一种平衡性能稳定的机器人的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种平衡性能稳定的机器人，其包括设置在铁板上的躯壳、分别铰接在躯壳下端两侧的左腿驱动装置与右腿驱动装置、铰接在左腿驱动装置下端的左脚驱动装置、铰接在右腿驱动装置下端的右脚驱动装置以及电气控制单元，左腿驱动装置与右腿驱动装置的结构相同，左腿驱动装置与右腿驱动装置相对于躯壳中心线对称设置，右脚驱动装置与左脚驱动装置的结构相同，右脚驱动装置与左脚驱动装置相对于躯壳中心线对称设置；本实用新型结构紧凑，设计合理，可以实现负重工作，适合大规模推广。
【专利说明】
一种平衡性能稳定的机器人
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种平衡性能稳定的机器人，具体涉及一种能够在铁板铺设的道路上行走的人形机器人。
【背景技术】
[0002]人形机器人广泛采用的是自平衡技术来实现运动能力，用金属部件构建机器人的人形结构，通过控制电机实现人体关节功能，在控制电机和在人形机器人身体内部安装速度、位置、加速度、角度等各类传感器，通过传感器信息分析来控制机器人的动作状态，通过控制电机调整保持肢体平衡，避免摔倒的情况下实现行走、摆臂、下蹲、转身等各种动作。然而其具有以下缺点:首先是机器人成本居高不下，要实现自平衡行走，保证机器人有一个稳定的动作状态，避免人形机器人在运动过程中摔倒，必须具备完善的传感器感知系统，传感器响应时间、数据精度要求较高，要求机器人各部驱动电机具有较高的控制精度与响应速度，同时自平衡机器人数据处理逻辑关系复杂，多项原因使得人形机器人成本高昂；自平衡机器人对于自身材料要求高，为了减少机器人各部肢体重心移动对于平衡的影响，避免机器人运动过程中摔倒，要求机器人必须减轻各部重量，对于材料、部件的选择更为苛刻；因为人形机器人无稳定、可靠、持续的平衡力量，必须限制人形机器人的身高，较低的重心提升了机器人的稳定性，同时造成人形机器人与真人之间存在较大的身高差异限，限制人形机器人的应用场所与环境;市场多数人形机器人仅用于简单的语言和人类交流，能够从事一定的舞蹈动作，但多数人形机器不具备负重工作的能力。
【实用新型内容】
[0003]本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构合理且平衡性能稳定的机器人。
[0004]为解决上述问题，本实用新型所采取的技术方案是:
[0005]—种平衡性能稳定的机器人，包括设置在铁板上方的躯壳、分别铰接在躯壳下端两侧的左腿驱动装置与右腿驱动装置、铰接在左腿驱动装置下端的左脚驱动装置、铰接在右腿驱动装置下端的右脚驱动装置以及电气控制单元，左腿驱动装置与右腿驱动装置的结构相同，左腿驱动装置与右腿驱动装置相对于躯壳中心线对称设置，右脚驱动装置与左脚驱动装置的结构相同，右脚驱动装置与左脚驱动装置相对于躯壳中心线对称设置;左脚驱动装置包括设置在铁板上方且与左腿驱动装置铰接的左脚架以及设置在左脚架上的左脚电磁铁，左脚电磁铁与铁板的上表面相对应;右脚驱动装置包括设置在铁板上方且与右腿驱动装置铰接的右脚架以及设置在右脚架上的右脚电磁铁，右脚电磁铁与铁板的上表面相对应;左腿驱动装置包括至少两个模仿人体腿部关节的控制电机以及设置在控制电机之间模仿人体的腿骨连机架；电气控制单元包括设置在躯壳内的电机控制器与逻辑控制主板、用于检查左脚电磁铁与铁板的上表面接触的左检测模块以及用于检查右脚电磁铁与铁板的上表面接触的右检测模块，左检测模块与右检测模块分别将各自采集的电信号传递给逻辑控制主板，逻辑控制主板通过电机控制器控制相应的控制电机主轴转动，逻辑控制主板分别控制左脚电磁铁的线圈和/或右脚电磁铁的线圈通断电。
[0006]进一步，所述左检测模块包括设置在左脚电磁铁一侧的左前趾尖接触元件与设置在左脚电磁铁另一侧的左后脚跟接触元件或设置在左脚电磁铁一侧的左前趾尖接触元件与用于检查左脚电磁铁水平的左水平仪元件;所述右检测模块包括设置在右脚电磁铁一侧的右前趾尖接触元件与设置在右脚电磁铁另一侧的右后脚跟接触元件或设置在右脚电磁铁一侧的右前趾尖接触元件与用于检查右脚电磁铁水平的右水平仪元件。
[0007]进一步，还包括铰接在躯壳上端一侧的左臂驱动装置、铰接设置在躯壳上端另一侧的右臂驱动装置和/或铰接设置在躯壳上端的头部驱动装置。
[0008]进一步，左腿驱动装置包括带动左脚电磁铁前后摆动的左跖趾关节电机、左脚连接架、带动左脚连接架摆动的左脚踝关节电机、左小腿连接架、带动左小腿连接架前后摆动的左膝关节前后摆动电机、左大腿连接架、带动左大腿连接架前后摆动的左髋关节摆动电机、髋骨上连接架、左腿转轴、左腿联轴器以及固定设置在躯壳左下端的左髋关节转动电机;左脚架与左妬祉关节电机的电机轴铰接，左妬祉关节电机的壳体与左脚连接架固定连接，左脚连接架与左脚踝关节电机的壳体固定连接，左脚踝关节电机的电机轴与左小腿连接架铰接，左小腿连接架与左膝关节前后摆动电机的壳体固定连接，左膝关节前后摆动电机的电机轴与左大腿连接架铰接，左大腿连接架与左髋关节摆动电机的壳体固定连接，左髋关节摆动电机的电机轴与髋骨上连接架铰接，髋骨上连接架通过左腿转轴与左腿联轴器传动连接，左腿联轴器与左髋关节转动电机连接。
[0009]进一步，左腿驱动装置包括带动左脚电磁铁前后摆动的左跖趾关节电机、左脚连接架、带动左脚连接架摆动的左脚踝关节电机、左小腿连接架、左膝盖侧摆连接架、带动左膝盖侧摆连接架左右摆动的左膝关节左右摆动电机、左膝关节转动连接架、左膝转动关节电机、带动左膝盖侧摆连接架前后摆动的左膝关节前后摆动电机、左大腿连接架、带动左大腿连接架前后摆动的左髋关节摆动电机、髋骨上连接架、左腿转轴、左腿联轴器以及固定设置在躯壳左下端的左髓关节转动电机;左脚架与左妬I?止关节电机的电机轴I父接，左妬I?止关节电机的壳体与左脚连接架固定连接，左脚连接架与左脚踝关节电机的壳体固定连接，左脚踝关节电机的电机轴与左小腿连接架铰接，左小腿连接架与左膝转动关节电机的壳体固定连接，左膝转动关节电机的电机轴与左膝关节转动连接架转动连接，左膝关节转动连接架与左膝关节前后摆动电机的壳体固定连接，左膝关节前后摆动电机的电机轴与左大腿连接架铰接，左大腿连接架与左膝关节左右摆动电机壳体固定连接，左膝关节左右摆动电机的电机轴与左膝盖侧摆连接架铰接，左膝盖侧摆连接架与左髋关节摆动电机的壳体固定连接，左髋关节摆动电机的电机轴与髋骨上连接架铰接，髋骨上连接架通过左腿转轴与左腿联轴器传动连接，左腿联轴器与左髋关节转动电机连接。
[0010]进一步，左臂驱动装置包括左手指关节电机、左手掌连接架、左腕关节电机、左小臂连接架、左肘关节电机、左大臂连接架、左肩关节摆动电机、左肩胛骨连接架、左肩转轴、左臂联轴器以及固定设置在躯壳上的左臂关节转动电机，
[0011]左手指关节电机的电机轴与左手掌连接架铰接，左手掌连接架与左腕关节电机的壳体固定连接，左腕关节电机的电机轴与左小臂连接架铰接，左小臂连接架与左肘关节电机的壳体固定连接，左肘关节电机的电机轴与左大臂连接架铰接，左大臂连接架与左肩关节摆动电机的壳体固定连接，左肩关节摆动电机的电机轴与左肩胛骨连接架铰接，左肩胛骨连接架通过左肩转轴与左臂联轴器传动连接，左臂联轴器与左臂关节转动电机连接;右臂驱动装置与左臂驱动装置的结构相同，右臂驱动装置与左臂驱动装置相对于躯壳中心线对称设置。
[0012]进一步，上端头部驱动装置包括壳体固定设置在躯壳上的头部转动电机。
[0013]进一步，所述电气控制单元还包括设置在躯壳上的人机交互界面、无线通讯模块以及动力电源;动力电源用于提供电源，逻辑控制主板将信号传送到人机交互界面，无线通讯模块将电信号传递给逻辑控制主板，逻辑控制主板通过电机控制器控制左跖趾关节电机、左脚踩关节电机、左膝关节左右摆动电机、左膝转动关节电机、左膝关节如后摆动电机、左髋关节摆动电机、左髋关节转动电机、左手指关节电机、左腕关节电机、左肘关节电机、左肩关节摆动电机、左臂关节转动电机、头部转动电机、右臂驱动装置相应的控制电机和/或右脚驱动装置相应的控制电机的转动。
[0014]进一步，所述电气控制单元还包括传感器控制模块，传感器控制模块为陀螺仪和/或角度检测传感器和/或倾斜角度检测传感器和/或多轴重力加速度传感器和/或颜色检测传感器和/或红外线传感器，传感器控制模块与逻辑控制主板电连接，所述传感器控制模块设置在左脚驱动装置、左腿驱动装置、左臂驱动装置、右脚驱动装置、右腿驱动装置、右臂驱动装置、躯壳和/或头部驱动装置上。
[0015]进一步，左小腿连接架、左大腿连接架、左手掌连接架、左小臂连接架以及左大臂连接架的结构相同，左手掌连接架包括铰接电机架、与铰接电机架连接的中间架以及设置在中间架另一端的固定电机架，在铰接电机架上设置有带键槽通孔，左手指关节电机的电机轴设置在带键槽通孔内并通过键连接，固定电机架与左腕关节电机的壳体固定连接。
[0016]作为优选，逻辑控制主板为AVR、STM32或Atmel微处理器为核心的集成电路板，可选用树莓派、arduino、AVR等集成系统环境，
[0017]采用上述技术方案所产生的有益效果在于:
[0018]本实用新型通过以改变保持吸力的仿生下肢髋关节、膝关节、跖趾关节和踝关节位置角度为出发，由逻辑控制主板发出指令，相应的控制电机以I个及以上动作角度进行细微调节，使得躯干壳体做出向上、下、前倾、后倾、左转、右转等轻微动作、带动处于新的目标位置断电情况下的电磁铁做出姿态调整，直至断电情况下的电磁铁与行走路面之间达到预设距离并保证通电后能够形成面接触。
[0019]在本实用新型中，调整非吸力保持的仿生下肢髋关节、膝关节、跖趾关节和踝关节位置角度为出发，由逻辑控制主板发出指令，相应的控制电机以I个及以上动作角度进行细微调节，做出仿生的抬脚尖、压脚尖、抬脚、落脚等动作，直至断电情况下的电磁铁与行走路面之间达到预设距离并保证通电后能够形成面接触。
[0020]在本实用新型中，保持吸力的仿生下肢与非吸力保持的仿生下肢各关节可同时调整，由逻辑控制主板发出指令，相应的控制电机以I个及以上动作角度进行细微调节，直至断电情况下的电磁铁与行走路面之间达到预设距离并保证通电后能够形成面接触。通过各个控制电机使得非通电磁铁及安装成一体的接触元件向前或后移动，仿生为单腿迈步动作。连接架可扩展安装为增加人形机器人自由度的控制电机，能够提供运动特征传感器或位置特征传感器安装位置，图4中左膝关节左右摆动电机、左膝关节转动连接架以及左膝转动关节电机，增加了左腿的自由度，调整人形机器在行走过程中防止侧向外力摔倒，设计更加合理。电机控制器可以向各个控制电机发出电机轴旋转方向和角度或时间或速度指令。
[0021]其中本实用新型的各个接触元件向逻辑控制主板发送对应电磁铁与人形机器人行走的路面之间靠近时产生的开关量或压力信号或磁感应信号，要求处于触发状态接触元件不能阻碍电磁铁与行走道路间的距离接触，在非潮湿环境下可选择微动开关。
[0022]其中本实用新型的各个连接架可选择铝、工程塑料等材质，连接架与控制电机轴之间可加装轴承或杯式轴承减少摩擦阻力，对于易造成控制电机堵转的部位可以加装弹性垫片。
[0023]其中本实用新型的逻辑控制主板被配制向电机控制器发送动作指令，电机控制器能够独立进行控制电机操作，控制电机间不相互干扰，通过安装在左下肢、右下肢、左上肢、右上肢、躯干、头部六部分的控制电机实现人形机器人的协同动作，逻辑控制主板以不同动作阶段向电机控制器分别发送动作指令，分步达到人形机器人行走目的。
[0024]其中本实用新型的无线通讯模块可为蓝牙、W1-F1、无线数据通信、GSM/GPRS模块等，无线通讯模块与逻辑控制主板连接，人形机器人操作员根据需要通过无线或有线向逻辑主板发送预先设定的指令代码，实现人形机器人远方操控。
[0025]其中本实用新型的动力电源提供来自外部功率源或电池或蓄能器的能量。
【附图说明】
[0026]图1是本实用新型的结构示意图。
[0027]图2是本实用新型的主视结构不意图。
[0028]图3是本实用新型的立体结构示意图。
[0029]图4是本实用新型改进的结构示意图。
[0030]图5是本实用新型改进的立体结构示意图。
[0031 ]图6是本实用新型左肩转轴的主视结构示意图。
[0032]图7是本实用新型左肩转轴的结构示意图。
[0033]图8是本实用新型左小腿连接架的结构示意图。
[0034]图9是本实用新型左肩胛骨连接架的结构示意图。
[0035]图10是本实用新型的电路结构框图。
[0036]其中:1、左脚驱动装置;2、左腿驱动装置;3、左臂驱动装置;4、右脚驱动装置;5、右腿驱动装置;6、右臂驱动装置;7、躯壳;8、头部驱动装置;9、左前趾尖接触元件；10、左后脚跟接触兀件；11、左脚电磁铁；12、左脚架；13、左妬止关节电机；14、左脚连接架；15、左脚踩关节电机；16、左小腿连接架；17、左膝关节如后摆动电机；18、左大腿连接架；19、左髓关节摆动电机;21、髋骨上连接架；22、左腿转轴；23、左腿联轴器;24、左髋关节转动电机;25、左手指关节电机;26、左手掌连接架;27、左腕关节电机;28、左小臂连接架;29、左財关节电机；30、左大臂连接架;31、左肩关节摆动电机;32、左肩胛骨连接架;33、左肩转轴;34、左臂联轴器;35、左臂关节转动电机;36、头部转动电机;37、电机控制器;38、人机交互界面;39、无线通讯模块;40、动力电源;41、逻辑控制主板;42、传感器控制模块;43、左膝盖侧摆连接架；44、左膝关节左右摆动电机;45、左膝关节转动连接架;46、左膝转动关节电机;47、转动轴；48、旋转连接法兰;49、固定法兰架;50、内通孔;51、传动轴;52、固定电机架;53、中间架;54、铰接电机架；55、带键槽通孔;56、右前趾尖接触元件；57、右后脚跟接触元件；58、右脚电磁铁。
【具体实施方式】
[0037]如图1-10所示，本实用新型包括设置在铁板上方的躯壳7、分别铰接在躯壳7下端两侧的左腿驱动装置2与右腿驱动装置5、铰接在左腿驱动装置2下端的左脚驱动装置1、铰接在右腿驱动装置5下端的右脚驱动装置4以及电气控制单元，左腿驱动装置2与右腿驱动装置5的结构相同，左腿驱动装置2与右腿驱动装置5相对于躯壳7中心线对称设置，右脚驱动装置4与左脚驱动装置I的结构相同，右脚驱动装置4与左脚驱动装置I相对于躯壳7中心线对称设置；
[0038]左脚驱动装置I包括设置在铁板上方且与左腿驱动装置2铰接的左脚架12以及设置在左脚架12上的左脚电磁铁11，左脚电磁铁11与铁板的上表面相对应；
[0039]右脚驱动装置4包括设置在铁板上方且与右腿驱动装置5铰接的右脚架以及设置在右脚架上的右脚电磁铁58，右脚电磁铁58与铁板的上表面相对应;作为本实用新型的结构变形，左脚架12与左脚电磁铁11可以是一体的，右脚架与右脚电磁铁58可以是一体的；
[0040]左腿驱动装置2包括至少两个模仿人体腿部关节的控制电机以及设置在控制电机之间模仿人体的腿骨连机架；
[0041]电气控制单元包括设置在躯壳7内的电机控制器37与逻辑控制主板41、用于检查左脚电磁铁11与铁板的上表面接触的左检测模块以及用于检查右脚电磁铁58与铁板的上表面接触的右检测模块，左检测模块与右检测模块分别将各自采集的电信号传递给逻辑控制主板41，逻辑控制主板41通过电机控制器37控制相应的控制电机主轴转动，逻辑控制主板41分别控制左脚电磁铁11的线圈和/或右脚电磁铁58的线圈通断电。
[0042]进一步，左检测模块包括设置在左脚电磁铁11一侧的左前趾尖接触元件9与设置在左脚电磁铁11另一侧的左后脚跟接触元件1或设置在左脚电磁铁11 一侧的左前趾尖接触元件9与用于检查左脚电磁铁11水平的左水平仪元件；
[0043]右检测模块包括设置在右脚电磁铁58—侧的右前趾尖接触元件56以及设置在右脚电磁铁58另一侧的右后脚跟接触元件57或设置在右脚电磁铁58—侧的右前趾尖接触元件56与用于检查右脚电磁铁58水平的右水平仪元件。
[0044]进一步，还包括铰接在躯壳7上端一侧的左臂驱动装置3、铰接设置在躯壳7上端另一侧的右臂驱动装置6和/或铰接设置在躯壳7上端的头部驱动装置8。
[0045]进一步，左腿驱动装置2包括带动左脚电磁铁11前后摆动的左跖趾关节电机13、左脚连接架14、带动左脚连接架14摆动的左脚踝关节电机15、左小腿连接架16、带动左小腿连接架16前后摆动的左膝关节前后摆动电机17、左大腿连接架18、带动左大腿连接架18前后摆动的左髋关节摆动电机19、髋骨上连接架21、左腿转轴22、左腿联轴器23以及固定设置在躯壳7左下端的左髋关节转动电机24;
[0046]左脚架12与左跖趾关节电机13的电机轴铰接，左跖趾关节电机13的壳体与左脚连接架14固定连接，左脚连接架14与左脚踝关节电机15的壳体固定连接，左脚踝关节电机15的电机轴与左小腿连接架16铰接，左小腿连接架16与左膝关节前后摆动电机17的壳体固定连接，左膝关节前后摆动电机17的电机轴与左大腿连接架18铰接，左大腿连接架18与左髋关节摆动电机19的壳体固定连接，左髋关节摆动电机19的电机轴与髋骨上连接架21铰接，髋骨上连接架21通过左腿转轴22与左腿联轴器23传动连接，左腿联轴器23与左髋关节转动电机24连接。
[0047]进一步，左腿驱动装置2包括带动左脚电磁铁11前后摆动的左跖趾关节电机13、左脚连接架14、带动左脚连接架14摆动的左脚踝关节电机15、左小腿连接架16、左膝盖侧摆连接架43、带动左膝盖侧摆连接架43左右摆动的左膝关节左右摆动电机44、左膝关节转动连接架45、左膝转动关节电机46、带动左膝盖侧摆连接架43前后摆动的左膝关节前后摆动电机17、左大腿连接架18、带动左大腿连接架18前后摆动的左髋关节摆动电机19、髋骨上连接架21、左腿转轴22、左腿联轴器23以及固定设置在躯壳7左下端的左髋关节转动电机24;
[0048]左脚架12与左跖趾关节电机13的电机轴铰接，左跖趾关节电机13的壳体与左脚连接架14固定连接，左脚连接架14与左脚踝关节电机15的壳体固定连接，左脚踝关节电机15的电机轴与左小腿连接架16铰接，左小腿连接架16与左膝转动关节电机46的壳体固定连接，左膝转动关节电机46的电机轴与左膝关节转动连接架45转动连接，左膝关节转动连接架45与左膝关节前后摆动电机17的壳体固定连接，左膝关节前后摆动电机17的电机轴与左大腿连接架18铰接，左大腿连接架18与左膝关节左右摆动电机44壳体固定连接，左膝关节左右摆动电机44的电机轴与左膝盖侧摆连接架43铰接，左膝盖侧摆连接架43与左髋关节摆动电机19的壳体固定连接，左髋关节摆动电机19的电机轴与髋骨上连接架21铰接，髋骨上连接架21通过左腿转轴22与左腿联轴器23传动连接，左腿联轴器23与左髋关节转动电机24连接。
[0049]进一步，左臂驱动装置3包括左手指关节电机25、左手掌连接架26、左腕关节电机27、左小臂连接架28、左肘关节电机29、左大臂连接架30、左肩关节摆动电机31、左肩胛骨连接架32、左肩转轴33、左臂联轴器34以及固定设置在躯壳7上的左臂关节转动电机35，
[0050]左手指关节电机25的电机轴与左手掌连接架26铰接，左手掌连接架26与左腕关节电机27的壳体固定连接，左腕关节电机27的电机轴与左小臂连接架28铰接，左小臂连接架28与左肘关节电机29的壳体固定连接，左肘关节电机29的电机轴与左大臂连接架30铰接，左大臂连接架30与左肩关节摆动电机31的壳体固定连接，左肩关节摆动电机31的电机轴与左肩胛骨连接架32铰接，左肩胛骨连接架32通过左肩转轴33与左臂联轴器34传动连接，左臂联轴器34与左臂关节转动电机35连接;右臂驱动装置6与左臂驱动装置3的结构相同，右臂驱动装置6与左臂驱动装置3相对于躯壳7中心线对称设置。左肩转轴33与左腿转轴22的结构相同，左肩胛骨连接架32通过左肩转轴33与左躯壳7转动连接；
[0051 ]进一步，上端头部驱动装置8包括壳体固定设置在躯壳7上的头部转动电机36。
[0052]进一步，电气控制单元还包括设置在躯壳7上的人机交互界面38、无线通讯模块39以及动力电源40;动力电源40用于提供电源，逻辑控制主板41将信号传送到人机交互界面38，无线通讯模块39将电信号传递给逻辑控制主板41，逻辑控制主板41通过电机控制器37控制左妬I?止关节电机13、左脚踩关节电机15、左膝关节左右摆动电机44、左膝转动关节电机46、左膝关节如后摆动电机17、左髓关节摆动电机19、左髓关节转动电机24、左手指关节电机25、左腕关节电机27、左肘关节电机29、左肩关节摆动电机31、左臂关节转动电机35、头部转动电机36、右臂驱动装置6相应的控制电机和/或右脚驱动装置4相应的控制电机的转动。
[0053]进一步，电气控制单元还包括传感器控制模块42，传感器控制模块42为陀螺仪和/或角度检测传感器和/或倾斜角度检测传感器和/或多轴重力加速度传感器和/或颜色检测传感器和/或红外线传感器，传感器控制模块42与逻辑控制主板41电连接。
[0054]进一步，传感器控制模块42设置在左脚驱动装置1、左腿驱动装置2、左臂驱动装置
3、右脚驱动装置4、右腿驱动装置5、右臂驱动装置6、躯壳7和/或头部驱动装置8上。
[0055]进一步，左小腿连接架16、左大腿连接架18、左手掌连接架26、左小臂连接架28以及左大臂连接架30的结构相同，左手掌连接架26包括铰接电机架54、与铰接电机架54连接的中间架53以及设置在中间架53另一端的固定电机架52，在铰接电机架54上设置有带键槽通孔55，左手指关节电机25的电机轴设置在带键槽通孔55内并通过键连接，固定电机架52与左腕关节电机27的壳体固定连接。左手指关节电机25的电机轴设置在带键槽通孔55内并通过键连接，固定电机架52与左腕关节电机27的壳体固定连接。当然，各部连接架可以采用常见的连接筋板等结构。逻辑控制主板15为AVR、STM32或Atmel微处理器为核心的集成电路板，可选用树莓派、arduino、AVR等集成系统环境。
[0056]如图1-10所示，一种控制机器人在铁板上行走的方法，其使用上述的机器人;其包括预备阶段以及在预备阶段之后的第一行走阶段；
[0057]预备阶段包括如下步骤:
[0058]步骤a:执行机器人立正，左前趾尖接触元件9、左后脚跟接触元件10、右前趾尖接触元件56以及右后脚跟接触元件57分别与铁板相接触，逻辑控制主板41控制左脚电磁铁11和/或右脚电磁铁58通电后与铁板相接触；
[0059]步骤b:在执行完步骤a后，执行机器人起步;逻辑控制主板41控制左脚电磁铁11断电且右脚电磁铁58通电，逻辑控制主板41通过电机控制器37分别控制左髋关节摆动电机19前摆、左脚踝关节电机15上摆以及左膝关节前后摆动电机17后摆，逻辑控制主板41通过电机控制器37分别控制左前趾尖接触元件9、左后脚跟接触元件10以及左脚电磁铁11向上抬起离开铁板；
[0060]第一行走阶段包括如下步骤:
[0061]步骤c:在执行步骤b同时或在执行完步骤b后，执行机器人水平迈步;逻辑控制主板41通过电机控制器37分别控制左髋关节摆动电机19前摆，左膝关节前后摆动电机17复位伸直、左脚踝关节电机15摆动以及左跖趾关节电机13摆动，
[0062]同时，以右脚电磁铁58的电磁吸力为支点，右腿驱动装置5的右脚踝关节电机与右跖趾关节电机带动躯壳7向前位移转动，右腿驱动装置5的右髋关节摆动电机做出与右脚踝关节电机、右跖趾关节电机轴转动方向相反动作，保持躯壳7竖直状态；
[0063]步骤d:在执行完步骤c后，执行机器人前脚水平触地动作;逻辑控制主板41以单位脉冲通过电机控制器37控制左髋关节摆动电机19、左脚踝关节电机15、左跖趾关节电机13、右腿驱动装置5的右髋关节摆动电机、右脚踝关节电机和/或右跖趾关节电机做出驱动左脚电磁铁11与铁板形成面接触的调整动作，直到左前趾尖接触元件9与左后脚跟接触元件10与铁板上表面相接触，左前趾尖接触元件9与左后脚跟接触元件10反馈电信号给逻辑控制主板41，逻辑控制主板41通过电机控制器37控制调整动作停止，左脚电磁铁11到达相对于铁板上表面的预制高度；
[0064]步骤e:在执行完步骤d后，执行机器人电磁吸力倒换；左前趾尖接触元件9与左后脚跟接触元件10将电信号传递给逻辑控制主板41，逻辑控制主板41控制右脚电磁铁58断电且左脚电磁铁11通电；
[0065]步骤f:在执行完步骤e后，执行机器人重心前移推送;逻辑控制主板41通过电机控制器37控制右腿驱动装置5相应的控制电机，以右脚驱动装置4为支点，向前做出重心推送动作，同步逻辑控制主板41通过电机控制器37控制左腿驱动装置2和左脚驱动装置I相应的控制电机，以左脚电磁铁11的电磁吸力为支点，做出重心前拉动作，将重心推送到左脚驱动装置I上方，左脚电磁铁11与铁板上表面吸合；
[0066]步骤g:在执行完步骤f后，执行机器人向前收后脚；以左脚驱动装置I支点，逻辑控制主板41通过电机控制器37控制右腿驱动装置5和/或右脚驱动装置4相应的控制电机，带动右脚驱动装置4向前摆动或向前收脚；
[0067]在执行完步骤g后，第一行走阶段执行完毕。
[0068]进一步，在执行步骤c同时或在执行完步骤c后且在执行步骤f之前，执行机器人上肢摆动，逻辑控制主板41通过电机控制器37分别控制左臂驱动装置3和/或右臂驱动装置6做出摆臂动作。
[0069]进一步，在步骤d中，预制高度为零或可使左脚电磁铁11与铁板上表面产生磁吸力的高度，磁吸力的高度根据采用的电磁铁吸力大小设定。
[0070]进一步，在执行步骤a之前，执行对机器人的预调试，首先确定相应的控制电机所在安装位置转向以及在各个转向上的最大与最小转动角度，同时比较在相应连接架的最小运动空间角度，以最小运动空间角度为基准，确定相应控制电机输出轴的初始位置角度，将控制电机联接在电机控制器上，然后将相应控制电机输出轴旋转到初始位置角度，断开电联接，手动扭转相应控制电机，从而与控制电机输出轴初始位置角度相对应，最后进行组装。通过上述操作，能够有效避免控制电机堵转，进一步消除堵转后控制电机的烧毁。无特殊情况控制电机可选择为舵机。
[0071]当继续向前行走时，右腿驱动装置5执行第一行走阶段中左腿驱动装置2的相应动作，右脚驱动装置4执行第一行走阶段中左脚驱动装置I;而左腿驱动装置2执行第一行走阶段中右腿驱动装置5的相应动作，左脚驱动装置I执行第一行走阶段中右脚驱动装置4;从而实现前进，同理可以实现后退。
[0072]作为优选，作为本领域技术人员根据本实用新型，可以对模仿各个关节活动的控制电机数量进行增减，从而满足不同的需要，通过对各个肢体上关节活动的控制电机位置进行调整，从而增加动作的自由度，是本实用新型的等同替换，是显而易见的，其中各个连接架的机构可以是相同的或不同，可以根据需要采用钢板焊接而成。通过水平仪与接触元件组合来替代两个接触元件对本领域技术人员是显而易见的的等同替换。
[0073]本实用新型成本造价低廉、动作稳定可靠、运动过程中不会摔倒与失控，能够担负一定负重的在铁质材料铺设道路上行走的人形机器人，特别是将人形机器人四肢受力转移到人形机器人躯干壳体上，提升人形机器人负重能力，消除运动过程中摔倒与失控的风险。
[0074]本实用新型通过脚底接触元件将信号反馈到处理器，逻辑控制主板接收反馈的电信号或预制程序通过电机控制器带动各个控制电机转动，完成相应的模仿人体关节的动作，可实现躯干壳体的上升、下降、向前、向后移动，运动结构更加合理；同时控制相应的电磁铁与铁板的吸合实现在铁板铺设的道路上负重行走。
[0075]通过转轴设计结构避免了电机轴承受剪切力的危害，来自于肢体的符合汇集到人形机器人躯干壳体上，更加有利于人形机器人负重能力的提升与姿态控制，更加有利于人形机器人负重能力的提升与姿态控制。
[0076]本实用新型可以通过计算机程序，即用于在所述计算机程序在计算机以及非暂存计算机可读录制介质上，并执行本步骤。
[0077]本实用新型基于仿生人体运动过程中各肢体协同配合作用为构思，以该方式，人形机器人避免摔倒与失控的风险，提升人形机器人的负重行走能力，进一步的实现人形机器人服务于人类的目的。
[0078]本实用新型仿生人体的迈步阶段，两只电磁铁中可以仅有一只电磁铁在通电状态，即可以只有一只电磁铁与铁板铺设路面的保持吸力。改变保持吸力的仿生下肢髋关节、膝关节、跖趾关节和踝关节位置角度，使得躯干壳体做出向上、下、前、后、左转、右转动作、达到新的目标位置，调整非吸力保持的仿生下肢髋关节、膝关节、跖趾关节和踝关节位置角度，能够做出抬脚、下肢前或后伸、左或右转等仿生动作。
[0079]通过改变两只电磁铁之间的空间垂直距离，能够使得非通电磁铁及安装成一体的接触元件向前或后移动时不与行走路面产生碰撞；改变两只电磁铁之间空间水平距离，使得非通电磁铁及安装成一体的接触元件向前或后移动，仿生为单腿迈或退步动作；改变两个电磁铁的通电状态，就是已通电电磁铁改为断电状态，断电状态电磁铁改为通电状态，电磁铁与铁板铺设路面吸力在两个电磁铁之间进行一次切换，实现支持力的转换。
[0080]本实用新型通过以改变保持吸力的仿生下肢髋关节、膝关节、跖趾关节和踝关节位置角度为出发，由逻辑控制主板发出指令，相应的控制电机以I个及以上动作角度进行细微调节，使得躯干壳体做出向上、下、前倾、后倾、左转、右转等轻微动作、带动处于新的目标位置断电情况下的电磁铁做出姿态调整，直至断电情况下的电磁铁与行走路面之间达到预设距离并保证通电后能够形成面接触。
[0081]在本实用新型中，调整非吸力保持的仿生下肢髋关节、膝关节、跖趾关节和踝关节位置角度为出发，由逻辑控制主板发出指令，相应的控制电机以I个及以上动作角度进行细微调节，做出仿生的抬脚尖、压脚尖、抬脚、落脚等动作，直至断电情况下的电磁铁与行走路面之间达到预设距离并保证通电后能够形成面接触。
[0082]在本实用新型中，保持吸力的仿生下肢与非吸力保持的仿生下肢各关节可同时调整，由逻辑控制主板发出指令，相应的控制电机以I个及以上动作角度进行细微调节，直至断电情况下的电磁铁与行走路面之间达到预设距离并保证通电后能够形成面接触。
[0083]可扩展为增加人形机器人自由度的控制电机，能够提供运动特征传感器或位置特征传感器安装位置，使得非通电磁铁及安装成一体的接触元件向前或后移动时不与行走路面产生碰撞，
[0084]通过各个控制电机使得非通电磁铁及安装成一体的接触元件向前或后移动，仿生为单腿迈步动作，
[0085]左膝关节左右摆动电机44、左膝关节转动连接架45以及左膝转动关节电机46，增加了左腿的自由度，调整人形机器在行走过程中重心，防止摔倒，设计更加合理。
[0086]电机控制器可以向各个控制电机发出电机轴旋转方向和角度或时间或速度指令。
[0087]上述控制电机转速和电机轴旋转角度和停止位置能够定量控制，控制指令为电脉冲信号或电信号。组装前，应该首先确定控制电机所在安装位置转向，在各个转向上的的最大与最小转动角度，同时比较在哪个方向上机械关节运动空间角度最小，在上述角度中以最小为基准，确定控制电机输出轴的初始位置角度。安装过程中，将控制电机联接在电机控制器上，将控制电机输出轴旋转到之前确定的初始角度，断开联接，手动扭转人形机器人关节，使机械部件之间的夹角与控制电机输出轴初始角度对应，然后进行组装。通过上述操作，能够有效避免控制电机堵转，进一步消除堵转后控制电机的烧毁。无特殊情况控制电机可选择为舵机。
[0088]其中本实用新型的各个接触元件向逻辑控制主板发送对应电磁铁与人形机器人行走的路面之间靠近时产生的开关量或压力信号或磁感应信号，要求处于触发状态接触元件不能阻碍电磁铁与行走道路间的距离接触，在非潮湿环境下可选择微动开关。
[0089]其中本实用新型的各个连接架可选择铝、工程塑料等材质，连接架与控制电机轴之间可加装轴承或杯式轴承减少摩擦阻力，对于易造成控制电机堵转的部位可以加装弹性垫片。
[0090]其中本实用新型的逻辑控制主板被配制向电机控制器发送动作指令，电机控制器能够独立进行控制电机操作，控制电机间不相互干扰，通过安装在左下肢、右下肢、左上肢、右上肢、躯干、头部六部分的控制电机实现人形机器人的协同动作，逻辑控制主板以不同动作阶段向电机控制器分别发送动作指令，分步达到人形机器人行走目的。
[0091]其中本实用新型的无线通讯模块可为蓝牙、W1-F1、无线数据通信、GSM/GPRS模块等，无线通讯模块与逻辑控制主板连接，人形机器人操作员根据需要通过无线或有线向逻辑主板发送预先设定的指令代码，实现人形机器人远方操控。
[0092]其中本实用新型的动力电源提供来自外部功率源或电池或蓄能器的能量。
[0093]其中转轴本实用新型的可选择为轴承。
[0094]本实用新型的传感器模块可以为陀螺仪和/或角度和/或倾斜角度和/或多轴重力加速度和/或颜色和/或红外线等传感器，更加准确的定位人形机器人的运动状态与空间位置，通过完善逻辑控制主板内部程序，提升控制电机的响应速度与精度，使得人形机器人做出更加复杂的常规动作与应急动作。
[0095]进一步，本实用新型可以用于接受用户输入和/或用于向用户提供信息。用户界面可以包括显示器、旋钮、一个或多个按钮、触摸屏、一个或多个灯(例如，LED)等。
[0096]其中左脚驱动装置1、左腿驱动装置2、左臂驱动装置3、右脚驱动装置4、右腿驱动装置5、右臂驱动装置6与头部驱动装置8分别模仿人体的左脚、左臂、右脚、右臂以及头部各个关节的动作，左前趾尖接触元件9、左后脚跟接触元件10、右前趾尖接触元件56以及右后脚跟接触元件57可以压力传感器或限位开关等常见反馈器件，左脚电磁铁11用于固定吸附肢体，承受负重，左妬祉关节电机13_旲仿妬止关节，左脚踩关节电机15_旲仿左脚踩关节，左膝关节前后摆动电机17模仿左膝关节，左髋关节摆动电机19模仿左髋关节摆动，左髋关节转动电机24模仿左髋关节转动，左手指关节电机25模仿左手指关节，左腕关节电机27模仿左腕关节，左肘关节电机29模仿左肘关节，左肩关节摆动电机31模仿左肩关节摆动，左臂关节转动电机35模仿左臂关节转动，头部转动电机36模仿头部转动，电机控制器37用于控制各个控制电机的转动方向、角度以及转速，控制电机可以为伺服电机或步进电机等，各个连接架模仿人体各个连接骨。作为本领域的技术人员，通过对各个控制电机的连接方向倒转安装，即安装方向与附图方向相反;作为步骤b的等同替换，通过控制右腿驱动装置5上的脚趾关节、踝关节以及髋关节动作，从而带动躯壳7向上抬起，从而左脚驱动装置I与铁板的分离是显而易见的，实现执行机器人起步，均为简单的等同替换。
[0097]本实用新型结构紧凑，设计合理，可以实现负重工作，适合大规模推广。
[0098]最后应说明的是:以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换;作为本领域技术人员对本实用新型的多个技术方案进行组合是显而易见的。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。
【主权项】
1.一种平衡性能稳定的机器人，其特征在于:包括设置在铁板上方的躯壳(7)、分别铰接在躯壳(7)下端两侧的左腿驱动装置(2)与右腿驱动装置(5)、铰接在左腿驱动装置(2)下端的左脚驱动装置(I)、铰接在右腿驱动装置(5)下端的右脚驱动装置(4)以及电气控制单元，左腿驱动装置(2)与右腿驱动装置(5)的结构相同，左腿驱动装置(2)与右腿驱动装置(5)相对于躯壳(7)中心线对称设置，右脚驱动装置(4)与左脚驱动装置(I)的结构相同，右脚驱动装置(4)与左脚驱动装置(I)相对于躯壳(7)中心线对称设置； 左脚驱动装置(I)包括设置在铁板上方且与左腿驱动装置(2)铰接的左脚架(12)以及设置在左脚架(12)上的左脚电磁铁(11)，左脚电磁铁(11)与铁板的上表面相对应； 右脚驱动装置(4)包括设置在铁板上方且与右腿驱动装置(5)铰接的右脚架以及设置在右脚架上的右脚电磁铁(58)，右脚电磁铁(58)与铁板的上表面相对应； 左腿驱动装置(2)包括至少两个模仿人体腿部关节的控制电机以及设置在控制电机之间模仿人体的腿骨连机架； 电气控制单元包括设置在躯壳(7)内的电机控制器(37)与逻辑控制主板(41)、用于检查左脚电磁铁(I I)与铁板的上表面接触的左检测模块以及用于检查右脚电磁铁(58)与铁板的上表面接触的右检测模块，左检测模块与右检测模块分别将各自采集的电信号传递给逻辑控制主板(41)，逻辑控制主板(41)通过电机控制器(37)控制相应的控制电机主轴转动，逻辑控制主板(41)分别控制左脚电磁铁(11)的线圈和/或右脚电磁铁(58)的线圈通断电。2.根据权利要求1所述的一种平衡性能稳定的机器人，其特征在于:所述左检测模块包括设置在左脚电磁铁(11) 一侧的左前趾尖接触元件(9)与设置在左脚电磁铁(11)另一侧的左后脚跟接触元件(10)或设置在左脚电磁铁(11) 一侧的左前趾尖接触元件(9)与用于检查左脚电磁铁(11)水平的左水平仪元件； 所述右检测模块设置在右脚电磁铁(58)—侧的右前趾尖接触元件(56)与设置在右脚电磁铁(58)另一侧的右后脚跟接触元件(57)或设置在右脚电磁铁(58)—侧的右前趾尖接触元件(56)与用于检查右脚电磁铁(58)水平的右水平仪元件。3.根据权利要求1所述的一种平衡性能稳定的机器人，其特征在于:还包括铰接在躯壳(7)上端一侧的左臂驱动装置(3)、铰接设置在躯壳(7)上端另一侧的右臂驱动装置(6)和/或铰接设置在躯壳(7)上端的头部驱动装置(8)。4.根据权利要求3所述的一种平衡性能稳定的机器人，其特征在于:左腿驱动装置(2)包括带动左脚电磁铁(11)前后摆动的左跖趾关节电机(13)、左脚连接架(14)、带动左脚连接架(14)摆动的左脚踝关节电机(15)、左小腿连接架(16)、带动左小腿连接架(16)前后摆动的左膝关节前后摆动电机(17)、左大腿连接架(18)、带动左大腿连接架(18)前后摆动的左髋关节摆动电机(19)、髋骨上连接架(21)、左腿转轴(22)、左腿联轴器(23)以及固定设置在躯壳(7)左下端的左髋关节转动电机(24); 左脚架(12)与左跖趾关节电机(13)的电机轴铰接，左跖趾关节电机(I 3)的壳体与左脚连接架(14)固定连接，左脚连接架(14)与左脚踝关节电机(15)的壳体固定连接，左脚踝关节电机(15)的电机轴与左小腿连接架(16)铰接，左小腿连接架(16)与左膝关节前后摆动电机(17)的壳体固定连接，左膝关节前后摆动电机(17)的电机轴与左大腿连接架(18)铰接，左大腿连接架(18)与左髋关节摆动电机(19)的壳体固定连接，左髋关节摆动电机(19)的电机轴与髋骨上连接架(21)铰接，髋骨上连接架(21)通过左腿转轴(22)与左腿联轴器(23)传动连接，左腿联轴器(23)与左髋关节转动电机(24)连接。5.根据权利要求3所述的一种平衡性能稳定的机器人，其特征在于:左腿驱动装置(2)包括带动左脚电磁铁(11)前后摆动的左跖趾关节电机(13)、左脚连接架(14)、带动左脚连接架(14)摆动的左脚踝关节电机(15)、左小腿连接架(16)、左膝盖侧摆连接架(43)、带动左膝盖侧摆连接架(43)左右摆动的左膝关节左右摆动电机(44)、左膝关节转动连接架(45)、左膝转动关节电机(46)、带动左膝盖侧摆连接架(43)前后摆动的左膝关节前后摆动电机(17)、左大腿连接架(18)、带动左大腿连接架(18)前后摆动的左髋关节摆动电机(19)、髋骨上连接架(21)、左腿转轴(22)、左腿联轴器(23)以及固定设置在躯壳(7)左下端的左髋关节转动电机(24); 左脚架(12)与左跖趾关节电机(13)的电机轴铰接，左跖趾关节电机(I 3)的壳体与左脚连接架(14)固定连接，左脚连接架(14)与左脚踝关节电机(15)的壳体固定连接，左脚踝关节电机(I5)的电机轴与左小腿连接架(16)铰接，左小腿连接架(16)与左膝转动关节电机(46)的壳体固定连接，左膝转动关节电机(46)的电机轴与左膝关节转动连接架(45)转动连接，左膝关节转动连接架(45)与左膝关节前后摆动电机(17)的壳体固定连接，左膝关节前后摆动电机(17)的电机轴与左大腿连接架(18)铰接，左大腿连接架(18)与左膝关节左右摆动电机(44)壳体固定连接，左膝关节左右摆动电机(44)的电机轴与左膝盖侧摆连接架(43)铰接，左膝盖侧摆连接架(43)与左髋关节摆动电机(I 9)的壳体固定连接，左髋关节摆动电机(19)的电机轴与髋骨上连接架(21)铰接，髋骨上连接架(21)通过左腿转轴(22)与左腿联轴器(23)传动连接，左腿联轴器(23)与左髋关节转动电机(24)连接。6.根据权利要求4或5所述的一种平衡性能稳定的机器人，其特征在于:左臂驱动装置(3)包括左手指关节电机(25)、左手掌连接架(26)、左腕关节电机(27)、左小臂连接架(28)、左肘关节电机(29)、左大臂连接架(30)、左肩关节摆动电机(31)、左肩胛骨连接架(32)、左肩转轴(33)、左臂联轴器(34)以及固定设置在躯壳(7)上的左臂关节转动电机(35)， 左手指关节电机(25)的电机轴与左手掌连接架(26)铰接，左手掌连接架(26)与左腕关节电机(27)的壳体固定连接，左腕关节电机(27)的电机轴与左小臂连接架(28)铰接，左小臂连接架(28)与左肘关节电机(29)的壳体固定连接，左肘关节电机(29)的电机轴与左大臂连接架(30)铰接，左大臂连接架(30)与左肩关节摆动电机(31)的壳体固定连接，左肩关节摆动电机(31)的电机轴与左肩胛骨连接架(32)铰接，左肩胛骨连接架(32)通过左肩转轴(33)与左臂联轴器(34)传动连接，左臂联轴器(34)与左臂关节转动电机(35)连接； 右臂驱动装置(6)与左臂驱动装置(3)的结构相同，右臂驱动装置(6)与左臂驱动装置(3)相对于躯壳(7)中心线对称设置。7.根据权利要求6所述的一种平衡性能稳定的机器人，其特征在于:所述电气控制单元还包括设置在躯壳(7)上的人机交互界面(38)、无线通讯模块(39)以及动力电源(40);动力电源(40)用于提供电源，逻辑控制主板(41)将信号传送到人机交互界面(38)，无线通讯模块(39)将电信号传递给逻辑控制主板(41)，逻辑控制主板(41)通过电机控制器(37)控制左妬足止关节电机(13)、左脚踩关节电机(15)、左膝关节左右摆动电机(44)、左膝转动关节电机(46)、左膝关节前后摆动电机(17)、左髋关节摆动电机(19)、左髋关节转动电机(24)、左手指关节电机(25)、左腕关节电机(27)、左財关节电机(29)、左肩关节摆动电机(31)、左臂关节转动电机(35)、右臂驱动装置(6)相应的控制电机和/或右脚驱动装置(4)相应的控制电机的转动。8.根据权利要求7所述的一种平衡性能稳定的机器人，其特征在于:所述电气控制单元还包括传感器控制模块(42)，传感器控制模块(42)设置在左脚驱动装置(I)、左腿驱动装置(2)、左臂驱动装置(3)、右脚驱动装置(4)、右腿驱动装置(5)、右臂驱动装置(6)、躯壳(7)和/或头部驱动装置(8)上。9.根据权利要求8所述的一种平衡性能稳定的机器人，其特征在于:所述电气控制单元还包括传感器控制模块(42)，传感器控制模块(42)为陀螺仪和/或角度检测传感器和/或倾斜角度检测传感器和/或多轴重力加速度传感器和/或颜色检测传感器和/或红外线传感器，传感器控制模块(42)与逻辑控制主板(41)电连接。10.根据权利要求7所述的一种平衡性能稳定的机器人，其特征在于:逻辑控制主板(41)为AVR、STM32或Atmel微处理器为核心的集成电路板。
【文档编号】B25J9/18GK205614646SQ201620251816
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】刘子骞
【申请人】刘子骞