一種三維仿人雙足步行機器人的機械結(jié)構(gòu)及行走方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機器人，更具體是涉及一種基于被動力學的三維仿人雙足步行機器人的機械結(jié)構(gòu)及行走方法。
【背景技術(shù)】
[0002]本發(fā)明是關(guān)于一種仿人步行機器人的設(shè)計。顧名思義，仿人機器人是從機器人的形態(tài)和功能的角度來進行定義的，區(qū)別于工業(yè)機器人的概念，仿人機器人具有和人體相類似的外形。從移動方式上來說，仿人機器人區(qū)別于多足步行和輪履等復合式底盤移動的方式，利用和人步行類似的雙腿交替運動實現(xiàn)行走。在所有的類人行為中，機器人應當具有的最大特征之一就是步行功能，因此，仿人雙足步行機器人的研宄對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現(xiàn)行走的醫(yī)療器械的研宄具有良好的應用價值。
[0003]被動式仿人步行機器人就是一種動態(tài)行走的雙足步行機器人，它的研宄主要是從降低能耗的角度出發(fā)，可以分成完全被動和半被動兩種形式。完全被動的仿人步行機器人能夠依靠重力作用沿著斜坡(傾斜1° -3° )穩(wěn)定行走，半被動式的仿人步行機器人是在個別關(guān)節(jié)部位提供微小的能量輸入使得機器人能夠在平地上行走。最早的被動式步行機器人是在1988年以玩具的形式出現(xiàn)的，由于被動雙足步行機器人的行走模式和人的行走機理更加接近，成為目前仿人步行研宄的又一熱點。目前，國內(nèi)對被動步行機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來說具有仿人程度高，機械結(jié)構(gòu)更加簡單的特點。
[0004]被動仿人雙足步行機器人將機械結(jié)構(gòu)和被動動力學特性相結(jié)合，這種機器人在行走過程中具有相應機械特性的同時，還具備和人類步行相類似的能量消耗。這一點是主動式仿人雙足步行機器人不能相比的。正是這種特有的行走模式，使得被動仿人雙足步行機器人具有很大的研宄價值，有利于揭示人類行走機理以及仿人雙足步行的控制原理。被動仿人雙足步行機器人的研制還可以促進助力行走設(shè)備的研制，這種設(shè)備可以作為外骨骼幫助殘疾人實現(xiàn)行走，并且可以在未來戰(zhàn)爭中充當代步設(shè)備，提升單兵作戰(zhàn)能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]發(fā)明目的:針對傳統(tǒng)的主動式仿人雙足步行機器人耗能大、控制原理復雜等缺陷，本發(fā)明將基于被動力學相關(guān)原理，設(shè)計一種仿人程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)三維被動步行的雙足仿人機器人機械結(jié)構(gòu)。
[0006]為實現(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器人的機械結(jié)構(gòu)，從上至下依次包括軀干、對稱設(shè)置的兩個髖關(guān)節(jié)、角平分機構(gòu)、手臂-大腿耦合機構(gòu)及對稱設(shè)置的雙腿機構(gòu)，其中，每一側(cè)腿機構(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)，所述軀體上滑動連接滑塊；
[0009]所述兩個髖關(guān)節(jié)同軸水平布置在所述軀體的底部，軀體的底部設(shè)有用于與兩個髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動連接的連接環(huán)裝置；每個髖關(guān)節(jié)和同側(cè)的手臂固定連接；
[0010]所述的角平分機構(gòu)包括兩根連桿連接軸、四個連桿及兩個曲柄；其中，每個所述髖關(guān)節(jié)上分別固定連接一個曲柄的一端，兩個曲柄的另一端分別通過一個連桿連接軸與兩個連桿轉(zhuǎn)動連接，四個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-大腿耦合機構(gòu)包括分別布置在兩個髖關(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構(gòu)上的其中一根連桿連接軸固定連接，兩個直角邊的交匯處與同側(cè)所述髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動連接；
[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銷軸及軸承轉(zhuǎn)動連接，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，中部通過萬向節(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]進一步的，所述連接環(huán)內(nèi)左、右對稱的設(shè)有兩個軸承，所述兩個軸承的內(nèi)圈分別與一個髖關(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器人的機械結(jié)構(gòu)的行走方法，
[0017]根據(jù)行走過程的不同狀態(tài)，將整個步行周期分為四個相態(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發(fā)生相對旋轉(zhuǎn)；此時，擺動腿的膝關(guān)節(jié)放開，進行自由擺動，系統(tǒng)為三個自由度；
[0018]當擺動腿上的小腿和大腿擺動到同一條直線上時，擺動腿上限位擋板的壓力傳感器會受到膝關(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傳遞給主控芯片，主控芯片接收到該信號之后發(fā)出指令控制電磁鐵通電，擺動腿膝關(guān)節(jié)鎖合，此時為相態(tài)二，系統(tǒng)變?yōu)閮蓚€自由度；
[0019]在相態(tài)三中，機器人變?yōu)殡p直腿結(jié)構(gòu)，大腿和小腿以同樣的角速度擺動，系統(tǒng)具有兩個自由度；
[0020]當足底曲面板和地面發(fā)生碰撞之后，微動開關(guān)將被觸碰，此時，擺動腿和支撐腿角色互換，該狀態(tài)為相態(tài)四。
[0021]微動開關(guān)檢測到足底曲面板和地面發(fā)生碰撞，將碰撞信號傳遞給主控芯片，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[動腿，此時又變回三自由度，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、所述角平分機構(gòu)有效組合了兩個曲柄滑塊機構(gòu)，將滑塊運行的軌跡限定在兩個曲柄夾角的角平分線上，從而進一步將軀干的運動限定在大腿夾角的角平分線上，達到了減少系統(tǒng)自由度的目的。
[0024]第二、所述足底采用了一種特殊的曲面，這個曲面從機器人正面和側(cè)面看過去都是一個圓弧，這個曲面使得該被動步行機器人在行走過程中具有前后擺動和側(cè)向擺動兩個方向的運動，對機器人的行走路徑進行引導。
[0025]第三、手臂-大腿耦合機構(gòu)、柔性踝關(guān)節(jié)、足底曲面的共同作用，避免雙足被動步行機器人行走過程中的偏航。
【附圖說明】
[0026]圖1為三維仿人雙足步行機器整體結(jié)構(gòu)圖；
[0027]其中，1、軀干；2、角平分機構(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為被動步行機器人行走過程原理圖；
[0040]圖9為被動步行機器人運行過程流程圖；
[0041]圖10為控制系統(tǒng)的原理圖。
【具體實施方式】
[0042]下面結(jié)合附圖，進一步闡述本發(fā)明。
[0043]如圖1所示，本發(fā)明的機械本體結(jié)構(gòu)可以按照功能分為軀干1、角平分機構(gòu)2、膝關(guān)節(jié)3、踝關(guān)節(jié)4、足底5、手臂-大腿耦合機構(gòu)6，共6個部分。
[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?；瑝K14可以在軀體13上進行滑動并通過連接軸12和角平分機構(gòu)的連桿22進行連接。半固定環(huán)15將軀體和連接環(huán)通過螺栓固定，軸承擋圈11用于限制軸承在連接環(huán)17中的軸向移動。這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以讓軀干I在髖關(guān)節(jié)23上自由轉(zhuǎn)動。
[0045]如圖3所示，所述的角平分機構(gòu)2主要是由兩組曲柄滑塊機構(gòu)共同組成。每組曲柄滑塊機構(gòu)包含連桿連接軸21、連桿22、曲柄24。每個曲柄24和一個髖關(guān)節(jié)23固定連接，每一個連桿連接軸21上安裝有兩個連桿22，連桿22可以繞連桿連接軸21自由轉(zhuǎn)動，這四個連桿22交叉組合成兩組分別和滑塊14鉸接，以確保兩個滑塊14的運動保持一致。由于滑塊14的運動被限定在軀干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。限位擋板37和下連接套筒32固連，幫助實現(xiàn)關(guān)節(jié)鎖合并限制膝關(guān)節(jié)3的轉(zhuǎn)角不超過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