一種三維仿人雙足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及行走方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機(jī)器人，更具體是涉及一種基于被動(dòng)力學(xué)的三維仿人雙足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及行走方法。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明是關(guān)于一種仿人步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)。顧名思義，仿人機(jī)器人是從機(jī)器人的形態(tài)和功能的角度來(lái)進(jìn)行定義的，區(qū)別于工業(yè)機(jī)器人的概念，仿人機(jī)器人具有和人體相類似的外形。從移動(dòng)方式上來(lái)說(shuō)，仿人機(jī)器人區(qū)別于多足步行和輪履等復(fù)合式底盤移動(dòng)的方式，利用和人步行類似的雙腿交替運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)行走。在所有的類人行為中，機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一就是步行功能，因此，仿人雙足步行機(jī)器人的研宄對(duì)于深入解析人類步行原理和助力行走，人工假肢等幫助殘障人士實(shí)現(xiàn)行走的醫(yī)療器械的研宄具有良好的應(yīng)用價(jià)值。
[0003]被動(dòng)式仿人步行機(jī)器人就是一種動(dòng)態(tài)行走的雙足步行機(jī)器人，它的研宄主要是從降低能耗的角度出發(fā)，可以分成完全被動(dòng)和半被動(dòng)兩種形式。完全被動(dòng)的仿人步行機(jī)器人能夠依靠重力作用沿著斜坡(傾斜1° -3° )穩(wěn)定行走，半被動(dòng)式的仿人步行機(jī)器人是在個(gè)別關(guān)節(jié)部位提供微小的能量輸入使得機(jī)器人能夠在平地上行走。最早的被動(dòng)式步行機(jī)器人是在1988年以玩具的形式出現(xiàn)的，由于被動(dòng)雙足步行機(jī)器人的行走模式和人的行走機(jī)理更加接近，成為目前仿人步行研宄的又一熱點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)被動(dòng)步行機(jī)器人的研宄正在如火如荼的開展著，本發(fā)明較專利CN201210207721和專利CN200810225507來(lái)說(shuō)具有仿人程度高，機(jī)械結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。
[0004]被動(dòng)仿人雙足步行機(jī)器人將機(jī)械結(jié)構(gòu)和被動(dòng)動(dòng)力學(xué)特性相結(jié)合，這種機(jī)器人在行走過(guò)程中具有相應(yīng)機(jī)械特性的同時(shí)，還具備和人類步行相類似的能量消耗。這一點(diǎn)是主動(dòng)式仿人雙足步行機(jī)器人不能相比的。正是這種特有的行走模式，使得被動(dòng)仿人雙足步行機(jī)器人具有很大的研宄價(jià)值，有利于揭示人類行走機(jī)理以及仿人雙足步行的控制原理。被動(dòng)仿人雙足步行機(jī)器人的研制還可以促進(jìn)助力行走設(shè)備的研制，這種設(shè)備可以作為外骨骼幫助殘疾人實(shí)現(xiàn)行走，并且可以在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中充當(dāng)代步設(shè)備，提升單兵作戰(zhàn)能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:針對(duì)傳統(tǒng)的主動(dòng)式仿人雙足步行機(jī)器人耗能大、控制原理復(fù)雜等缺陷，本發(fā)明將基于被動(dòng)力學(xué)相關(guān)原理，設(shè)計(jì)一種仿人程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)三維被動(dòng)步行的雙足仿人機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的具體技術(shù)方案是:
[0007]一種三維仿人雙足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，從上至下依次包括軀干、對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)髖關(guān)節(jié)、角平分機(jī)構(gòu)、手臂-大腿耦合機(jī)構(gòu)及對(duì)稱設(shè)置的雙腿機(jī)構(gòu)，其中，每一側(cè)腿機(jī)構(gòu)從上至下依次包括大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿、踝關(guān)節(jié)及足底；
[0008]所述的軀干包括軀體、半固定環(huán)、連接環(huán)、軸承及軸承擋圈；其中，軀體的底部固定連接連接環(huán)，所述軀體上滑動(dòng)連接滑塊；
[0009]所述兩個(gè)髖關(guān)節(jié)同軸水平布置在所述軀體的底部，軀體的底部設(shè)有用于與兩個(gè)髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)連接的連接環(huán)裝置；每個(gè)髖關(guān)節(jié)和同側(cè)的手臂固定連接；
[0010]所述的角平分機(jī)構(gòu)包括兩根連桿連接軸、四個(gè)連桿及兩個(gè)曲柄；其中，每個(gè)所述髖關(guān)節(jié)上分別固定連接一個(gè)曲柄的一端，兩個(gè)曲柄的另一端分別通過(guò)一個(gè)連桿連接軸與兩個(gè)連桿轉(zhuǎn)動(dòng)連接，四個(gè)所述連桿兩兩交叉組合成兩組后再分別和軀干上的滑塊鉸接，所述滑塊上設(shè)有供鉸接的連接軸；
[0011]所述手臂-大腿耦合機(jī)構(gòu)包括分別布置在兩個(gè)髖關(guān)節(jié)上的兩組，每組包括大腿連接套筒和L型連接板，其中，L型連接板包括縱向直角邊和橫向直角邊，縱向直角邊與大腿連接套筒固定連接，橫向直角邊與角平分機(jī)構(gòu)上的其中一根連桿連接軸固定連接，兩個(gè)直角邊的交匯處與同側(cè)所述髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)連接；
[0012]所述的膝關(guān)節(jié)包括電磁鐵、電磁鐵固定套筒、限位擋板、下連接套筒、上連接套筒、膝關(guān)節(jié)軸承及銷軸，其中，大腿和小腿分別固定在下連接套筒和上連接套筒上，下連接套筒和上連接套筒之間通過(guò)銷軸及軸承轉(zhuǎn)動(dòng)連接，大腿上固定連接有電磁鐵固定套筒，電磁鐵固定套筒上固定連接電磁鐵，所述下連接套筒上固定連接所述限位擋板；
[0013]所述的踝關(guān)節(jié)包括萬(wàn)向節(jié)、彈簧連接套筒、足底連接套筒、足底連接板和彈簧；其中，彈簧連接套筒的上部與小腿固定連接，中部通過(guò)萬(wàn)向節(jié)連接足底連接套筒，足底連接套筒的底部固定連接足底連接板，所述彈簧連接套筒的下底面和足底連接板的上表面之間縱向布置三組彈簧。
[0014]進(jìn)一步的，所述彈簧連接套筒上設(shè)有彈簧調(diào)節(jié)螺釘、調(diào)節(jié)螺母，所述足底連接板的上表面固定連接有彈簧固定螺釘，所述所述彈簧的上端與彈簧調(diào)節(jié)螺釘非螺紋端連接，另一端與彈簧固定螺釘連接，彈簧調(diào)節(jié)螺釘?shù)穆菁y端上螺紋連接調(diào)節(jié)螺母。
[0015]進(jìn)一步的，所述連接環(huán)內(nèi)左、右對(duì)稱的設(shè)有兩個(gè)軸承，所述兩個(gè)軸承的內(nèi)圈分別與一個(gè)髖關(guān)節(jié)固定連接。
[0016]本發(fā)明還公開了一種三維仿人雙足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)的行走方法，
[0017]根據(jù)行走過(guò)程的不同狀態(tài)，將整個(gè)步行周期分為四個(gè)相態(tài)；相態(tài)一支撐腿的膝關(guān)節(jié)鎖合，支撐腿上的大腿和小腿不會(huì)發(fā)生相對(duì)旋轉(zhuǎn)；此時(shí)，擺動(dòng)腿的膝關(guān)節(jié)放開，進(jìn)行自由擺動(dòng)，系統(tǒng)為三個(gè)自由度；
[0018]當(dāng)擺動(dòng)腿上的小腿和大腿擺動(dòng)到同一條直線上時(shí)，擺動(dòng)腿上限位擋板的壓力傳感器會(huì)受到膝關(guān)節(jié)的限位擋板和電磁鐵的擠壓，壓力傳感器將接收到的碰撞信號(hào)傳遞給主控芯片，主控芯片接收到該信號(hào)之后發(fā)出指令控制電磁鐵通電，擺動(dòng)腿膝關(guān)節(jié)鎖合，此時(shí)為相態(tài)二，系統(tǒng)變?yōu)閮蓚€(gè)自由度；
[0019]在相態(tài)三中，機(jī)器人變?yōu)殡p直腿結(jié)構(gòu)，大腿和小腿以同樣的角速度擺動(dòng)，系統(tǒng)具有兩個(gè)自由度；
[0020]當(dāng)足底曲面板和地面發(fā)生碰撞之后，微動(dòng)開關(guān)將被觸碰，此時(shí)，擺動(dòng)腿和支撐腿角色互換，該狀態(tài)為相態(tài)四。
[0021]微動(dòng)開關(guān)檢測(cè)到足底曲面板和地面發(fā)生碰撞，將碰撞信號(hào)傳遞給主控芯片，主控芯片發(fā)出指令讓原支撐腿的電磁鐵斷電，原支撐腿的膝關(guān)節(jié)打開，原支撐腿變?yōu)閿[動(dòng)腿，此時(shí)又變回三自由度，行走狀態(tài)將回到相態(tài)一。
[0022]本發(fā)明的有益效果:
[0023]第一、所述角平分機(jī)構(gòu)有效組合了兩個(gè)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，將滑塊運(yùn)行的軌跡限定在兩個(gè)曲柄夾角的角平分線上，從而進(jìn)一步將軀干的運(yùn)動(dòng)限定在大腿夾角的角平分線上，達(dá)到了減少系統(tǒng)自由度的目的。
[0024]第二、所述足底采用了一種特殊的曲面，這個(gè)曲面從機(jī)器人正面和側(cè)面看過(guò)去都是一個(gè)圓弧，這個(gè)曲面使得該被動(dòng)步行機(jī)器人在行走過(guò)程中具有前后擺動(dòng)和側(cè)向擺動(dòng)兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，對(duì)機(jī)器人的行走路徑進(jìn)行引導(dǎo)。
[0025]第三、手臂-大腿耦合機(jī)構(gòu)、柔性踝關(guān)節(jié)、足底曲面的共同作用，避免雙足被動(dòng)步行機(jī)器人行走過(guò)程中的偏航。
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為三維仿人雙足步行機(jī)器整體結(jié)構(gòu)圖；
[0027]其中，1、軀干；2、角平分機(jī)構(gòu)；3、膝關(guān)節(jié)；4、踝關(guān)節(jié)；5、足底；6、手臂-大腿耦合機(jī)構(gòu)；
[0028]圖2為軀干整體結(jié)構(gòu)圖；
[0029]其中，11、軸承擋圈；12、連接軸；13、軀體；14、滑塊；15、半固定環(huán)；16、軸承；17、連接環(huán)；
[0030]圖3為角平分機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖；
[0031]其中，21、連桿連接軸；22、連桿；23、髖關(guān)節(jié)；24、曲柄；
[0032]圖4為膝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)圖；
[0033]其中，31、小腿；32、下連接套筒；33、上連接套筒；34、電磁鐵固定套筒；35、大腿；36、電磁鐵；37、限位擋板；38、膝關(guān)節(jié)軸承；39、銷軸；
[0034]圖5圖4的A向視圖；
[0035]圖6為踝關(guān)節(jié)、足底結(jié)構(gòu)圖；
[0036]其中，41、彈簧固定螺釘；42、彈簧調(diào)節(jié)螺釘；43、彈簧連接套筒；44、調(diào)節(jié)螺母；45、彈簧；46、萬(wàn)向節(jié)；47、足底連接套筒；51、足底連接板；52、足底曲面板；
[0037]圖7為手臂-大腿耦合機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖；
[0038]其中，61、手臂；(62、63)套筒；64、大腿連接套筒；65、L型連接板；
[0039]圖8為被動(dòng)步行機(jī)器人行走過(guò)程原理圖；
[0040]圖9為被動(dòng)步行機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程流程圖；
[0041]圖10為控制系統(tǒng)的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]下面結(jié)合附圖，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。
[0043]如圖1所示，本發(fā)明的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)可以按照功能分為軀干1、角平分機(jī)構(gòu)2、膝關(guān)節(jié)3、踝關(guān)節(jié)4、足底5、手臂-大腿耦合機(jī)構(gòu)6，共6個(gè)部分。
[0044]如圖2所示，所述軀干I主要由軸承擋圈11、半固定環(huán)15、連接軸12、滑塊14、軀體13、連接環(huán)17、螺栓13、軸承16組成。滑塊14可以在軀體13上進(jìn)行滑動(dòng)并通過(guò)連接軸12和角平分機(jī)構(gòu)的連桿22進(jìn)行連接。半固定環(huán)15將軀體和連接環(huán)通過(guò)螺栓固定，軸承擋圈11用于限制軸承在連接環(huán)17中的軸向移動(dòng)。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以讓軀干I在髖關(guān)節(jié)23上自由轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0045]如圖3所示，所述的角平分機(jī)構(gòu)2主要是由兩組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)共同組成。每組曲柄滑塊機(jī)構(gòu)包含連桿連接軸21、連桿22、曲柄24。每個(gè)曲柄24和一個(gè)髖關(guān)節(jié)23固定連接，每一個(gè)連桿連接軸21上安裝有兩個(gè)連桿22，連桿22可以繞連桿連接軸21自由轉(zhuǎn)動(dòng)，這四個(gè)連桿22交叉組合成兩組分別和滑塊14鉸接，以確保兩個(gè)滑塊14的運(yùn)動(dòng)保持一致。由于滑塊14的運(yùn)動(dòng)被限定在軀干I上，因此，軀干I的位姿始終保持在和滑塊14鉸接的兩個(gè)連桿22的夾角平分線上。
[0046]如圖4和圖5所示，所述的膝關(guān)節(jié)3連接了大腿35和小腿31，其主要是由電磁鐵36、電磁鐵固定套筒34、限位擋板37、下連接套筒32、上連接套筒33、膝關(guān)節(jié)軸承38、銷軸39和一些用來(lái)固定的螺栓、螺母組成。大腿35和小腿31分別固定在下連接套筒32和上連接套筒33上，兩者可以繞銷軸39自由轉(zhuǎn)動(dòng)。限位擋板37和下連接套筒32固連，幫助實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)鎖合并限制膝關(guān)節(jié)3的轉(zhuǎn)角不超過(guò)180度，電磁鐵36和電磁鐵固定套筒34固連，電磁鐵固定套筒34和大腿35固連，隨著大