一種模塊化的十自由度雙足步行機(jī)器人的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種模塊化的十自由度雙足步行機(jī)器人。該步行機(jī)器人由六個(gè)關(guān)節(jié)模塊、大（小）腿連桿和兩個(gè)吸收沖擊的足部組成。其中，左右腿各有三個(gè)關(guān)節(jié)，分別為髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，髖（踝）關(guān)節(jié)具有俯仰和擺動(dòng)兩個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)只有俯仰自由度。關(guān)節(jié)模塊有兩種形式，具有兩個(gè)自由度的稱(chēng)為十字關(guān)節(jié)，具有單個(gè)自由度的稱(chēng)為一字關(guān)節(jié)。髖（踝）關(guān)節(jié)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)是空間垂直的，所有的俯仰驅(qū)動(dòng)電機(jī)都是平行的。該雙足步行機(jī)器人的步行模式有多種，包括上下臺(tái)階、剛性地面和柔性地面上的行走。所發(fā)明的雙足步行機(jī)器人具有主動(dòng)步行、結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單、成本較低、對(duì)環(huán)境適應(yīng)性好和能耗小等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于救災(zāi)、搬運(yùn)和醫(yī)學(xué)等方面。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種模塊化的十自由度雙足步行機(jī)器人

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器人【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種模塊化方法構(gòu)建的具有十個(gè)自由度的所有關(guān)節(jié)都為主動(dòng)型的雙足步行機(jī)器人。

【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)器人技術(shù)是一門(mén)綜合了機(jī)械學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)、控制理論、計(jì)算機(jī)、人工智能、人機(jī)工程和系統(tǒng)工程等多學(xué)科領(lǐng)域的高技術(shù)，是21世紀(jì)具有代表性的高技術(shù)。仿人機(jī)器人是當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最高級(jí)和最尖端的體現(xiàn)，他們具有類(lèi)似人類(lèi)的外形，在結(jié)構(gòu)方面和步行方式上也模仿人類(lèi)。仿人機(jī)器人的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往由上身和下肢組成，除了腿部的行走功能外，還包括手、腰和頭的功能，其自由度的數(shù)目相比雙足步行機(jī)器人有成倍的增加，與此同時(shí)，也帶來(lái)了控制規(guī)劃、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)等研究領(lǐng)域更為復(fù)雜的問(wèn)題。仿人機(jī)器人的核心技術(shù)和最具挑戰(zhàn)的難點(diǎn)是雙足步行時(shí)動(dòng)態(tài)平衡的實(shí)現(xiàn)。
[0003]自從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的初期，雙足步行就被認(rèn)為是一項(xiàng)最高難度的挑戰(zhàn)。早在著名的仿人機(jī)器人ASMO、QRIO和HRP-2出現(xiàn)之前的三十年中，雙足步行一直是步行機(jī)器人發(fā)展的焦點(diǎn)和難點(diǎn)。最早的研究暨平臺(tái)開(kāi)發(fā)可以追溯到早稻田大學(xué)的加藤一郎在1966年和牛津大學(xué)的D.C.Witt在1968年開(kāi)始的工作。加藤一郎等人在1973年創(chuàng)建了世界上第一臺(tái)具有雙腿和雙臂并受計(jì)算機(jī)控制的仿人機(jī)器人WAB0T-1。雖然是一項(xiàng)標(biāo)志性成果，WAB0T-1只能做靜態(tài)步行運(yùn)動(dòng)。在1980年前后，一個(gè)重大的研究趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)雙足動(dòng)態(tài)步行，很多國(guó)內(nèi)外研究人員開(kāi)始積極從事理論研究和機(jī)器人平臺(tái)的開(kāi)發(fā)。到1986年，已開(kāi)發(fā)出許多能作動(dòng)態(tài)步行運(yùn)動(dòng)的雙足機(jī)器人。即便是仿人機(jī)器人已成功開(kāi)發(fā)(以1996年本田推出仿人機(jī)器人P2為標(biāo)志)了十多年的今天，雙足步態(tài)規(guī)劃和控制仍然是一個(gè)研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外還有很多研究機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)和研究各種雙足步行機(jī)器人。
[0004]國(guó)內(nèi)外大多數(shù)雙足步行機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上都較復(fù)雜，由兩條腿構(gòu)成，關(guān)節(jié)都是主動(dòng)型的，自由度較多，雙足的自由度有8個(gè)、10個(gè)、往往多達(dá)12個(gè)，行走方式模仿人類(lèi)的步行，控制較復(fù)雜。另有一類(lèi)步行機(jī)器人通過(guò)其它方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)步行，包括讓機(jī)器人在勢(shì)能的作用下沿小斜面步行而下的被動(dòng)步行機(jī)器人。通過(guò)非線性振擺實(shí)現(xiàn)跨步的高蹺型雙足機(jī)器人BIPMAN2、通過(guò)學(xué)習(xí)和進(jìn)化算法實(shí)現(xiàn)雙足步行的由三個(gè)連桿構(gòu)成的簡(jiǎn)單步行機(jī)器人以及麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)過(guò)一個(gè)裝備四個(gè)驅(qū)動(dòng)器的三維半被動(dòng)步行機(jī)等等。這些雙足機(jī)器人結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，自由度較少，關(guān)節(jié)多為被動(dòng)或半被動(dòng)的。由于全部或部分關(guān)節(jié)是非主動(dòng)的，機(jī)器人往往借助外界環(huán)境的特點(diǎn)(例如斜坡)實(shí)現(xiàn)歩行。因此其活動(dòng)范圍和場(chǎng)所很小，步行能力很有限。
[0005]顯然，開(kāi)發(fā)少自由度、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而步行能力較強(qiáng)的步行機(jī)器人符合人們的需求和步行機(jī)器人的發(fā)展方向。針對(duì)仿人機(jī)器人和雙足步行機(jī)器人的研究，國(guó)內(nèi)外近年來(lái)在多個(gè)領(lǐng)域取得了一定的研究成果。發(fā)明專(zhuān)利CN101428657A公開(kāi)了一種欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)，主要由手臂、上身、髖關(guān)節(jié)、大腿、膝關(guān)節(jié)、小腿、腳等七部分組成，共10個(gè)自由度，在這10個(gè)自由度中，僅對(duì)3個(gè)自由度進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其中膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)不進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，雙臂分別通過(guò)機(jī)械鏈接機(jī)構(gòu)與對(duì)側(cè)的腿聯(lián)動(dòng)，髖關(guān)節(jié)采用集成聯(lián)動(dòng)-驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，主要由髖關(guān)節(jié)器件安裝板、角平分線聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不完全齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、雙向驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)四個(gè)部分組成；機(jī)器人雙腳采用雙層結(jié)構(gòu)的多模式彈性腳。雖然本發(fā)明設(shè)計(jì)的欠驅(qū)動(dòng)雙足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠采用靈活、高能量效率的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但是該步行機(jī)器人的擬人性效果較差，只有3個(gè)驅(qū)動(dòng)自由度，與人體下肢的運(yùn)動(dòng)機(jī)理相差較大；發(fā)明專(zhuān)利CN101423075A公開(kāi)了一種模塊化的六自由度主動(dòng)關(guān)節(jié)型雙足步行機(jī)器人，主要由六個(gè)關(guān)節(jié)模塊和兩個(gè)圓環(huán)狀足組成。每個(gè)關(guān)節(jié)模塊具有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。關(guān)節(jié)模塊有兩種型式，其關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸分別與關(guān)節(jié)連桿軸線平行和垂直，各稱(chēng)為I型和T型。各模塊依次按串聯(lián)方式連接，順序?yàn)?足部-1型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-1型關(guān)節(jié)-足部。中間四個(gè)T型關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸互相平行，并與兩端I型關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸垂直。該機(jī)器人的步行模式有多種，包括扭轉(zhuǎn)步態(tài)、橫移步態(tài)和翻轉(zhuǎn)步態(tài)。雖然所發(fā)明的機(jī)器人具有自由度少、主動(dòng)步行、結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單、對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性好、越障能力強(qiáng)、能耗小等特點(diǎn)，但是只能實(shí)現(xiàn)向前或向后行走，無(wú)法實(shí)現(xiàn)側(cè)向行走，擬人效果較差；北京理工大學(xué)長(zhǎng)期致力于仿生機(jī)器人的研究。2002年北京理工大學(xué)等單位承擔(dān)國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目“仿人機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)”通過(guò)驗(yàn)收。該機(jī)器人在系統(tǒng)集成、步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)等方面實(shí)現(xiàn)了重大突破，機(jī)器人身高158cm，重76kg, 32個(gè)自由度,步幅33cm,行走速度lkm/h,能夠根據(jù)自身的力覺(jué)、平衡覺(jué)等感知自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化，實(shí)現(xiàn)在未知地面的穩(wěn)定步行和表演太極拳動(dòng)作，2011年該機(jī)器人已經(jīng)推出BHR-5型。在步行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)上，該系列機(jī)器人采用十字交叉軸關(guān)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)自由度，但是由于采用模具加工，使得加工周期長(zhǎng)、成本高且較難達(dá)到高精度；關(guān)節(jié)減速器選用諧波減速器雖然能夠?qū)崿F(xiàn)較大減速比且回程誤差較小，但諧波減速器不能承受大力矩和剛性沖擊，同時(shí)壽命也較行星齒輪減速器小得多。
[0006]總體來(lái)說(shuō)，目前仿人雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)取得了很顯著的成果，在現(xiàn)有技術(shù)中，要使雙足步行機(jī)器人能模擬出更多的人的動(dòng)作，就需要增加自由度，由此增加了設(shè)計(jì)難度和成本以及制作成本，因此，在配置盡可能少的自由度情況下實(shí)現(xiàn)盡可能多的仿人動(dòng)作是現(xiàn)今雙足步行機(jī)器人設(shè)計(jì)和制造中急需解決的問(wèn)題之一。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的，就是為了解決上述問(wèn)題而提供一種模塊化的十自由度雙足步行機(jī)器人。該雙足步行機(jī)器人很真實(shí)地模擬了人體下肢結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理，可以為醫(yī)療機(jī)構(gòu)研究人在行走所遇到的問(wèn)題提供相關(guān)數(shù)據(jù)和分析方法，有利于協(xié)助病人恢復(fù)行走，提供一套能夠服務(wù)于傷殘病人的類(lèi)人行走機(jī)構(gòu)。
[0008]本發(fā)明解決上述問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)的:
[0009]一種模塊化的十自由度雙足步行機(jī)器人，其特征在于，包括六個(gè)關(guān)節(jié)模塊、兩個(gè)吸收沖擊的足部模塊、以及連接關(guān)節(jié)模塊和足部模塊的左右腿的腿連桿組件；所述六個(gè)關(guān)節(jié)模塊包括兩個(gè)一字型關(guān)節(jié)單元和四個(gè)十字型關(guān)節(jié)單元，所述腿連桿組件包括若干腿部連桿；各個(gè)關(guān)節(jié)模塊采用串并聯(lián)結(jié)合方式依次連接；左右腿頂端的兩個(gè)十字型關(guān)節(jié)單元通過(guò)上身配重塊連接在一起，其余相鄰關(guān)節(jié)之間通過(guò)腿部連桿連接在一起，底端的十字型關(guān)節(jié)單元通過(guò)托盤(pán)減震機(jī)構(gòu)分別于兩個(gè)足部進(jìn)行連接。
[0010]所述一字型關(guān)節(jié)是指只有一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度(俯仰自由度)且電機(jī)軸與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸重合的關(guān)節(jié)，所述十字型關(guān)節(jié)是指有兩個(gè)自由度，其中一個(gè)自由度(擺動(dòng)自由度)的電機(jī)軸與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸I平行，另一個(gè)自由度(俯仰自由度)的電機(jī)軸與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸2重合，兩個(gè)電機(jī)空間垂直且兩關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸平面垂直的關(guān)節(jié)。該步行機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)模塊采用串并聯(lián)結(jié)合方式依次連接，順序從一端到另一端為:十字型關(guān)節(jié)一一字型關(guān)節(jié)一十字型關(guān)節(jié)一十字型關(guān)節(jié)一一字型關(guān)節(jié)一十字型關(guān)節(jié)，中間兩個(gè)十字型關(guān)節(jié)通過(guò)上身配重塊連接在一起，其余相鄰關(guān)節(jié)之間通過(guò)腿部連桿連接在一起，兩端的十字型關(guān)節(jié)通過(guò)托盤(pán)減震機(jī)構(gòu)分別于兩個(gè)足部進(jìn)行連接。該機(jī)器人站立時(shí)呈倒U形，所有的俯仰自由度轉(zhuǎn)軸相互平行，所有的擺動(dòng)自由度轉(zhuǎn)軸相互平行。所述足部模塊具有水平和豎直兩個(gè)方向的吸收沖擊的機(jī)構(gòu)，足底為矩形，與地面接觸的是陣列在足底的壓力傳感器。
[0011]四個(gè)十字型關(guān)節(jié)單元分別是機(jī)器人左右腿的髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，四個(gè)十字型關(guān)節(jié)單元結(jié)構(gòu)相同十字型關(guān)節(jié)殼體、擺動(dòng)自由度驅(qū)動(dòng)電機(jī)、擺動(dòng)自由度行星齒輪減速器組件、擺動(dòng)傳動(dòng)小齒輪、擺動(dòng)傳動(dòng)大齒輪、大齒輪擋板、十字型關(guān)節(jié)擺動(dòng)軸，擺動(dòng)自由度小角接觸球軸承、小角接觸球軸承蓋板、俯仰自由度電機(jī)套筒、俯仰自由度驅(qū)動(dòng)電機(jī)、俯仰自由度行星齒輪減速器組件、俯仰自由度大角接觸球軸承、大角接觸球軸承前蓋板、大角接觸球軸承后擋板、內(nèi)有D型槽的方形轉(zhuǎn)塊和大腿連桿；
[0012]其中，擺動(dòng)自由度中行星齒輪減速器組件輸入軸與擺動(dòng)自由度驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸配接，并且減速器與十字關(guān)節(jié)殼體通過(guò)軸向螺釘固定；擺動(dòng)傳動(dòng)小齒輪與擺動(dòng)自由度行星齒輪減速器組件輸出軸通過(guò)D型槽和徑向緊定螺釘固定，擺動(dòng)傳動(dòng)大齒輪與十字型關(guān)節(jié)擺動(dòng)軸通過(guò)鍵、鍵槽以及軸上擋圈還有大齒輪擋板通過(guò)軸向螺釘固定，小軸承蓋板與十字型關(guān)節(jié)殼體通過(guò)軸向螺釘螺母緊固；俯仰自由度中電機(jī)輸出軸與俯仰自由度行星齒輪減速器組件輸入軸配接；所述十字型關(guān)節(jié)擺動(dòng)軸中部設(shè)有一個(gè)與十字型關(guān)節(jié)擺動(dòng)軸垂直固定的電機(jī)套筒，所述俯仰自由度行星齒輪減速器組件設(shè)置在電機(jī)套筒內(nèi)并通過(guò)軸向螺釘與電機(jī)套筒固定，電機(jī)套筒與大腿連桿之間有軸承保證兩者相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，大角接觸球軸承前蓋板、大角接觸球軸承后擋板與腿部連桿通過(guò)軸向螺釘螺母緊固，內(nèi)置D型槽的方形轉(zhuǎn)子與大軸承前蓋板形位配合并且與俯仰自由度行星齒輪減速器組件的D型減速器軸配合固定，十字型關(guān)節(jié)擺動(dòng)軸與俯仰自由度電機(jī)套筒通過(guò)形位和中間徑向螺釘固定，使兩者成為一個(gè)整體；
[0013]兩個(gè)一字型關(guān)節(jié)單元分別是左右腿的膝關(guān)節(jié)，均包括:腿連桿、小腿連桿、膝關(guān)節(jié)俯仰自由度電機(jī)套筒、膝關(guān)節(jié)俯仰自由度電機(jī)、膝關(guān)節(jié)行星齒輪減速器、膝關(guān)節(jié)大角接觸球軸承、膝關(guān)節(jié)大軸承前蓋板、膝關(guān)節(jié)大軸承后蓋板和內(nèi)有D型槽的膝關(guān)節(jié)方形轉(zhuǎn)塊；
[0014]其中，膝關(guān)節(jié)俯仰自由度電機(jī)輸出軸與膝關(guān)節(jié)行星齒輪減速器輸入軸配接并且減速器組件與電機(jī)套筒通過(guò)軸向螺釘固定，電機(jī)套筒與大腿連桿之間有軸承保證兩者相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)大軸承前蓋板、膝關(guān)節(jié)大軸承后蓋板與大腿連桿通過(guò)軸向螺釘螺母緊固，內(nèi)置D型槽的方形轉(zhuǎn)子與大軸承前蓋板形位配合并且與膝關(guān)節(jié)行星齒輪減速器的D型減速器軸配合固定。
[0015]在上述的一種模塊化的十自由度雙足步行機(jī)器人，所述足部模塊包括足部減震上托盤(pán)、足部減震下托盤(pán)、豎直方向減震彈簧、帶有螺紋的減震彈簧限位銷(xiāo)、帶孔的定位螺母、足部腳掌、足部腳尖、足部腳跟、腳尖腳跟和腳掌之間的阻尼模塊和足底陣列式壓力傳感器；
[0016]其中，足部減震上托盤(pán)與足部減震下托盤(pán)通過(guò)帶螺紋的定位銷(xiāo)進(jìn)行間隙配合可相對(duì)滑動(dòng)；足部減震下托盤(pán)與腳掌通過(guò)豎直方向的螺釘螺母固定；足部腳尖腳跟與腳掌通過(guò)鉸接可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；阻尼模塊通過(guò)螺釘螺母分別固定在腳尖凸臺(tái)腳掌凸臺(tái)和腳跟凸臺(tái)腳掌凸臺(tái)之間；足部分布式壓力傳感器通過(guò)螺釘螺母與腳掌連接；上下托盤(pán)分別有4個(gè)圓孔對(duì)齊插入4個(gè)帶有螺紋的銷(xiāo)釘，每個(gè)銷(xiāo)釘上都有一根減震壓縮彈簧，銷(xiāo)釘就是壓縮彈簧運(yùn)動(dòng)的軌道；上下托盤(pán)和是被壓縮彈簧的預(yù)緊力支撐起來(lái)，同時(shí)由于帶孔螺母的限位，兩個(gè)托盤(pán)的豎直最大距離是一定的；本發(fā)明中，阻尼模塊采用外置彈簧油壓緩沖器。
[0017]本發(fā)明中，大(小)腿連桿成為一個(gè)獨(dú)立的零件，改變了傳統(tǒng)的三個(gè)零件裝配的模式。大腿連桿的兩端是髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的俯仰自由度轉(zhuǎn)動(dòng)軸承支座；小腿連桿的上端是與膝關(guān)節(jié)電機(jī)套筒相連的支座，下端是踝關(guān)節(jié)俯仰自由度轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)軸承支座。
[0018]另外，機(jī)器人的重心或零力矩點(diǎn)通過(guò)四個(gè)十字型關(guān)節(jié)和兩個(gè)一字型關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)改變大小腿連桿的位置，從而實(shí)現(xiàn)雙足步行的步態(tài)，包括上下臺(tái)階，在剛性地面和柔性地面上行走等。
[0019]本發(fā)明由于采用以上技術(shù)方案，使其具有以下優(yōu)點(diǎn):1.模塊化的設(shè)計(jì)方法，機(jī)器人構(gòu)建和拆裝簡(jiǎn)單，方便快捷；2.串并聯(lián)相結(jié)合的結(jié)構(gòu)，每條腿上的各個(gè)關(guān)節(jié)模塊通過(guò)串聯(lián)方式依次連接，左右腿的裝配形式是相同的，采用并聯(lián)方式進(jìn)行連接；3.髖(踝)關(guān)節(jié)模塊的十字型正交軸設(shè)計(jì)為兩個(gè)零件的拼裝結(jié)構(gòu)，不再通過(guò)復(fù)雜的模具來(lái)進(jìn)行加工，同時(shí)更容易保證加工的精度，省略了模具設(shè)計(jì)和制造的過(guò)程，所以能夠較大地降低成本；4.每個(gè)自由度上與驅(qū)動(dòng)電機(jī)相匹配的減速器選的是行星齒輪減速器，能夠提供較大的轉(zhuǎn)矩，可以承受剛性沖擊并且具有諧波齒輪減速器無(wú)法比擬的壽命時(shí)間；5.髖(踝)關(guān)節(jié)擺動(dòng)自由度增加一級(jí)圓柱齒輪減速，不但節(jié)約了空間使得結(jié)構(gòu)更加緊湊，而且分散了減速器輸出軸上的轉(zhuǎn)矩，有利于保護(hù)電機(jī)；6.髖(踝)關(guān)節(jié)采用懸臂結(jié)構(gòu)，從而使得腿部的靈活性增加，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)大腿內(nèi)測(cè)之間有比較小的碰撞，能夠?qū)崿F(xiàn)雙腿的交叉可以實(shí)現(xiàn)較多的仿人動(dòng)作，主要基本運(yùn)動(dòng)包括:前行和后行、下蹲和站起、上下臺(tái)階以及側(cè)行等。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是本發(fā)明的雙足步行機(jī)器人的自由度配置及結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2是本發(fā)明的雙足步行機(jī)器人的外觀圖。
[0022]圖3是本發(fā)明的雙足步行機(jī)器人的髖(踝)關(guān)節(jié)模塊外觀圖。
[0023]圖4a是本發(fā)明的雙足步行機(jī)器人的髖(踝)關(guān)節(jié)模塊側(cè)向剖面圖。
[0024]圖4b是本發(fā)明的雙足步行機(jī)器人的髖(踝)關(guān)節(jié)模塊正向剖面圖。
[0025]圖5是本發(fā)明的雙足步行機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)模塊外觀圖。
[0026]圖6a是本發(fā)明的雙足步行機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)模塊側(cè)向剖面圖。
[0027]圖6b是本發(fā)明的雙足步行機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)模塊正向剖面圖。
[0028]圖7是本發(fā)明的雙足步行機(jī)器人的足部模塊外觀圖。
[0029]圖8a是本發(fā)明的雙足步行機(jī)器人的足部腳跟或腳尖沖擊吸收機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0030]圖8b是本發(fā)明的雙足步行機(jī)器人的足部水平面機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。
[0031]圖9a是本發(fā)明的雙足步行機(jī)器人的足部模塊側(cè)向剖面圖。
[0032]圖9b是本發(fā)明的雙足步行機(jī)器人的足部模塊正向剖面圖。
[0033]圖1Oa是本發(fā)明的雙足步行機(jī)器人前向步行右腿邁步側(cè)視圖。
[0034]圖1Ob是本發(fā)明的雙足步行機(jī)器人前向步行右腿邁步正視圖。
[0035]圖11是本發(fā)明中內(nèi)置D型槽的方形轉(zhuǎn)子的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0036]下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。
[0037]實(shí)施例:
[0038]1.首先介紹一下本發(fā)明的整體機(jī)械結(jié)構(gòu):
[0039]如圖2所示，本發(fā)明所涉及的一種模塊化的十自由度雙足步行機(jī)器人，該機(jī)器人中的十個(gè)自由度的配置在圖1中已經(jīng)詳細(xì)表示出來(lái)，單條腿髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)個(gè)兩個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)一個(gè)自由度。該機(jī)器人采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括六個(gè)關(guān)節(jié)模塊和兩個(gè)足部模塊，共兩種八個(gè)模塊，各模塊采用串并聯(lián)結(jié)合方式連接，順序從一端到另一端依次為:十字型關(guān)節(jié)Fl—小腿連桿El—一字型關(guān)節(jié)Dl—大腿連桿Cl一十字型關(guān)節(jié)BI—十字型關(guān)節(jié)B2—大腿連桿C2—一字型關(guān)節(jié)D2—小腿連桿E2—十字型關(guān)節(jié)F2，中間兩個(gè)十字型關(guān)節(jié)BI和B2通過(guò)上身配重塊連接固定在一起，兩端的十字型關(guān)節(jié)Fl和F2分別于兩個(gè)足部模塊連接在一起。該機(jī)器人站立時(shí)呈倒U形，所有的俯仰自由度轉(zhuǎn)軸相互平行，所有的擺動(dòng)自由度轉(zhuǎn)軸相互平行。所述足部模塊具有水平和豎直兩個(gè)方向的吸收沖擊的機(jī)構(gòu)，足底為矩形，與地面接觸的是陣列在足底的壓力傳感器。
[0040]2.下面介紹一下本發(fā)明的各個(gè)模塊機(jī)械結(jié)構(gòu):
[0041]如圖3所示，是該步行機(jī)器人的髖(踝)關(guān)節(jié)模塊。所述髖(踝)關(guān)節(jié)模塊2個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，通過(guò)正交十字型軸實(shí)現(xiàn)的。旋轉(zhuǎn)自由度由直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)行星齒輪減速器減速后輸出轉(zhuǎn)矩。根據(jù)減速器類(lèi)型的不同，目前來(lái)說(shuō)比較成功的仿人機(jī)器人大部分采用了行星齒輪減速器、諧波減速器或者蝸輪蝸桿減速器三種類(lèi)型，三種減速器的特點(diǎn)和性能對(duì)比如下:
[0042]

【權(quán)利要求】
1.一種模塊化的十自由度雙足步行機(jī)器人，其特征在于，包括六個(gè)關(guān)節(jié)模塊、兩個(gè)吸收沖擊的足部模塊、以及連接關(guān)節(jié)模塊和足部模塊的左右腿的腿連桿組件；所述六個(gè)關(guān)節(jié)模塊包括兩個(gè)一字型關(guān)節(jié)單元和四個(gè)十字型關(guān)節(jié)單元，所述腿連桿組件包括若干腿部連桿；各個(gè)關(guān)節(jié)模塊采用串并聯(lián)結(jié)合方式依次連接；左右腿頂端的兩個(gè)十字型關(guān)節(jié)單元通過(guò)上身配重塊連接在一起，其余相鄰關(guān)節(jié)之間通過(guò)腿部連桿連接在一起，底端的十字型關(guān)節(jié)單元通過(guò)托盤(pán)減震機(jī)構(gòu)分別于兩個(gè)足部進(jìn)行連接； 四個(gè)十字型關(guān)節(jié)單元分別是機(jī)器人左右腿的髖關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，四個(gè)十字型關(guān)節(jié)單元結(jié)構(gòu)相同十字型關(guān)節(jié)殼體(1)、擺動(dòng)自由度驅(qū)動(dòng)電機(jī)(3)、擺動(dòng)自由度行星齒輪減速器組件(2 )、擺動(dòng)傳動(dòng)小齒輪(4 )、擺動(dòng)傳動(dòng)大齒輪(5 )、大齒輪擋板(6 )、十字型關(guān)節(jié)擺動(dòng)軸(7 )，擺動(dòng)自由度小角接觸球軸承(8)、小角接觸球軸承蓋板(9)、俯仰自由度電機(jī)套筒(10)、俯仰自由度驅(qū)動(dòng)電機(jī)(12)、俯仰自由度行星齒輪減速器組件(11)、俯仰自由度大角接觸球軸承(13)、大角接觸球軸承前蓋板(14)、大角接觸球軸承后擋板(15)、內(nèi)有D型槽的方形轉(zhuǎn)塊(16)和大腿連桿(17)； 其中，擺動(dòng)自由度中行星齒輪減速器組件(2)輸入軸與擺動(dòng)自由度驅(qū)動(dòng)電機(jī)(3)輸出軸配接，并且減速器(2)與十字關(guān)節(jié)殼體(1)通過(guò)軸向螺釘固定；擺動(dòng)傳動(dòng)小齒輪(4)與擺動(dòng)自由度行星齒輪減速器組件(2)輸出軸通過(guò)D型槽和徑向緊定螺釘固定，擺動(dòng)傳動(dòng)大齒輪(5 )與十字型關(guān)節(jié)擺動(dòng)軸(7 )通過(guò)鍵、鍵槽以及軸上擋圈還有大齒輪擋板(6 )通過(guò)軸向螺釘固定，小軸承蓋板(9)與十字型關(guān)節(jié)殼體(1)通過(guò)軸向螺釘螺母緊固；俯仰自由度中電機(jī)(12)輸出軸與俯仰自由度行星齒輪減速器組件(11)輸入軸配接；所述十字型關(guān)節(jié)擺動(dòng)軸 (7)中部設(shè)有一個(gè)與十字型關(guān)節(jié)擺動(dòng)軸(7)垂直固定的電機(jī)套筒(10)，所述俯仰自由度行星齒輪減速器組件(11)設(shè)置在電機(jī)套筒(10)內(nèi)并通過(guò)軸向螺釘與電機(jī)套筒(10)固定，電機(jī)套筒(10)與大腿連桿(17)之間有軸承(13)保證兩者相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，大角接觸球軸承前蓋板(14)、大角接觸球軸承后擋板(15)與腿部連桿(17)通過(guò)軸向螺釘螺母緊固，內(nèi)置D型槽的方形轉(zhuǎn)子(16)與大軸承前蓋板(15)形位配合并且與俯仰自由度行星齒輪減速器組件(11)的D型減速器軸配合固定，十字型關(guān)節(jié)擺動(dòng)軸(7)與俯仰自由度電機(jī)套筒(10)通過(guò)形位和中間徑向螺釘固定，使兩者成為一個(gè)整體； 兩個(gè)一字型關(guān)節(jié)單元分別是左右腿的膝關(guān)節(jié)，均包括:腿連桿(17)、小腿連桿(18)、膝關(guān)節(jié)俯仰自由度電機(jī)套筒(19)、膝關(guān)節(jié)俯仰自由度電機(jī)(21)、膝關(guān)節(jié)行星齒輪減速器(20)、膝關(guān)節(jié)大角接觸球軸承(22)、膝關(guān)節(jié)大軸承前蓋板(23)、膝關(guān)節(jié)大軸承后蓋板(24)和內(nèi)有D型槽的膝關(guān)節(jié)方形轉(zhuǎn)塊(25)； 其中，膝關(guān)節(jié)俯仰自由度電機(jī)(21)輸出軸與膝關(guān)節(jié)行星齒輪減速器(20)輸入軸配接并且減速器組件(20)與電機(jī)套筒(19)通過(guò)軸向螺釘固定，電機(jī)套筒(19)與大腿連桿(17)之間有軸承(22)保證兩者相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)大軸承前蓋板(23)、膝關(guān)節(jié)大軸承后蓋板(24)與大腿連桿(17)通過(guò)軸向螺釘螺母緊固，內(nèi)置D型槽的方形轉(zhuǎn)子(25)與大軸承前蓋板(23)形位配合并且與膝關(guān)節(jié)行星齒輪減速器(20)的D型減速器軸配合固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種模塊化的十自由度雙足步行機(jī)器人，其特征在于，所述足部模塊包括足部減震上托盤(pán)(26)、足部減震下托盤(pán)(27)、豎直方向減震彈簧(28)、帶有螺紋的減震彈簧限位銷(xiāo)(29)、帶孔的定位螺母(30)、足部腳掌(31)、足部腳尖(32)、足部腳跟(33)、腳尖腳跟和腳掌之間的阻尼模塊(34)和足底陣列式壓力傳感器(35)；其中，足部減震上托盤(pán)(26)與足部減震下托盤(pán)(27)通過(guò)帶螺紋的定位銷(xiāo)進(jìn)行間隙配合可相對(duì)滑動(dòng)；足部減震下托盤(pán)(27)與腳掌(31)通過(guò)豎直方向的螺釘螺母固定；足部腳尖(32)腳跟(33)與腳掌(31)通過(guò)鉸接可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)；阻尼模塊(34)通過(guò)螺釘螺母分別固定在腳尖(32)凸臺(tái)腳掌(31)凸臺(tái)和腳跟(33)凸臺(tái)腳掌(31)凸臺(tái)之間；足部分布式壓力傳感器(35)通過(guò)螺釘螺母與腳掌(31)連接；上下托盤(pán)分別有4個(gè)圓孔對(duì)齊插入4個(gè)帶有螺紋的銷(xiāo)釘(29)，每個(gè)銷(xiāo)釘(29)上都有一根減震壓縮彈簧(28)，銷(xiāo)釘(29)就是壓縮彈簧(28)運(yùn)動(dòng)的軌道；上下托盤(pán)是被壓縮彈簧(28)的預(yù)緊力支撐起來(lái)，同時(shí)由于帶孔螺母(30)的限位，兩個(gè)托盤(pán)的豎直最大距離 是一定的。
【文檔編號(hào)】B62D57/032GK104071250SQ201410329447
【公開(kāi)日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】肖曉暉, 張強(qiáng), 王楊, 游凡 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)