一種帶髖部振子準(zhǔn)被動(dòng)雙足步行機(jī)器人系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種帶髖部振子準(zhǔn)被動(dòng)雙足步行機(jī)器人，屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 被動(dòng)雙足步行機(jī)器人是雙足步行機(jī)器人研宄領(lǐng)域內(nèi)的研宄熱點(diǎn)，它具有步態(tài)自 然、能耗低的特點(diǎn)。被動(dòng)機(jī)器人是能夠利用自身重力為步行提供能量從而獲得穩(wěn)定步行的 步行機(jī)器人，與傳統(tǒng)的主動(dòng)步行機(jī)器人相比有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，步態(tài)自然、能耗低的特點(diǎn)。被動(dòng)步 行機(jī)器人按是否有驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)可以分為：純被動(dòng)步行機(jī)器人與準(zhǔn)被動(dòng)步行機(jī)器人，準(zhǔn)被動(dòng)機(jī) 器人對(duì)某些關(guān)節(jié)進(jìn)行了驅(qū)動(dòng)因此能夠在平地上行走；按是否有冠狀面擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)分為：平面 步行機(jī)器人及三維步行機(jī)器人。
[0003] 現(xiàn)有的三維被動(dòng)雙足步行機(jī)器人一般通過(guò)采用特殊結(jié)構(gòu)的足部來(lái)保持機(jī)器人在 冠狀面的運(yùn)動(dòng)平衡。這種方式最大的缺點(diǎn)在于，它需要通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)來(lái)改善足部結(jié)構(gòu)及機(jī) 器人各部分參數(shù)才可能保持側(cè)面運(yùn)動(dòng)的平衡，且穩(wěn)定性較差。也有少數(shù)機(jī)器人通過(guò)在髖關(guān) 節(jié)兩腿處分別增加一個(gè)側(cè)向擺動(dòng)的自由度，并通過(guò)控制足地接觸位置來(lái)改善機(jī)器人側(cè)向平 衡。這種方式增加了兩個(gè)腿部自由度，增加了機(jī)構(gòu)復(fù)雜度，增加了機(jī)器人總重量，因此降低 了系統(tǒng)的可靠程度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為解決現(xiàn)有的主動(dòng)機(jī)器人步態(tài)不自然、能耗高，以及現(xiàn)有三維被動(dòng)機(jī)器 人冠狀面運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，系統(tǒng)的可靠程度差的問(wèn)題，進(jìn)而提供一種帶髖部振子準(zhǔn)被動(dòng)雙足步 行機(jī)器人系統(tǒng)。
[0005] 本發(fā)明為解決上述問(wèn)題采取的技術(shù)方案是：
[0006] 一種帶髖部振子準(zhǔn)被動(dòng)雙足步行機(jī)器人系統(tǒng)包括髖部總成、兩個(gè)腿部總成和兩個(gè) 足部總成，髖部總成和兩個(gè)足部總成之間各布置有一個(gè)腿部總成；
[0007] 所述機(jī)器人系統(tǒng)還包括髖部振子，髖部振子包括減速電機(jī)、支座、錐齒輪副、聯(lián)軸 器和輸出齒輪；
[0008] 髖部總成包括圓筒、齒條、導(dǎo)軌和兩個(gè)環(huán)狀連接件；圓筒內(nèi)沿圓筒的長(zhǎng)度方向固裝 有導(dǎo)軌和齒條，圓筒的外側(cè)面沿圓筒的周向安裝有并列設(shè)置的兩個(gè)環(huán)狀連接件，減速電機(jī) 安裝在支座上，支座滑動(dòng)安裝在導(dǎo)軌上，減速電機(jī)的輸出端通過(guò)聯(lián)軸器與錐齒輪副中的一 個(gè)錐齒輪連接，錐齒輪副中的另一個(gè)錐齒輪安裝在支座上，所述錐齒輪副中的另一個(gè)錐齒 輪與輸出齒輪同軸設(shè)置并連接為一體，輸出齒輪與齒條嚙合；
[0009] 每個(gè)足部總成主要由足板組成，足板的與地面接觸的側(cè)面為雙曲面結(jié)構(gòu)，足板的 與地面接觸的側(cè)面在矢狀面的截面為第一曲線，足板的與地面接觸的側(cè)面在冠狀面的截面 為第二曲線，足板上加工有與腿足連接件連接的足臺(tái)；
[0010] 每個(gè)腿部總成包括髖腿連接件、直腿和腿足連接件，每個(gè)環(huán)狀連接件上套設(shè)有能 轉(zhuǎn)動(dòng)的髖腿連接件，直腿的上端與髖腿連接件連接，直腿的下端與腿足連接件連接。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是：
[0012] 為使被動(dòng)機(jī)器人在單腿支撐向前擺動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人在冠狀面內(nèi)保持平衡不摔 倒，且冠狀面?zhèn)葦[運(yùn)動(dòng)與矢狀面前后擺運(yùn)動(dòng)周期相吻合（矢狀面機(jī)器人擺動(dòng)腿落地時(shí)，冠 狀面機(jī)器人擺動(dòng)腿也剛好落地），本發(fā)明設(shè)計(jì)了足板底面在冠狀面及矢狀面截面都為特定 曲率曲線的雙曲面足部結(jié)構(gòu)。
[0013] 為解決現(xiàn)有的準(zhǔn)被動(dòng)三維機(jī)器人冠狀面?zhèn)葦[運(yùn)動(dòng)與矢狀面前后擺運(yùn)動(dòng)周期不能 精確吻合的問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了髖部振子，通過(guò)控制髖部振子擺動(dòng)來(lái)控制機(jī)器人側(cè)擺頻率， 從而使機(jī)器人側(cè)擺運(yùn)動(dòng)與前后擺運(yùn)動(dòng)周期吻合，步行穩(wěn)定。
[0014] 本發(fā)明能夠使三維準(zhǔn)被動(dòng)機(jī)器人保持冠狀面的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，達(dá)到穩(wěn)定的三維步行的 目的。同時(shí)使機(jī)器人充分利用自身的自然動(dòng)力學(xué)特性，使其步行過(guò)程步態(tài)自然，能耗低。本 發(fā)明的技術(shù)要點(diǎn)：1、足板的與地面接觸的側(cè)面在冠狀面及矢狀面截面上都為具有特定曲率 的曲線，曲率通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果獲得，整個(gè)足板的與地面接觸的側(cè)面呈雙曲面結(jié)構(gòu)。該結(jié) 構(gòu)使冠狀面?zhèn)葦[運(yùn)動(dòng)與矢狀面前后擺運(yùn)動(dòng)周期相吻合（矢狀面機(jī)器人擺動(dòng)腿落地時(shí)，冠狀 面機(jī)器人擺動(dòng)腿也剛好落地），它是準(zhǔn)被動(dòng)三維雙足步行機(jī)器人能夠完成穩(wěn)定三維步行的 先決條件；2、在髖部安裝了可在冠狀面往復(fù)擺動(dòng)的振子，通過(guò)控制振子往復(fù)擺動(dòng)頻率改變 機(jī)器人冠狀面運(yùn)動(dòng)頻率，從而使冠狀面及矢狀面運(yùn)動(dòng)周期嚴(yán)格吻合，達(dá)到穩(wěn)定三維步行的 目的。該髖部振子主要由減速電機(jī)和輸出齒輪等組成，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)輸出齒輪在齒條 上做往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整冠狀面運(yùn)動(dòng)周期的目的。髖部振子在導(dǎo)軌及齒條上整體作直線往 復(fù)運(yùn)動(dòng)。
[0015] 本發(fā)明涉及被動(dòng)機(jī)器人的關(guān)鍵機(jī)構(gòu)，包括雙曲面圓弧足，該機(jī)構(gòu)是三維被動(dòng)機(jī)器 人實(shí)現(xiàn)被動(dòng)三維步行的前提條件；髖部振子往復(fù)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)使三維被動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定 的三維步行。其主要包含的內(nèi)容有：1、雙曲面圓弧足結(jié)構(gòu)，足板的與地面接觸的側(cè)面在冠 狀面及矢狀面截面上都為具有特定曲率的曲線，整個(gè)足板的與地面接觸的側(cè)面呈雙曲面結(jié) 構(gòu)，被動(dòng)機(jī)器人步行時(shí)可沿著兩曲面分別實(shí)現(xiàn)冠狀面及矢狀面的運(yùn)動(dòng)，使被動(dòng)機(jī)器人在冠 狀面上不至于摔倒。2、髖部振子機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)被動(dòng)機(jī)器人在冠狀面的運(yùn)動(dòng)頻率，使 冠狀面運(yùn)動(dòng)周期與矢狀面運(yùn)動(dòng)周期相吻合，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定步行。
[0016] 本發(fā)明的具體優(yōu)點(diǎn)如下：
[0017] 本發(fā)明所述機(jī)器人能夠充分利用自身自然動(dòng)力學(xué)特性在斜坡上進(jìn)行三維步行，由 于步行過(guò)程中只對(duì)髖部振子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，髖關(guān)節(jié)為完全被動(dòng)關(guān)節(jié)，因此步行過(guò)程能耗低， 步態(tài)自然。
[0018] 本發(fā)明所述機(jī)器人對(duì)現(xiàn)有三維準(zhǔn)被動(dòng)機(jī)器人的足夠結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了足板 與地面接觸的側(cè)面在冠狀面及矢狀面的截面上都為特定曲率曲線的雙曲面圓弧足結(jié)構(gòu)，被 動(dòng)機(jī)器人步行時(shí)僅依靠自身的重力作用便可沿著兩條曲線在斜坡上分別實(shí)現(xiàn)冠狀面及矢 狀面的運(yùn)動(dòng)，使被動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)被動(dòng)的冠狀面及矢狀面運(yùn)動(dòng)。
[0019] 本發(fā)明所述機(jī)器人的髖部振子保證了機(jī)器人冠狀面與矢狀面運(yùn)動(dòng)周期精確吻合， 達(dá)到穩(wěn)定三維步行的目的?，F(xiàn)有的一些三維被動(dòng)機(jī)器人在髖關(guān)節(jié)處額外添加兩處冠狀面內(nèi) 自由度，并通過(guò)控制足部與地面接觸點(diǎn)來(lái)控制側(cè)向平衡。這樣機(jī)構(gòu)復(fù)雜度大大增加，系統(tǒng)可 靠程度下降。而本發(fā)明設(shè)計(jì)的髖部振子可以較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的三維步行。
【附圖說(shuō)明】
[0020] 圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)立體圖，圖2是圖1中的足部總成的立體圖，圖3是圖1 中髖部振子的立體圖，圖4是圖1中的髖部振子與髖部總成連接的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
【具體實(shí)施方式】 [0021] 一：結(jié)合圖1-圖4說(shuō)明，本實(shí)施方式的一種帶髖部振子準(zhǔn)被動(dòng)雙足 步行機(jī)器人系統(tǒng)包括髖部總成1、兩個(gè)腿部總成2和兩個(gè)足部總成3,髖部總成1和兩個(gè)足 部總成3之間各布置有一個(gè)腿部總成2 ;
[0022] 所述機(jī)器人系統(tǒng)還包括髖部振子4,髖部振子4包括減速電機(jī)4-1、支座4-2、錐齒 輪副4-3、聯(lián)軸器4-4和輸出齒輪4-5 ;
[0023] 髖郃總成1包括圓筒1-1、齒條1-2、導(dǎo)軌1_3和兩個(gè)環(huán)狀連接件1_4 ;圓筒1_1內(nèi) 沿圓筒1-1的長(zhǎng)度方向固裝有導(dǎo)軌1-3和齒條1-2,圓筒1-1的外側(cè)面沿圓筒1-1的周向安 裝有并列設(shè)置的兩個(gè)環(huán)狀連接件1-4,減速電機(jī)4-1安裝在支座4-2上，支座4-2滑動(dòng)安裝 在導(dǎo)軌1-3上，減速電機(jī)4-1的輸出端通過(guò)聯(lián)軸器4-4與錐齒輪副4-3中的一個(gè)錐齒輪連 接，錐齒輪副4-3中的另一個(gè)錐齒輪安裝在支座4-2上，所述錐齒輪副4-3中的另一個(gè)錐齒 輪與輸出齒輪4-5同軸設(shè)置并連接為一體，輸出齒輪4-5與齒條1-2嚙合；
[0024] 每個(gè)足部總成3主要由足板3-1組成，足板的與地面接觸的側(cè)面為雙曲面結(jié)構(gòu)，足 板3-1的與地面接觸的側(cè)面在矢狀面的截面為第一曲線3-3,足板3-1的與地面接觸的側(cè)面 在冠狀面的截面為第二曲線3-4,足板3-1上加工有與腿足連接件3-2連接的足臺(tái)3-2 ;
[0025] 每個(gè)腿部總成2包括髖腿連接件2-1、直腿2-2和腿足連接件2-3,每個(gè)環(huán)狀連接 件1-4上套設(shè)有能轉(zhuǎn)動(dòng)的髖腿連接件2-1，直腿2-2的上端與髖腿連接件2-1連接，直腿2-2 的下端與腿足連接件2-3連接。
[0026] 如圖1-4所示，足板的與地面接觸的側(cè)面為在冠狀面及矢狀面截面上有特定曲率 曲線的雙曲面結(jié)構(gòu)，曲率通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分