一种带髋部振子准被动双足步行机器人系统.pdf

一种带髋部振子准被动双足步行机器人系统，它涉及一种带髋部振子准被动双足步行机器人，以解决现有的主动机器人步态不自然、能耗高，以及现有三维被动机器人冠状面运动不稳定，系统的可靠程度差的问题，它包括髋部总成、两个腿部总成和两个足部总成，髋部总成和两个足部总成之间各布置有一个腿部总成；它还包括髋部振子，髋部振子包括减速机、支座、锥齿轮副、联轴器和齿轮轴；髋部总成包括圆筒、齿条、导轨和两个环状连接件；每个足部总成主要由足板组成；每个腿部总成包括髋腿连接件、直腿和腿足连接件，直腿的上端与髋腿连接件连接。本发明使准被动机器人实现斜坡上稳定的三维步行，同时具有步态自然，能耗低的特点。

权利要求书
1.  一种带髋部振子准被动双足步行机器人系统，所述机器人系统包括髋部总成(1)、两 个腿部总成(2)和两个足部总成(3)，髋部总成(1)和两个足部总成(3)之间各布置有一 个腿部总成(2)；其特征在于：所述机器人系统还包括髋部振子(4)，髋部振子(4)包括减 速电机(4-1)、支座(4-2)、锥齿轮副(4-3)、联轴器(4-4)和输出齿轮(4-5)；髋部总成 (1)包括圆筒(1-1)、齿条(1-2)、导轨(1-3)和两个环状连接件(1-4)；圆筒(1-1)内 沿圆筒(1-1)的长度方向固装有导轨(1-3)和齿条(1-2)，圆筒(1-1)的外侧面沿圆筒(1-1) 的周向安装有并列设置的两个环状连接件(1-4)，减速电机(4-1)安装在支座(4-2)上，支 座(4-2)滑动安装在导轨(1-3)上，减速电机(4-1)的输出端通过联轴器(4-4)与锥齿轮 副(4-3)中的一个锥齿轮连接，锥齿轮副(4-3)中的另一个锥齿轮安装在支座(4-2)上， 所述锥齿轮副(4-3)中的另一个锥齿轮与输出齿轮(4-5)同轴设置并连接为一体，输出齿 轮(4-5)与齿条(1-2)啮合；每个腿部总成(2)包括髋腿连接件(2-1)、直腿(2-2)和腿 足连接件(2-3)，每个环状连接件(1-4)上套设有能转动的髋腿连接件(2-1)，直腿(2-2) 的上端与髋腿连接件(2-1)连接，直腿(2-2)的下端与腿足连接件(2-3)连接；每个足部 总成(3)主要由足板(3-1)组成，足板(3-1)的与地面接触的侧面为双曲面结构，足板(3-1) 的与地面接触的侧面在矢状面的截面为第一曲线(3-3)，足板(3-1)的与地面接触的侧面在 冠状面的截面为第二曲线(3-4)，足板(3-1)上加工有与腿足连接件(2-3)连接的足台(3-2)。

2.  根据权利要求1所述的一种带髋部振子准被动双足步行机器人系统，其特征在于：环 状连接件(1-4)为螺纹套，环状连接件(1-4)旋拧在圆筒(1-1)的外侧面上。

3.  根据权利要求2所述的一种带髋部振子准被动双足步行机器人系统，其特征在于： 髋腿连接件(2-1)为轴承套，轴承套通过轴承转动安装在螺纹套的外侧面上。

4.  根据权利要求1、2或3所述的一种带髋部振子准被动双足步行机器人系统，其特征 在于：每个腿部总成(2)还包括两个调整块(2-4)，每条直腿(2-2)为长方体形，每条直 腿(2-2)的板面上竖向呈间距设置有两条长条孔(2-2-1)，两个调整块(2-4)布置在任意一 个长条孔(2-2-1)的两侧，两个调整块(2-4)通过穿过调整块(2-4)和长条孔(2-2-1)的 螺栓固定在直腿(2-2)上。

5.  根据权利要求4所述的一种带髋部振子准被动双足步行机器人系统，其特征在于：每 个足部总成(3)还包括加强筋(3-5)，足台(3-2)与足板(3-1)之间布置有与二者连接的 加强筋(3-5)。

6.  根据权利要求1或4所述的一种带髋部振子准被动双足步行机器人系统，其特征在于： 髋部总成(1)还包括固定件(1-5)，固定件(1-5)安装在圆筒(1-1)内，导轨(1-3)和齿 条(1-2)均安装在固定件(1-5)上。

说明书一种带髋部振子准被动双足步行机器人系统
技术领域
本发明涉及一种带髋部振子准被动双足步行机器人，属于机器人技术领域。
背景技术
被动双足步行机器人是双足步行机器人研究领域内的研究热点，它具有步态自然、能 耗低的特点。被动机器人是能够利用自身重力为步行提供能量从而获得稳定步行的步行机 器人，与传统的主动步行机器人相比有结构简单，步态自然、能耗低的特点。被动步行机 器人按是否有驱动关节可以分为：纯被动步行机器人与准被动步行机器人，准被动机器人 对某些关节进行了驱动因此能够在平地上行走；按是否有冠状面摆动运动分为：平面步行 机器人及三维步行机器人。
现有的三维被动双足步行机器人一般通过采用特殊结构的足部来保持机器人在冠状面 的运动平衡。这种方式最大的缺点在于，它需要通过反复试验来改善足部结构及机器人各 部分参数才可能保持侧面运动的平衡，且稳定性较差。也有少数机器人通过在髋关节两腿 处分别增加一个侧向摆动的自由度，并通过控制足地接触位置来改善机器人侧向平衡。这 种方式增加了两个腿部自由度，增加了机构复杂度，增加了机器人总重量，因此降低了系 统的可靠程度。
发明内容
本发明是为解决现有的主动机器人步态不自然、能耗高，以及现有三维被动机器人冠 状面运动不稳定，系统的可靠程度差的问题，进而提供一种带髋部振子准被动双足步行机 器人系统。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：
一种带髋部振子准被动双足步行机器人系统包括髋部总成、两个腿部总成和两个足部 总成，髋部总成和两个足部总成之间各布置有一个腿部总成；
所述机器人系统还包括髋部振子，髋部振子包括减速电机、支座、锥齿轮副、联轴器 和输出齿轮；
髋部总成包括圆筒、齿条、导轨和两个环状连接件；圆筒内沿圆筒的长度方向固装有 导轨和齿条，圆筒的外侧面沿圆筒的周向安装有并列设置的两个环状连接件，减速电机安 装在支座上，支座滑动安装在导轨上，减速电机的输出端通过联轴器与锥齿轮副中的一个 锥齿轮连接，锥齿轮副中的另一个锥齿轮安装在支座上，所述锥齿轮副中的另一个锥齿轮 与输出齿轮同轴设置并连接为一体，输出齿轮与齿条啮合；
每个足部总成主要由足板组成，足板的与地面接触的侧面为双曲面结构，足板的与地 面接触的侧面在矢状面的截面为第一曲线，足板的与地面接触的侧面在冠状面的截面为第 二曲线，足板上加工有与腿足连接件连接的足台；
每个腿部总成包括髋腿连接件、直腿和腿足连接件，每个环状连接件上套设有能转动的 髋腿连接件，直腿的上端与髋腿连接件连接，直腿的下端与腿足连接件连接。
本发明的有益效果是：
为使被动机器人在单腿支撑向前摆动过程中，机器人在冠状面内保持平衡不摔倒，且冠 状面侧摆运动与矢状面前后摆运动周期相吻合(矢状面机器人摆动腿落地时，冠状面机器 人摆动腿也刚好落地)，本发明设计了足板底面在冠状面及矢状面截面都为特定曲率曲线的 双曲面足部结构。
为解决现有的准被动三维机器人冠状面侧摆运动与矢状面前后摆运动周期不能精确吻 合的问题，本发明设计了髋部振子，通过控制髋部振子摆动来控制机器人侧摆频率，从而 使机器人侧摆运动与前后摆运动周期吻合，步行稳定。
本发明能够使三维准被动机器人保持冠状面的稳定运动，达到稳定的三维步行的目的。 同时使机器人充分利用自身的自然动力学特性，使其步行过程步态自然，能耗低。本发明 的技术要点：1、足板的与地面接触的侧面在冠状面及矢状面截面上都为具有特定曲率的曲 线，曲率通过计算机仿真结果获得，整个足板的与地面接触的侧面呈双曲面结构。该结构 使冠状面侧摆运动与矢状面前后摆运动周期相吻合(矢状面机器人摆动腿落地时，冠状面 机器人摆动腿也刚好落地)，它是准被动三维双足步行机器人能够完成稳定三维步行的先决 条件；2、在髋部安装了可在冠状面往复摆动的振子，通过控制振子往复摆动频率改变机 器人冠状面运动频率，从而使冠状面及矢状面运动周期严格吻合，达到稳定三维步行的目 的。该髋部振子主要由减速电机和输出齿轮等组成，通过电机转动带动输出齿轮在齿条上 做往复运动来实现调整冠状面运动周期的目的。髋部振子在导轨及齿条上整体作直线往复 运动。
本发明涉及被动机器人的关键机构，包括双曲面圆弧足，该机构是三维被动机器人实 现被动三维步行的前提条件；髋部振子往复机构，该机构使三维被动机器人实现稳定的三 维步行。其主要包含的内容有：1、双曲面圆弧足结构，足板的与地面接触的侧面在冠状面 及矢状面截面上都为具有特定曲率的曲线，整个足板的与地面接触的侧面呈双曲面结构， 被动机器人步行时可沿着两曲面分别实现冠状面及矢状面的运动，使被动机器人在冠状面 上不至于摔倒。2、髋部振子机构，该机构可以调节被动机器人在冠状面的运动频率，使冠 状面运动周期与矢状面运动周期相吻合，从而实现稳定步行。
本发明的具体优点如下：
本发明所述机器人能够充分利用自身自然动力学特性在斜坡上进行三维步行，由于步 行过程中只对髋部振子进行驱动控制，髋关节为完全被动关节，因此步行过程能耗低，步 态自然。
本发明所述机器人对现有三维准被动机器人的足够结构进行了改进，设计了足板与地 面接触的侧面在冠状面及矢状面的截面上都为特定曲率曲线的双曲面圆弧足结构，被动机 器人步行时仅依靠自身的重力作用便可沿着两条曲线在斜坡上分别实现冠状面及矢状面的 运动，使被动机器人实现被动的冠状面及矢状面运动。
本发明所述机器人的髋部振子保证了机器人冠状面与矢状面运动周期精确吻合，达到 稳定三维步行的目的。现有的一些三维被动机器人在髋关节处额外添加两处冠状面内自由 度，并通过控制足部与地面接触点来控制侧向平衡。这样机构复杂度大大增加，系统可靠 程度下降。而本发明设计的髋部振子可以较简单的结构下实现稳定的三维步行。
附图说明
图1是本发明的整体结构立体图，图2是图1中的足部总成的立体图，图3是图1中髋部振 子的立体图，图4是图1中的髋部振子与髋部总成连接的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图4说明，本实施方式的一种带髋部振子准被动双足步行机 器人系统包括髋部总成1、两个腿部总成2和两个足部总成3，髋部总成1和两个足部总成3之 间各布置有一个腿部总成2；
所述机器人系统还包括髋部振子4，髋部振子4包括减速电机4-1、支座4-2、锥齿轮副 4-3、联轴器4-4和输出齿轮4-5；
髋部总成1包括圆筒1-1、齿条1-2、导轨1-3和两个环状连接件1-4；圆筒1-1内沿圆筒 1-1的长度方向固装有导轨1-3和齿条1-2，圆筒1-1的外侧面沿圆筒1-1的周向安装有并列设 置的两个环状连接件1-4，减速电机4-1安装在支座4-2上，支座4-2滑动安装在导轨1-3上， 减速电机4-1的输出端通过联轴器4-4与锥齿轮副4-3中的一个锥齿轮连接，锥齿轮副4-3中 的另一个锥齿轮安装在支座4-2上，所述锥齿轮副4-3中的另一个锥齿轮与输出齿轮4-5同轴 设置并连接为一体，输出齿轮4-5与齿条1-2啮合；
每个足部总成3主要由足板3-1组成，足板的与地面接触的侧面为双曲面结构，足板3-1 的与地面接触的侧面在矢状面的截面为第一曲线3-3，足板3-1的与地面接触的侧面在冠状 面的截面为第二曲线3-4，足板3-1上加工有与腿足连接件3-2连接的足台3-2；
每个腿部总成2包括髋腿连接件2-1、直腿2-2和腿足连接件2-3，每个环状连接件1-4 上套设有能转动的髋腿连接件2-1，直腿2-2的上端与髋腿连接件2-1连接，直腿2-2的下 端与腿足连接件2-3连接。
如图1-4所示，足板的与地面接触的侧面为在冠状面及矢状面截面上有特定曲率曲线的 双曲面结构，曲率通过计算机仿真分析计算获得。其中矢状面足部曲线使被动机器人整体 随支撑腿向前摆动，圆弧足结构可以增加被动机器人在矢状面运动的稳定性。冠状面足部 曲线使被动机器人整体随支撑腿侧向摆动。被动机器人单腿支撑时，机器人重心在冠状面 截面上将落在支撑足的外面，此时机器人有向支撑足反向摔倒的趋势(如支撑足为左足， 则机器人有向右摔倒的趋势)。而足板的与地面接触的侧面在冠状面截面采用如图2所示的 曲线作为圆弧足曲线可以给被动机器人一个支撑足向的摆动趋势，从而抵消机器人向支撑 足反向摔倒的趋势，进而保持被动机器人侧向稳定性。这种由足部结构提供的支撑足向的 摆动趋势是被动机器人保持侧向平衡的前提条件，提高了被动机器人侧向平衡的可控性。 同时，足部做成薄壁状，并添加加强筋，这样在显著减轻质量的同时也保证了足部的支撑 强度，提高了机器人的步行稳定性。
髋部振子的作用是调节被动机器人在冠状面的往复侧摆运动，使其呈现出一定的周期 性运动规律且一个往复运动周期恰好等于机器人在矢状面前后摆动的一个摆动周期。这样 被动机器人在矢状面摆动腿的足部碰地时，冠状面中支撑腿足部也恰好碰地，进而呈现出 有规律的周期性往复运动，即极限环运动。如图3及4所示，振子主要由减速电机、锥齿 轮副、支座和齿轮轴组成。本发明选择齿轮齿条作为振子的传动方式，并将电机与齿条平 行放置。电机平行于齿条放置可显著减小髋部直径尺寸，进而减小整机尺寸，降低机器人 重量。通过电机转动并带动输出齿轮在齿条上运动，振子可以通过滑块在直线导轨上根据 需要做往复运动，这样可以调节机器人整体在冠状面上的重心位置，进而改变机器人在冠 状面的运动规律。通过对振子位置进行控制，就可以实现机器人冠状面的目标运动规律， 从而达到稳定三维步行的目的。
具体实施方式二：结合图1和图4说明，本实施方式的环状连接件1-4为螺纹套，螺纹套 1-4旋拧在圆筒1-1的外侧面上。如此设置，螺纹套使腿部总成实现在髋部的周向固定。其 它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1和图4说明，本实施方式的髋腿连接件2-1为轴承套，轴承套 通过轴承转动安装在螺纹套的外侧面上。如此设置，直腿摆动时可围绕轴承套旋转，有利 于直腿摆动，使其更充分发挥被动性能。其它与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：结合图1说明，本实施方式的每个腿部总成2还包括两个调整块2-4， 每条直腿2-2为长方体形，每条直腿2-2的板面上竖向呈间距设置有两条长条孔2-2-1，两个 调整块2-4布置在任意一个长条孔2-2-1的两侧，两个调整块2-4通过穿过调整块2-4和长条 孔2-2-1的螺栓固定在直腿2-2上。如此设置，有利于调整直腿行走时的重心，满足实际不 同斜面坡度下的行走需要。其它与具体实施方式一、二或三相同。
具体实施方式五：结合图1说明，本实施方式的每个足部总成3还包括加强筋3-5，足 台3-2与足板3-1之间布置有与二者连接的加强筋3-5。本实施方式的足板可采用薄壁状足 板，并添加加强筋，这样在显著减轻质量的同时也保证了足部的支撑强度，提高了机器人 的步行稳定性。其它与具体实施方式四相同。
具体实施方式五：结合图1和图4说明，本实施方式的髋部总成1还包括固定件1-5，固 定件1-5安装在圆筒1-1内，导轨1-3和齿条1-2均安装在固定件1-5上。导轨和齿条固定可靠。 其它与具体实施方式一或四相同。
针对本发明再进行如下阐述：
本发明中涉及的三维准被动机器人步行过程中对振子所采用的控制方式为PD控制，通过 控制振子上电机的输入力矩实现振子的目标位置控制，通过振子的目标位置控制进而实现 机器人整体冠状面目标往复运动的控制。机器人冠状面目标往复运动规律及振子期望往复 运动规律由公式(1)给出，对振子的PD控制由公式(2)给出：
α d = ψ 0 sin ( ( 2 π / T 0 ) t ) s O d = A 0 sin ( ( 2 π / T 0 ) t ) - - - ( 1 ) ]]>
F = K Pα ( α d - α ) + K Dα ( α · d - α · ) + K PsO ( s O d - s O ) + K DsO ( s · O d - s · O ) - - - ( 2 ) ]]>
其中：αd——机器人目标侧向摆动角度；
——振子目标位移；
ψ0——机器人目标侧向摆动角度幅值；
A0——振子目标往复运动幅值；
T0——机器人半个步行周期；
KPα,KPsO——比例控制系数；
KDα,KDsO——微分控制系数。
通过调节比例控制系数KPα,KPsO及微分控制系数KDα,KDsO的值就可调节对振子的目 标输入力矩F，进而实现公式(1)中的期望往复运动规律。
整个三维准被动双足步行机器人的运动过程如下：摆动腿碰地后变为支撑腿，机器人 沿着支撑腿足部与地面接触点在矢状面向前运动。同时通过控制调节髋部振子的运动来实 现机器人冠状面的期望往复运动规律，使机器人沿着支撑腿足部与地面接触点在冠状面左 右摆动。摆动腿足部在矢状面与地面碰撞时，其足部在冠状面也恰好与地面碰撞。此时， 摆动腿变为新的支撑腿，原支撑腿变为新的摆动腿，半个周期步行完成。被动机器人以碰 地后的参数值作为下半个周期的初始参数值进行步行，进而实现周期性的稳定步行。