CN109129560B - 一种适用于双足机器人的柔性腰部结构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于双足机器人的柔性腰部结构模型及其设计方法，将弹性串联驱动(SEA)引入双足机器人腰部结构的设计中，以一组紧凑的弹性结构，实现俯仰与摇摆两自由度上的柔性，能够有效的改善腰部舵机力学特性并减少冲击载荷，还具有保护限位功能。同时，给出了上述柔性腰部结构的若干设计原则以及完整设计流程。

Description

一种适用于双足机器人的柔性腰部结构及其设计方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，提出了一种适用于双足机器人的两自由度柔性腰部结构及其设计方法。

背景技术

双足机器人是一种模仿人类结构特征的机器人，它的最终目标是实现与人类相似的运动行为。目前主流的双足机器人，依靠髋关节、踝关节的偏转实现整体质心的偏移，进而实现各种运动。在这种运动方式下，机器人扭摆幅度大，稳定性低，与人的行走姿态相差较大。而腰部的引入，可以通过上半身的辅助运动带动质心偏转，降低髋、踝关节偏转幅度，使步态更拟人。

由于机器人上半身集成了各种控制、传感、功能元件，惯性矩大，对舵机力学性能的要求高；在启动、停止时易产生冲击，影响机器人稳定性。而弹性元件的引入可以降低舵机承受力矩，贮存、释放弹性势能以降低冲击，对于实现更加稳定、拟人的步态，提高机器人腰部的实用性以及耐用性具有重要价值。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种适用于双足机器人的两自由度柔性腰部结构，包括：

固定于机器人腰部基座上的支撑，所述支撑包括支撑座、可旋转安装于支撑座横梁上的支撑转盘以及设于支撑座和支撑转盘之间的保护扭簧，所述支撑转盘于背离支撑座横梁的一面设有垂直于横梁的凸缘；

还包括滑动转盘和固接转盘，所述滑动转盘的背部设有与所述支撑转盘上的凸缘匹配的滑槽，所述滑动转盘与支撑转盘通过所述滑槽和凸缘滑动相接，支撑转盘在保护扭簧作用下紧贴滑动转盘随滑动转盘转动，确保凸缘与沟槽紧贴；所述固接转盘的背部与机器人腰部俯仰自由度舵机的转盘固定连接，所述滑动转盘和固接转盘的正面通过轴-套结构连接，可在轴线方向上相对移动或绕轴线相对转动；初始状态下的轴线位置设为基准轴线；

还包括设于所述滑动转盘和固接转盘之间的弹性元件，所述弹性元件包括直线弹性元件和扭转弹性元件，所述直线弹性元件压缩设置于固接转盘和滑动转盘之间，且弹力方向与所述轴线方向一致，用于提供机器人腰部摇摆自由度的柔性，所述扭转弹性元件分别连接所述固接转盘和滑动转盘，用于提供围绕所述轴线方向的旋转扭力，实现机器人腰部俯仰自由度的柔性。

可选的，所述直线弹性元件为直线弹簧，所述扭转弹性元件为扭簧或十字交叉的弹簧钢薄片。

本发明的另一个方面还提供了上述两自由度柔性腰部结构的设计方法，包括以下步骤：

S1、利用solidworks等图形软件建立双足机器人腰部模型，确定机器人上半身质心以及惯性矩；并根据力平衡方程，建立柔性腰部俯仰运动动力学模型和摇摆运动动力学模型；

S2、根据双足机器人运动方式确定最大偏转角；并根据动力学方程以及舵机参数确定弹性元件弹性系数；

S3、根据弹性元件弹性系数以及双足机器人腰部空间结构，确定弹性元件的类型以及几何尺寸；若无法得到满足要求的弹性元件，则建立高度调节模型，重新设计直线弹性元件；

S4、根据弹性元件的类型及几何尺寸参数以及支撑高度，确定各零部件的几何结构以及空间尺寸，并进行限位功能设计；

S5、将上述步骤得到的柔性机构集成至机器人腰部刚性结构中，得到柔性腰部结构。

进一步的，S1中，所述俯仰运动动力学模型为：

所述摇摆运动动力学模型为：

其中m为机器人上身质量，I为机器人上身的惯性积，l为上身质心到俯仰/摇摆转轴的距离，l’为直线弹簧预压缩量，α为俯仰角，β为摇摆角，k、k’分别为扭转弹性元件以及直线弹性元件弹性系数，T、T’分别为俯仰以及摇摆两自由度上的舵机力矩，d为支撑反力作用点在轴线上的距离。

进一步的，S2中，弹性元件弹性系数确定方法如下：

对于扭转弹性元件，弹性系数k应满足下式：

对于直弹性元件，弹性系数k’应满足下式：

其中

与舵机速度-力矩(ω-t)曲线有关，为在舵机三角形速度曲线的最大角速度ω_max下所对应的最大舵机力矩，α_max、β_max分别为最大俯仰角以及最大扭摆角，t是机器人的一个步态周期。

进一步的，S3中所述高度调节模型如下：

支撑转盘轴线在基准轴线的基础上提升h，则摇摆动力学方程变为

弹性系数k’的选择范围变为

进一步的，S4中，所述限位功能通过如下方式实现：

1)在俯仰自由度上，通过黏贴接触传感器，在固接转盘与滑动转盘接触时发送指令使舵机停止，进行固接转盘与滑动转盘的旋转限位,实现最大限位角α_max；

2)在摇摆自由度上，限位功能由固接转盘和滑动转盘在轴线方向上的可相向运动距离d’决定，其与最大摇摆角β_max的关系为

当采用高度调节模型，其关系为

可通过黏贴接触传感器，在固接转盘以及滑动转盘接触时发送指令使舵机停止。

本发明的适用于双足机器人的柔性腰部结构，将弹性串联驱动(SEA)引入双足机器人腰部结构的设计中，以一组紧凑的弹性结构，实现俯仰与摇摆两自由度上的柔性，能够有效的改善腰部舵机力学特性并减少冲击载荷，还具有保护限位功能。同时，本发明还给出了上述柔性腰部结构的设计方法，以实现上述的柔性腰部结构，从而降低舵机承受力矩，贮存、释放弹性势能以降低冲击，对于实现更加稳定、拟人的步态，提高机器人腰部的实用性以及耐用性具有重要价值。

附图说明

图1为两自由度腰部三维模型及其抽象示意图。

图2为适用于双足机器人柔性腰部的弹性串联驱动改进方法示意图。

图3为本发明的柔性腰部结构示意图。

图4为图3中柔性腰部结构的分解示意图。

图5为配置图3中柔性腰部结构的机器人腰部模型示意图。

图6为俯仰自由度上的动力学简化模型图示。

图7为摇摆自由度上的动力学简化模型图示。

图8为采用高度调整模型增大力臂的简化模型表示。

图9为一种遵循高度调整模型的两自由度柔性腰部结构及配置该结构的机器人腰部模型示意图。

图10为本发明中具有限位功能的柔性腰部结构及其分解示意图。

图11为本发明的柔性腰部结构设计方法的流程示意图。

具体实施方式

为了便于本领域人员更好的理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，

如图1所示，首先建立两自由度刚性腰部模型。一般而言，双足机器人腰部的功能为辅助运动，具有俯仰与摇摆两自由度。刚性腰部是柔性腰部模型的基础。

如图2所示，为改善舵机力学特性、柔顺速度输出，考虑将弹性串联驱动(SEA)引入腰部两自由度中。传统的弹性串联驱动是为了在机器人中实现精准的力矩控制，在驱动机构与从动结构之间增加弹性元件。但其位置控制的精度和实时性大大降低。而双足机器人腰部结构的主要功能即是通过精准的偏转运动调节整体质心，降级髋、踝部的偏转幅度，使步态更拟人。因此，将弹性元件外置，增加外部固定机构，使之更适应双足机器人腰部结构。

而由于俯仰自由度附着在腰部自由度上，摇摆自由度上的旋转运动会造成俯仰自由度旋转轴线的偏转。因此要求弹性元件也能随之偏转以保证对中。同时双足机器人腰部空间有限，可利用的空间主要在腰部两侧。基于上述考虑，创新性的提出一种两自由度柔性腰部结构设计方法，通过一组置于腰部两侧的紧凑机构实现两自由度上的柔性。

如图3和图4所示，为本发明的柔性腰部结构实施例及其分解示意图。

固接转盘1与滑动转盘4之间首先通过轴-套机制连接，中心连接着扭转弹性元件3以及直线弹性元件2，扭转弹性元件3的选取可以是多样的，本例中使用十字交叉的弹簧钢薄片，以得到较高的弹性系数。滑动转盘4通过凹槽41与支撑5中支撑转盘54的凸缘相配合，实现相对滑动。滑动转盘4在直线弹性元件2的弹性作用力以及支撑转盘54的约束反力作用下保持平衡。支撑5的支撑座51固定在腰部底盘上，支撑转盘54安装在支撑横梁52上，并在扭簧53作用下紧贴滑动转盘4随滑动转盘4转动，确保凸缘与沟槽紧贴。由于扭簧53弹性系数极小，力学分析中可以忽略，可以认为滑动转盘44对于支撑转盘54的作用力完全作用在支撑横梁52上。

如图5为配置有上述柔性腰部结构的机器人模型示意图。

这里给出的实施例只是本发明所述的两自由度柔性腰部结构的一种实现形式，并不代表其唯一实现形式。固接转盘、滑动转盘以及弹性件的具体结构，可以有多种设计，这里不再赘述。

得到上述两自由度柔性腰部基本结构后，对俯仰自由度以及摇摆自由度分别进行动力学分析，以便对于零部件参数进行设计。当机器人从扭摆/俯仰状态回复至平衡位置时，由于加速度的存在，对于舵机以及弹簧的力学性能要求较高，取这时进行分析。

如图6所示，在俯仰自由度上，通过扭转弹性元件实现柔性。机器人上身质心对应质量为m的一点，质心相对转动中心的距离为l，机器人上半身相对该点的惯性矩设为I，舵机驱动力矩为T，扭转角为α，若摇摆角为β，俯仰平面上的重力加速度分量gcosβ，其动力学方程如下。

在摇摆自由度上，利用直线弹性元件产生柔性，由于几何结构约束，腰部摇摆运动造成直线弹性元件被压缩，同时作用力臂随摇摆角度而变化。如图7所示，设弹簧预压缩量为l’，压缩量

直线弹性元件弹性系数为k’，有F＝k'(x+l')。设舵机驱动力矩为T’，摇摆自由度动力学模型如下

由于双足机器人腰部尺寸的限制，弹性元件的几何尺寸受到限制，产生的力矩可能较小。如果机器人上身重量很轻，扭转弹性元件可采用一般的扭簧，而在上身较重的情况下，采用十字交叉弹簧钢薄片可以得到比类似尺寸的扭簧大得多的弹性系数。直线弹性元件一般选取直线弹簧，可选择的范围很大，确定弹性系数后按机械设计手册中的原则设计即可。

同时，由于双足机器人腰部空间尺寸的限制，摇摆自由度上的直线弹性元件变形量不能太大，并且约束反力的瞬时力臂很小，摇摆力矩较小。为了解决这一问题，本发明进一步提出了高度调整模型。其基本思路是将支撑的位置在竖直方向上提升h，这种方法能够在偏转角β相同的情况下极大的增大约束反力的作用力臂，同时增大弹簧压缩量x。采用力臂偏执模型，支持力主要由一侧提供，此时两侧的预压缩力相互抵消。

如图8所示，通过将支撑转盘轴线抬高距离h，在转动相同角度的情况下，支持力矩主要由一侧提供。提供支持力的一侧力臂

弹簧压缩量

均得到显著的扩大。其完整的动力学方程如下：

由于上式较为复杂，展开后略去较小的分量，有

如图9所示为遵循上述高度调整模型的一种柔性腰部结构实施例示意图。

接下来，需要在动力学方程的基础上，进行参数设计。需要考虑到的关键参数主要有扭转弹性元件3的弹性系数k，直线弹性元件2的弹性系数k’，最大俯仰角α_max与最大摇摆角β_max等。这些参数与舵机的速度-力矩(ω-T_ω)特性，舵机速度曲线，机器人的步态周期t等有关。将ω-T_ω、t舵机速度曲线均视为给定值。而对于最大俯仰角α_max与最大摇摆角β_max，理论上其取值为完全通过偏转腰部使重心完全落到一只脚上所需的角度。实际应用中由于腰部的运动是辅助性的，再加上空间结构尺寸的限制，一般取5°～10°即可。

舵机速度曲线一般有三角形、水平和梯形。理论上，水平速度曲线在起始处的加速度为无限大，在实际中，加速度无法超过舵机所允许最大加速度。在实际中，为了避免冲击，加减速阶段的加速度应尽量小。在三角形曲线下，加速度最小，所以考虑使用三角形运动曲线。三角形曲线下的最大速度和加速度分别为

舵机运动速度越大，所能达到的最大力矩也就越小。为保证弹性元件满足要求，在计算时，假设各极值能够在极限偏转位置同时取到，确定得到k值的下界。将各个参数代入动力学方程中，有

显然，

所以有

同理，对于摇摆自由度，有

在此范围内选择的弹性系数理论上均可以满足要求。确定弹性元件弹性系数后后，根据腰部空间结构选择弹性元件类型及尺寸，在摇摆自由度上，若无法达到相应弹性系数，可采用高度调整模型，重新设计弹性件。

弹性元件确定后，即可进入具体的各部分元件尺寸结构设计。各零件可以有不同的具体实现形式，但其基本结构是一致的。在确定腰部模型基本特征以及各元件尺寸特性的情况下，可以设计得到多种结构。

如图10，本发明给出了带有限位功能的两种柔性腰部结构实施例。其中图10c中的实施例采用兼具直线弹性和扭转弹性的扭簧3’代替图10b中的直线弹簧和十字交叉的弹簧钢薄片。

在俯仰自由度上，通过固接转盘以及滑动转盘的旋转限位实现最大限位角。最大俯仰角α_max等于限位角度。在豁口处黏贴接触传感器，运动时可以在接触时发送指令使舵机停止，不至于损坏舵机。在摇摆自由度上，限位功能依靠固接转盘和滑动转盘在轴线方向上可压缩距离d’决定。如图10a所示，其与最大摇摆角β_max的关系如下

当采用力臂放大模型，其关系为

如图11所示，依次进行上述各步骤，最终得到满足要求的双足机器人柔性腰部结构。

上述阐述中涉及的原型设计实例，仅仅是本发明技术构思实现形式的列举，本发明的保护范围不仅限于上述实施例，本发明的保护范围可延伸至本领域技术人员根据本发明的技术构思所能想到的等同技术手段。

Claims (7)

1.一种适用于双足机器人的柔性腰部结构，其特征在于：包括固定于机器人腰部基座上的支撑，所述支撑包括支撑座、可旋转安装于支撑座横梁上的支撑转盘以及设于支撑座和支撑转盘之间的保护扭簧，所述支撑转盘于背离支撑座横梁的一面设有垂直于横梁的凸缘；

还包括滑动转盘和固接转盘，所述滑动转盘的背部设有与所述支撑转盘上的凸缘匹配的滑槽，所述滑动转盘与支撑转盘通过所述滑槽和凸缘滑动相接，所述固接转盘的背部与机器人腰部俯仰自由度舵机的转盘固定连接，所述滑动转盘和固接转盘的正面通过轴-套结构连接，可在轴线方向上相对移动或绕轴线相对转动；

还包括设于所述滑动转盘和固接转盘之间的弹性元件，所述弹性元件包括直线弹性元件和扭转弹性元件，所述直线弹性元件压缩设置于固接转盘和滑动转盘之间，且弹力方向与所述轴线方向一致，用于提供机器人腰部摇摆自由度的柔性，所述扭转弹性元件分别连接所述固接转盘和滑动转盘，用于提供围绕所述轴线方向的旋转扭力，实现机器人腰部俯仰自由度的柔性。

2.如权利要求1所述的适用于双足机器人的柔性腰部结构，其特征在于：所述直线弹性元件为直线弹簧，所述扭转弹性元件为扭簧或十字交叉的弹簧钢薄片。

3.一种如权利要求1或2所述的适用于双足机器人的柔性腰部结构的设计方法，包括以下步骤：

S1、利用图形软件建立双足机器人腰部模型，确定机器人上半身质心以及惯性矩；并根据力平衡方程，建立柔性腰部俯仰运动动力学模型和摇摆运动动力学模型；

S2、根据双足机器人运动方式确定最大偏转角；并根据动力学方程以及舵机参数确定弹性元件弹性系数；

S3、根据弹性元件弹性系数以及双足机器人腰部空间结构，确定弹性元件的类型以及几何尺寸；若无法得到满足要求的弹性元件，则建立高度调节模型，重新设计直线弹性元件；

S4、根据弹性元件的类型及几何尺寸参数以及支撑高度，确定各零部件的几何结构以及空间尺寸，并进行限位功能设计；

S5、将上述步骤得到的柔性机构集成至机器人腰部刚性结构中，得到柔性腰部结构。

4.如权力要求3所述的适用于双足机器人的柔性腰部结构设计方法，其特征在于，S1中，所述俯仰运动动力学模型为：

所述摇摆运动动力学模型为：

其中m为机器人上半身质量，I为机器人上半身的惯性积，l为上半身质心到俯仰/摇摆转轴的距离，l’为直线弹簧预压缩量，α为俯仰角，β为摇摆角，k、k’分别为扭转弹性元件以及直线弹性元件弹性系数，T、T’分别为俯仰以及摇摆两自由度上的舵机力矩，d为支撑反力作用点在轴线上的距离。

5.如权力要求4所述的适用于双足机器人的柔性腰部结构设计方法，其特征在于，S2中，弹性元件弹性系数确定方法如下：

对于扭转弹性元件，弹性系数k应满足下式：

对于直线弹性元件，弹性系数k’应满足下式：

其中

与舵机速度-力矩(ω-t)曲线有关，为在舵机三角形速度曲线的最大角速度ω_max下所对应的最大舵机力矩，α_max、β_max分别为最大俯仰角以及最大扭摆角，t是机器人的一个步态周期。

6.如权力要求5所述的适用于双足机器人的柔性腰部结构设计方法，其特征在于，S3中所述高度调节模型如下：

支撑转盘轴线在基准轴线的基础上提升h，则摇摆动力学方程变为

弹性系数k’的选择范围变为

7.如权力要求6所述的适用于双足机器人的柔性腰部结构设计方法，其特征在于，S4中，所述限位功能通过如下方式实现：

1)在俯仰自由度上，通过黏贴接触传感器，在固接转盘与滑动转盘接触时发送指令使舵机停止，进行固接转盘与滑动转盘的旋转限位,实现最大限位角α_max；

2)在摇摆自由度上，限位功能由固接转盘和滑动转盘在轴线方向上的可相向运动距离d’决定，其与最大摇摆角β_max的关系为

当采用高度调节模型时，其关系为

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