凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统的制作方法

本发明涉及步行机器人的技术领域，具体涉及一种凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统。

背景技术：

机器人技术自20世纪60年代问世以来，经过多年发展取得了实质性的进展。移动机器人的运动形式主要有：轮式、履带式和足式。其中，轮式机器人和履带式机器人在运动过程中的越障能力相对弱些。足式的步行机器人在非结构环境中具有较强的机动性和适应特殊地形的能力，在许多行业有着广泛的应用前景。步行机器人的研究已成为机器人学中一个热门的话题，目前的机器人的单腿较多采用连杆关节串联驱动的方式。每个关节采用一个伺服电机控制，其控制系统复杂成本高。近期，一些新的步行机器人构型及控制系统研发出来。

日本丰田自动车株式会社的森平智久提供了一种两足步行机器人控制方法和两足步行机器人控制系统(公开号为CN104793622A)，两足步行机器人控制方法用于两足步行机器人的步行的主从式控制。武汉大学的肖晓晖等发明了一种基于柔性驱动器的欠驱动双足步行机器人(公开号为CN105599822A)，该步行机器人由四个基于柔性驱动器的主动关节模块、大(小)腿连杆和两个欠驱动足部组成，在所搭建的运动环境中，机器人整体可在矢状面内做平面运动。上海交通大学的高峰等发明了一种直线驱动的步行机器人腿部构型(公开号为CN104925160A)，包括：腿部伸缩机构、并联驱动机构以及直线驱动机构；所述直线驱动机构与并联驱动机构驱动连接，所述并联驱动机构与腿部伸缩机构驱动连接。江苏科技大学刘芳华等发明了一种三维仿人双足步行机器人的机械结构(公开号为CN104890756A)，从上至下依次包括躯干、对称设置的两个髋关节、角平分机构、手臂-大腿耦合机构及对称设置的腿机构，其中，每一侧腿机构从上至下依次包括大腿、膝关节、小腿、踝关节及足底；躯干上安装有主控芯片。哈尔滨工业大学臧希喆等发明了一种带髋部振子准被动双足步行机器人系统(公开号为CN104724201A)，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销轴；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销轴、直腿和腿足连接销轴，直腿的上端与髋腿连接销轴连接。北京工业大学赵旭等发明了六足步行机器人(公开号为CN105691483A)，该机器人包括机身和腿足结构，机身为机器人的主体结构，该主体结构的平面为六边形；腿足结构由三级关节组成，共六组，该六组结构分设在六边形的机身六个角上。从目前设计的步型机器人结构看，比较多的采用关节结构加伺服电机的模式，机械结构相对简单，但伺服电机较多，控制系统复杂，成本较高；普遍存在腿结构刚度弱等问题。

技术实现要素：

针对现有步行机器人普遍存在控制系统复杂，结构刚度弱等技术问题，本发明提出一种凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统，采用的凸轮连杆组合机构驱动的单腿行走系统，结构简单，刚性好，控制系统简单。

本发明的技术方案是：一种凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统，包括机架，其特征在于：所述单腿行走系统包括凸轮连杆组合机构和行走腿，所述凸轮连杆组合机构包括步距驱动电机、步距调整电机、步距凸轮、步距拨叉、拨叉连接杆、步高凸轮、步高拨叉、摆杆、连杆和短连杆，步距驱动电机和步距调整电机安装在机架上；所述步距驱动电机通过步距凸轮驱动轴与步距凸轮相连接，步距凸轮与拨叉连接杆活动连接，拨叉连接杆与短连杆活动连接，短连杆与步高凸轮固定连接，步高凸轮与步高拨叉滑动连接，步高拨叉和步高凸轮均与机架活动连接，步高拨叉的下部通过长形滑块与行走腿活动连接；所述步距凸轮与步距拨叉滑动连接，步距拨叉的下部与连杆活动连接，连杆活动连接在机架上，连杆的下部与行走腿活动连接；所述步距调整电机的输出轴与丝杠相连接，丝杠上设有活动连接的摆杆滑块，摆杆滑块在摆杆中的滑槽中滑动，步距拨叉的中部与摆杆活动连接。

所述步高拨叉和步距拨叉内设有滑槽，步高凸轮设置在步高拨叉的滑槽内，步距凸轮设置在步距拨叉的滑槽内。

所述步距驱动电机设置在步距驱动电机连接板内，步距驱动电机连接板通过螺栓连接件固定在机架上，步距凸轮驱动轴穿过步距驱动电机连接板；所述步距调整电机设置在步距调整电机连接板内，调整电机连接板活动连接在机架上，步距调整电机的输出轴穿过步距调整电机连接板，步距调整电机的输出轴通过联轴器与丝杠相连接；所述步距驱动电机和步距调整电机均与控制系统相连接。

所述摆杆为L型的摆杆，摆杆的下部通过机架连接销轴IV与机架活动连接，摆杆的竖直部设有滑槽，摆杆滑块设置在摆杆的滑槽内；摆杆的水平部上设有摆杆导槽，摆杆导槽与活动摆杆活动连接，摆杆导槽通过连接销轴I与步距拨叉的中部活动连接。

所述连杆为L型的连杆，连杆的中部通过机架连接销轴I活动连接在机架上，连杆的上部通过连接销轴II与步距拨叉的下部活动连接，连杆的下部通过连接销轴III与行走腿的上部活动连接。

所述行走腿包括水平部、倾斜部和支腿，水平部和倾斜部位于支腿的上部，行走腿的倾斜部与连杆活动连接，行走腿的水平部上设有滑槽，行走腿的滑槽内设有长形滑块，长形滑块通过连接销轴V与步高拨叉的下部活动连接。

所述步距拨叉和步高拨叉均包括叉体、上部连杆和下部连杆，叉体位于上部连杆和下部连杆的上方，叉体与上部连杆相连接，上部连杆与下部连杆相连接，上部连杆与下部连杆之间有夹角，步高拨叉的上部连杆与下部连杆的连接处通过机架连接销轴II与机架活动连接，步距拨叉的上部连杆与下部连杆的连接处通过连接销轴I与摆杆导槽活动连接。

所示控制系统通过设定步距调整电机的转动圈数，调整摆杆的竖直部的倾斜程度，可调节摆杆导槽的运动范围，进而调节步距拨叉下端与连杆连接处的摆动角，通过连杆运动范围的改变，实现调整行走腿的水平位移，即步距。

所述步距调整电机的转动可调整摆杆的倾斜程度，当摆杆的水平部向上倾斜时，摆杆导槽从左向右移动，摆杆导槽的运动将通过连接销轴II带动连杆绕机架连接销轴I做顺时针摆动，行走腿在长形滑块和连杆的运动的联合作用下，足端点A的向后运动；当摆杆的水平部向下倾斜时，摆杆导槽从左向右移动时，摆杆导槽的运动将通过连接销轴II带动连杆绕机架连接销轴I做逆时针摆动，行走腿在长形滑块和连杆的运动的联合作用下，足端点A前进运动。

其工作过程为：所述步距驱动电机的运动，通过步距凸轮驱动轴驱动步距凸轮转动，步距凸轮的运动分成两个回路，步距凸轮的转动通过连接销轴VII带动拨叉连接杆运动，拨叉连接杆的运动通过活动连接销轴VI带动短连杆运动，短连杆与步高凸轮通过连接销轴IV固定连接，短连杆的运动将带动步高凸轮绕机架连接销轴III摆动，在步高凸轮的带动下，步高拨叉的下部进行摆动运动，步高拨叉下部的摆动运动将通过长形滑块带动行走腿抬高，控制行走腿足端点A的抬高运动轨迹；同时，步距凸轮在步距驱动电机的带动下转动，步距拨叉随着步距凸轮的转动做向前或向后倾斜的滑动和摆动，步距拨叉的运动带动连杆在机架连接销轴I上转动，从而带动行走腿向前或向后移动；行走腿足端点A的抬高运动和行走腿向前后移动的合成，形成行走腿的足端点A的水平运动轨迹。

本发明单腿行走系统由步距驱动电机及步距凸轮、步距调整电机及步高凸轮、以及合成两个驱动运动的五杆组合机构组成，其五杆组合机构的连杆上点的轨迹形成了步行机器人足端的轨迹，具有以下有益效果：

(1)采用凸轮连杆组合机构驱动的单腿行走系统，结构简单，刚性好。

(2)采用包含步距驱动电机及步距凸轮、步距调整电机及步高凸轮来控制足端的轨迹跨距与高度，可用形成不同的足端轨迹。

(3)采用步距驱动电机与步距调整电机协调驱动，步距调整电机一旦调定后，不再调整，控制简单，能够有效地节省驱动能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明足端A点的轨迹图。

图3为本发明机体质心的轨迹图。

其中，301为步距驱动电机连接板，302为螺栓连接件，303为步距驱动电机，304为步距凸轮驱动轴，305为步距拨叉，306为步距凸轮，307为拨叉连接杆，308为摆杆，309为摆杆导槽，310为连接销轴I，311为丝杠，312为联轴器，313为机架连接销轴I，314为连接销轴II，315为步高凸轮，316为连杆，317为连接销轴III，318为连接销轴IV，319为行走腿，320为机架连接销轴II，321为长形滑块，322为连接销轴V，323为连接销轴VI，324为短连杆，325为步高拨叉，326为机架连接销轴III，327为机架连接销轴IV，328为步距调整电机，329为机架连接销轴V，330为步距调整电机连接板，331为摆杆滑块，332为连接销轴VII。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2和图3所示，一种凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统，包括机架和单腿行走系统，单腿行走系统包括凸轮连杆组合机构和行走腿319，凸轮连杆组合机构驱动行走腿319的抬高和移动，控制系统固定在机架上，控制系统与单腿行走系统的凸轮连杆组合机构的驱动电机相连接。机架包括侧板，侧板上固定有横杆。控制系统固定在机架的横杆上。单腿行走系统的凸轮连杆组合机构固定在机架的侧板和横杆上。行走腿319包括水平部、倾斜部和支腿，水平部和倾斜部位于支腿的上部，支腿下端是其足端记为A点。

凸轮连杆组合机构包括步距驱动电机303、步距调整电机328、步距凸轮306、步距拨叉305、拨叉连接杆307、步高凸轮315、步高拨叉325、摆杆308、连杆316和短连杆324，步距驱动电机303和步距调整电机328固定在机架上。步距驱动电机303通过步距凸轮驱动轴304与步距凸轮306相连接，步距驱动电机303带动步距凸轮306转动。步距凸轮306通过连接销轴VII332与拨叉连接杆307活动连接，连接销轴VII332与步距凸轮306固定连接，拨叉连接杆307可以在连接销轴VII332上转动。拨叉连接杆307的另外一端通过连接销轴VI323与短连杆324活动连接，短连杆324的另一端通过连接销轴IV318与步高凸轮315固定连接，连接销轴IV318一端固定在步高凸轮315上，连接销轴IV318另一端与短连杆324固定连接。步高凸轮315另一侧通过机架连接销轴III326活动连接在机架上，机架连接销轴III326一端固定在机架的侧板上，机架连接销轴III326的另一端与步高凸轮315活动连接，机架连接销轴III326用于支撑步高凸轮315。步距凸轮306的转动，通过连接销轴VII332带动拨叉连接杆307运动，拨叉连接杆307的运动通过活动连接销轴VI323带动短连杆324运动，短连杆324与步高凸轮315通过连接销轴IV318固定连接，短连杆324的运动将带动步高凸轮315绕机架连接销轴III326摆动。步高凸轮315与步高拨叉325滑动连接，步高拨叉325和步高凸轮315均与机架活动连接。步高拨叉325通过机架连接销轴II320与机架活动连接，机架连接销轴II320一端固定在机架上，机架连接销轴II320另一端与步高拨叉325活动连接。步高拨叉325的下部与行走腿319活动连接。行走腿319的水平部上设有滑槽，行走腿319的滑槽内设有长形滑块321，长形滑块321在行走腿319的滑槽内水平滑动。长形滑块321通过连接销轴V322与步高拨叉325的下部活动连接。在步高凸轮315的带动下，步高拨叉325的下部进行摆动运动，步高拨叉325下部的摆动运动将通过长形滑块321带动行走腿319抬高，主要控制行走腿足端点A的抬高运动轨迹。

步距凸轮306与步距拨叉305滑动连接，步距拨叉305的下部与连杆316活动连接，连杆316活动连接在机架上，连杆316的下部与行走腿319活动连接。连杆316为L型的连杆，连杆316的中部通过机架连接销轴I313活动连接在机架上，机架连接销轴I313固定在机架上，连杆316可以绕机架连接销轴I313转动。连杆316的上部通过连接销轴II314与步距拨叉305的下部活动连接，连杆316的下部通过连接销轴III317与行走腿319的上部活动连接。连杆316与行走腿319的倾斜部活动连接。步距凸轮306在步距驱动电机303的带动下转动，步距拨叉305随着步距凸轮306的转动做向前或向后倾斜的滑动及摆动，步距拨叉305的运动带动连杆316在机架连接销轴I313上转动，从而主要带动行走腿319向前或向后移动。

在单腿行走系统中，步高拨叉325下部的摆动运动通过长形滑块321带动行走腿319抬高；而步距拨叉305的运动带动连杆316绕机架连接销轴I313摆动，连杆316的运动主要带动行走腿319向前或向后移动；这两个运动的合成，形成行走腿319的足端点A的水平运动轨迹。在单腿行走系统中，足端点A的前进与后退步态，由步距调整电机328控制。

步距调整电机328的输出轴与丝杠311相连接，丝杠311活动连接摆杆滑块331，摆杆滑块331滑动设有在摆杆308中，步距拨叉305的中部与摆杆308活动连接。摆杆308为L型的摆杆，摆杆308的下部通过机架连接销轴IV327与机架活动连接，机架连接销轴IV327一端固定在机架上，摆杆308在机架连接销轴IV327上摆动。摆杆308的竖直部设有滑槽，摆杆滑块331设置在摆杆308的滑槽内，丝杆311带动摆杆滑块331在摆杆308的滑槽内运动，摆杆308在摆杆滑块311的拉力或推力驱动下，可绕机架连接销轴IV327进行摆动。摆杆滑块331为长方体滑块，其只在摆杆308的滑槽内移动不滚动。摆杆308的水平部上设有摆杆导槽309，摆杆导槽309与摆杆308活动连接，摆杆导槽309通过连接销轴I310与步距拨叉305的中部活动连接。摆杆308的水平部与摆杆导槽309形成移动副，步距拨叉305在步距凸轮306的驱动下运动，步距拨叉305的运动通过连接销轴I310带动摆杆导槽309沿摆杆308移动。行走腿319在连杆316及长形滑块321的联合驱动下，形成足端A点的行走轨迹。通过设定步距调整电机328的转动圈数，调整摆杆308的竖直部的倾斜程度，即可影响摆杆导槽309的运动范围，进而影响步距拨叉305下端与连杆316连接处的摆动角，通过连杆316运动范围的改变，从而实现调整行走腿319的水平位移，即步距。

在单腿行走系统中，足端点A的前进与后退步态，由步距调整电机328控制。如图2所示，所谓前进步态，足端点A的运动是采用1-2-3-4-1的顺序；而后退步态，足端点A的运动是采用3-2-1-4-3的顺序。为了实现这种运动的变化，通过步距调整电机328的转动，调整摆杆308的竖直部的倾斜程度。当摆杆308的水平部(摆杆导槽309的移动范围)向上倾斜时，摆杆导槽309从左向右移动时，摆杆导槽309的运动将通过连接销轴II314带动连杆316绕机架连接销轴I313做顺时针摆动，足端点A的运动是采用3-2-1-4-3的顺序，为后退步态；而当摆杆308的水平部(摆杆导槽309的移动范围)向下倾斜时，摆杆导槽309从左向右移动时，导槽309的运动将通过连接销轴II314带动连杆316绕机架连接销轴I313做逆时针摆动，足端点A的运动是采用1-2-3-4-1的顺序，为前进步态。

优选地，步高拨叉325和步距拨叉305内设有滑槽，步高凸轮315设置在步高拨叉325的滑槽内，步高拨叉325套装在步高凸轮315上，在短连杆324的带动下，步高凸轮315在步高拨叉325的滑槽内转动。步距凸轮306设置在步距拨叉305的滑槽内，步距凸轮306上套装有步距拨叉305，步距凸轮306在步距拨叉305的滑槽内运动。

优选地，步距驱动电机303设置在L型的步距驱动电机连接板301内，步距驱动电机连接板301下部通过螺栓连接件302固定在机架上，步距凸轮驱动轴304穿过步距驱动电机连接板301。驱动电机连接板301固定在机架的侧板之间的横杆上。步距调整电机328设置在L型的步距调整电机连接板330内，步距调整电机连接板330通过机架连接销轴V329活动连接在机架的侧板上，步距调整电机连接板330可以绕机架摆动，步距调整电机328的输出轴穿过步距调整电机连接板330，步距调整电机328的输出轴通过联轴器312与丝杠311相连接。

优选地，步距拨叉305和步高拨叉325均包括叉体、上部连杆和下部连杆，叉体位于上部连杆和下部连杆的上方，叉体与上部连杆相连接，上部连杆与下部连杆相连接，上部连杆与下部连杆之间有夹角，步高拨叉325的上部连杆与下部连杆的连接处通过机架连接销轴II320与机架活动连接，步距拨叉305的上部连杆与下部连杆的连接处通过连接销轴I310与摆杆导槽309活动连接。

优选地，控制系统包括控制箱，控制箱与凸轮连杆组合机构的步距驱动电机303和步距调整电机328相连接。控制系统由外部电源或者自带电源提供动力。控制系统通过调整步距驱动电机303和步距调整电机328的转动来控制单腿行走系统的运动。

本发明的工作过程为：当凸轮连杆组合机构驱动行走腿319运动时，抬腿高度主要通过步高调整电机328调整，配合步距驱动电机303的运动，实现行走腿319的抬腿、向前或向后运动。步距调整电机328的运动将通过丝杠311、摆杆滑块331使摆杆308绕机架连接销轴IV327转动，改变摆杆308的竖直部与水平面的夹角，从而改变摆杆导槽309的运动范围，进而通过改变步距拨叉305、连杆316、行走腿319的运动，改变行走腿足端A点的水平运动轨迹。凸轮连杆组合机构驱动的步行机器人单腿系统的所有运动需要控制系统控制2个电机的运动来实现。

以水平向前移动为例，步距驱动电机303的运动，通过步距凸轮驱动轴304驱动步距凸轮306转动。步距凸轮306的运动分成两个回路，一是通过连接销轴VII332带动拨叉连接杆307运动，拨叉连接杆307的运动通过连接销轴VI323带动短连杆324运动，短连杆324的运动通过连接销轴IV318带动步高凸轮315绕机架连接销轴III326在机架上摆动。步高凸轮315的运动，带动步高拨叉325绕机架连接销轴II320摆动。步高拨叉325的运动通过连接销轴V322驱动长形滑块321在行走腿319的滑槽内水平滑动。长形滑块321的滑动将带动行走腿319抬高，主要控制行走腿足端点A的抬高运动轨迹。同时，步距凸轮306的转动，带动步距拨叉305运动，步距拨叉305的运动带动连杆316绕机架连接销轴I313上摆动。而连杆316与行走腿319的倾斜部活动连接，连杆316的摆动主要带动行走腿319向前或向后移动。

由于步距拨叉305的上部连杆与下部连杆的连接处通过连接销轴I310与摆杆导槽309活动连接，通过控制步距调整电机328的转动，即可调整摆杆308的倾斜程度。当摆杆308的水平部(摆杆导槽309的移动范围)向上倾斜时，摆杆导槽309从左向右移动时，导槽309的运动将通过连接销轴II314带动连杆316绕机架连接销轴I313做顺时针摆动，此时，行走腿319在长形滑块321以及连杆316的运动的联合作用下，形成足端点A的运动为3-2-1-4-3的顺序(图2)，为后退步态。而当摆杆308的水平部(摆杆导槽309的移动范围)向下倾斜时，摆杆导槽309从左向右移动时，导槽309的运动将通过连接销轴II314带动连杆316绕机架连接销轴I313做逆时针摆动，此时，行走腿319在长形滑块321以及连杆316的运动的联合作用下，形成足端点A的运动为1-2-3-4-1的顺序，如图2所示，为前进步态。

四个单腿行走系统平行、对称地设置在机架的两侧可以组成步行机器人的整体。由凸轮连杆组合机构驱动的行走腿319的足端点A的轨迹为变形椭圆，如图2所示。为了便于描述，实现机器人的步行运动时，行走腿319的足端点A的运动周期的起点均设计在点1处，运动中，采用三个行走腿319支撑整个机体，一个行走腿319的足端点A首先由点1运动到点3处，并依次顺序完成四个单腿行走系统的相同运动。此运动过程中，整个机体的位置保持相对稳定。当四个行走腿319的足端点A由点1变为点3时，四个单腿行走系统中的步距驱动电机同时驱动各自的行走腿319运动，此时行走腿319的足端点A由于支撑在地面而不能产生位置变化，此时，将推动机体向前运动，如图3所示，机体的质心将作足端点A理论轨迹3-4-1运动的对称于垂直于地面y轴的运动3”-4”-1”。也就是足端点A不动，通过机体的质心的反方向对此运动来完成整体的运动循环，在此运动结束后，足端点A的位置由运动周期的终点3又变为运动周期的起点1，而整个机体向前运动了一个单次步距。

足端点A轨迹的形状可由步距调整电机328的运动进行调整，通常情况下，每次运动中，步距调整电机328的运动就锁定，单腿行走系统运动过程中，步距调整电机328不转动。当步距调整电机328运动时，将通过摆杆滑块331改变摆杆308的水平部与水平面的倾角。当步距凸轮306的转动，带动步距拨叉305运动时，步距拨叉305的运动带动摆杆导槽309在摆杆308上运动。而摆杆308的水平部与水平面的倾角变化，进而改变摆杆导槽309在摆杆308上运动的轨迹。摆杆导槽309的运动将影响步距拨叉305的运动，从而使其相连的连杆316的摆角发生变化，而连杆316的摆动角的大小，将使机器人足端点A轨迹的水平方向长度发生较大改变，从而实现机器人步距的调整。如图2所示，1’-2’-3’轨迹的步距明显长于1-2-3的轨迹的步距。

通常情况下，步距调整电机328一旦调定位置后，就确定了行走腿319的跨距高低，就很少变化。当机器人在控制系统的控制下，连续重复上述运动时，即可实现机器人的正常移动。

机架、拨叉连接杆307、摆杆308、连杆316和短连杆324组合成五杆组合机构，五杆组合机构的连杆上点的输出形成了步行机器人足端的轨迹，四套单腿行走系统在控制系统的协调控制下，实现机器人的步行运动。本发明采用凸轮连杆组合机构驱动单腿行走系统，结构简单，刚性好；所采用的步距驱动电机与步距调整电机协调驱动，正常行走状态下，步距调整电机一旦调定后，不再调整，其控制简单；每个单腿行走系统的运动仅采用一个步距驱动电机驱动，在完成行走运动的同时能够有效地节省驱动能耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。