一種三維仿人雙足步行機器人的機械結構及行走方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種機器人，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構及行走方法。
【背景技術】
[0002]本發明是關于一種仿人步行機器人的設計。顧名思義，仿人機器人是從機器人的形態和功能的角度來進行定義的，區別于工業機器人的概念，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行走的醫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，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° )穩定行走，半被動式的仿人步行機器人是在個別關節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，國內對被動步行機器人的研宄正在如火如荼的開展著，本發明較專利CN201210207721和專利CN200810225507來說具有仿人程度高，機械結構更加簡單的特點。
[0004]被動仿人雙足步行機器人將機械結構和被動動力學特性相結合，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備的研制，這種設備可以作為外骨骼幫助殘疾人實現行走，并且可以在未來戰爭中充當代步設備，提升單兵作戰能力。
【發明內容】
[0005]發明目的:針對傳統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，本發明將基于被動力學相關原理，設計一種仿人程度高，能夠實現三維被動步行的雙足仿人機器人機械結構。
[0006]為實現上述目的，本發明的具體技術方案是:
[0007]一種三維仿人雙足步行機器人的機械結構，從上至下依次包括軀干、對稱設置的兩個髖關節、角平分機構、手臂-大腿耦合機構及對稱設置的雙腿機構，其中，每一側腿機構從上至下依次包括大腿、膝關節、小腿、踝關節及足底；
[0008]所述的軀干包括軀體、半固定環、連接環、軸承及軸承擋圈；其中，軀體的底部固定連接連接環，所述軀體上滑動連接滑塊；
[0009]所述兩個髖關節同軸水平布置在所述軀體的底部，軀體的底部設有用于與兩個髖關節轉動連接的連接環裝置；每個髖關節和同側的手臂固定連接；
[0010]所述的角平分機構包括兩根連桿連接軸、四個連桿及兩個曲柄；其中，每個所述髖關節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，所述滑塊上設有供鉸接的連接軸；
[0011]所述手臂-大腿耦合機構包括分別布置在兩個髖關節上的兩組，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所述髖關節轉動連接；
[0012]所述的膝關節包括電磁鐵、電磁鐵固定套筒、限位擋板、下連接套筒、上連接套筒、膝關節軸承及銷軸，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]所述的踝關節包括萬向節、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有彈簧調節螺釘、調節螺母，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節螺釘非螺紋端連接，另一端與彈簧固定螺釘連接，彈簧調節螺釘的螺紋端上螺紋連接調節螺母。
[0015]進一步的，所述連接環內左、右對稱的設有兩個軸承，所述兩個軸承的內圈分別與一個髖關節固定連接。
[0016]本發明還公開了一種三維仿人雙足步行機器人的機械結構的行走方法，
[0017]根據行走過程的不同狀態，將整個步行周期分為四個相態；相態一支撐腿的膝關節鎖合，支撐腿上的大腿和小腿不會發生相對旋轉；此時，擺動腿的膝關節放開，進行自由擺動，系統為三個自由度；
[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節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出指令控制電磁鐵通電，擺動腿膝關節鎖合，此時為相態二，系統變為兩個自由度；
[0019]在相態三中，機器人變為雙直腿結構，大腿和小腿以同樣的角速度擺動，系統具有兩個自由度；
[0020]當足底曲面板和地面發生碰撞之后，微動開關將被觸碰，此時，擺動腿和支撐腿角色互換，該狀態為相態四。
[0021]微動開關檢測到足底曲面板和地面發生碰撞，將碰撞信號傳遞給主控芯片，主控芯片發出指令讓原支撐腿的電磁鐵斷電，原支撐腿的膝關節打開，原支撐腿變為擺動腿，此時又變回三自由度，行走狀態將回到相態一。
[0022]本發明的有益效果:
[0023]第一、所述角平分機構有效組合了兩個曲柄滑塊機構，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、柔性踝關節、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構圖；
[0027]其中，1、軀干；2、角平分機構；3、膝關節；4、踝關節；5、足底；6、手臂-大腿耦合機構；
[0028]圖2為軀干整體結構圖；
[0029]其中，11、軸承擋圈；12、連接軸；13、軀體；14、滑塊；15、半固定環；16、軸承；17、連接環；
[0030]圖3為角平分機構結構圖；
[0031]其中，21、連桿連接軸；22、連桿；23、髖關節；24、曲柄；
[0032]圖4為膝關節結構圖；
[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、膝關節軸承；39、銷軸；
[0034]圖5圖4的A向視圖；
[0035]圖6為踝關節、足底結構圖；
[0036]其中，41、彈簧固定螺釘；42、彈簧調節螺釘；43、彈簧連接套筒；44、調節螺母；45、彈簧；46、萬向節；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-大腿耦合機構結構圖；
[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為控制系統的原理圖。
【具體實施方式】
[0042]下面結合附圖，進一步闡述本發明。
[0043]如圖1所示，本發明的機械本體結構可以按照功能分為軀干1、角平分機構2、膝關節3、踝關節4、足底5、手臂-大腿耦合機構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15、連接軸12、滑塊14、軀體13、連接環17、螺栓13、軸承16組成。滑塊14可以在軀體13上進行滑動并通過連接軸12和角平分機構的連桿22進行連接。半固定環15將軀體和連接環通過螺栓固定，軸承擋圈11用于限制軸承在連接環17中的軸向移動。這樣的結構設計可以讓軀干I在髖關節23上自由轉動。
[0045]如圖3所示，所述的角平分機構2主要是由兩組曲柄滑塊機構共同組成。每組曲柄滑塊機構包含連桿連接軸21、連桿22、曲柄24。每個曲柄24和一個髖關節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，所述的膝關節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、膝關節軸承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自由轉動。限位擋板37和下連接套筒32固連，幫助實現關節鎖合并限制膝關節3的轉角不超過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