基于平行双向驱动的仿生腿足结构及其控制方法技术

本发明专利技术提出一种基于平行双向驱动的仿生腿足结构及其控制方法，所述基于平行双向驱动的仿生腿足结构包括大腿部、小腿部、分布式驱动机构以及髋关节驱动器。所述分布式驱动机构包括膝关节底部驱动器、膝关节关节处驱动器以及传动组件。在驱动方面本发明专利技术采用平行双向驱动，将驱动器分布在腿足结构的不同位置，针对平行双向驱动的特性，提供了一种控制方法实现腿足高效控制，将扭矩产生分为高频和低频，驱动各关节转动。并通过添加弹性元件，模拟肌腱传动作用，实现关节柔顺控制，提高能量利用率。提高能量利用率。提高能量利用率。

【技术实现步骤摘要】
基于平行双向驱动的仿生腿足结构及其控制方法


[0001]本专利技术涉及腿足式机器人领域，具体地，涉及一种基于平行双向驱动的仿生腿足结构及其控制方法。特别的，提出了一种采用平行双向驱动实现腿足高效运动的控制方法。

技术介绍

[0002]在医护场景和城市搜救这些特殊场景中,相较于轮式机器人和履带式机器人，腿足式机器人具有较好的路面适应能力及动态稳定性，但是传统的足式机器人构型仅简单的模仿人类或动物的腿部结构,使用刚性连杆配置，通过低扭矩的舵机或高扭矩但噪声、体积大的液压驱动关节驱动，较难实现对步伐的大小、快慢、幅度的高效控制。引入柔性关节虽然能提升系统安全性和稳定的力输出，但其弹性结构一定程度上降低了机器人的运动控制精度，难以满足足式机器人在关节柔顺性与适应不同地形要求的动态平衡。
[0003]其次，人类在跑跳运动的过程中，往往会通过肌肉的弹性循环利用运动过程中的能量降低运动过程中能量的消耗。机器人需要具有更高的能量利用效率，有效利用弹性元件运动时的能量，充分利用机器人的自然特性，在有节律的运动中循环能量，降低机器人系统的能量输入。

技术实现思路

[0004]针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于平行双向驱动的仿生腿足结构及其控制方法。
[0005]根据本专利技术提供的一种基于平行双向驱动的仿生腿足结构，包括大腿部、小腿部、分布式驱动机构以及髋关节驱动器；
[0006]所述髋关节驱动器安装在所述大腿部的一端，用于驱动所述大腿部旋转；
[0007]所述大腿部与小腿部可转动连接；
[0008]所述分布式驱动机构用于驱动所述小腿部旋转。
[0009]优选的，所述分布式驱动机构包括膝关节底部驱动器、膝关节关节处驱动器以及传动组件；
[0010]所述膝关节底部驱动器安装在所述大腿部的一端，且通过传动组件与所述小腿部传动连接；
[0011]所述膝关节关节处驱动器安装在所述大腿部的另一端，且能够驱动所述小腿部旋转。
[0012]优选的，所述传动组件包括线缆，主动轮、从动轮；
[0013]所述主动轮安装在所述大腿部的一端，且与所述膝关节底部驱动器连接，所述膝关节底部驱动器能够带动所述主动轮旋转；
[0014]所述从动轮安装在所述大腿部的另一端；所述线缆套装在所述从动轮与主动轮上，主动轮能够通过线缆驱动所述从动轮旋转；
[0015]所述从动轮与小腿部连接，从动轮能够带动所述小腿部旋转。
[0016]优选的，还包括线缆驱动器，所述线缆驱动器能够驱动所述线缆运动。
[0017]优选的，还包括足部与踝关节储能件；所述小腿部通过所述踝关节储能件与所述足部连接。
[0018]优选的，所述踝关节储能件为压缩弹簧。
[0019]优选的，所述膝关节底部驱动器与髋关节驱动器均为串联弹性驱动器；
[0020]所述膝关节关节处驱动器为伺服电机。
[0021]优选的，所述串联弹性驱动器用于提供低频高扭矩；
[0022]所述膝关节关节处驱动器用于提供高频低扭矩。
[0023]本专利技术还提供了一种基于平行双向驱动的仿生腿足结构的控制方法，采用所述的基于平行双向驱动的仿生腿足结构；
[0024]低频的膝关节底部驱动器采用基于速度源控制的SEA控制，
[0025]将电机的输出转速作为理想的输入源，通过串联弹性驱动器中电机的输出转速控制串联弹性驱动器的输出力、速度和位移，以实现串联弹性驱动关节的期望力矩跟踪。
[0026]与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：
[0027]1、本专利技术多个驱动器分别分布在仿生足结构的不同位置，降低了腿部的有效惯量，实现了仿生足结构的高效控制与轻量化。
[0028]2、本专利技术通过串联弹性驱动器用于提供低频扭矩，所述膝关节关节处驱动器用于提供高频扭矩，结合传动组件设计，
[0029]满足了足式机器人关节的柔顺地面适应要求和动态平衡要求。
[0030]3、本专利技术采用的串联弹性驱动器中具有弹性元件，模拟肌腱的传动特性，提高了腿足结构的仿生特性，能够实现关节的柔顺运动。
[0031]4、本专利技术采用的串联弹性驱动器中具有弹性元件可作为储能机构，并且在小腿部与足部之间设置了压缩弹簧，实现了离地阶段释放势能，推动腿足运动，提高能量的利用率的技术效果。
附图说明
[0032]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0033]图1为本专利技术的结构示意图；
[0034]图2为平行双向驱动分布的示意图；
[0035]图3为单关节平行双向驱动控制方法的示意图
[0036]图4a为简化后的驱动控制框图示意图
[0037]图4b为等效平行结构的分频示意图
[0038]图中示出：
[0039]具体实施方式
[0040]下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。
[0041]本专利技术提供了一种基于平行双向驱动的仿生腿足结构，如图1所示，所述基于平行双向驱动的仿生腿足结构包括大腿部1、小腿部2、分布式驱动机构3以及髋关节驱动器4。
[0042]所述大腿部1可与外界机器人躯干连接。所述髋关节驱动器4安装在所述大腿部1的一端，用于驱动所述大腿部1旋转；所述大腿部1与小腿部2可转动连接；所述分布式驱动机构3用于驱动所述小腿部2旋转。
[0043]所述分布式驱动机构3包括膝关节底部驱动器5、膝关节关节处驱动器6以及传动组件7；所述膝关节底部驱动器5安装在所述大腿部1的一端，且通过传动组件7与所述小腿部2传动连接，即膝关节底部驱动器5能够通过传动组件7驱动所述小腿部2旋转。述膝关节关节处驱动器6安装在所述大腿部1的另一端，且能够驱动所述小腿部2旋转。
[0044]所述传动组件7包括线缆8，主动轮9、从动轮10；所述主动轮9安装在所述大腿部1的一端，且与所述膝关节底部驱动器5连接，所述膝关节底部驱动器5能够带动所述主动轮9旋转；在一个优选中，所述线缆8为电缆。
[0045]所述从动轮10安装在所述大腿部1的另一端；所述线缆8套装在所述从动轮10与主动轮9上，主动轮9能够通过线缆8驱动所述从动轮10旋转；所述从动轮与小腿部2连接，从动轮10能够带动所述小腿部2旋转。
[0046]在一个优选例中，所述的基于平行双向驱动的仿生腿足结构，还包括线缆驱动器13、足部11与踝关节储能件12，所述线缆驱动器13能够驱动所述线缆8运动，优选的，线缆驱动器13用于在主动轮9带动线缆8运动时，再给线缆8施加另一个动力，进一步增强从动轮10的旋转运动。所述小腿部2通过所述踝关节储能件12与所述足部11连接。优选的，所述踝关节本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于平行双向驱动的仿生腿足结构，其特征在于，包括大腿部(1)、小腿部(2)、分布式驱动机构(3)以及髋关节驱动器(4)；所述髋关节驱动器(4)安装在所述大腿部(1)的一端，用于驱动所述大腿部(1)旋转；所述大腿部(1)与小腿部(2)可转动连接；所述分布式驱动机构(3)用于驱动所述小腿部(2)旋转。2.根据权利要求1所述的基于平行双向驱动的仿生腿足结构，其特征在于，所述分布式驱动机构(3)包括膝关节底部驱动器(5)、膝关节关节处驱动器(6)以及传动组件(7)所述膝关节底部驱动器(5)安装在所述大腿部(1)的一端，且通过传动组件(7)与所述小腿部(2)传动连接；所述膝关节关节处驱动器(6)安装在所述大腿部(1)的另一端，且能够驱动所述小腿部(2)旋转。3.根据权利要求2所述的基于平行双向驱动的仿生腿足结构，其特征在于，所述传动组件(7)包括线缆(8)，主动轮(9)、从动轮(10)；所述主动轮(9)安装在所述大腿部(1)的一端，且与所述膝关节底部驱动器(5)连接，所述膝关节底部驱动器(5)能够带动所述主动轮(9)旋转；所述从动轮(10)安装在所述大腿部(1)的另一端；所述线缆(8)套装在所述从动轮(10)与主动轮(9)上，主动轮(9)能够通过线缆(8)驱动所述从动轮(10)旋转；所述从动轮与小腿部(2)连接，从...

【专利技术属性】
技术研发人员：李智军，刘晓彤，李国欣，
申请(专利权)人：中国科学技术大学先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：