專利名稱：欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
雙足機(jī)器人在社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)實(shí)用方面都具有重要的研究意義，主要包括以下幾個(gè)方
面
1) 雙足機(jī)器人在外形和功能上適合在人類生活、工作環(huán)境中與人協(xié)同工作；
2) 雙足步行機(jī)器人體積相對(duì)較小，具有更加靈活的運(yùn)動(dòng)方向和更大的速度變化范圍， 可以在非結(jié)構(gòu)復(fù)雜環(huán)境具有較好的適應(yīng)性，避障能力強(qiáng)；
3) 結(jié)合豐富的傳感系統(tǒng)、控制系統(tǒng)，增強(qiáng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)功能，可代替人進(jìn)行作業(yè)或擴(kuò)大 人類活動(dòng)領(lǐng)域，如在危險(xiǎn)環(huán)境(核電站、海底、太空)中進(jìn)行復(fù)雜工作；
4) 雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及控制技術(shù)可以用于開發(fā)護(hù)理機(jī)器人、娛教機(jī)器人、服務(wù)機(jī)器 人等，還可以用于開發(fā)康復(fù)機(jī)器人或高效率動(dòng)力假肢。
雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)
1) 能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的雙足行走步態(tài)；2) 機(jī)器人動(dòng)作連貫、美觀，能夠?qū)崿F(xiàn)相似度較高的仿人行走步態(tài)；
3) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，最大程度地減輕機(jī)器人重量，降低制造成本，同時(shí)降低控制的復(fù)雜度及 相關(guān)硬件的開銷；
4) 外形美觀，有利于進(jìn)行人機(jī)交互。
雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)外形及功能結(jié)構(gòu)類似于人，則從仿生的角度出發(fā)，分析人的關(guān)節(jié) 自由度和關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)形式，在功能和結(jié)構(gòu)上模擬人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)形式，確定了雙足機(jī)器人的關(guān)節(jié)結(jié) 構(gòu)形式。結(jié)合人的各軀干的比例尺寸，確定了雙足機(jī)器人的桿件尺寸和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角范圍。
人體由二百余塊骨骼組成，每一部分骨骼都是按其功能生成，具有自身獨(dú)立的完整性， 通過肌腱和軟骨巧妙地接合在一起，組成了一個(gè)便于運(yùn)動(dòng)、堅(jiān)固而又輕巧的整體。骨與骨相 接形成了人體運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)，組合方式呈多樣化。這些關(guān)節(jié)以肌肉為動(dòng)力，能產(chǎn)生多種復(fù)雜的 運(yùn)動(dòng)。對(duì)于如此復(fù)雜的動(dòng)作機(jī)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，想利用機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行完全的模擬是不可能 也是不現(xiàn)實(shí)的。因此，基于通過盡量少的自由度，來實(shí)現(xiàn)盡量多的基本運(yùn)動(dòng)，同時(shí)又要使這 些運(yùn)動(dòng)盡量柔順美觀的出發(fā)點(diǎn)，配置機(jī)器人自由度。
雙足機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械電子系統(tǒng)，自由度數(shù)目多，行走控制方法復(fù)雜。 一般的雙 足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，每個(gè)自由度(運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié))都需要有電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且電動(dòng)機(jī)輸出軸需要由減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行力矩放大，系統(tǒng)能量效率低。機(jī)器人的行走控制方法 復(fù)雜，首先需要對(duì)雙足機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化得到簡(jiǎn)單的線性控制模型，通過經(jīng)典的線性控制 算法完成結(jié)構(gòu)化環(huán)境下的步態(tài)規(guī)劃，然后通過一些智能控制算法在線修正和調(diào)整機(jī)器人的關(guān) 節(jié)扭矩，獲得一定意義下的穩(wěn)定步態(tài)。在這個(gè)過程中，機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)首先需要克服 機(jī)器人自身的慣性力和所受重力作用，才能使機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)按照規(guī)劃好的軌跡運(yùn)動(dòng)。而 且，由于機(jī)構(gòu)和控制的復(fù)雜，機(jī)器人在機(jī)械硬件和軟件控制方面需求較高，且行走速度受到 限制，也使雙足機(jī)器人技術(shù)的實(shí)用化受到較大限制。雙足機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，需要用 新的思路設(shè)計(jì)具有更加精巧、高效的機(jī)械結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，開發(fā)新的機(jī)器人控制方法。欠驅(qū) 動(dòng)雙足步行機(jī)器人動(dòng)態(tài)行走機(jī)構(gòu)通過對(duì)人體的行走運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，選取了最少的自由度來實(shí) 現(xiàn)雙足機(jī)器人的一個(gè)最基本運(yùn)動(dòng)…雙足行走。
綜上所述，以最簡(jiǎn)單的機(jī)械及控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)人類雙足行走運(yùn)動(dòng)的模擬是一個(gè)很大的 挑戰(zhàn)，特別是要實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)雙足機(jī)器人的高效率行走運(yùn)動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種高能量效率的雙足行走機(jī)構(gòu)及其設(shè)計(jì)方法，主要從機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與控制的 角度來解決雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜與控制方法復(fù)雜、能量效率低的問題。 結(jié)合附圖，說明如下
一種欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)主要由手臂、上身、髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)、小 腿、腳等七部分組成，共10個(gè)DOF自由度，其中，上身1 DOF，雙臂2X1D0F，髖關(guān)節(jié) 1D0F，雙腿膝關(guān)節(jié)2X1D0F，雙腳踝關(guān)節(jié)2X1D0F，側(cè)向腳與地面之間2X 1 DOF， 在 這10個(gè)自由度中，僅對(duì)3個(gè)自由度進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其中膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)不進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，雙臂分別 通過機(jī)械鏈接機(jī)構(gòu)與對(duì)側(cè)的腿聯(lián)動(dòng)，髖關(guān)節(jié)采用集成聯(lián)動(dòng)-驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)6，所說的集成 聯(lián)動(dòng)-驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)6主要由安裝在機(jī)器人上身的髖關(guān)節(jié)器件安裝板13、使機(jī)器人的上身 始終保持在雙腿的角平分線上的角平分線聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)15、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不完全齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)11、 將電動(dòng)機(jī)的輸出力矩最終轉(zhuǎn)化為雙腿間的相對(duì)力矩的雙向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)12四個(gè)部分組成；機(jī)器 人雙腳采用雙層結(jié)構(gòu)的多模式彈性腳。
髖關(guān)節(jié)角平分線機(jī)構(gòu)12由正向傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)17、反向傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)18、自由轉(zhuǎn)軸16 三個(gè)主要功能部件組成，自有轉(zhuǎn)軸16安裝在機(jī)器人上身，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，正向、反向兩套 傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)17、 18的一端與自由轉(zhuǎn)軸16固定在一起，而另一端分別與兩條大腿相連接。
驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不完全齒輪機(jī)構(gòu)11是在電動(dòng)機(jī)力矩輸出軸安裝不完全齒輪19，不完全齒輪 的齒輪部分與傳動(dòng)齒輪28嚙合，在需要驅(qū)動(dòng)力矩輸出時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)力矩對(duì)機(jī)器人系 統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而不需要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，不完全齒輪旋轉(zhuǎn)至合適位置，脫離傳動(dòng)齒輪的嚙合狀態(tài)， 將電動(dòng)機(jī)力矩輸出機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)完全隔離開，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的無驅(qū)動(dòng)行走模式。
雙向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由兩套驅(qū)動(dòng)電機(jī)20、傳動(dòng)齒輪28、驅(qū)動(dòng)力矩傳動(dòng)軸22、 23鋼索滑輪26、牽拉鋼索27組成，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)20安裝在髖關(guān)節(jié)器件安裝板13上，鋼索滑輪26與 傳動(dòng)齒輪28固連，每個(gè)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩經(jīng)過減速器放大后，驅(qū)動(dòng)裝有鋼索的滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)， 鋼索滑輪26通過鋼索控制大腿的牽拉，該驅(qū)動(dòng)經(jīng)鋼索的反向傳動(dòng)后，帶動(dòng)另外一側(cè)的轉(zhuǎn)軸 沿相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
多模式彈性腳為雙層結(jié)構(gòu)，上、下兩平板30、 34之間的內(nèi)側(cè)設(shè)置一對(duì)彈性支撐座31， 并安裝彈簧進(jìn)行支撐，使上腳板能夠在彈性支撐座上上下運(yùn)動(dòng)很小的一段距離，另一側(cè)安裝 側(cè)向自由度可調(diào)被動(dòng)彈性機(jī)構(gòu)33，上下腳板之間僅僅通過彈簧進(jìn)行連接，內(nèi)外兩側(cè)為同類 型的彈簧，外側(cè)彈簧的彈性系數(shù)小于內(nèi)側(cè)彈簧的彈性系數(shù)；在腳底板的四個(gè)對(duì)角安裝彈簧支 撐的滾輪機(jī)構(gòu)32，調(diào)節(jié)彈簧的彈力，使得四個(gè)滾輪機(jī)構(gòu)能夠支撐腳的重量，當(dāng)機(jī)器人的腳 受到一定壓力時(shí)，下腳板能與地面接觸；下平板后面和踝關(guān)節(jié)上方用一彈簧連接，并用開關(guān) 控制彈簧只在機(jī)器人擺動(dòng)腿剛離開地面時(shí)和即將接觸地面時(shí)作用。
一種雙足步行機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的控制方法，其控制系統(tǒng)釆用上位機(jī)一嵌入式微處理器一 底層電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，其特征在于嵌入式微處理器安裝在如權(quán)利要求1所說的機(jī)器人上，能夠 實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人行走的自主控制，嵌入式微處理器與上位機(jī)之間通過無線通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交 互，讀取上位機(jī)的控制指令，并將機(jī)器人行走步態(tài)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)與分析，在行 走控制算法方面，控制器采用基于邏輯狀態(tài)的控制方法，將機(jī)器人的行走過程分為幾個(gè)不同 的邏輯階段，包括
a行走起動(dòng)階段；
b擺動(dòng)起始階段；
c擺動(dòng)腿膝關(guān)節(jié)彎曲擺動(dòng)階段；
d擺動(dòng)腿伸直擺動(dòng)階段；
e擺動(dòng)腿膝關(guān)節(jié)伸直擺動(dòng)階段；
f雙腳觸地碰撞階段；
在每個(gè)采樣一控制周期，控制器根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)判斷機(jī)器人狀態(tài)所處的邏輯階段，并 根據(jù)機(jī)器人的具體姿態(tài)計(jì)算出相應(yīng)的控制量。
有益效果本發(fā)明設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用靈活、高能量效率的驅(qū) 動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，只需要簡(jiǎn)單控制就能產(chǎn)生連貫、自然的仿人行走步態(tài)。


圖1是欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人總體機(jī)構(gòu)圖2是欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人集成聯(lián)動(dòng)-驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)圖； 圖3髖關(guān)節(jié)角平分線聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)；
圖4髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不完全齒輪機(jī)構(gòu)； 圖5髖關(guān)節(jié)雙向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)；
圖6多模式彈性腳結(jié)構(gòu)圖；圖7欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人膝關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)剖視圖(彎曲狀態(tài))；
圖8欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)總體框圖9欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人控制軟件的層次結(jié)構(gòu)圖IO欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人行走邏輯階段圖。
圖中I、頭部支架2、手臂3、上身4、同步齒形帶5、髖關(guān)節(jié)6、集成聯(lián)動(dòng)-驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu) 7、大腿 8、膝關(guān)節(jié)9、小腿 10、多模式彈性腳11、不完全齒輪 傳動(dòng)12、雙向傳動(dòng)系統(tǒng)13、髖關(guān)節(jié)器件安裝板 14、髖關(guān)節(jié)主軸 15、角平分線聯(lián)動(dòng) 機(jī)構(gòu) 16、自由轉(zhuǎn)軸17、正向傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)18、反向傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu) 19、不完全傳動(dòng) 齒輪 20、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī) 21、傳動(dòng)齒輪 22髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩傳動(dòng)軸I 23、髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng) 力矩傳動(dòng)軸II 24、正向傳動(dòng)鋼索 25、反向傳動(dòng)鋼索 26、鋼索滑輪 27、牽拉 鋼索 28、傳動(dòng)齒輪 29、無驅(qū)動(dòng)踝關(guān)節(jié)30、上腳板 31、上腳板彈性支撐座 32、 彈性支撐滾輪機(jī)構(gòu)33、側(cè)向自由度可調(diào)被動(dòng)彈性機(jī)構(gòu)34、下腳板 35、鎖扣松緊螺栓 —恢復(fù)彈簧 36、鎖扣機(jī)構(gòu)(鎖臂一滾輪) 37、膝關(guān)節(jié)軸套一鎖臂滑塊 38、
膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸
具體實(shí)施方式
-
本發(fā)明從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)開發(fā)與行走控制算法設(shè)計(jì)等四個(gè)方面實(shí)現(xiàn) 了欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人的高能量效率機(jī)構(gòu)的機(jī)械設(shè)計(jì)與控制。以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例， 進(jìn)一步詳細(xì)描述本發(fā)明的技術(shù)方案、設(shè)計(jì)思想與系統(tǒng)工作原理。
傳統(tǒng)的雙足機(jī)器人主要采用仿生設(shè)計(jì)方法，首先從機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上模擬人的各個(gè)運(yùn)動(dòng)自 由度，使得系統(tǒng)機(jī)構(gòu)與控制復(fù)雜。本發(fā)明則以欠驅(qū)動(dòng)雙足行走為指導(dǎo)思想，對(duì)雙足機(jī)器人的 行走機(jī)構(gòu)與控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使機(jī)器人能夠以簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)較高能量效率行走步態(tài)。欠 驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人的設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于欠驅(qū)動(dòng)、高效率與行走步態(tài)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。欠驅(qū)動(dòng)指機(jī)器人 驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié)數(shù)量少，所以機(jī)器人的行走控制則更多地依賴機(jī)器人的原有動(dòng)態(tài)特性；高效率包 括機(jī)械系統(tǒng)的高效率與驅(qū)動(dòng)控制的高效率；行走步態(tài)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定，指機(jī)器人在行走過程中重心 在地面的投影并不是始終位于雙腳支撐區(qū)域內(nèi)，這需要在合理、高效的機(jī)械系統(tǒng)與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 的基礎(chǔ)上，通過基于欠驅(qū)動(dòng)行走原理的控制算法來達(dá)到。
欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人在原理與機(jī)構(gòu)上區(qū)別于一般意義上的雙足機(jī)器人，上述的設(shè)計(jì)理 念需要系統(tǒng)的考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制算方法的設(shè)計(jì)。欠驅(qū)動(dòng)步行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是機(jī)器人是 能否實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)行走的關(guān)鍵。欠驅(qū)動(dòng)步行機(jī)器人的高效、動(dòng)態(tài)行走控制算法是欠驅(qū)動(dòng)步行機(jī) 器人研究的核心所在。
欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)自由度的設(shè)置、驅(qū)動(dòng)自由度的設(shè)計(jì)、驅(qū) 動(dòng)方式與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)要合理設(shè)置自由度，以使系統(tǒng)能夠完成行走運(yùn)動(dòng)，并具有合 理的復(fù)雜度。欠驅(qū)動(dòng)步行機(jī)器人不同自由度的驅(qū)動(dòng)對(duì)行走步態(tài)具有不同的驅(qū)動(dòng)效果，驅(qū)動(dòng)效率也不相同。
欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人由手臂、上身、髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿、腳等七部分組成， 在機(jī)構(gòu)上總共包括IO個(gè)自由度，其中，手臂2X1D0F，上身1D0F，髖關(guān)節(jié)1D0F，膝關(guān) 節(jié)2X1D0F，腳2X2DOF (每個(gè)腳包含踝關(guān)節(jié)的一個(gè)無驅(qū)動(dòng)自由度和一個(gè)側(cè)向自由度)。在 這10個(gè)自由度中，僅對(duì)3個(gè)自由度進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其中膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)不進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人兩 只手臂進(jìn)行適當(dāng)控制后能有利于機(jī)器人在行走時(shí)的側(cè)向平衡，但并不是欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器 人穩(wěn)定行走的必要結(jié)構(gòu)。因此，本發(fā)明中，手臂僅通過同步齒形帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與對(duì)側(cè)的腿聯(lián)動(dòng)， 起到協(xié)調(diào)、美化機(jī)器人的行走步態(tài)的作用。機(jī)器人的上身是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要支撐部件，必須 與兩條腿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)上的關(guān)聯(lián)與力矩上傳遞， 一般的作法是在上身與每條腿之間都進(jìn)行電機(jī)驅(qū) 動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)比較復(fù)雜，協(xié)調(diào)控制難度高。本發(fā)明中設(shè)計(jì)的髖關(guān)節(jié)稱為集成聯(lián)動(dòng)-驅(qū)動(dòng)髖關(guān) 節(jié)機(jī)構(gòu)，集成聯(lián)動(dòng)-驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)主要由安裝在機(jī)器人上身的髖關(guān)節(jié)器件安裝板、角平分 線聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不完全齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、雙向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)四個(gè)部分組成。髖關(guān)節(jié)角平分 線機(jī)構(gòu)由正向傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)、反向傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)、自由轉(zhuǎn)軸三個(gè)主要功能部件組成，自有轉(zhuǎn) 軸安裝在機(jī)器人上身，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，正向、反向兩套傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)的一端與自由轉(zhuǎn)軸固定 在一起，而另一端分別與兩條大腿相連接。與正向鏈輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)連接的大腿繞髖關(guān)節(jié)主軸轉(zhuǎn) 動(dòng)時(shí)，通過正向齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)上身的自由轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，安裝在轉(zhuǎn)軸另一端的反向齒輪傳動(dòng) 機(jī)構(gòu)沿相反的方向?qū)⒆杂赊D(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞至另外一條大腿，兩條腿產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而且兩 條腿相對(duì)于上身轉(zhuǎn)動(dòng)的角度相等，方向相反，保證了上身始終保持在雙腿的角平分線上。髖 關(guān)節(jié)角平分線機(jī)構(gòu)，通過正、反兩條傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)，將兩條腿的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系起來，同時(shí)將上身 限制在雙腿的角平分線上，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率更高。
欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人在行走過程中，與人體的行走步態(tài)類似，擺動(dòng)腿首先有一個(gè)彎曲 的過程，然后伸直，直至擺動(dòng)腿的腳接觸地面，而這個(gè)過程中，支撐腿始終是伸直的。為了 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人雙腿的這兩種姿態(tài)模式及其在這兩種運(yùn)動(dòng)模式下的快速切換，本發(fā)明設(shè)計(jì)了膝關(guān) 節(jié)的半主動(dòng)鎖扣機(jī)構(gòu)。腿彎曲時(shí)，膝關(guān)節(jié)軸套與鎖扣機(jī)構(gòu)完全脫離，膝關(guān)節(jié)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。腿有 彎曲狀態(tài)逐漸變?yōu)樯熘睜顟B(tài)時(shí)，膝關(guān)節(jié)軸套內(nèi)側(cè)與大腿接觸，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)受到限制，同時(shí)膝關(guān) 節(jié)軸套上端的圓滑曲面與鎖扣機(jī)構(gòu)接觸，并將驅(qū)動(dòng)鎖扣機(jī)構(gòu)向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)腿運(yùn)動(dòng)至伸直狀態(tài) 時(shí)，膝關(guān)節(jié)軸套完全運(yùn)動(dòng)至鎖扣機(jī)構(gòu)滾輪內(nèi)側(cè)，失去圓滑曲面支撐的鎖扣機(jī)構(gòu)在彈簧的作用 下向下運(yùn)動(dòng)，阻止了膝關(guān)節(jié)軸套往回的運(yùn)動(dòng)，使膝關(guān)節(jié)始終保持在伸直狀態(tài)。鎖扣機(jī)構(gòu)的 滾輪可以將膝關(guān)節(jié)軸套與鎖扣機(jī)構(gòu)間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，減小了摩擦損耗。
髖關(guān)節(jié)器件安裝板安裝在機(jī)器人上身，與上身一同運(yùn)動(dòng)。髖關(guān)節(jié)器件安裝板采用硬鋁合 金板，由螺栓直接與機(jī)器人的上身固定在一起，其主要功能是為髖關(guān)節(jié)的其他部件提供安裝 空間，對(duì)髖關(guān)節(jié)系統(tǒng)起到支撐的作用。同上身一樣，髖關(guān)節(jié)也要繞髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。
驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的高能量效率是欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。在驅(qū)動(dòng)元件的選擇上，采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，體積小、重量輕、控制靈活。由于欠驅(qū)動(dòng)雙足 步行機(jī)器人在控制中不需要實(shí)時(shí)的軌跡跟蹤控制，而只需要短時(shí)間的驅(qū)動(dòng)與能量輸入，因此， 電動(dòng)機(jī)主要采用的是簡(jiǎn)單的點(diǎn)到點(diǎn)控制，并對(duì)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行了簡(jiǎn)單限制。由于電動(dòng)機(jī) 的輸出力矩密度不能滿足需求，在電動(dòng)機(jī)輸出軸要安裝減速器機(jī)構(gòu)，降低電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，并放 大電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩。由于電動(dòng)機(jī)在停止旋轉(zhuǎn)時(shí)的自鎖力矩以及電動(dòng)機(jī)輸出端減速器的摩擦 力矩，如果電動(dòng)機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，還能夠在傳動(dòng)系統(tǒng)中維持一定的力矩，成為影響機(jī)器人行走步 態(tài)、能量效率、控制復(fù)雜度的一個(gè)很重要的因素。為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的高能量效率，在 不需要驅(qū)動(dòng)時(shí)需要將電動(dòng)機(jī)力矩輸出機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)脫離。不完全齒輪機(jī)構(gòu)能夠較為可靠地實(shí)現(xiàn) 這個(gè)功能。電動(dòng)機(jī)輸出端驅(qū)動(dòng)力矩首先經(jīng)過不完全齒輪傳動(dòng)，在需要驅(qū)動(dòng)力矩輸出時(shí)，不完 全齒輪的齒輪部分與傳動(dòng)齒輪嚙合，電動(dòng)機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)力矩對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。而不需要 進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，不完全齒輪旋轉(zhuǎn)至合適位置，與脫離傳動(dòng)齒輪的嚙合狀態(tài)，將電動(dòng)機(jī)力矩輸出 機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)完全隔離開，保證機(jī)構(gòu)其余部分的高效率運(yùn)動(dòng)。
雙向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要作用是將電動(dòng)機(jī)機(jī)的輸出力矩最終轉(zhuǎn)化為雙腿間的相對(duì)力矩，每一套 傳動(dòng)系統(tǒng)能夠完成一個(gè)方向上機(jī)器人雙腿之間的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。雙向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由兩套驅(qū)動(dòng)電 機(jī)、傳動(dòng)齒輪、驅(qū)動(dòng)力矩傳動(dòng)軸、鋼索滑輪、牽拉鋼索組成，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)對(duì)稱安裝在髖 關(guān)節(jié)器件安裝板上，鋼索滑輪與傳動(dòng)齒輪固連，每個(gè)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩經(jīng)過減速器放大后， 驅(qū)動(dòng)裝有鋼索的滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼索滑6通過鋼索控制大腿的牽拉，該驅(qū)動(dòng)經(jīng)鋼索的反向傳動(dòng)后， 帶動(dòng)另外一側(cè)的轉(zhuǎn)軸沿相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
傳動(dòng)系統(tǒng)中采用鋼索完成力的傳動(dòng)，通過鋼索的牽拉實(shí)現(xiàn)對(duì)雙腿的驅(qū)動(dòng)，主要優(yōu)點(diǎn)在于 鋼索只能在單方向?qū)Υ笸鹊倪\(yùn)動(dòng)起到驅(qū)動(dòng)與限制，當(dāng)鋼索的牽拉速度小于被牽拉大腿的擺動(dòng) 速度時(shí)，大腿可以自由地?cái)[動(dòng)。采用兩套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，配合以不完全齒輪驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，鋼索的傳 動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了髖關(guān)節(jié)的高效率、靈活驅(qū)動(dòng)。鋼索的另一端安裝有彈性系數(shù)很大的彈簧，能夠 顯著的改變電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)開始時(shí)刻的負(fù)載特性，將驅(qū)動(dòng)時(shí)系統(tǒng)各部件間的剛性沖 擊變?yōu)槿嵝詮椥詻_擊，提高了電機(jī)驅(qū)動(dòng)的效率。
欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人的穩(wěn)定行走由動(dòng)態(tài)穩(wěn)定原理來保證，即機(jī)器人的重心在地面的投 影不必始終位于支撐腳的支撐區(qū)域內(nèi)，在理論上，支撐腿可以僅僅以一個(gè)"點(diǎn)"接觸地面， 而不需要大面積的腳底板來保證機(jī)器人的平衡與行走穩(wěn)定。本發(fā)明的欠驅(qū)動(dòng)步行機(jī)器人正是 按照這個(gè)基本原理來設(shè)計(jì)的，設(shè)計(jì)的機(jī)器人機(jī)構(gòu)也完全實(shí)現(xiàn)了這一原理。腳的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)欠 驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定行走的關(guān)鍵，雙腳要保證欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)欠驅(qū)動(dòng)行走，不能采用電 機(jī)驅(qū)動(dòng)一軌跡跟蹤控制的設(shè)計(jì)方法，還要保證機(jī)器人在行走過程中的側(cè)向穩(wěn)定以及支撐腿與 地面的穩(wěn)定接觸。本發(fā)明中機(jī)器人的腳稱為多模式彈性腳。多模式彈性腳為雙層結(jié)構(gòu)，上、 下兩平板之間的內(nèi)側(cè)設(shè)置一對(duì)彈性支撐座，并安裝彈簧進(jìn)行支撐，使上腳板能夠在彈性支撐 座上上下運(yùn)動(dòng)很小的一段距離，以減小機(jī)器人的腳落地時(shí)對(duì)機(jī)器人的沖擊，有利于機(jī)器人行走的穩(wěn)定。另一側(cè)安裝側(cè)向自由度可調(diào)被動(dòng)彈性機(jī)構(gòu)，上下腳板之間僅僅通過彈簧進(jìn)行連接， 并利用鋼絲對(duì)彈簧的初始長(zhǎng)度和預(yù)緊力進(jìn)行限制，保證機(jī)器人在行走過程中能夠側(cè)向搖擺， 并具有合適的頻率，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在欠驅(qū)動(dòng)行走過程中的動(dòng)態(tài)側(cè)向穩(wěn)定性。內(nèi)側(cè)彈簧的彈性 系數(shù)大，起到緩沖的作用，減小彈性腳與地面之間的碰撞；外側(cè)彈簧的彈性系數(shù)小于內(nèi)側(cè)彈 簧的彈性系數(shù)，使機(jī)器人產(chǎn)生側(cè)向運(yùn)動(dòng)。
由于踝關(guān)節(jié)不進(jìn)行任何驅(qū)動(dòng)與控制，機(jī)器人的腳就不能進(jìn)行主動(dòng)控制，由于機(jī)器人的腳 面積較大，在機(jī)器人的行走中腳與地面的摩擦、碰撞將直接導(dǎo)致行走失敗。因此，對(duì)機(jī)器人 的下腳板進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，在腳底板的四個(gè)對(duì)角安裝彈簧支撐的滾輪機(jī)構(gòu)。調(diào)節(jié)彈簧的彈力， 使得在四個(gè)滾輪機(jī)構(gòu)能夠支撐腳的重量，而當(dāng)機(jī)器人的腳受到一定壓力時(shí)，下腳板能與地面 接觸。這樣的設(shè)計(jì)可以使機(jī)器人的腳在穩(wěn)定行走中避免與地面的碰撞。對(duì)于擺動(dòng)腿，由于小 腿要擺起一定的高度，機(jī)器人通過踝關(guān)節(jié)對(duì)腳施加的壓力接近為零或直接將腳抬離地面，下 腳板的彈簧滾輪機(jī)構(gòu)對(duì)機(jī)器人的腳起到支撐作用，使腳作為整體或只有前端或后端在地面上 滑動(dòng)。對(duì)于支撐腿，機(jī)器人通過踝關(guān)節(jié)對(duì)腳施加較大的壓力，下腳板的彈簧滾輪機(jī)構(gòu)失去支 撐作用，下腳板與地面接觸。由于下腳板面積較大，能夠有效避免腳與地面之間的滑動(dòng)，機(jī) 器人的支撐腿可以繞踝關(guān)節(jié)自由轉(zhuǎn)動(dòng)，在功能上相當(dāng)于以一個(gè)點(diǎn)與地面接觸。下平板后面和 踝關(guān)節(jié)上方用一彈簧連接，并用開關(guān)控制彈簧只在機(jī)器人擺動(dòng)腿剛離開地面時(shí)和即將接觸地 面時(shí)作用。
欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人的控制系統(tǒng)采用人機(jī)交互層，機(jī)器人管理與控制層，硬件驅(qū)動(dòng)層 三層結(jié)構(gòu)，在硬件上對(duì)應(yīng)于上位機(jī)一嵌入式微處理器一底層電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制組成的三層結(jié)構(gòu)， 如說明書附圖5所示。上位機(jī)是一臺(tái)工控機(jī)，負(fù)責(zé)對(duì)欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人行走控制參數(shù)的 設(shè)置、步態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與分析、數(shù)據(jù)的顯示，歷史記錄管理等功能。機(jī)器人嵌入式微處理器 選用NXP公司生產(chǎn)的高速LPC2378ARM7嵌入式微處理器，主要用來完成機(jī)器人行走的自 主實(shí)時(shí)控制，并負(fù)責(zé)與上位機(jī)進(jìn)行交互，在每個(gè)采樣周期，嵌入式微處理器讀取機(jī)器人各傳 感器的數(shù)據(jù)，判斷機(jī)器人所處的邏輯狀態(tài)，并根據(jù)具體的數(shù)據(jù)計(jì)算所需要的驅(qū)動(dòng)控制量。通 過直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板核心芯片BTS7960的控制實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)電機(jī)伺服控制，根據(jù)嵌入式微處理器 輸出的PWM信號(hào)生成需要的電壓，完成電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)與速度調(diào)節(jié)。
欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人在算法上采用基于邏輯狀態(tài)的控制方法，將機(jī)器人的行走過程分 為幾個(gè)不同的階段，分別為行走起動(dòng)階段、擺動(dòng)起始階段、擺動(dòng)腿膝關(guān)節(jié)彎曲擺動(dòng)階段、擺 動(dòng)腿伸直擺動(dòng)階段、擺動(dòng)腿膝關(guān)節(jié)伸直擺動(dòng)階段、雙腳觸地碰撞階段，如說明書附圖7所示。 在行走起動(dòng)階段(圖7-a)，機(jī)器人雙腿伸直，處于靜止?fàn)顟B(tài)，由外力施加一個(gè)合適的推動(dòng)力， 機(jī)器人前面的腳接觸地面，后面的腿脫離地面，膝關(guān)節(jié)鎖死機(jī)構(gòu)打開，擺動(dòng)腿自由向前擺動(dòng)。 連續(xù)行走的擺動(dòng)起始階段(圖7-b)與行走起動(dòng)階段動(dòng)態(tài)相似，不放機(jī)器人的繼續(xù)動(dòng)作不需 要外力驅(qū)動(dòng)，擺動(dòng)腿末端與腳底板間的彈簧釋放彈性勢(shì)能，擺動(dòng)腿脫離地面；擺動(dòng)腿膝關(guān)節(jié)彎曲擺動(dòng)階段(圖7-C)，在開始時(shí)髖關(guān)節(jié)電動(dòng)機(jī)在雙腿間施加驅(qū)動(dòng)力矩，之后驅(qū)動(dòng)力從系統(tǒng) 中切除，機(jī)器人在自身慣性與重力作用下以支撐腿踝關(guān)節(jié)為軸向前擺動(dòng)。擺動(dòng)腿伸直碰撞階 段(圖7-d)，擺動(dòng)腿伸直，膝關(guān)節(jié)的鎖死機(jī)構(gòu)將機(jī)器人的擺動(dòng)腿限制在伸直狀態(tài)；擺動(dòng)腿伸 直擺動(dòng)階段(圖7-e)，髖關(guān)節(jié)自由活動(dòng)，擺動(dòng)腿保持甚至狀態(tài)，繼續(xù)擺動(dòng)，支撐腿對(duì)末端的 彈簧進(jìn)行拉伸，存儲(chǔ)彈性勢(shì)能；雙腳觸地碰撞階段(圖7-發(fā))，雙腳與地面接觸，兩條腿變 換狀態(tài)。之后，機(jī)器人回到擺動(dòng)起始階段，開始一個(gè)新的行走步態(tài)周期。
上述機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與原理分析表明，欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人通過高效率與靈活的機(jī)構(gòu)保 證了機(jī)器人的高效率欠驅(qū)動(dòng)動(dòng)態(tài)行走，提高了雙足行走的速度與穩(wěn)定性，從機(jī)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)原理 與控制方法上實(shí)現(xiàn)了雙足機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的仿人設(shè)計(jì)。
為了最大限度地減輕欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人的質(zhì)量，以提高能量效率并降低對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī) 負(fù)載能力的要求，機(jī)器人主要連接部件如大腿、小腿等均采用鋁合金型材，主要功能部件如 腳、髖關(guān)節(jié)等由鋁合金板加工而成，選用硬鋁作為機(jī)器人各關(guān)節(jié)間的連接部件，其余一些負(fù) 載強(qiáng)度大的零件如鏈輪、軸承等由鋼材加工而成。為說明前驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)組 成及運(yùn)動(dòng)原理，結(jié)合

如下
顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)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(dòng)和變型在內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)主要由手臂、上身、髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿、腳等七部分組成，共10個(gè)DOF自由度，其中，上身1DOF，雙臂2×1DOF，髖關(guān)節(jié)1DOF，雙腿膝關(guān)節(jié)2×1DOF，雙腳踝關(guān)節(jié)2×1DOF，側(cè)向腳與地面之間2×1DOF，在這10個(gè)自由度中，僅對(duì)3個(gè)自由度進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其中膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)不進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，雙臂分別通過機(jī)械鏈接機(jī)構(gòu)與對(duì)側(cè)的腿聯(lián)動(dòng)，其特征在于髖關(guān)節(jié)采用集成聯(lián)動(dòng)-驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)(6)，所說的集成聯(lián)動(dòng)-驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)(6)主要由安裝在機(jī)器人上身的髖關(guān)節(jié)器件安裝板(13)、使機(jī)器人的上身始終保持在雙腿的角平分線上的角平分線聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)(15)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不完全齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(11)、將電動(dòng)機(jī)的輸出力矩最終轉(zhuǎn)化為雙腿間的相對(duì)力矩的雙向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(12)四個(gè)部分組成；機(jī)器人雙腳采用雙層結(jié)構(gòu)的多模式彈性腳。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，其特征在于所說的髖 關(guān)節(jié)角平分線機(jī)構(gòu)(12)由正向傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)(H)、反向傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)(18)、自由轉(zhuǎn)軸(16) 三個(gè)主要功能部件組成，自有轉(zhuǎn)軸(16)安裝在機(jī)器人上身，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，正向、反向兩 套傳動(dòng)齒輪機(jī)構(gòu)(17)、 (18)的一端與自由轉(zhuǎn)軸(16)固定在一起，而另一端分別與兩條大 腿相連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，其特征在于所說的驅(qū) 動(dòng)電動(dòng)機(jī)不完全齒輪機(jī)構(gòu)(11)是在電動(dòng)機(jī)力矩輸出軸安裝不完全齒輪(19)，不完全齒輪 的齒輪部分與傳動(dòng)齒輪(28)嚙合，在需要驅(qū)動(dòng)力矩輸出時(shí)，電動(dòng)機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)力矩對(duì)機(jī)器人 系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，而不需要進(jìn)行驅(qū)動(dòng)時(shí)，不完全齒輪旋轉(zhuǎn)至合適位置，脫離傳動(dòng)齒輪的嚙合狀 態(tài)，將電動(dòng)機(jī)力矩輸出機(jī)構(gòu)與系統(tǒng)完全隔離開，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的無驅(qū)動(dòng)行走模式。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，其特征在于所說的雙 向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要由兩套驅(qū)動(dòng)電機(jī)(20)、傳動(dòng)齒輪(28)、驅(qū)動(dòng)力矩傳動(dòng)軸(22)、 (23)、鋼索 滑輪(26)、牽拉鋼索(27)組成，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)(20)安裝在髖關(guān)節(jié)器件安裝板(13) 上，鋼索滑輪(26)與傳動(dòng)齒輪(28)固連，每個(gè)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩經(jīng)過減速器放大后，驅(qū) 動(dòng)裝有鋼索的滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，鋼索滑輪(26)通過鋼索控制大腿的牽拉，該驅(qū)動(dòng)經(jīng)鋼索的反向傳 動(dòng)后，帶動(dòng)另外一側(cè)的轉(zhuǎn)軸沿相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所說的一種欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，其特征在于所說的多 模式彈性腳為雙層結(jié)構(gòu)，上、下兩平板(30)、 (34)之間的內(nèi)側(cè)設(shè)置一對(duì)彈性支撐座(31)， 并安裝彈簧進(jìn)行支撐，使上腳板能夠在彈性支撐座上上下運(yùn)動(dòng)很小的一段距離，另一側(cè)安裝 側(cè)向自由度可調(diào)被動(dòng)彈性機(jī)構(gòu)(33)，上下腳板之間僅僅通過彈簧進(jìn)行連接，內(nèi)外兩側(cè)為同 類型的彈簧，外側(cè)彈簧的彈性系數(shù)小于內(nèi)側(cè)彈簧的彈性系數(shù)；在腳底板的四個(gè)對(duì)角安裝彈簧 支撐的滾輪機(jī)構(gòu)(32)，調(diào)節(jié)彈簧的彈力，使得四個(gè)滾輪機(jī)構(gòu)能夠支撐腳的重量，當(dāng)機(jī)器人的腳受到一定壓力時(shí)，下腳板能與地面接觸；下平板后面和踝關(guān)節(jié)上方用一彈簧連接，并用 開關(guān)控制彈簧只在機(jī)器人擺動(dòng)腿剛離開地面時(shí)和即將接觸地面時(shí)作用。
6、 一種雙足步行機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)的控制方法，其控制系統(tǒng)采用上位機(jī)一嵌入式微處理 器一底層電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，其特征在于嵌入式微處理器安裝在如權(quán)利要求1所說的機(jī)器人上， 能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)器人行走的自主控制，嵌入式微處理器與上位機(jī)之間通過無線通信模塊實(shí)現(xiàn)數(shù) 據(jù)交互，讀取上位機(jī)的控制指令，并將機(jī)器人行走步態(tài)數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)與分析， 在行走控制算法方面，控制器采用基于邏輯狀態(tài)的控制方法，將機(jī)器人的行走過程分為幾個(gè) 不同的邏輯階段，包括a) 行走起動(dòng)階段；b) 擺動(dòng)起始階段； C)擺動(dòng)腿膝關(guān)節(jié)彎曲擺動(dòng)階段；d) 擺動(dòng)腿伸直擺動(dòng)階段；e) 擺動(dòng)腿膝關(guān)節(jié)伸直擺動(dòng)階段；f) 雙腳觸地碰撞階段；在每個(gè)采樣一控制周期，控制器根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)判斷機(jī)器人狀態(tài)所處的邏輯階段，并 根據(jù)機(jī)器人的具體姿態(tài)計(jì)算出相應(yīng)的控制量。
全文摘要
一種欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)涉及機(jī)器人領(lǐng)域，特別涉及欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域。主要由手臂、上身、髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿、腳等七部分組成，共10個(gè)DOF自由度，在這10個(gè)自由度中，僅對(duì)3個(gè)自由度進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其中膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)不進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，雙臂分別通過機(jī)械鏈接機(jī)構(gòu)與對(duì)側(cè)的腿聯(lián)動(dòng)，髖關(guān)節(jié)采用集成聯(lián)動(dòng)-驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)(6)，主要由髖關(guān)節(jié)器件安裝板(13)、角平分線聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)(15)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不完全齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)(11)、雙向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(12)四個(gè)部分組成；機(jī)器人雙腳采用雙層結(jié)構(gòu)的多模式彈性腳。本發(fā)明設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用靈活、高能量效率的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，只需要簡(jiǎn)單控制就能產(chǎn)生連貫、自然的仿人行走步態(tài)。
文檔編號(hào)B62D57/00GK101428657SQ20081005160
公開日2009年5月13日 申請(qǐng)日期2008年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月16日
發(fā)明者劉振澤, 宿建樂, 崔相吉, 張佩杰, 偉 洪, 田彥濤, 肖家棟, 趙紅杰, 陳鴻帥, 振 隋 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)