專利名稱：具有側(cè)向自由度的欠驅(qū)動雙足機器人多模式欠驅(qū)動彈性腳的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及控制科學(xué)、機械設(shè)計、機電一體化等技術(shù)領(lǐng)域，用于解決在三維欠驅(qū)動雙 足機器人行走過程中出現(xiàn)的側(cè)向偏轉(zhuǎn)問題，保證機器人行走過程中的側(cè)向平衡,起到了緩沖 的作用。
背景技術(shù)：
人類在行走過程中應(yīng)用了多種不同的驅(qū)動模式，包括無驅(qū)動、欠驅(qū)動、完全驅(qū)動、冗 余驅(qū)動。以雙足行走的欠驅(qū)動特性為切入點，研究被動動態(tài)模型，在保留了雙足機器人的 大部分動態(tài)特性的同時，通過假設(shè)簡化了雙足行走機構(gòu)，通過它來研究雙足運動的內(nèi)在固 有特性，揭示雙足行走高效率、穩(wěn)定性的內(nèi)在機理，對發(fā)展雙足步行基礎(chǔ)理論具有重要的 意義。
欠驅(qū)動雙足步行機器人是一個復(fù)雜的機械系統(tǒng)，其獨立控制輸入少于系統(tǒng)自由度。步 行機器人的行走過程可以簡化為二維平面上的運動，在此基礎(chǔ)上人們研究了機器人行走的 動態(tài)分析、控制以及優(yōu)化等問題。目前，欠驅(qū)動機器人的行走步態(tài)的研究大多數(shù)只包括二 維平面上的前向運動，沒有考慮側(cè)向偏轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)偏航等特性。
當(dāng)在三維空間中考慮欠驅(qū)動機器人的行走步態(tài)時，機器人行走過程中，不僅包括前向 運動，還出現(xiàn)了側(cè)向偏轉(zhuǎn)和偏航。其中，機器人行走過程中側(cè)向平衡性差，機器人根本無 法穩(wěn)定行走，而且，偏航運動如何消除也是一個比較難解決的問題。
對于能夠在側(cè)向運動中保持穩(wěn)定的欠驅(qū)動雙足機器人，對腳的要求更加嚴(yán)格。既要求 引導(dǎo)機器人進(jìn)行側(cè)向運動，同時，還要保證機器人的側(cè)向穩(wěn)定性。雙腳的設(shè)計是欠驅(qū)動步 行機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點。通過設(shè)計腳的機構(gòu)，當(dāng)欠驅(qū)動步行機器人向前運動時，如 果也可以出現(xiàn)橫向搖擺，允許出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動，機器人很小的改動就使得行走空間由二維空 間發(fā)展到三維空間了。
雙腳的設(shè)計首先要保證機器人被動運動模式的存在，其次要保證行走過程中機器人的 側(cè)向平衡。合理設(shè)計機器人的雙腳，能方便欠驅(qū)動機器人建模、行走、控制的研究，建立 欠驅(qū)動雙足機器人的側(cè)向被動步態(tài)模型，所揭示的雙足側(cè)向行走被動動力學(xué)理論為雙足機 器人側(cè)向行走的研究提供了一條新的思路。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在缺點和不足，設(shè)計的一種具有側(cè)向自由度的欠驅(qū) 動雙足機器人多模式欠驅(qū)動彈性腳為平足腳，以保證了機器人被動運動模式的存在和機器 人行走過程中的側(cè)向平衡，起到了緩沖的作用。本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)，結(jié)合


如下
一種具有側(cè)向自由度的欠驅(qū)動雙足機器人多模式欠驅(qū)動彈性腳，主要由上、下兩平板5， ll組成，在上、下兩平板5， 11之間的內(nèi)外兩側(cè)裝有兩個同類型的彈簧機構(gòu)，其中的外側(cè)
彈簧9的彈性系數(shù)小于內(nèi)側(cè)彈簧15的彈性系數(shù)，在下平板11上安裝有滾輪機構(gòu)，并在下
平板11的后面和踝關(guān)節(jié)上方小腿1之間安裝一彈簧，在彈性腳的下平板11上裝有接觸開 關(guān)，彈性腳的踝關(guān)節(jié)與小腿1相連處為點足接觸。
所述的點足接觸為彈性腳與踝關(guān)節(jié)固定接耳4固定，機器人的小腿1底部與踝關(guān)節(jié)
軸承座2固定，踝關(guān)節(jié)固定接耳4與踝關(guān)節(jié)軸承座2通過轉(zhuǎn)軸3連接。
所述的滾輪機構(gòu)安裝在下平板11對角處，滾輪機構(gòu)的滾輪14通過轉(zhuǎn)軸裝在滑動軸承 架13上，滑動軸承架13與固定在下平板11上的滑輪軸座12之間通過轉(zhuǎn)軸連接，并裝有 壓簧。在無壓力的情況下彈性腳和滾輪相當(dāng)于四輪小車，減小腳底板與地面之間的摩擦及 碰撞；在有壓力時，滾輪起到支撐點的作用，從而保證機器人的穩(wěn)定行走。
所述的彈簧機構(gòu)中的內(nèi)側(cè)彈簧15套裝在上下平板之間的彈簧座16上，彈簧座16的上 端為一長孔，與固定在上平板5上的銷座17為軸孔連接。內(nèi)側(cè)彈簧的彈性系數(shù)大，起到緩 沖的作用，減小彈性腳與地面之間的碰撞。
所述的彈簧機構(gòu)中的外側(cè)彈簧9套裝在上、下彈簧座8， 10上，彈簧調(diào)節(jié)座7和彈簧 座8套裝在調(diào)節(jié)螺栓6上，并分別固定在上平板5的上、下表面上，彈簧座10與下平板11 固定。外側(cè)彈簧的系數(shù)小，保證了機器人側(cè)向運動的產(chǎn)生，并且，彈性腳的高度是通過調(diào) 節(jié)螺栓6可調(diào)的。
本發(fā)明所提供的技術(shù)方案的有益效果是該彈性較與現(xiàn)有的大部分采用四條腿或八條 腿來或設(shè)計圓弧足不同，本發(fā)明設(shè)計的多模式欠驅(qū)動彈性腳巧妙地多次利用彈簧，不僅保 證了機器人被動模式的存在，引導(dǎo)機器人行走運動中出現(xiàn)側(cè)向偏轉(zhuǎn)，還吸收儲存能量，緩 沖了彈性腳內(nèi)外兩側(cè)以及彈性腳下平板與地面的碰撞。

圖1具有側(cè)向自由度的欠驅(qū)動雙足機器人多模式欠驅(qū)動彈性腳結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明中滾輪的機械結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明中內(nèi)側(cè)彈簧的機械結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明中外側(cè)彈簧的機械結(jié)構(gòu)示意圖5是外側(cè)彈簧中部分機械結(jié)構(gòu)的剖示圖6為本發(fā)明所引導(dǎo)的機器人側(cè)向行走運動的具體結(jié)構(gòu)模型； 圖7是欠驅(qū)動機器人的側(cè)向行走步態(tài)周期。
圖中l(wèi).小腿 2.踝關(guān)節(jié)軸承座 3.踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸 4.踝關(guān)節(jié)固定接耳 5.彈性腳上平 板6.調(diào)節(jié)螺栓7.彈簧調(diào)節(jié)座 8.彈簧座 9.外側(cè)彈簧 IO.彈簧座 ll.彈性腳下平板 12.滑輪軸座 13.滑動軸承架 14.滾輪 15.內(nèi)測彈簧 16.彈簧座 17.銷座
具體實施例方式
下面結(jié)合福圖所示實施例進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體內(nèi)容及其工作原理。 對于能夠在側(cè)向運動中保持穩(wěn)定的欠驅(qū)動雙足機器人，在三維中，其行走過程不僅包
括前向運動，還出現(xiàn)了側(cè)向偏轉(zhuǎn)和偏航，對腳的要求非常嚴(yán)格。因此，雙腳的設(shè)計是欠驅(qū)
動步行機器人機械結(jié)構(gòu)設(shè)計的重點，通過設(shè)計機器人的雙腳，引導(dǎo)機器人進(jìn)行側(cè)向運動，
同時，還要保證機器人的側(cè)向穩(wěn)定性。
對本發(fā)明的有側(cè)向自由度的多模式欠驅(qū)動彈性腳進(jìn)行單獨設(shè)計時，使機器人腳通過踝
關(guān)節(jié)與腿相連形成點足接觸，且必須滿足以下六項功能
1、 腳必須允許橫向搖晃，產(chǎn)生側(cè)向運動；
2、 腳必須允許沿支撐腳的旋轉(zhuǎn)；
3、 腳必須能夠提供足夠的偏航阻力；
4、 腳必須在擺動期間脫離地面；
5、 腳必須減小擺動腿與支撐腿交換時腳與地面產(chǎn)生的碰撞；
6、 腳必須能夠提高機器人的側(cè)向穩(wěn)定性。
實施時，要加大腳的寬度與面積以增加與地面的接觸面積。同時，增加腳的重量，以 增加其對機器人穩(wěn)定性的影響。
本發(fā)明的具有側(cè)向自由度的欠驅(qū)動雙足機器人多模式欠驅(qū)動彈性腳，其機械結(jié)構(gòu)參閱 圖l,主要結(jié)構(gòu)由上、下兩平板5， ll組成，在上、下兩平板之間的內(nèi)外兩側(cè)裝有兩個同類 型的彈簧15， 9，內(nèi)側(cè)彈簧15的機械結(jié)構(gòu)參閱圖3，內(nèi)側(cè)彈簧15套在彈簧座16外面，銷 座17固定一軸連接到彈簧座16，內(nèi)側(cè)彈簧的彈性系數(shù)大，起到緩沖的作用，減小彈性腳與 地面之間的碰撞；外側(cè)彈簧9的彈性系數(shù)小于內(nèi)側(cè)彈簧15的彈性系數(shù)，使機器人產(chǎn)生側(cè)向 運動，外側(cè)彈簧的機械結(jié)構(gòu)參閱圖4，彈簧調(diào)節(jié)座7套在調(diào)節(jié)螺栓6的上面，并與彈性腳的 上平板固定，彈簧座8套在調(diào)節(jié)螺栓6的下面，部件6， 7， 8連接的順序以及機構(gòu)剖面圖 參閱圖5，彈簧座10與彈性腳的下平板固定，外側(cè)彈簧9套在彈簧座8， IO的外面，這樣 設(shè)計的目的是讓腳獲得一個側(cè)向運動的自由度和提供緩沖，并且，彈性腳的高度是通過調(diào) 節(jié)螺栓6調(diào)整。
彈性腳與踝關(guān)節(jié)軸固定接耳4固定，機器人小腿1底部與踝關(guān)節(jié)軸承座2固定，踝關(guān) 節(jié)固定接耳4與踝關(guān)節(jié)軸承座2通過踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸3連接，使機器人彈性腳通過踝關(guān)節(jié)與腿 相連形成點足接觸。在彈性腳的下平板上安裝滾輪14，滾輪的機械結(jié)構(gòu)參閱圖2，滑動軸 承架13 —面和滑輪軸座12通過轉(zhuǎn)軸連接，另一面和軸承14通過轉(zhuǎn)軸連接，壓簧壓住滑動 軸承架13。在無壓力的情況下彈性腳和滾輪相當(dāng)于四輪小車，減小腳底板與地面之間的摩 擦及碰撞；在有壓力時，滾輪起到支撐點的作用，從而保證機器人的穩(wěn)定行走。并且，在彈性腳的下平板11安裝一個接觸開關(guān)，通過收集開關(guān)數(shù)據(jù)來控制機器的運動，同時，踝關(guān) 節(jié)產(chǎn)生一個角度來指明向前運動和向下運動，控制腳的狀態(tài)。
機構(gòu)的間隙對機器人的行走也有很大的影響。由于重量原因，機器人的機構(gòu)在調(diào)試中 存在形變，且機構(gòu)間的間隙也隨著機器人姿態(tài)的變化而變化，對行走有很大的影響。而且， 由于間隙的存在，使得一定姿態(tài)下機器人擺動腿與地面的高度變小，甚至與地面發(fā)生碰撞， 成為機器人調(diào)試中不得不考慮的一個問題。主要解決方法是腳的下平板后面和踝關(guān)節(jié)上方 安裝彈簧，并用開關(guān)控制彈簧只在機器人擺動腿剛離開地面時和即將接觸地面時作用，實 現(xiàn)了此彈簧的半周期控制，保證了腳呈水平狀態(tài)，避免和減小腳底板與地面之間的碰撞。 并且，彈性腳下平板上安裝的滾輪，減小腳底板與地面之間的摩擦及碰撞，保證了機器人 的穩(wěn)定行走。
在其下平板11的后面和踝關(guān)節(jié)上方小腿1之間安裝一個彈簧，并用開關(guān)控制彈簧只在 機器人擺動腿剛離開地面時和即將接觸地面時作用，實現(xiàn)了此彈簧的半周期控制，保證了 腳呈水平狀態(tài)，避免和減小腳底板與地面之間的碰撞。并且，在彈性腳的下平板(11)安 裝一個接觸開關(guān)，通過收集開關(guān)數(shù)據(jù)來控制機器的運動。
具有三維側(cè)向腳的行走機制是三維空間的主要挑戰(zhàn)之一。出現(xiàn)的新問題是側(cè)向傾斜的 不穩(wěn)定性，除了將偏航運動最小化以外，我們致力于提高側(cè)向的穩(wěn)定性。為此，我們總結(jié) 了五個最重要的思想來將我們的三維側(cè)向腳行走機制同二維的區(qū)別開來
1、 腳的上下平板5， 11和外側(cè)彈簧9的設(shè)計允許側(cè)向運動的產(chǎn)生；
2、 內(nèi)外兩側(cè)的彈簧15， 9都可釋放機制并起到緩沖、吸收能量的作用；
3、 腳下平板ll的滾輪機構(gòu)可以降低腳與地面碰撞時的不穩(wěn)定性；
4、 接觸開關(guān)通過收集數(shù)據(jù)控制行走；
5、 腳的下平板ll后面和踝關(guān)節(jié)上方l之間安裝的彈簧和控制開關(guān)，采用半周期控制， 避免和減小腳底板與地面之間的碰撞。
三維中，本發(fā)明通過在行走斜面上鋪上一層橡皮，提供了最大摩擦扭矩使偏航最小化。 在此，假設(shè)偏航足夠小可以忽略，這就簡化了數(shù)值分析，而且分析空間被分成橫向(側(cè)向) 和豎直方向(前向)兩部分。
從理論上對側(cè)向運動進(jìn)行適當(dāng)?shù)募僭O(shè)和簡化，來揭示被動側(cè)向行走的基本原理。對于所 設(shè)計的欠驅(qū)動步行機器人側(cè)向運動的模型，進(jìn)行必要的簡化與抽象后也可以得到圖6所示的 機器人側(cè)向運動的具體結(jié)構(gòu)模型，模型有一個側(cè)向的自由度記為6>，將機器人的總質(zhì)量基于 圖中黑點位置并記為M， //為最高點和重心之間的距離，d為機器人腳的寬度，5為腳的高 度，"為機器人腿的長度，Z為機器人髖關(guān)節(jié)長度，/為機器人兩腳之間的寬度，r為腳部 圓形軌跡半徑，i 為質(zhì)心圓形軌跡半徑，"為支撐點和重心之間的初始角度，"為腳部初始的拉伸角度，并且，每只彈性腳的支撐點用藍(lán)點表示。
欠驅(qū)動步行機器人側(cè)向運動的模型的穩(wěn)定行走步態(tài)具有兩個不同的階段，擺動階段與 碰撞階段；把機器人的"被動側(cè)向行走步態(tài)"周期分為四個不同的階段(參閱圖7):
階段I，前向運動擺動腿脫離地面，膝關(guān)節(jié)彎曲，向前擺動；支撐腿膝關(guān)節(jié)伸直并鎖 死且開始側(cè)向擺動直到最大(參閱圖7A-B)。
階段II，支撐腿側(cè)向回擺，擺動腿擺動至前方最大位置處發(fā)生碰撞，膝關(guān)節(jié)鎖死(參 閱圖7B-C)。
階段III，支撐腿和擺動腿相互交換，支撐腿抬起前向運動，擺動腿開始產(chǎn)生西側(cè)向擺 動直到最大(參閱圖7C-D)，(碰撞前的擺動腿變?yōu)橹瓮?，碰撞前的支撐腿變?yōu)閿[動腿)。 階段IV，擺動腿回擺直到支撐腿與地面接觸(參閱圖7D-A)。
四個階段中，機器人的運動具有不同的動力學(xué)特性，建模過程要分別進(jìn)行討論。階段I
和階段n之間，以及階段m和階段iv之間，機器人的狀態(tài)連續(xù)變化，都稱為擺動階段，一 般通過牛頓運動定律建立機器人的動力學(xué)方程。但是，由于階段n和階段in之間，階段iv 和階段i之間，回擺腿與地面發(fā)生碰撞，使機器人狀態(tài)發(fā)生突變，稱為碰撞階段，其數(shù)學(xué)模 型具有離散的性質(zhì)。
參閱圖7，機器人側(cè)向行走過程從圖中可以明顯的表達(dá)出來，可見，本發(fā)明的具有側(cè)向
自由度的多模式欠驅(qū)動彈性腳具有很大的創(chuàng)新性，最主要的是內(nèi)外側(cè)彈簧15， 9的利用，
并且，在滾輪中加了壓簧，在彈性腳下平板ll的后面和踝關(guān)節(jié)上方小腿l加了彈簧，整體 的設(shè)計保證了機器人被動運動模式的存在，提供了機器人側(cè)向行走步態(tài)，獲得了一個側(cè)向 自由度，并且，起到了緩沖的作用。
權(quán)利要求
1、一種具有側(cè)向自由度的欠驅(qū)動雙足機器人多模式欠驅(qū)動彈性腳，主要由上、下兩平板(5，11)組成，其特征在于在上、下兩平板(5，11)之間的內(nèi)外兩側(cè)裝有兩個同類型的彈簧機構(gòu)，其中的外側(cè)彈簧(9)的彈性系數(shù)小于內(nèi)側(cè)彈簧(15)的彈性系數(shù)，在下平板(11)上安裝有滾輪機構(gòu)，并在下平板(11)的后面和踝關(guān)節(jié)上方小腿(1)之間安裝一彈簧，在彈性腳的下平板(11)上裝有接觸開關(guān)，彈性腳的踝關(guān)節(jié)與小腿(1)相連處為點足接觸。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有側(cè)向自由度的欠驅(qū)動雙足機器人多模式欠驅(qū)動彈性腳，其特征在于所述的點足接觸為彈性腳與踝關(guān)節(jié)固定接耳(4)固定，機器人的小腿(1)底部與踝關(guān)節(jié)軸承座(2)固定，踝關(guān)節(jié)固定接耳(4)與踝關(guān)節(jié)軸承座(2)通過轉(zhuǎn)軸(3) 連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有側(cè)向自由度的欠驅(qū)動雙足機器人多模式欠驅(qū)動彈性腳， 其特征在于所述的滾輪機構(gòu)安裝在下平板(11)對角處，滾輪機構(gòu)的滾輪(14)通過轉(zhuǎn)軸 裝在滑動軸承架(13)上，滑動軸承架(13)與固定在下平板(11)上的滑輪軸座(12) 之間通過轉(zhuǎn)軸連接，并裝有壓簧。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有側(cè)向自由度的欠驅(qū)動雙足機器人多模式欠驅(qū)動彈性腳， 其特征在于所述的彈簧機構(gòu)中的內(nèi)側(cè)彈簧(15)套裝在上下平板之間的彈簧座(16)上， 彈簧座(16)的上端為一長孔，與固定在上平板(5)上的銷座(17)為軸孔連接。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有側(cè)向自由度的欠驅(qū)動雙足機器人多模式欠驅(qū)動彈性腳， 其特征在于所述的彈簧機構(gòu)中的外側(cè)彈簧(9)套裝在上、下彈簧座(8， 10)上，彈簧調(diào) 節(jié)座(7)和彈簧座(8)套裝在調(diào)節(jié)螺栓(6)上，并分別固定在上平板(5)的上、下表 面上，彈簧座(10)與下平板(11)固定。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有側(cè)向自由度的欠驅(qū)動雙足機器人多模式欠驅(qū)動彈性腳。用于解決在三維欠驅(qū)動雙足機器人行走過程中出現(xiàn)的側(cè)向偏轉(zhuǎn)問題，保證機器人行走過程中的側(cè)向平衡，起到了緩沖的作用。本發(fā)明主要由上、下兩平板(5，11)組成，在上、下兩平板(5，11)之間的內(nèi)外兩側(cè)裝有兩個同類型的彈簧機構(gòu)，其中的外側(cè)彈簧(9)的彈性系數(shù)小于內(nèi)側(cè)彈簧(15)的彈性系數(shù)，在下平板(11)上安裝有滾輪機構(gòu)，并在下平板(11)的后面和踝關(guān)節(jié)上方小腿(1)之間安裝一彈簧，在彈性腳的下平板(11)上裝有接觸開關(guān)，彈性腳的踝關(guān)節(jié)與小腿(1)相連處為點足接觸。
文檔編號B62D57/00GK101428656SQ20081005160
公開日2009年5月13日 申請日期2008年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月16日
發(fā)明者劉振澤, 宿建樂, 崔相吉, 張佩杰, 田彥濤, 肖家棟, 趙紅杰, 振 隋, 黃笑亮 申請人:吉林大學(xué)