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CN111846008A - 一种具有变刚度踝关节的双足机器人 - Google Patents

一种具有变刚度踝关节的双足机器人 Download PDF

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CN111846008A CN202010753763.9A CN202010753763A CN111846008A CN 111846008 A CN111846008 A CN 111846008A CN 202010753763 A CN202010753763 A CN 202010753763A CN 111846008 A CN111846008 A CN 111846008A
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臧希喆
林珍坤
刘玉斌
张学贺
衡帅
赵杰
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Harbin Institute of Technology
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Abstract

一种具有变刚度踝关节的双足机器人，包括左腿、右腿和盆骨，左腿和右腿分别包括大腿、小腿和足部，盆骨通过髋关节与大腿连接，大腿通过膝关节与小腿连接，小腿通过踝关节与足部连接，左腿和右腿通过骨盆连接；踝关节包含踝关节驱动电机、踝关节传动齿轮副、转动曲柄、踝关节转动轴和被动排气变刚度机构；被动排气变刚度机构包含气缸和连接件，气缸的活塞杆端部安装有连接件，踝关节驱动电机安装在大腿上，转动曲柄可转动地安装在膝关节转动轴上，踝关节驱动电机通过踝关节传动齿轮副驱动转动曲柄绕膝关节转动轴转动，气缸的缸体与足部转动连接。本发明能够实现在二维平面内步行运动，提高了双足机器人行走稳定性及对不平整地面的适应能力。

Description

一种具有变刚度踝关节的双足机器人
技术领域
本发明涉及一种双足机器人，具体涉及一种具有变刚度踝关节的双足机器人，属于仿人机器人技术领域。
背景技术
相比于其他种类的机器人，仿人机器人的发展十分迅猛。除了机器人学之外，对仿人机器人的研究还涵盖了力学、生物学、控制科学、甚至心理学等不同的学科，逐渐成为了一个多学科交叉的独特研究领域。以双足步行为主要运动形式的一类仿人机器人具有很高的灵活性，能够适应不同的地形，是仿人机器人领域里一个重要的分支。世界上有超过一半的地形目前的轮式或履带式机器人都无法顺利到达，而人类却可以靠他们的双脚走遍每一个角落，所以足式仿人机器人是完成自然环境地面任务的最佳选择。人类的双足步行运动是一个十分复杂的循环过程，需要所有下肢肌肉和部分躯干肌肉的协同配合，才能稳定地运动。人类可以在复杂、崎岖的自然地面环境中高效地行走，因此人类的足部结构和运动方式为双足步行机器人的研制提供了一个非常好的生物界参考对象。在双足步行机器人研究领域，研究者一般会参考人类进行设计，因为目前还没有一款机器人的综合性能能够超越人类。人类下肢具有足够的柔性，不但可以让人实现流畅、省力的双足步行，而且可以保护下肢的关节。人类下肢灵活、节能、吸收冲击的特点对于双足机器人来说，具有十分重要的借鉴意义。
发明内容
本发明为克服现有技术不足，提供一种具有变刚度踝关节的双足机器人。本发明通过气动变刚度踝关节，使足部上的变刚度踝关节能够通过被动触发实现高低刚度切换的功能，使该双足机器人足部既能为其双足步行提供有效支撑又能包容地面突起物。
本发明的技术方案是：
一种具有变刚度踝关节的双足机器人，包括左腿、右腿和盆骨，左腿和右腿分别包括大腿、小腿和足部，盆骨通过髋关节与大腿连接，大腿通过膝关节与小腿连接，小腿通过踝关节与足部连接，左腿和右腿通过骨盆连接；
踝关节包含踝关节驱动电机、踝关节传动齿轮副、转动曲柄、踝关节转动轴和被动排气变刚度机构；被动排气变刚度机构包含气缸和连接件，气缸的活塞杆端部安装有连接件，踝关节驱动电机安装在大腿上，转动曲柄可转动地安装在膝关节转动轴上，踝关节驱动电机通过踝关节传动齿轮副驱动转动曲柄绕膝关节转动轴转动，转动曲柄与连接件转动连接，气缸的缸体与足部转动连接，踝关节转动轴转动安装在足部上，小腿与踝关节转动轴连接。
本发明相比现有技术的有益效果是：
本发明的双足机器人采用气电混合驱动的驱动方式，提出了基于被动排气的变刚度原理，设计了被动排气变刚度机构，实现了在外载荷作用下的被动的刚度切换功能，使足部具有了包容地面干扰物并为双足机器人的步行提供稳定支撑的功能。实现了机器人的仿人步行行走，能够在二维平面内步行运动。
踝关节驱动电机转动时带动其上的传动齿轮转动，并通过传动齿轮副带动转动曲柄绕膝关节转动轴转动，进而驱动气动单元做直线方向的往复运动，从而带动机器人脚部绕踝关节转动轴转动，实现对机器人踝关节的驱动。通过控制气缸内气压的变化可以改变气动单元刚度，进而控制机器人踝关节刚度变化，而基于被动排气原理的被动排气变刚度机构设计能够在足部触地过程中通过被动触发实现高低刚度切换的功能，使该双足机器人足部既能为其双足步行提供有效支撑又能包容地面突起物，提高了双足机器人行走稳定性及对不平整地面的适应能力。
下面结合附图和实施方式对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
图1为本发明的双足机器人整体图；
图2为双足机器人的踝关节结构图；
图3为被动排气变刚度机构图；
图4为双足机器人的膝关节结构图；
图5为双足机器人的髋关节结构图。
具体实施方式
参见图1-图3所示，本实施方式的一种具有变刚度踝关节的双足机器人，包括左腿、右腿和盆骨4，左腿和右腿分别包括大腿1、小腿2和足部3，盆骨4通过髋关节A与大腿1连接，大腿1通过膝关节B与小腿2连接，小腿2通过踝关节C与足部3连接，左腿和右腿通过骨盆4连接；
踝关节C包含踝关节驱动电机C1、踝关节传动齿轮副C2、转动曲柄C3、踝关节转动轴C4和被动排气变刚度机构C5；被动排气变刚度机构C5包含气缸C5-1和连接件C5-2，气缸C5-1的活塞杆端部安装有连接件C5-2，踝关节驱动电机C1安装在大腿1上，转动曲柄C3可转动地安装在膝关节转动轴上，踝关节驱动电机C1通过踝关节传动齿轮副C2驱动转动曲柄C3绕膝关节转动轴B3转动，转动曲柄C3与连接件C5-2转动连接，气缸C5-1的缸体与足部3转动连接，踝关节转动轴C4可转动地设置在足部3上，小腿2与踝关节转动轴C4连接。
踝关节驱动电机C1启动时带动其上的踝关节传动齿轮副C2转动，并通过踝关节传动齿轮副C2带动转动曲柄C3绕膝关节转动轴转动，进而驱动被动排气变刚度机构C5做直线方向的往复运动，从而带动机器人脚部绕踝关节转动轴转动，实现对机器人踝关节的驱动；通过控制气缸内气压的变化可以改变气动单元刚度，进而控制机器人踝关节刚度变化，而基于被动排气原理的变刚度机构设计能够在足部触地过程中通过被动触发实现高低刚度切换的功能，使该双足机器人足部既能为其双足步行提供有效支撑又能包容地面突起物，提高了双足机器人行走稳定性及对不平整地面的适应能力。踝关节传动齿轮副C2的两个齿轮啮合。
可选地，小腿2作为连接双足机器人膝关节与踝关节的支撑部件由四块矩形平板通过螺钉连接而成。大腿1作为连接双足机器人髋关节与膝关节的支撑部件由四块矩形平板通过螺钉连接而成。所述盆骨4主要有四块板拼接而成的方形框架，通过螺钉连接。双足机器人电气系统的驱动器与控制器分别安装在机器人骨盆4以及大腿1上。
进一步地，如图2所示，在踝关节转动轴C4的一端部安装有角度传感器D，该角度传感器D固定在足部3上。角度传感器D可以测量双足机器人踝关节角度变化，进而反馈给外界控制系统，实现对双足机器人踝关节运动的控制。
可选地，如图4所示，膝关节B包含膝关节电机B1和膝关节锥齿轮副B2；膝关节电机B1安装在大腿1上，膝关节锥齿轮副B2的一个锥齿轮安装在膝关节电机B1的输出轴上，膝关节锥齿轮副B2的另一个锥齿轮安装在膝关节转动轴B3上，膝关节转动轴B3可转动地设置在大腿1上，小腿2与膝关节转动轴B3连接。所述一个锥齿轮通过键连接安装在膝关节电机B1的输出轴上，另一个锥齿轮通过键连接安装在膝关节转动轴B3上；膝关节转动轴B3通过轴承安装在膝关节轴承座中，膝关节轴承座通过螺钉安装在机器人大腿1上；膝关节转动轴B3通过小腿连接件B4与小腿2连接，小腿连接件B4与膝关节转动轴B3之间通过键连接，并通过螺钉安装在机器人小腿2上；膝关节锥齿轮副B2的两个齿轮啮合。
进一步地，如图4所示，在膝关节转动轴B3的一端部安装有角度传感器D，该角度传感器D固定在大腿1上。该角度传感器D通过安装座安装在机器人大腿1上。膝关节驱动电机B1转动时通过膝关节锥齿轮副B2驱动膝关节转动轴做旋转运动，进而带动小腿2摆动，从而实现了对机器人小腿2的驱动；该角度传感器D可以测量双足机器人膝关节角度变化，进而反馈给控制系统，实现对双足机器人膝关节运动的控制。
如图5所示，髋关节A包含髋关节电机A1、髋关节齿轮副A2和髋关节转动轴A3；髋关节电机A1安装在骨盆4上，髋关节齿轮副A1的一个齿轮安装在髋关节电机A1的输出轴上，髋关节齿轮副A1的另一个齿轮安装在所述髋关节转动轴A3上，髋关节转动轴A3可转动地设置在骨盆4上，大腿1与髋关节转动轴A3连接。髋关节转动轴A3通过轴承安装在轴承座上，髋关节转动轴A3的轴承座通过螺钉连接在骨盆4上，并与大腿连接件A4通过键连接，大腿连接件A4通过螺钉与大腿1连接；所述其中一个齿轮通过键与髋关节驱动电机A1的输出轴连接，另一个齿轮通过键与髋关节转动轴A3连接。髋关节驱动电机A1转动时通过髋关节齿轮副A2带动髋关节转动轴A3做旋转运动，进而带动大腿1摆动，从而实现了对双足机器人大腿的驱动；所述一个齿轮是小齿轮，另一个齿轮是大齿轮，方便调节传动速度。髋关节齿轮副A2的两个齿轮啮合。
进一步地，如图5所示，在髋关节转动轴A3的一端部安装有角度传感器D，角度传感器D固定在骨盆4上。该角度传感器D可以测量双足机器人髋关节角度变化，进而反馈给控制系统，实现对双足机器人髋关节运动的控制。
本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。

Claims (7)

1.一种具有变刚度踝关节的双足机器人，包括左腿、右腿和盆骨(4)，左腿和右腿分别包括大腿(1)、小腿(2)和足部(3)，盆骨(4)通过髋关节(A)与大腿(1)连接，大腿(1)通过膝关节(B)与小腿(2)连接，小腿(2)通过踝关节(C)与足部(3)连接，左腿和右腿通过骨盆(4)连接；
其特征在于：踝关节(C)包含踝关节驱动电机(C1)、踝关节传动齿轮副(C2)、转动曲柄(C3)、踝关节转动轴(C4)和被动排气变刚度机构(C5)；
被动排气变刚度机构(C5)包含气缸(C5-1)和连接件(C5-2)，气缸(C5-1)的活塞杆端部安装有连接件(C5-2)，踝关节驱动电机(C1)安装在大腿(1)上，转动曲柄(C3)可转动地安装在膝关节转动轴上，踝关节驱动电机(C1)通过踝关节传动齿轮副(C2)驱动转动曲柄(C3)绕膝关节转动轴(B3)转动，转动曲柄(C3)与连接件(C5-2)转动连接，气缸(C5-1)的缸体与足部3转动连接，踝关节转动轴(C4)转动安装在足部(3)上，小腿(2)与踝关节转动轴(C4)连接。
2.根据权利要求1所述一种具有变刚度踝关节的双足机器人，其特征在于：膝关节(B)包含膝关节电机(B1)和膝关节锥齿轮副(B2)；
膝关节电机(B1)安装在大腿(1)上，膝关节锥齿轮副(B2)的一个锥齿轮安装在膝关节电机(B1)的输出轴上，膝关节锥齿轮副(B2)的另一个锥齿轮安装在膝关节转动轴(B3)上，膝关节转动轴(B3)可转动地设置在大腿(1)上，小腿(2)与膝关节转动轴(B3)连接。
3.根据权利要求2所述一种具有变刚度踝关节的双足机器人，其特征在于：髋关节(A)包含髋关节电机(A1)、髋关节齿轮副(A2)和髋关节转动轴(A3)；
髋关节电机(A1)安装在骨盆(4)上，髋关节齿轮副(A1)的一个齿轮安装在髋关节电机(A1)的输出轴上，髋关节齿轮副(A1)的另一个齿轮安装在所述髋关节转动轴(A3)上，髋关节转动轴(A3)可转动地设置在骨盆(4)上，大腿(1)与髋关节转动轴(A3)连接。
4.根据权利要求3所述一种具有变刚度踝关节的双足机器人，其特征在于：所述盆骨(4)主要有四块板拼接而成的方形框架。
5.根据权利要求2、3或4所述一种具有变刚度踝关节的双足机器人，其特征在于：在踝关节转动轴(C4)的一端部安装有角度传感器(D)，该角度传感器(D)固定在足部(3)上。
6.根据权利要求5所述一种具有变刚度踝关节的双足机器人，其特征在于：在膝关节转动轴(B3)的一端部安装有角度传感器(D)，该角度传感器(D)固定在大腿(1)上。
7.根据权利要求6所述一种具有变刚度踝关节的双足机器人，其特征在于：在髋关节转动轴(A3)的一端部安装有角度传感器(D)，角度传感器(D)固定在骨盆(4)上。
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