專利名稱：一種無動力行走雙足機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及一種無動力行走雙足機構(gòu)，用于研制和開發(fā)新型靈活、操縱性強的直立行走機構(gòu)，也可用于人型機器人領(lǐng)域以及玩具和收藏品領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
目前，雙足機器人的行走方法主要包括靜態(tài)行走，ZMP行走，以及極限環(huán)行走。其中靜態(tài)行走是出現(xiàn)最早的也是最基礎(chǔ)的一種行走方法，其要求行走過程中機器人的質(zhì)心始終保持在地面上雙腳構(gòu)成的多邊形以內(nèi)，這種方式很容易保持機器人的穩(wěn)定，但也極大的限制了機器人的行走速度。ZMP行走要求機器人的零矩點始終保持在雙腳構(gòu)成的多邊形以內(nèi)， 這種方法在一定程度上比靜態(tài)行走減少了人為約束，因此在一些機器人上實現(xiàn)了較高速度的行走。目前，ZMP行走的成功實例包括本田公司的AsIMO，日本AIsT研究所的HRP3，以及索尼公司的Qrio等。但是與傳統(tǒng)工業(yè)機器人相似，ZMP行走仍然采用了較多的人為約束， 因此在能量效率、行走速度、抗干擾能力、以及步態(tài)自然性等方面很難再有突破。極限環(huán)行走是近年來出現(xiàn)的一種新的行走理念，它的提出受到了人類行走的啟發(fā)，要求周期性的步態(tài)序列是軌道穩(wěn)定的，即步態(tài)序列可以在狀態(tài)空間中形成一個穩(wěn)定的極限環(huán)，但在步態(tài)周期中的任意瞬時并不具備局部穩(wěn)定性。這種方法對機器人的人為約束較少，充分地利用了機器人自身的動力學(xué)特性，因而具有較大的空間提高機器人的能量效率、行走速度、以及抗干擾能力。目前，采用極限環(huán)行走原理的成功實例包括MIT的Sping Flaningo及其虛擬模型控制方法，法國科學(xué)院的Rabbit及其混合零動力學(xué)控制方法，Geng等人的RimHot及其中樞神經(jīng)控制方法，以及CMU的雙足機器人及其再勵學(xué)習(xí)方法等。這些機器人在行走速度、 能量效率、以及抗干擾能力等方面實現(xiàn)了較大的突破，但步態(tài)生成方法較為繁瑣，并且需要外界供給能量而使其行走。被動行走是極限環(huán)行走的一種典型范例，機器人沿微傾的斜坡向下行走，不需要施加任何控制，斜坡提供的重力勢能轉(zhuǎn)化為機器人行走所需的動能。被動行走生成的步態(tài)非常自然，能量效率可以達到人類的水平，約是ZMP行走機器人AsTMO的十幾分之一。本發(fā)明所述的無動力行走雙足機構(gòu)行走方法以被動行走為基礎(chǔ)，通過機構(gòu)整體與著地腳板之間形成扭矩，將重力勢能轉(zhuǎn)化成動能，使整個機構(gòu)在斜面上不斷前進，而無需外界供應(yīng)任何動力。設(shè)計內(nèi)容本發(fā)明的目的在于使用高效、優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)，設(shè)計出一種無動力供給的雙足行走機器人，提出一種新的機器人設(shè)計思路，優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減少機器人對能源的損耗，從而引導(dǎo)機器人行業(yè)的節(jié)能化、低碳化設(shè)計。本發(fā)明跳出實現(xiàn)機器人各個關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動要靠舵機來完成的思維模式，而是利用被動動力學(xué)等原理，讓機器人能夠在一個傾斜面上以穩(wěn)定的式樣行走，所有關(guān)節(jié)無需驅(qū)動。被動動力學(xué)則是指利用外部環(huán)境與關(guān)節(jié)的交互做到靈巧自如的運動。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下一種實現(xiàn)雙足機器人在斜面上以穩(wěn)定步態(tài)行走而所有關(guān)節(jié)無需驅(qū)動。其具體特征如下無動力可行走機器人沒有任何動力驅(qū)動裝置，而是利用本身的重力在斜面上進行行走。巧妙的結(jié)構(gòu)巧妙優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計是實現(xiàn)機器人行走的先決條件，并且使機器人在組裝、使用上都簡便易操作。低碳、節(jié)能簡潔輕巧的機器人做到了低成本、無需消耗電能或其他能源，可謂未來機器人發(fā)展的趨勢。由于以上所述的特點，本發(fā)明可以較好的引導(dǎo)未來機器人行業(yè)及其他行業(yè)的發(fā)展，使科技的發(fā)展不會大大的影響人類所在的環(huán)境，研發(fā)出節(jié)能低碳的機器人，此機器人也可以用于玩具、禮品等領(lǐng)域，具有較高的實用價值。


圖一為無動力行走雙足機器人行走的原理示意圖。圖中，1為支架；2為右腿轉(zhuǎn)動副；3為左腿轉(zhuǎn)動副；4為右腿桿；7為左腳支桿；8為右腳板、9為左腳板。圖二為無動力行走雙足機器人實例應(yīng)用行走原理示意圖。圖中，1為支架；2為右腿轉(zhuǎn)動副、3為左腿轉(zhuǎn)動副；4為右腿側(cè)支桿-J為左腳外側(cè)支桿；8為右腳內(nèi)側(cè)支桿、9為左腳內(nèi)側(cè)支桿。
具體實施例方式本發(fā)明的基本行走原理為圖一。右腿4通過右腿轉(zhuǎn)動副2鉸接于支架1，左腿5通過左腿轉(zhuǎn)動副3鉸接于支架1， 右腳板8與右腿4連接，左腳板9與左腿5連接，右腳支桿6與右腿4連接，左腳支桿7與左腿5連接，右腳支桿6在右腳板8之上，左腳支桿7在左腳板9之上。最終實現(xiàn)了設(shè)計的目的。工作狀態(tài)當(dāng)整個機構(gòu)處于斜面上雙腿平行靜止時，腿部是傾斜的。當(dāng)身體被推向一側(cè)時，懸空的腳板在自身重力的作用下，會趨向豎直狀態(tài)，并由于斜面與地面成一定角度使機器人足部自動向前邁出。機構(gòu)整體在自身重力與著地腳板形成的扭矩作用下，身體擺回。由于慣性，機構(gòu)會向邁出的腿傾斜，在腳板自身重力的作用下，當(dāng)前懸空的腳板又會自動向前邁出。由于邁出的腳板又會比另一腳板低，為結(jié)構(gòu)的擺動蓄能，提供不斷擺動的動力。依此下去，機構(gòu)便能夠在斜面上一直向下行走。圖二是此原理的實際應(yīng)用原理示意圖。圖三為無動力行走雙足機構(gòu)的實際應(yīng)用實體圖。本發(fā)明實施方案為利用外部環(huán)境與機器人關(guān)節(jié)的交互方式來完成靈巧自如的運動，不局限于機器人的外觀形式，只要機器人靠重力在斜面上實現(xiàn)行走，即符合圖一的行走原理，而對具體的外觀形式?jīng)]有嚴格的限制。
；5為左腿；6為右腳支 ；5為左腿；6為右腳外
權(quán)利要求
1.一種無動力雙足行走機構(gòu)，主要包括(1)為支架；( 為右腿轉(zhuǎn)動副；C3)為左腿轉(zhuǎn)動副；⑷為右腿；(5)為左腿；(6)為右腳支桿；(7)為左腳支桿；⑶為右腳板；(9)為左腳板。其特征在于右腿(4)通過右腿轉(zhuǎn)動副( 鉸接于支架(1)，左腿( 通過左腿轉(zhuǎn)動副( 鉸接于支架(1)，右腳板(8)與右腿(4)連接，左腳板(9)與左腿( 連接，右腳支桿(6)與右腿(4)連接，左腳支桿(7)與左腿( 連接，右腳支桿(6)在右腳板(8)之上， 左腳支桿(7)在左腳板(9)之上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述無動力行走雙足機構(gòu)，其特征在于當(dāng)整個機構(gòu)處于斜面上靜止時，左腿( 與右腿(4)垂直于斜面。當(dāng)身體被推向左腿( 一側(cè)時，懸空的右腳板(8) 在自身重力的作用下，會趨向豎直狀態(tài)，并由于慣性而向前邁出。機構(gòu)整體在自身重力與著地左腳板(9)形成的扭矩作用下，身體擺回。由于慣性，機構(gòu)重心會向邁出的右腿(4)傾斜， 帶動左腳板(9)離開斜面，在左腳板(9)自身重力的作用下，左腳板(9)會趨向豎直并向前邁出。由于邁出的左腳板(9)又會比右腳板(8)低，為結(jié)構(gòu)的擺動蓄能，依此下去，機構(gòu)便能夠在斜面上一直向下行走。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述無動力行走雙足機構(gòu)，其特征在于當(dāng)整個機構(gòu)處于斜面上靜止時，左腿( 與右腿(4)垂直于斜面。當(dāng)身體被推向右腿(4) 一側(cè)時，懸空的左腳板(9) 在自身重力的作用下，會趨向豎直狀態(tài)，并由于慣性而向前邁出。機構(gòu)整體在自身重力與著地右腳板(8)形成的扭矩作用下，身體擺回。由于慣性，機構(gòu)重心會向邁出的左腿(5)傾斜， 帶動右腳板(8)離開斜面，在右腳板(8)自身重力的作用下，右腳板(8)會趨向豎直并向前邁出。由于邁出的右腳板(8)又會比左腳板(9)低，為結(jié)構(gòu)的擺動蓄能，依此下去，機構(gòu)便能夠在斜面上一直向下行走。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述左腳支桿(7)與右腳支桿(6)在同一超水平線并高于左腳板 (9)與右腳板(8)所形成的水平線。
5.根據(jù)權(quán)力要求書1-4任意一條所述一種無動力雙足行走機構(gòu)，其特征在于不需任何外部動力，在與地面成一定角度的平面上實現(xiàn)穩(wěn)定的向前行走。
全文摘要
一種無動力行走雙足機構(gòu)，用于研制和開發(fā)新型靈活、操縱性強的直立行走機構(gòu)。機器人沿微傾的斜坡向下行走，不需要施加任何控制，斜坡提供的重力勢能轉(zhuǎn)化為機器人行走所需的動能。被動行走生成的步態(tài)非常自然，能量效率可以達到人類的水平。本發(fā)明的目的在于使用高效、優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)，設(shè)計出一種無動力供給的雙足行走機器人，提出一種新的機器人設(shè)計思路，優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減少機器人對能源的損耗，從而引導(dǎo)機器人行業(yè)的節(jié)能化、低碳化設(shè)計。本發(fā)明可以較好的引導(dǎo)未來機器人行業(yè)及其他行業(yè)的發(fā)展，使科技的發(fā)展不會大大的影響人類所在的環(huán)境，研發(fā)出節(jié)能低碳的機器人，此機器人也可以用于玩具、禮品等領(lǐng)域，具有較高的實用價值。
文檔編號B62D57/032GK102336230SQ20101023508
公開日2012年2月1日 申請日期2010年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者鄭世杰, 馬玉明 申請人:機器時代(北京)科技有限公司