一种气电混合驱动的柔性双足机器人的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种柔性双足机器人，属于仿人机器人领域。
【背景技术】
[0002]人类的步行是一个能量效率非常高的、动态稳定的过程，利用机器人实现拟人的高效动态稳定步行是双足机器人领域的一个重要研究内容。目前，多数双足机器人采用高刚性的电机作为驱动元件，系统响应速度快，但另一方面也增大了机器人的重量，使得机器人步行的能量效率很低;此外，还有一部分双足机器人采用气动人工肌肉作为驱动元件，气动人工肌肉具有柔顺、功率/质量比大、在力/长度特性上与人类肌肉相似等特点，使得机器人的关节具有柔性，机器人步行的能量效率较高，但是由于受到气源、管路、气动人工肌肉自身特性等因素的影响，系统的动态响应性能较差，具有一定的迟滞性。因此，在进行双足机器人设计时，综合考虑机器人的关节柔性和动态响应特性，对于提高机器人的步行效率和动态稳定性能具有重要作用。
【发明内容】
[0003]本发明为解决现有柔性双足机器人关节柔性和动态响应特性联动性差，机器人步行效率低和动态稳定性差的问题，进而提供一种气电混合驱动的柔性双足机器人。
[0004]本发明为解决上述问题采取的技术方案是:一种气电混合驱动的柔性双足机器人包括左腿、右腿和骨盆;左腿和右腿分别包括大腿、小腿、足部、髋关节、膝关节和踝关节;左腿和右腿通过骨盆连接，骨盆通过髋关节与大腿转动连接，大腿通过膝关节与小腿转动连接，小腿通过踝关节与足部转动连接；
[0005]髋关节包括单向串联弹性驱动器和髋关节传动机构；
[0006]单向串联弹性驱动器包括电机、电机座、扭转弹簧、第一轮毂、第二轮毂、第一卡环、第二卡环和髋关节驱动轴；
[0007]电机的输出端与第一轮毂的一端连接，第二轮毂的一端与髋关节驱动轴连接，髋关节驱动轴通过轴承转动安装在骨盆的下端面上;第一轮毂的另一端加工有相对设置的两个第一凸爪，第二轮毂的另一端加工有相对设置的两个第二凸爪;第一轮毂通过两个第一凸爪和两个第二凸爪与第二轮毂连接为一体，第一轮毂安装在第一^^环内，第二轮毂安装在第二卡环内，电机安装在电机座上，电机座安装在骨盆的下端面上;扭转弹簧套装在第一凸爪和第二凸爪上，第一卡环的第一凸台顶压扭转弹簧的一个扭臂，第二卡环的第二凸台顶压扭转弹簧的另一个扭臂；
[0008]髋关节传动机构包括驱动带轮、从动带轮、传动带和髋关节从动轴;髋关节驱动轴上安装有驱动带轮;髋关节从动轴的两端转动安装在位于串联弹性驱动器下部的骨盆架上，大腿固装在髋关节从动轴上，从动轴上安装有从动带轮，驱动带轮通过传动带与从动带轮传动连接；
[0009]膝关节包括膝关节驱动机构和膝关节传动机构；膝关节驱动机构包括滑轮、钢丝绳、膝关节驱动轴、一个第一弹簧支架、一个第二弹簧支架、一个拉伸弹簧和两个气动人工肌肉；
[0010]膝关节传动机构包括一个中心齿轮、一个行星齿轮、一个系杆和膝关节从动轴;两个气动人工肌肉采用拮抗式布置方式设置，两个气动人工肌肉的上端与大腿的上端连接；一个中心齿轮固装在大腿上，膝关节驱动轴通过轴承转动安装在一个中心齿轮上;一个行星齿轮固装在小腿上，膝关节从动轴通过轴承转动安装在一个行星齿轮上，中心齿轮与行星齿轮啮合，膝关节驱动轴通过一个系杆与膝关节从动轴连接;滑轮固装在膝关节驱动轴上，钢丝绳缠绕在滑轮上，钢丝绳的一端与一个气动人工肌肉的下端连接，钢丝绳的另一端与另一个气动人工肌肉的下端连接;位于一个中心齿轮上方的大腿上安装有一个第一弹簧支架，位于一个行星齿轮下方的小腿上安装有第二弹簧支架，一个拉伸弹簧设置在滑轮的一侧，一个拉伸弹簧的两端分别与第一弹簧支架和第二弹簧支架连接；
[0011]踝关节包括踝关节气动人工肌肉、踝关节弹簧支架、踝关节拉伸弹簧、传动轮、踝关节轴、转接座和踝关节钢丝绳;足部包括脚底、脚跟、脚掌和足趾关节;转接座安装在足部的脚跟上，转接座与第二弹簧支架之间的小腿上安装有踝关节弹簧支架，踝关节轴穿过转接座并通过轴承转动安装在小腿上，传动轮固定在踝关节轴上，踝关节气动人工肌肉的上端与第二弹簧支架连接，踝关节拉伸弹簧的上端与踝关节弹簧支架连接，踝关节钢丝绳缠绕在传动轮上，踝关节钢丝绳的一端与踝关节拉伸弹簧的下端连接，踝关节钢丝绳的另一端与踝关节气动人工肌肉的下端连接；
[0012]脚底的上表面上安装有脚跟和脚掌，脚底为可充放气的弹性气囊;足趾关节包括第一铰链座、第二铰链座、第三铰链座、铰链销和两个扭簧;第一铰链座安装在脚跟上，第二铰链座和第三铰链座安装在脚掌上，第一铰链座布置在第二铰链座和第三铰链座之间，第一铰链座和第二铰链座之间布置有一个扭簧，第一铰链座和第三铰链座之间布置有另一个扭簧，铰链销安装在第二铰链座、第一铰链座和第三铰链座上，两个扭簧套装在铰链销上。
[0013]本发明的有益效果是:1、双足机器人的每条腿由大腿、小腿和足部等三部分组成，每条腿具有髋关节、膝关节、踝关节和足趾关节等四个关节，两条腿之间由骨盆连接;2、髋关节对于保证机器人步行的动态稳定性能作用最大，因此髋关节采用电机作为驱动元件，并且设计了一种单向串联弹性驱动器，在保留电机快速响应能力的基础上，又增加了一定的柔性;3、膝关节的柔性能够缓冲机器人步行过程中来自地面的冲击，同时，小腿的向前摆动通常依靠自身的被动动力完成，因此，膝关节由一对拮抗式布置的气动人工肌肉和与肌肉并联的拉伸弹簧驱动，从而使膝关节具有柔性，膝关节的伸展动作由自身惯性和拉伸弹簧提供动力;4、机器人步行过程中，不要求对踝关节进行快速准确控制，而且踝关节的柔性有助于缓冲地面对机器人的冲击，因此，踝关节由一条气动人工肌肉和一根拉伸弹簧驱动；
5、机器人的足部是机器人步行时唯一与地面发生接触的部件，足部的柔性对于提高机器人的地形适应能力、缓冲外界冲击具有非常重要的作用，因此，设计了一种能够调节刚度的柔性足部结构。
[0014]综上，本发明研制的双足机器人综合考虑了机器人的关节柔性和动态响应特性，采用气动人工肌肉和电机混合驱动，使得机器人的各个关节都具有柔性，同时又保留了髋关节的快速响应能力，以保证机器人步行的动态稳定性，而且也使机器人的整体质量较轻，有助于提尚机器人步彳丁的能量效率。
【附图说明】
[0015]图1是本发明的整体结构示意图，图2是髋关节和大腿连接结构示意图，图3是单向串联弹性驱动器的结构示意图，图4是第一轮毂、第二轮毂、第一卡环和第二卡环布置结构示意图，图5是膝关节的结构示意图，图6是膝关节转动状态示意图，图7是踝关节和足部连接结构示意图，图8是足部结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]【具体实施方式】一:结合图1-图8说明，本实施方式的一种气电混合驱动的柔性双足机器人包括左腿A、右腿B和骨盆C;左腿A和右腿B分别包括大腿1、小腿2、足部3、髋关节4、膝关节5和踝关节6;左腿A和右腿B通过骨盆C连接，骨盆3通过髋关节4与大腿I转动连接，大腿I通过膝关节5与小腿2转动连接，小腿2通过踝关节6与足部3转动连接；
[0017]髋关节4包括单向串联弹性驱动器D和髋关节传动机构；
[0018]单向串联弹性驱动器D包括电机11、电机座12、扭转弹簧13、第一轮毂14、第二轮毂
15、第一卡环16、第二卡环17和髋关节驱动轴18;
[0019]电机11的输出端与第一轮毂14的一端连接，第二轮毂15的一端与髋关节驱动轴18连接，髋关节驱动轴18通过轴承30转动安装在骨盆C的下端面上；
[0020]第一轮毂14的另一端加工有相对设置的两个第一凸爪14-1，第二轮毂15的另一端加工有相对设置的两个第二凸爪15-1;第一轮毂14通过两个第一凸爪14-1和两个第二凸爪15-1与第二轮毂15连接为一体，第一轮毂14安装在第一卡环16内，第二轮毂15安装在第二卡环17内，电机11安装在电机座12上，电机座12安装在骨盆C的下端面上；
[0021]扭转弹簧13套装在第一凸爪14-1和第二凸爪15-1上，第一卡环16的第一凸台16-1顶压扭转弹簧13的一个扭臂，第二卡环17的第二凸台17-1顶压扭转弹簧13的另一个扭臂；
[0022]髋关节传动机构包括驱动带轮119、从动带轮120、传动带121和髋关节从动轴122;髋关节驱动轴18上安装有驱动带轮119;髋关节从动轴122的两端转动安装在位于单向串联弹性驱动器D下部的骨盆架C-1上，大腿I固装在髋关节从动轴122上，从动轴122上安装有从动带轮120，驱动带轮119通过传动带121与从动带轮120传动连接；
[0023]膝关节5包括膝关节驱动机构和膝关节传动机构;膝关节驱动机构包括滑轮31、钢丝绳22、膝关节驱动轴23、一个第一弹簧支架29、一个第二弹簧支架20、一个拉伸弹簧21和两个气动人工肌肉24;