力球轴承组成，分为两组安装在腰部支架内并分别与两条腿部机构连接，使两条腿部机构可以绕着腰部机构转动，实现变向行走。
2.根据权利要求1所述的双足机器人行走机构，其特征在于：所述小腿伸缩驱动电机输出轴为一根螺杆，螺杆上配合安装有一个螺母，该螺母安装在小腿下部，当小腿伸缩驱动电机正(反)转时，螺母沿螺杆向远离(靠近)电机一方移动，从而带动小腿下部远离(靠近)小腿上部使得腿部长度增加(减小)。
3.根据权利要求1所述的双足机器人行走机构，其特征在于：所述小腿机构上设置有用于实现轮式行走模式的滚轮，该滚轮安装在小腿上部底端，由滚轮驱动电机单独控制，当机器人工作在足式模式时，安装于小腿下部底端的足部低于安装于小腿上部底端的滚轮，即滚轮悬空，足部着地，而当机器人工作在轮式模式时，安装于小腿上部底端的滚轮低于安装于小腿下部底端的足部，即足部悬空，滚轮着地，双足行走机构通过改变小腿机构的长度来实现轮式和足式模式的切换。
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