一種雙足機器人行走機構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種雙足機器人行走機構(gòu)，包括腰部機構(gòu)和兩條結(jié)構(gòu)相同的腿部機構(gòu)，所述腿部機構(gòu)對稱設(shè)置連接于腰部機構(gòu)兩側(cè)；所述腿部機構(gòu)包括大腿機構(gòu)和小腿機構(gòu)，所述大腿機構(gòu)由從上至下設(shè)置的切比雪夫機構(gòu)和縮放儀機構(gòu)串聯(lián)連接組成，所述小腿機構(gòu)由設(shè)置于小腿上部和小腿下部的兩組平行四邊形機構(gòu)構(gòu)成；所述小腿上部安裝有小腿伸縮驅(qū)動電機，用于驅(qū)動調(diào)節(jié)小腿機構(gòu)長度，從而調(diào)整行走機構(gòu)的步態(tài)以跨越障礙物；所述腰部機構(gòu)包括齒輪模組、軸承模組和腰部支架；通過規(guī)劃腰部驅(qū)動電機的交替正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)腿部機構(gòu)在行走過程中的轉(zhuǎn)向；所述小腿機構(gòu)上設(shè)置有用于實現(xiàn)輪式行走模式的滾輪，本發(fā)明具有功能多樣、結(jié)構(gòu)可靠、控制簡單、成本低等優(yōu)點。
【專利說明】一種雙足機器人行走機構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機器人【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種雙足機器人行走機構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]服務(wù)機器人的巨大應(yīng)用價值和市場前景已經(jīng)成為包括歐美、日韓和中國在內(nèi)的許多國家的共識，且已被一些國家制定專項發(fā)展規(guī)劃和戰(zhàn)略。而仿人機器人因具有能適應(yīng)人類的生活環(huán)境、能直接使用人類的工具、以及因具有人的特征而擁有親和力這三個突出優(yōu)點，成為最被看好的人類未來的機器人伙伴，也使其成為服務(wù)機器人領(lǐng)域的研究熱點之一。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1973年第一臺正真意義上的仿人機器人在日本誕生以來，全世界開展的仿人機器人項目已超過100個。
[0003]仿人機器人由頭部、四肢和軀干構(gòu)成，其中上肢實現(xiàn)抓取和操作，下肢實現(xiàn)行走。仿人機器人以人類作為仿生研究的原型，目前全世界范圍內(nèi)的研究者已對機器人四肢的仿生設(shè)計開展了大量的研究，在機構(gòu)設(shè)計上模仿人類的關(guān)節(jié)進行自由度配置，以模擬人類的運動和動作特征。特別是單腿通常均設(shè)計有6-7個自由度，來實現(xiàn)手和腳在三維空間中的運動。如較有代表性的仿人機器人有總體上代表著仿人機器人最先進水平的ASIM0，韓國科學技術(shù)院的KHR和HUBO系列機器人，日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的HRP系列機器人，意大利技術(shù)研究所的iCub，早稻田大學的WABIAN-2，東京大學開發(fā)的H7，慕尼黑工業(yè)大學在機器人Johnnie基礎(chǔ)上開發(fā)的新一代機器人LOLA和Pal Robotics開發(fā)的REEM-B，柏林洪堡大學開發(fā)的Myon，韓國三星電子開發(fā)的Mahru等，都擁有兩條各有6或7個自由度的腿部。
[0004]在國內(nèi)，也有多家研究機構(gòu)對雙足機器人開展了大量的研究工作，并取得了豐碩的研究成果。較早開展仿人機器人研究的國防科技大學開發(fā)的先行者，以及后來的北京理工大學開發(fā)的BHR系列機器人、清華大學的THBIP、浙江大學的悟、空機器人和中科院合肥物質(zhì)科學研究院在2013年開發(fā)的IPR-1等也都擁有兩條各有6個自由度的腿部。
[0005]這些機器人腿部設(shè)計參考人類雙腿的關(guān)節(jié)進行自由度配置，設(shè)計開發(fā)的機器人腿部擁有較高的靈活性，可以模擬人類完成直立行走、轉(zhuǎn)彎、越障、上下樓梯等運動，但是多電機的使用也使這類機器人存在不足，概括如下:
[0006]1.成本高:機器人腿部每個自由度均配置一個電機、一個諧波減速器和一個電機驅(qū)動器，此外，通常還配置有多維力傳感器等，這些標準件價格都較昂貴，使得機器人因高成本而距離實際應(yīng)用還有很遠的距離。
[0007]2.能耗大:多電機的使用使得機器人總體功率較大，而仿人機器人是靠電池供電，因此高功率對電池的續(xù)航能力造成了挑戰(zhàn)。
[0008]3.重量大:電機、諧波減速器等標準件較重，使得機器人重量較大，一方面加劇了能量的消耗，一方面由于慣性大使得機器人安全性不高。
[0009]4.控制復雜:數(shù)量眾多的電機使得控制系統(tǒng)的復雜程度大為提高，同時使系統(tǒng)的穩(wěn)定性有所降低。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種功能多樣、結(jié)構(gòu)可靠、控制簡單、成本低的雙足機器人行走機構(gòu)。
[0011]本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是:一種雙足機器人行走機構(gòu)，包括腰部機構(gòu)和兩條結(jié)構(gòu)相同的腿部機構(gòu)，所述腿部機構(gòu)對稱設(shè)置連接于腰部機構(gòu)兩側(cè)；
[0012]所述腿部機構(gòu)包括大腿機構(gòu)和小腿機構(gòu)，所述大腿機構(gòu)由從上至下設(shè)置的切比雪夫機構(gòu)和縮放儀機構(gòu)串聯(lián)連接組成；所述切比雪夫機構(gòu)的輸入鉸鏈處安裝有腿部驅(qū)動電機，通過該電機驅(qū)動用來產(chǎn)生適合行走的步態(tài)曲線，縮放儀機構(gòu)用來放大該曲線；所述小腿機構(gòu)由小腿上部和小腿下部兩部分組成，且小腿上部和小腿下部均由平行四邊形機構(gòu)構(gòu)成；所述小腿上部安裝有小腿伸縮驅(qū)動電機，用于驅(qū)動調(diào)節(jié)小腿機構(gòu)長度；所述小腿機構(gòu)的長度通過調(diào)節(jié)小腿上部和下部之間的相對位置來實現(xiàn)，小腿上部安裝有滑槽，小腿下部安裝有滑桿，滑桿可以在滑槽內(nèi)上下滑動，從而帶動小腿下部遠離(靠近)小腿上部，以增大(減小)小腿機構(gòu)長度，用以調(diào)整行走機構(gòu)的步態(tài)以跨越障礙物；
[0013]所述腰部機構(gòu)包括齒輪模組、軸承模組和腰部支架；所述齒輪模組由四個相同的圓柱直齒輪呈軸線平行依次排列兩兩嚙合組成，位于兩側(cè)的齒輪分別與腿部機構(gòu)的框架固定連接，腰部驅(qū)動電機安裝在中間兩個圓柱直齒輪的其中一個上，當腰部驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動時，兩側(cè)的圓柱直齒輪轉(zhuǎn)速一致但方向相反，通過規(guī)劃腰部驅(qū)動電機的交替正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)腿部機構(gòu)在行走過程中的轉(zhuǎn)向；所述軸承模組由四個推力球軸承組成，分為兩組安裝在腰部支架內(nèi)并分別與兩條腿部機構(gòu)連接，使兩條腿部機構(gòu)可以繞著腰部機構(gòu)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)變向行走。
[0014]所述小腿伸縮驅(qū)動電機輸出軸為一根螺桿，螺桿上配合安裝有一個螺母，該螺母安裝在小腿下部，當小腿伸縮驅(qū)動電機正(反)轉(zhuǎn)時，螺母沿螺桿向遠離(靠近)電機一方移動，從而帶動小腿下部遠離(靠近)小腿上部使得腿部長度增加(減小)。
[0015]所述小腿機構(gòu)上設(shè)置有用于實現(xiàn)輪式行走模式的滾輪，該滾輪安裝在小腿上部底端，由滾輪驅(qū)動電機單獨控制，當機器人工作在足式模式時，安裝于小腿下部底端的足部低于安裝于小腿上部底端的滾輪，即滾輪懸空，足部著地，而當機器人工作在輪式模式時，安裝于小腿上部底端的滾輪低于安裝于小腿下部底端的足部，即足部懸空，滾輪著地，雙足行走機構(gòu)通過改變小腿機構(gòu)的長度來實現(xiàn)輪式和足式模式的切換。
[0016]與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于采用上述技術(shù)方案，該雙足行走機構(gòu)雙腿總共配置有七個自由度，相對于傳統(tǒng)的多電機的機器人腿部設(shè)計，電機的數(shù)量減少近一半，但同樣可以實現(xiàn)機器人的直行、轉(zhuǎn)彎、越障和上下樓梯等，且具有足式和輪式兩種行走模式。
[0017]本發(fā)明的有益效果是:具有功能多樣、結(jié)構(gòu)可靠、控制簡單、成本低等優(yōu)點，作為仿人機器人的行走機構(gòu)，具有良好的應(yīng)用價值。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]下面通過參考附圖并結(jié)合實例具體地描述本發(fā)明，本發(fā)明的優(yōu)點和實現(xiàn)方式將會更加明顯，其中附圖所示內(nèi)容僅用于對本發(fā)明的解釋說明，而不構(gòu)成對本發(fā)明的任何意義上的限制，在附圖中:
[0019]圖1是本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)總體效果圖；
[0020]圖2是本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)的腿部結(jié)構(gòu)圖；圖2中，圖2(a)是本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)的腿部機構(gòu)簡圖；圖2(b)是本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)的左腿結(jié)構(gòu)示意圖；圖2(c)是本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)的小腿上部結(jié)構(gòu)圖；圖2(d)是本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)的小腿下部結(jié)構(gòu)圖；
[0021]圖3是本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)的腰部結(jié)構(gòu)圖；圖3中，圖3(a)是本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)的腰部機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(b)是本發(fā)明腰部機構(gòu)中軸承模組與腿部連接結(jié)構(gòu)示意圖；圖3(c)是本發(fā)明腰部機構(gòu)中齒輪模組與腿部連接結(jié)構(gòu)圖；
[0022]圖4是本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向40°的原理圖；圖4中，圖4(a)是本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向40°的電機運動曲線圖；圖4(b)是本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向40°的過程示意圖；
[0023]圖5是本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)實現(xiàn)跨越障礙物的示意圖；
[0024]圖6是本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)實現(xiàn)上樓梯的原理示意圖；
[0025]圖7是本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)工作在輪式模式的原理圖；圖7中，圖7(a)是本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)工作在輪式模式的示意圖；圖7(13)是本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)輪式模式的倒立擺控制模型圖；
[0026]圖8是本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)的一個應(yīng)用實施例；
[0027]附圖中:
[0028]1、腿部機構(gòu) 2、腰部機構(gòu) 11、大腿機構(gòu)
[0029]12、小腿機構(gòu) 13、腿部驅(qū)動電機14、小腿伸縮驅(qū)動電機
[0030]21、軸承模組 22、齒輪模組 23、腰部支架
[0031]24、腰部驅(qū)動電機121、小腿上部 122、小腿下部
[0032]123、足部124、滑桿125、滑槽
[0033]126、滾輪驅(qū)動電機127、滾輪141、螺桿
[0034]142、螺母
【具體實施方式】
[0035]下面結(jié)合實施例及其附圖進一步敘述本發(fā)明:
[0036]如圖1-3所示，本發(fā)明一種雙足機器人行走機構(gòu)，包括腰部機構(gòu)2和兩條結(jié)構(gòu)相同的腿部機構(gòu)I，所述腿部機構(gòu)I對稱設(shè)置連接于腰部機構(gòu)2兩側(cè)；
[0037]所述腿部機構(gòu)包括大腿機構(gòu)11和小腿機構(gòu)12，所述大腿機構(gòu)11由從上至下設(shè)置的切比雪夫機構(gòu)和縮放儀機構(gòu)串聯(lián)連接組成；所述切比雪夫機構(gòu)的輸入鉸鏈處安裝有腿部驅(qū)動電機13，通過該電機驅(qū)動用來產(chǎn)生適合行走的步態(tài)曲線，縮放儀機構(gòu)用來放大該曲線；所述小腿機構(gòu)12由小腿上部121和小腿下部122兩部分組成，且小腿上部121和小腿下部122均由平行四邊形機構(gòu)構(gòu)成；所述小腿上部121安裝有小腿伸縮驅(qū)動電機14，用于驅(qū)動調(diào)節(jié)小腿機構(gòu)12的長度；所述小腿機構(gòu)12的長度通過調(diào)節(jié)小腿上部121和小腿下部122之間的相對位置來實現(xiàn)，小腿上部121安裝有滑槽123，小腿下部122安裝有滑桿124，滑桿124可以在滑槽123內(nèi)上下滑動，從而帶動小腿下部122遠離(靠近)小腿上部121，以增大(減小)小腿機構(gòu)12的長度，用以調(diào)整行走機構(gòu)的步態(tài)以跨越障礙物；
[0038]所述腰部機構(gòu)2包括齒輪模組22、軸承模組21和腰部支架23 ;所述齒輪模組22由四個相同的圓柱直齒輪呈軸線平行依次排列兩兩嚙合組成，位于兩側(cè)的齒輪分別與腿部機構(gòu)I的框架固定連接，腰部驅(qū)動電機13安裝在中間兩個圓柱直齒輪的其中一個上，當腰部驅(qū)動電機13轉(zhuǎn)動時，兩側(cè)的圓柱直齒輪轉(zhuǎn)速一致但方向相反，通過規(guī)劃腰部驅(qū)動電機13的交替正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)腿部機構(gòu)I在行走過程中的轉(zhuǎn)向；所述軸承模組21由四個推力球軸承組成，分為兩組安裝在腰部支架23內(nèi)并分別與兩條腿部機構(gòu)I連接，使兩條腿部機構(gòu)I可以繞著腰部機構(gòu)2轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)變向行走。
[0039]所述小腿伸縮驅(qū)動電機14輸出軸為一根螺桿141，螺桿141上配合安裝有一個螺母142，該螺母142安裝在小腿下部122，當小腿伸縮驅(qū)動電機12正(反)轉(zhuǎn)時，螺母142沿螺桿141向遠離(靠近)電機一方移動，從而帶動小腿下部122遠離(靠近)小腿上部121使得腿部長度增加(減小)。
[0040]所述小腿機構(gòu)12上設(shè)置有用于實現(xiàn)輪式行走模式的滾輪125，該滾輪125安裝在小腿上部121的底端，由滾輪驅(qū)動電機126單獨控制，當機器人工作在足式模式時，安裝于小腿下部122底端的足部低于安裝于小腿上部121底端的滾輪125，即滾輪125懸空，足部123著地，而當機器人工作在輪式模式時，安裝于小腿上部121底端的滾輪125低于安裝于小腿下部122底端的足部123，即足部123懸空，滾輪125著地，雙足行走機構(gòu)通過改變小腿機構(gòu)12的長度來實現(xiàn)輪式和足式模式的切換。
[0041]圖2(a)所示為本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)的腿部機構(gòu)簡圖，圖中大寫字母(A，B，C-)表示鉸鏈，Ml、M2和M3表示驅(qū)動電機，數(shù)字(1，2，3...)表示機構(gòu)中的連桿；圖中，AB⑶E為切比雪夫機構(gòu)，它是一個四連桿機構(gòu)，由一個機架AB、一個一端固定在機架上的曲柄AC、一個一端固定在機架上的搖桿BD和一個同時與曲柄和搖桿相連的擺桿CDE構(gòu)成,其長度比例為 AB: AC: BC: CD: DE = 2:1: 2.5: 2.5: 2.5 ;FGHIJK 為縮放儀機構(gòu)，它也是一個四連桿機構(gòu)，由輸入桿FGH、輸出桿HJK、連桿GI和連桿IJ構(gòu)成，GH平行且等于IJ，IG平行且等于HJ，F(xiàn)、I和K三點共線。
[0042]圖4(a)為用于雙足機器人行走機構(gòu)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的電機運動曲線圖，當安裝在齒輪模組內(nèi)齒輪軸上的腰部驅(qū)動電機被賦予這樣的運動規(guī)律后，其可實現(xiàn)在四步內(nèi)實現(xiàn)轉(zhuǎn)向40。的改變,如圖4(b)所示。
[0043]圖5所示的是通過改變小腿機構(gòu)長度實現(xiàn)跨越障礙物的原理示意圖，其中障礙物A為小腿機構(gòu)長度固定在最大值時可以跨越的障礙物，B為在跨越過程中合理調(diào)節(jié)小腿機構(gòu)長度可以跨越的障礙物，可以看出，通過調(diào)節(jié)小腿機構(gòu)12的長度，可以跨越的障礙物的尺寸更大。
[0044]圖6所示的是通過改變小腿機構(gòu)長度實現(xiàn)上樓梯的原理示意圖，①-⑩為左右腿交替完成的10個步驟，通過合理規(guī)劃小腿伸縮驅(qū)動電機的運動規(guī)律，可以在10個步驟內(nèi)實現(xiàn)雙足機器人行走機構(gòu)上四個臺階，下樓梯的規(guī)劃與此類似。
[0045]圖7(a)為雙足機器人行走機構(gòu)工作在輪式模式的示意圖，圖7(b)為雙足機器人行走機構(gòu)的輪式模式的倒立擺控制模型。
[0046]圖8為雙足機器人行走機構(gòu)應(yīng)用在拉小車中的一個實施例，雙足機器人行走機構(gòu)可以通過該應(yīng)用用來拉載物體。
[0047]需要說明的是，圖4-6只是用來說明本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)向、越障以及上下樓梯等功能，圖8只是顯示了本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)的其中一種應(yīng)用，但本發(fā)明雙足機器人行走機構(gòu)的運動規(guī)劃和應(yīng)用不限于上述幾個實施例。
[0048]顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明的一種雙足機器人行走機構(gòu)及工作方法，進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種雙足機器人行走機構(gòu)，包括腰部機構(gòu)和兩條結(jié)構(gòu)相同的腿部機構(gòu)，所述腿部機構(gòu)對稱設(shè)置連接于腰部機構(gòu)兩側(cè)，其特征在于: 所述腿部機構(gòu)包括大腿機構(gòu)和小腿機構(gòu)，所述大腿機構(gòu)由從上至下設(shè)置的切比雪夫機構(gòu)和縮放儀機構(gòu)串聯(lián)連接組成；所述切比雪夫機構(gòu)的輸入鉸鏈處安裝有腿部驅(qū)動電機，通過該電機驅(qū)動用來產(chǎn)生適合行走的步態(tài)曲線，縮放儀機構(gòu)用來放大該曲線；所述小腿機構(gòu)由小腿上部和小腿下部兩部分組成，且小腿上部和小腿下部均由平行四邊形機構(gòu)構(gòu)成；所述小腿上部安裝有小腿伸縮驅(qū)動電機，用于驅(qū)動調(diào)節(jié)小腿機構(gòu)長度；所述小腿機構(gòu)的長度通過調(diào)節(jié)小腿上部和下部之間的相對位置來實現(xiàn)，小腿上部安裝有滑槽，小腿下部安裝有滑桿，滑桿可以在滑槽內(nèi)上下滑動，從而帶動小腿下部遠離(靠近)小腿上部，以增大(減小)小腿機構(gòu)長度，用以調(diào)整行走機構(gòu)的步態(tài)以跨越障礙物； 所述腰部機構(gòu)包括齒輪模組、軸承模組和腰部支架；所述齒輪模組由四個相同的圓柱直齒輪呈軸線平行依次排列兩兩嚙合組成，位于兩側(cè)的齒輪分別與腿部機構(gòu)的框架固定連接，腰部驅(qū)動電機安裝在中間兩個圓柱直齒輪的其中一個上，當腰部驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動時，兩側(cè)的圓柱直齒輪轉(zhuǎn)速一致但方向相反，通過規(guī)劃腰部驅(qū)動電機的交替正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)腿部機構(gòu)在行走過程中的轉(zhuǎn)向；所述軸承模組由四個推力球軸承組成，分為兩組安裝在腰部支架內(nèi)并分別與兩條腿部機構(gòu)連接，使兩條腿部機構(gòu)可以繞著腰部機構(gòu)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)變向行走。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙足機器人行走機構(gòu)，其特征在于:所述小腿伸縮驅(qū)動電機輸出軸為一根螺桿，螺桿上配合安裝有一個螺母，該螺母安裝在小腿下部，當小腿伸縮驅(qū)動電機正(反)轉(zhuǎn)時，螺母沿螺桿向遠離(靠近)電機一方移動，從而帶動小腿下部遠離(靠近)小腿上部使得腿部長度增加(減小)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙足機器人行走機構(gòu)，其特征在于:所述小腿機構(gòu)上設(shè)置有用于實現(xiàn)輪式行走模式的滾輪，該滾輪安裝在小腿上部底端，由滾輪驅(qū)動電機單獨控制，當機器人工作在足式模式時，安裝于小腿下部底端的足部低于安裝于小腿上部底端的滾輪，即滾輪懸空，足部著地，而當機器人工作在輪式模式時，安裝于小腿上部底端的滾輪低于安裝于小腿下部底端的足部，即足部懸空，滾輪著地，雙足行走機構(gòu)通過改變小腿機構(gòu)的長度來實現(xiàn)輪式和足式模式的切換。
【文檔編號】B62D57/032GK104369790SQ201410446333
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】李濤, 馬克·切卡雷利, 駱敏舟, 吳晶華, 張麗華 申請人:中國科學院合肥物質(zhì)科學研究院, 常州先進制造技術(shù)研究所