一种模块化的十自由度双足步行机器人的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种模块化的十自由度双足步行机器人。该步行机器人由六个关节模块、大（小）腿连杆和两个吸收冲击的足部组成。其中，左右腿各有三个关节，分别为髋关节、膝关节和踝关节，髋（踝）关节具有俯仰和摆动两个自由度，膝关节只有俯仰自由度。关节模块有两种形式，具有两个自由度的称为十字关节，具有单个自由度的称为一字关节。髋（踝）关节的两个驱动电机是空间垂直的，所有的俯仰驱动电机都是平行的。该双足步行机器人的步行模式有多种，包括上下台阶、刚性地面和柔性地面上的行走。所发明的双足步行机器人具有主动步行、结构和控制简单、成本较低、对环境适应性好和能耗小等特点，可以广泛应用于救灾、搬运和医学等方面。
【专利说明】一种模块化的十自由度双足步行机器人
【技术领域】
[0001]本发明属于机器人【技术领域】，涉及一种模块化方法构建的具有十个自由度的所有关节都为主动型的双足步行机器人。
【背景技术】
[0002]机器人技术是一门综合了机械学、力学、电子学、生物学、控制理论、计算机、人工智能、人机工程和系统工程等多学科领域的高技术，是21世纪具有代表性的高技术。仿人机器人是当今机器人技术发展的最高级和最尖端的体现，他们具有类似人类的外形，在结构方面和步行方式上也模仿人类。仿人机器人的结构复杂，往往由上身和下肢组成，除了腿部的行走功能外，还包括手、腰和头的功能，其自由度的数目相比双足步行机器人有成倍的增加，与此同时，也带来了控制规划、动力学和运动学等研究领域更为复杂的问题。仿人机器人的核心技术和最具挑战的难点是双足步行时动态平衡的实现。
[0003]自从机器人技术发展的初期，双足步行就被认为是一项最高难度的挑战。早在著名的仿人机器人ASMO、QRIO和HRP-2出现之前的三十年中，双足步行一直是步行机器人发展的焦点和难点。最早的研究暨平台开发可以追溯到早稻田大学的加藤一郎在1966年和牛津大学的D.C.Witt在1968年开始的工作。加藤一郎等人在1973年创建了世界上第一台具有双腿和双臂并受计算机控制的仿人机器人WAB0T-1。虽然是一项标志性成果，WAB0T-1只能做静态步行运动。在1980年前后，一个重大的研究趋势是实现双足动态步行，很多国内外研究人员开始积极从事理论研究和机器人平台的开发。到1986年，已开发出许多能作动态步行运动的双足机器人。即便是仿人机器人已成功开发(以1996年本田推出仿人机器人P2为标志)了十多年的今天，双足步态规划和控制仍然是一个研究热点，国内外还有很多研究机构开发和研究各种双足步行机器人。
[0004]国内外大多数双足步行机器人在结构上都较复杂，由两条腿构成，关节都是主动型的，自由度较多，双足的自由度有8个、10个、往往多达12个，行走方式模仿人类的步行，控制较复杂。另有一类步行机器人通过其它方式实现动态步行，包括让机器人在势能的作用下沿小斜面步行而下的被动步行机器人。通过非线性振摆实现跨步的高跷型双足机器人BIPMAN2、通过学习和进化算法实现双足步行的由三个连杆构成的简单步行机器人以及麻省理工学院开发过一个装备四个驱动器的三维半被动步行机等等。这些双足机器人结构较简单，自由度较少，关节多为被动或半被动的。由于全部或部分关节是非主动的，机器人往往借助外界环境的特点(例如斜坡)实现歩行。因此其活动范围和场所很小，步行能力很有限。
[0005]显然，开发少自由度、结构简单而步行能力较强的步行机器人符合人们的需求和步行机器人的发展方向。针对仿人机器人和双足步行机器人的研究，国内外近年来在多个领域取得了一定的研究成果。发明专利CN101428657A公开了一种欠驱动双足步行机器人行走机构，主要由手臂、上身、髋关节、大腿、膝关节、小腿、脚等七部分组成，共10个自由度，在这10个自由度中，仅对3个自由度进行驱动，其中膝关节、踝关节不进行驱动，双臂分别通过机械链接机构与对侧的腿联动，髋关节采用集成联动-驱动髋关节机构，主要由髋关节器件安装板、角平分线联动机构、驱动电动机不完全齿轮传动机构、双向驱动机构四个部分组成；机器人双脚采用双层结构的多模式弹性脚。虽然本发明设计的欠驱动双足步行机器人结构简单，能够采用灵活、高能量效率的驱动系统设计，但是该步行机器人的拟人性效果较差，只有3个驱动自由度，与人体下肢的运动机理相差较大；发明专利CN101423075A公开了一种模块化的六自由度主动关节型双足步行机器人，主要由六个关节模块和两个圆环状足组成。每个关节模块具有一个转动自由度，由直流伺服电机驱动。关节模块有两种型式，其关节转轴分别与关节连杆轴线平行和垂直，各称为I型和T型。各模块依次按串联方式连接，顺序为:足部-1型关节-T型关节-T型关节-T型关节-T型关节-1型关节-足部。中间四个T型关节的转轴互相平行，并与两端I型关节的转轴垂直。该机器人的步行模式有多种，包括扭转步态、横移步态和翻转步态。虽然所发明的机器人具有自由度少、主动步行、结构和控制简单、对环境的适应性好、越障能力强、能耗小等特点，但是只能实现向前或向后行走，无法实现侧向行走，拟人效果较差；北京理工大学长期致力于仿生机器人的研究。2002年北京理工大学等单位承担国家“863”计划项目“仿人机器人技术与系统”通过验收。该机器人在系统集成、步态规划和控制系统等方面实现了重大突破，机器人身高158cm，重76kg, 32个自由度,步幅33cm,行走速度lkm/h,能够根据自身的力觉、平衡觉等感知自身的平衡状态和地面高度的变化，实现在未知地面的稳定步行和表演太极拳动作，2011年该机器人已经推出BHR-5型。在步行机构结构上，该系列机器人采用十字交叉轴关节来实现两个自由度，但是由于采用模具加工，使得加工周期长、成本高且较难达到高精度；关节减速器选用谐波减速器虽然能够实现较大减速比且回程误差较小，但谐波减速器不能承受大力矩和刚性冲击，同时寿命也较行星齿轮减速器小得多。
[0006]总体来说，目前仿人双足步行机器人领域已经取得了很显著的成果，在现有技术中，要使双足步行机器人能模拟出更多的人的动作，就需要增加自由度，由此增加了设计难度和成本以及制作成本，因此，在配置尽可能少的自由度情况下实现尽可能多的仿人动作是现今双足步行机器人设计和制造中急需解决的问题之一。
【发明内容】
[0007]本发明的目的，就是为了解决上述问题而提供一种模块化的十自由度双足步行机器人。该双足步行机器人很真实地模拟了人体下肢结构和运动机理，可以为医疗机构研究人在行走所遇到的问题提供相关数据和分析方法，有利于协助病人恢复行走，提供一套能够服务于伤残病人的类人行走机构。
[0008]本发明解决上述问题主要是通过下述技术方案得以实现的:
[0009]一种模块化的十自由度双足步行机器人，其特征在于，包括六个关节模块、两个吸收冲击的足部模块、以及连接关节模块和足部模块的左右腿的腿连杆组件；所述六个关节模块包括两个一字型关节单元和四个十字型关节单元，所述腿连杆组件包括若干腿部连杆；各个关节模块采用串并联结合方式依次连接；左右腿顶端的两个十字型关节单元通过上身配重块连接在一起，其余相邻关节之间通过腿部连杆连接在一起，底端的十字型关节单元通过托盘减震机构分别于两个足部进行连接。
[0010]所述一字型关节是指只有一个转动自由度(俯仰自由度)且电机轴与关节转轴重合的关节，所述十字型关节是指有两个自由度，其中一个自由度(摆动自由度)的电机轴与关节转轴I平行，另一个自由度(俯仰自由度)的电机轴与关节转轴2重合，两个电机空间垂直且两关节转轴平面垂直的关节。该步行机器人各个关节模块采用串并联结合方式依次连接，顺序从一端到另一端为:十字型关节一一字型关节一十字型关节一十字型关节一一字型关节一十字型关节，中间两个十字型关节通过上身配重块连接在一起，其余相邻关节之间通过腿部连杆连接在一起，两端的十字型关节通过托盘减震机构分别于两个足部进行连接。该机器人站立时呈倒U形，所有的俯仰自由度转轴相互平行，所有的摆动自由度转轴相互平行。所述足部模块具有水平和竖直两个方向的吸收冲击的机构，足底为矩形，与地面接触的是阵列在足底的压力传感器。
[0011]四个十字型关节单元分别是机器人左右腿的髋关节和踝关节，四个十字型关节单元结构相同十字型关节壳体、摆动自由度驱动电机、摆动自由度行星齿轮减速器组件、摆动传动小齿轮、摆动传动大齿轮、大齿轮挡板、十字型关节摆动轴，摆动自由度小角接触球轴承、小角接触球轴承盖板、俯仰自由度电机套筒、俯仰自由度驱动电机、俯仰自由度行星齿轮减速器组件、俯仰自由度大角接触球轴承、大角接触球轴承前盖板、大角接触球轴承后挡板、内有D型槽的方形转块和大腿连杆；
[0012]其中，摆动自由度中行星齿轮减速器组件输入轴与摆动自由度驱动电机输出轴配接，并且减速器与十字关节壳体通过轴向螺钉固定；摆动传动小齿轮与摆动自由度行星齿轮减速器组件输出轴通过D型槽和径向紧定螺钉固定，摆动传动大齿轮与十字型关节摆动轴通过键、键槽以及轴上挡圈还有大齿轮挡板通过轴向螺钉固定，小轴承盖板与十字型关节壳体通过轴向螺钉螺母紧固；俯仰自由度中电机输出轴与俯仰自由度行星齿轮减速器组件输入轴配接；所述十字型关节摆动轴中部设有一个与十字型关节摆动轴垂直固定的电机套筒，所述俯仰自由度行星齿轮减速器组件设置在电机套筒内并通过轴向螺钉与电机套筒固定，电机套筒与大腿连杆之间有轴承保证两者相对转动，大角接触球轴承前盖板、大角接触球轴承后挡板与腿部连杆通过轴向螺钉螺母紧固，内置D型槽的方形转子与大轴承前盖板形位配合并且与俯仰自由度行星齿轮减速器组件的D型减速器轴配合固定，十字型关节摆动轴与俯仰自由度电机套筒通过形位和中间径向螺钉固定，使两者成为一个整体；
[0013]两个一字型关节单元分别是左右腿的膝关节，均包括:腿连杆、小腿连杆、膝关节俯仰自由度电机套筒、膝关节俯仰自由度电机、膝关节行星齿轮减速器、膝关节大角接触球轴承、膝关节大轴承前盖板、膝关节大轴承后盖板和内有D型槽的膝关节方形转块；
[0014]其中，膝关节俯仰自由度电机输出轴与膝关节行星齿轮减速器输入轴配接并且减速器组件与电机套筒通过轴向螺钉固定，电机套筒与大腿连杆之间有轴承保证两者相对转动，膝关节大轴承前盖板、膝关节大轴承后盖板与大腿连杆通过轴向螺钉螺母紧固，内置D型槽的方形转子与大轴承前盖板形位配合并且与膝关节行星齿轮减速器的D型减速器轴配合固定。
[0015]在上述的一种模块化的十自由度双足步行机器人，所述足部模块包括足部减震上托盘、足部减震下托盘、竖直方向减震弹簧、带有螺纹的减震弹簧限位销、带孔的定位螺母、足部脚掌、足部脚尖、足部脚跟、脚尖脚跟和脚掌之间的阻尼模块和足底阵列式压力传感器；
[0016]其中，足部减震上托盘与足部减震下托盘通过带螺纹的定位销进行间隙配合可相对滑动；足部减震下托盘与脚掌通过竖直方向的螺钉螺母固定；足部脚尖脚跟与脚掌通过铰接可相对转动；阻尼模块通过螺钉螺母分别固定在脚尖凸台脚掌凸台和脚跟凸台脚掌凸台之间；足部分布式压力传感器通过螺钉螺母与脚掌连接；上下托盘分别有4个圆孔对齐插入4个带有螺纹的销钉，每个销钉上都有一根减震压缩弹簧，销钉就是压缩弹簧运动的轨道；上下托盘和是被压缩弹簧的预紧力支撑起来，同时由于带孔螺母的限位，两个托盘的竖直最大距离是一定的；本发明中，阻尼模块采用外置弹簧油压缓冲器。
[0017]本发明中，大(小)腿连杆成为一个独立的零件，改变了传统的三个零件装配的模式。大腿连杆的两端是髋关节和膝关节的俯仰自由度转动轴承支座；小腿连杆的上端是与膝关节电机套筒相连的支座，下端是踝关节俯仰自由度转转动轴承支座。
[0018]另外，机器人的重心或零力矩点通过四个十字型关节和两个一字型关节运动改变大小腿连杆的位置，从而实现双足步行的步态，包括上下台阶，在刚性地面和柔性地面上行走等。
[0019]本发明由于采用以上技术方案，使其具有以下优点:1.模块化的设计方法，机器人构建和拆装简单，方便快捷；2.串并联相结合的结构，每条腿上的各个关节模块通过串联方式依次连接，左右腿的装配形式是相同的，采用并联方式进行连接；3.髋(踝)关节模块的十字型正交轴设计为两个零件的拼装结构，不再通过复杂的模具来进行加工，同时更容易保证加工的精度，省略了模具设计和制造的过程，所以能够较大地降低成本；4.每个自由度上与驱动电机相匹配的减速器选的是行星齿轮减速器，能够提供较大的转矩，可以承受刚性冲击并且具有谐波齿轮减速器无法比拟的寿命时间；5.髋(踝)关节摆动自由度增加一级圆柱齿轮减速，不但节约了空间使得结构更加紧凑，而且分散了减速器输出轴上的转矩，有利于保护电机；6.髋(踝)关节采用悬臂结构，从而使得腿部的灵活性增加，实现两个大腿内测之间有比较小的碰撞，能够实现双腿的交叉可以实现较多的仿人动作，主要基本运动包括:前行和后行、下蹲和站起、上下台阶以及侧行等。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明的双足步行机器人的自由度配置及结构示意图。
[0021]图2是本发明的双足步行机器人的外观图。
[0022]图3是本发明的双足步行机器人的髋(踝)关节模块外观图。
[0023]图4a是本发明的双足步行机器人的髋(踝)关节模块侧向剖面图。
[0024]图4b是本发明的双足步行机器人的髋(踝)关节模块正向剖面图。
[0025]图5是本发明的双足步行机器人的膝关节模块外观图。
[0026]图6a是本发明的双足步行机器人的膝关节模块侧向剖面图。
[0027]图6b是本发明的双足步行机器人的膝关节模块正向剖面图。
[0028]图7是本发明的双足步行机器人的足部模块外观图。
[0029]图8a是本发明的双足步行机器人的足部脚跟或脚尖冲击吸收机构简图。
[0030]图8b是本发明的双足步行机器人的足部水平面机构简图。
[0031]图9a是本发明的双足步行机器人的足部模块侧向剖面图。
[0032]图9b是本发明的双足步行机器人的足部模块正向剖面图。
[0033]图1Oa是本发明的双足步行机器人前向步行右腿迈步侧视图。
[0034]图1Ob是本发明的双足步行机器人前向步行右腿迈步正视图。
[0035]图11是本发明中内置D型槽的方形转子的立体结构示意图。
【具体实施方式】
[0036]下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
[0037]实施例:
[0038]1.首先介绍一下本发明的整体机械结构:
[0039]如图2所示，本发明所涉及的一种模块化的十自由度双足步行机器人，该机器人中的十个自由度的配置在图1中已经详细表示出来，单条腿髋关节和踝关节个两个自由度，膝关节一个自由度。该机器人采用模块化结构，包括六个关节模块和两个足部模块，共两种八个模块，各模块采用串并联结合方式连接，顺序从一端到另一端依次为:十字型关节Fl—小腿连杆El—一字型关节Dl—大腿连杆Cl一十字型关节BI—十字型关节B2—大腿连杆C2—一字型关节D2—小腿连杆E2—十字型关节F2，中间两个十字型关节BI和B2通过上身配重块连接固定在一起，两端的十字型关节Fl和F2分别于两个足部模块连接在一起。该机器人站立时呈倒U形，所有的俯仰自由度转轴相互平行，所有的摆动自由度转轴相互平行。所述足部模块具有水平和竖直两个方向的吸收冲击的机构，足底为矩形，与地面接触的是阵列在足底的压力传感器。
[0040]2.下面介绍一下本发明的各个模块机械结构:
[0041]如图3所示，是该步行机器人的髋(踝)关节模块。所述髋(踝)关节模块2个转动自由度，通过正交十字型轴实现的。旋转自由度由直流驱动电机驱动，通过行星齿轮减速器减速后输出转矩。根据减速器类型的不同，目前来说比较成功的仿人机器人大部分采用了行星齿轮减速器、谐波减速器或者蜗轮蜗杆减速器三种类型，三种减速器的特点和性能对比如下:
[0042]
【权利要求】
1.一种模块化的十自由度双足步行机器人，其特征在于，包括六个关节模块、两个吸收冲击的足部模块、以及连接关节模块和足部模块的左右腿的腿连杆组件；所述六个关节模块包括两个一字型关节单元和四个十字型关节单元，所述腿连杆组件包括若干腿部连杆；各个关节模块采用串并联结合方式依次连接；左右腿顶端的两个十字型关节单元通过上身配重块连接在一起，其余相邻关节之间通过腿部连杆连接在一起，底端的十字型关节单元通过托盘减震机构分别于两个足部进行连接； 四个十字型关节单元分别是机器人左右腿的髋关节和踝关节，四个十字型关节单元结构相同十字型关节壳体(1)、摆动自由度驱动电机(3)、摆动自由度行星齿轮减速器组件(2 )、摆动传动小齿轮(4 )、摆动传动大齿轮(5 )、大齿轮挡板(6 )、十字型关节摆动轴(7 )，摆动自由度小角接触球轴承(8)、小角接触球轴承盖板(9)、俯仰自由度电机套筒(10)、俯仰自由度驱动电机(12)、俯仰自由度行星齿轮减速器组件(11)、俯仰自由度大角接触球轴承(13)、大角接触球轴承前盖板(14)、大角接触球轴承后挡板(15)、内有D型槽的方形转块(16)和大腿连杆(17)； 其中，摆动自由度中行星齿轮减速器组件(2)输入轴与摆动自由度驱动电机(3)输出轴配接，并且减速器(2)与十字关节壳体(1)通过轴向螺钉固定；摆动传动小齿轮(4)与摆动自由度行星齿轮减速器组件(2)输出轴通过D型槽和径向紧定螺钉固定，摆动传动大齿轮(5 )与十字型关节摆动轴(7 )通过键、键槽以及轴上挡圈还有大齿轮挡板(6 )通过轴向螺钉固定，小轴承盖板(9)与十字型关节壳体(1)通过轴向螺钉螺母紧固；俯仰自由度中电机(12)输出轴与俯仰自由度行星齿轮减速器组件(11)输入轴配接；所述十字型关节摆动轴 (7)中部设有一个与十字型关节摆动轴(7)垂直固定的电机套筒(10)，所述俯仰自由度行星齿轮减速器组件(11)设置在电机套筒(10)内并通过轴向螺钉与电机套筒(10)固定，电机套筒(10)与大腿连杆(17)之间有轴承(13)保证两者相对转动，大角接触球轴承前盖板(14)、大角接触球轴承后挡板(15)与腿部连杆(17)通过轴向螺钉螺母紧固，内置D型槽的方形转子(16)与大轴承前盖板(15)形位配合并且与俯仰自由度行星齿轮减速器组件(11)的D型减速器轴配合固定，十字型关节摆动轴(7)与俯仰自由度电机套筒(10)通过形位和中间径向螺钉固定，使两者成为一个整体； 两个一字型关节单元分别是左右腿的膝关节，均包括:腿连杆(17)、小腿连杆(18)、膝关节俯仰自由度电机套筒(19)、膝关节俯仰自由度电机(21)、膝关节行星齿轮减速器(20)、膝关节大角接触球轴承(22)、膝关节大轴承前盖板(23)、膝关节大轴承后盖板(24)和内有D型槽的膝关节方形转块(25)； 其中，膝关节俯仰自由度电机(21)输出轴与膝关节行星齿轮减速器(20)输入轴配接并且减速器组件(20)与电机套筒(19)通过轴向螺钉固定，电机套筒(19)与大腿连杆(17)之间有轴承(22)保证两者相对转动，膝关节大轴承前盖板(23)、膝关节大轴承后盖板(24)与大腿连杆(17)通过轴向螺钉螺母紧固，内置D型槽的方形转子(25)与大轴承前盖板(23)形位配合并且与膝关节行星齿轮减速器(20)的D型减速器轴配合固定。
2.根据权利要求1所述的一种模块化的十自由度双足步行机器人，其特征在于，所述足部模块包括足部减震上托盘(26)、足部减震下托盘(27)、竖直方向减震弹簧(28)、带有螺纹的减震弹簧限位销(29)、带孔的定位螺母(30)、足部脚掌(31)、足部脚尖(32)、足部脚跟(33)、脚尖脚跟和脚掌之间的阻尼模块(34)和足底阵列式压力传感器(35)；其中，足部减震上托盘(26)与足部减震下托盘(27)通过带螺纹的定位销进行间隙配合可相对滑动；足部减震下托盘(27)与脚掌(31)通过竖直方向的螺钉螺母固定；足部脚尖(32)脚跟(33)与脚掌(31)通过铰接可相对转动；阻尼模块(34)通过螺钉螺母分别固定在脚尖(32)凸台脚掌(31)凸台和脚跟(33)凸台脚掌(31)凸台之间；足部分布式压力传感器(35)通过螺钉螺母与脚掌(31)连接；上下托盘分别有4个圆孔对齐插入4个带有螺纹的销钉(29)，每个销钉(29)上都有一根减震压缩弹簧(28)，销钉(29)就是压缩弹簧(28)运动的轨道；上下托盘是被压缩弹簧(28)的预紧力支撑起来，同时由于带孔螺母(30)的限位，两个托盘的竖直最大距离 是一定的。
【文档编号】B62D57/032GK104071250SQ201410329447
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月10日 优先权日:2014年7月10日
【发明者】肖晓晖, 张强, 王杨, 游凡 申请人:武汉大学