一种有躯体式准被动双足步行机器人系统技术方案

一种有躯体式准被动双足步行机器人系统，涉及机器人技术领域。解决了现有的机器人不符合步态自然、能耗低的设计要求的问题。串联弹性驱动单元传动机构的上下两端各与一个第三钢丝绳的一端连接，下端两根第三钢丝绳的另一端各与电机传动轮连接共同组成两组串联弹性驱动单元；第一辅助轮和位于其正下方的一个内腿传动轮通过第一钢丝绳连接，第一钢丝绳的缠绕方式呈C形，且两个第一钢丝绳的缠绕方向相反；第二辅助轮和位于其正下方的一个外腿传动轮通过第二钢丝绳连接，第二钢丝绳的缠绕方式呈S形，两个第二钢丝绳的缠绕方向相反。本发明专利技术使准被动机器人充分利用自身的自然动力学特性，使准被动机器人步行过程呈现出步态自然的特点、步行能耗低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种准被动步行机器人，涉及机器人

技术介绍
被动双足歩行机器人是步行机器人研究領域内的重要分支，具有步态自然、能耗低的特点。被动机器人是能够利用自身惯性为歩行提供能量从而获得稳定步行的歩行机器 人，与传统的主动步行机器人相比有结构简单，步态自然、能耗低的特点。被动步行机器人分为纯被动步行机器人与准被动步行机器人纯被动歩行机器人没有任何外力输入只靠自身的重力作用在斜坡上行走，分为无膝关节式与有膝关节式；准被动步行机器人对某些关节进行了驱动因此能够在平地上行走，分为有躯体式与无躯体式。传统的主动机器人采用纯刚性的驱动单元即电机与纯刚性的減速器传统机构相连，这种设计不符合被动机器人步态自然、能耗低的设计要求。目前现有的有躯体式准被动歩行机器人的躯体部分多为主动控制，通过电机拉动躯体使其始終保持在竖直位置，控制相对复杂，降低了系统的可靠程度；同时膝关节多为主动锁定与解锁如吸盘式电磁铁，这种锁定方式锁定并不完全可靠并且能量消耗相对较大。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有的被动机器人不符合步态自然、能耗低的设计要求，以及现有主动机器人通过电机拉动躯体使其始終保持在竖直位置时存在控制相对复杂，系统的可靠程度差等问题，进而提供了一种有躯体式准被动双足歩行机器人系统。刚度改变可以使准被动机器人在不改变摆动腿输出角度的情况下改变其步行速度，因此本专利技术对串联弾性驱动器结构做出了调整，在电机与弹簧的连接处増加了螺杆螺栓结构的调节单元，通过调节螺杆在弹簧内的接触长度来改变弹簧的有效长度从而改变弹簧刚度。为使躯体的运动方式完全为被动方式，本专利技术设计了髋关节角平分机构，它使躯体始終保持在两腿的角平分线上，运动方式为纯被动。为解决现有的准被动机器人膝关节锁定方式不可靠且能耗大的问题，本专利技术设计了能够被动锁定主动解锁的膝关节锁定机构，通过电磁铁定位销及定位孔来实现锁定，锁定可靠且能耗低。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是本专利技术所述准被动双足歩行机器人系统包括躯体、内腿和外腿和电机，躯体包括上框和两个立柱，上框的下边框与两个立柱的上端连接，电机安装在上框上，所述机器人系统还包括主轴、辅助轴、两个第一辅助轮、两个第二辅助轮、电机传动轮、两个外腿传动轮、两个内腿传动轮、两根第一钢丝绳、两根第二钢丝绳、两个串联弹性驱动单元传动机构和四根第三钢丝绳；内腿由横撑和两个单内腿构成，横撑将两个单内腿的大腿连在一起，外腿由两个单外腿构成；辅助轴水平位于两个立柱之间且辅助轴的两端与相应端的立柱的中部通过轴承转动连接，水平位于辅助轴下方的主轴通过轴承分别安装在两个立柱的下端上，且主轴的两端分别穿出相应的立柱的下端，主轴的两端各与一个单外腿的上端固接；两个第一辅助轮和两个第二辅助轮均分散地固定安装在辅助轴上且两个第二辅助轮位于两个第ー辅助轮之间；两个内腿传动轮可转动地安装在位于两个立柱之间的主轴上，两个外腿传动轮位于两个内腿传动轮之间且二者均固定安装在主轴上，电机传动轮固装在主轴上且位于两个外腿传动轮之间；两个内腿传动轮分别与每个单内腿的上端固接；每个串联弹性驱动单元传动机构的上下两端各与ー个第三钢丝绳的一端连接，同时上端两根第三钢丝绳的另一端各与电机输出轮连接，下端两根第三钢丝绳的另一端各与电机传动轮连接共同组成两组串联弹性驱动单元；每个第一辅助轮和位于其正下方的ー个内腿传动轮通过第一钢丝绳连接，所述第一钢丝绳的缠绕方式呈C形，且两个第一钢丝绳的缠绕方向相反；每个第二辅助轮和位于其正下方的ー个外腿传动轮通过第二钢丝绳连接，所述第二钢丝绳的缠绕方式呈S形，且两个第二钢丝绳的缠绕方向相反。本专利技术的有益效果是本专利技术能够使准被动机器人充分利用自身的自然动力学特性，使准被动机器人步 行过程呈现出步态自然的特点，同时步行能耗较低。本专利技术的技术要点1、电机通过钢丝绳及螺杆螺栓调节单元与弹簧连接构成可调节刚度的柔性驱动单元，是被动机器人能够满足步态自然、能耗低的步行特点的先决条件；2、通过在髋关节主轴与躯体辅助轴上分别设置四个传动轮并通过钢丝绳连接(其中两组采用“C形”联接，另外两组采用“S形”联接方式)来使躯体始終保持在两腿的角平分线上；3、膝关节采用框架式电磁铁来达到节省安装空间的目的，定位销上带有弹簧实现快速可靠定位。传统的主动机器人采用纯刚性的驱动单元即电机与纯刚性的減速器传统机构相连，这种设计不符合被动机器人步态自然、能耗低的设计要求。而本专利技术提出了利用柔性驱动单元，采用串联弹性驱动器并改善其现有结构达到了可以改变柔性元件刚度的目的。目前现有的有躯体式准被动步行机器人的躯体部分多为主动控制，通过电机拉动躯体使其始終保持在竖直位置，控制相对复杂，降低了系统的可靠程度；同时膝关节多为主动锁定与解锁如吸盘式电磁铁，这种锁定方式锁定并不完全可靠并且能量消耗相对较大。因此针对上述两种情况，本专利技术分别专利技术了髋关节角平分机构及膝关节锁定机构使上述情况得到了改善。本专利技术涉及被动机器人的关键机构，包括髋关节角平分机构，该机构使被动机器人躯体始終保持在两腿角平分线上；膝关节锁定机构，该机构使膝关节的摆动完全被动。本专利技术是ー种充分利用了自身自然动力学特性进行步行的准被动双足歩行机器人系统。其主要包含的内容有1、改进的串联弹性驱动单元，通过其可以调节串联弹性驱动单元的刚度，使准被动机器人歩行的步态自然、能耗低。2、髋关节角平分机构使躯体始終保持在两腿的角平分线上，増加准被动机器人的被动性能，使系统的控制简单增加系统可靠性。3、膝关节锁定机构使膝关节成为被动锁定、主动解锁的机构，它使膝关节为完全被动关节，同时膝关节的锁定可靠，解锁消耗能量极低。本专利技术的具体优点如下本专利技术所述机器人能够充分利用自身自然动力学特性进行步行，由于步行过程中只对摆动腿进行驱动，躯体及膝关节都是完全被动的关节，因此步行过程能耗低，步态自然，控制系统可靠；本专利技术所述机器人的采用了柔性驱动单元作为驱动源对摆动腿进行驱动，它可以保证准被动机器人充分利用自身惯性从而达到步态自然、能耗低的设计要求。同时改进了的柔性驱动单元的传动机构部分能够调节柔性驱动单元的刚度可以使准被动机器人在保持其被动特性的前提下调节步行速度；本专利技术所述机器人的髋关节角平分机构保证了躯体始終保持在两腿的角平分线上，三部分只构成ー个自由度，躯体为完全被动的关节，这降低了系统的复杂度增加了系统的被动性能及可靠性；本专利技术所述机器人的膝关节设计了可以被动锁定、主动解锁的锁定机构，该机构保证了准被动步行机器人膝关节锁定的可靠性，同时锁定过程能耗极低。附图说明 图I是本专利技术的整体结构立体图(髋关节角平分机构图)；图2是图I中的是串联弹性驱动单元传动机构(柔性驱动单元)的放大立体图；图3是图I中的膝关节锁定机构的原理图(锁定前状态，弯曲)，图4是图I中的膝关节锁定机构的原理图(锁定后状态，变直)。具体实施例方式具体实施方式一如图I 4所不，本实施方式所述的I、一种有躯体式准被动双足歩行机器人系统，所述机器人系统包括躯体、内腿3和外腿4和电机5，躯体包括上框I和两个立柱2，上框I的下边框与两个立柱2的上端连接，电机5安装在上框I上，其特征在于所述机器人系统还包括主轴6、辅助轴7、两个第一辅助轮8、两个第二辅助轮9、电机传动轮10、两本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有躯体式准被动双足步行机器人系统，所述机器人系统包括躯体、内腿(3)和外腿(4)和电机(5)，躯体包括上框(I)和两个立柱(2)，上框(I)的下边框与两个立柱(2)的上端连接，电机(5)安装在上框(I)上，其特征在于所述机器人系统还包括主轴(6)、辅助轴(7)、两个第一辅助轮(8)、两个第二辅助轮(9)、电机传动轮(10)、两个外腿传动轮(11)、两个内腿传动轮(12)、两根第一钢丝绳(13)、两根第二钢丝绳(14)、两个串联弹性驱动单元传动机构(15)和四根第三钢丝绳(16);内腿⑶由横撑(3-2)和两个单内腿(3-1)构成，横撑(3-2)将两个单内腿(3-1)的大腿连在一起，外腿(4)由两个单外腿(4-1)构成；辅助轴(7)水平位于两个立柱(2)之间且辅助轴(7)的两端与相应端的立柱(2)的中部通过轴承转动连接，水平位于辅助轴(7)下方的主轴(6)通过轴承分别安装在两个立柱(2)的下端上，且主轴￠)的两端分别穿出相应的立柱(2)的下端，主轴￠)的两端各与一个单外腿(4-1)的上端固接；两个第一辅助轮(8)和两个第二辅助轮(9)均分散地固定安装在辅助轴(7)上且两个第二辅助轮(9)位于两个第一辅助轮(8)之间；两个内腿传动轮(12)可转动地安装在位于两个立柱⑵之间的主轴(6)上，两个外腿传动轮(11)位于两个内腿传动轮(12)之间且二者均固定安装在主轴(6)上，电机传动轮(10)固装在主轴(6)上且位于两个外腿传动轮(11)之间；两个内腿传动轮(12)分别与每个单内腿(3-1)的上端固接；每个串联弹性驱动单元传动机构(15)的上下两端各与一个第三钢丝绳(16)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵杰，臧希喆，刘鑫宇，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：