專利名稱：全方位兩足步行機器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機器人，具體涉及一種全方位兩足步行機器人。
背景技術(shù)：
步行機器人具有運動靈活、地面適應(yīng)能力強的優(yōu)點，故而越來越受到研究人員的關(guān)注。常規(guī)的兩足步行機器人，雖然可以完成8字形行走、上下臺階等各項“復(fù)雜”動作， 但機器人自由度較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功耗大，對控制的軟硬件各方面要求都很高。中國專利CN181990IA公開了雙足步行機器人的下半身模塊，兩條腿分別采用并聯(lián)機構(gòu)，構(gòu)成并聯(lián)機構(gòu)的各個直線運動連桿是該機器人的驅(qū)動系統(tǒng)，這種結(jié)構(gòu)使各個桿件有效的分擔(dān)了機器人的負載，但是它的零件多，控制復(fù)雜，行走時容易發(fā)生左右足失穩(wěn)，轉(zhuǎn)向步態(tài)復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題兩足步行機器人一般采用仿人型的機械機構(gòu)，機器人本體的零部件多，對控制系統(tǒng)精度要求較高，成本高。本發(fā)明的技術(shù)方案全方位兩足步行機器人，該機構(gòu)包括上內(nèi)足、下內(nèi)足、上外足、下外足、第一曲柄，第二曲柄，上內(nèi)足和下內(nèi)足一起稱為內(nèi)足，上外足和下外足一起稱為外足。上內(nèi)足和下內(nèi)足通過轉(zhuǎn)動副連接，下內(nèi)足和第一曲柄通過圓柱副連接，第一曲柄和下外足通過轉(zhuǎn)動副連接。下外足和上外足通過轉(zhuǎn)動副連接，上外足和第二曲柄通過轉(zhuǎn)動副連接，第二曲柄和上內(nèi)足通過圓柱副連接。下外足與第一曲柄之間的轉(zhuǎn)動副和第一曲柄與下內(nèi)足之間的圓柱副的旋轉(zhuǎn)軸線平行，上外足與第二曲柄之間的轉(zhuǎn)動副和第二曲柄與上內(nèi)足之間的圓柱副的旋轉(zhuǎn)軸線平行。兩圓柱副的旋轉(zhuǎn)軸線垂直且有一定的偏移距離，同一曲柄連接的圓柱副和轉(zhuǎn)動副的旋轉(zhuǎn)軸線平行。兩曲柄各自連接的轉(zhuǎn)動副的旋轉(zhuǎn)軸線之間垂直并有一定的偏移距離，這個偏移距離與兩圓柱副的旋轉(zhuǎn)軸線偏移距離相等。內(nèi)足之間的轉(zhuǎn)動副和外足之間的轉(zhuǎn)動副的旋轉(zhuǎn)軸線平行，并且垂直于其他運動副的旋轉(zhuǎn)軸線。Ml電機驅(qū)動第一曲柄相對于上外足轉(zhuǎn)動。M2電機驅(qū)動第二曲柄相對于下外足轉(zhuǎn)動。M3電機驅(qū)動上外足相對于下外足轉(zhuǎn)動。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明所述的全方位兩足步行機器人，通過三個電機分別對機構(gòu)進行驅(qū)動和控制實現(xiàn)機構(gòu)的運動，內(nèi)足和外足依次抬起和著地實現(xiàn)步行步態(tài)，并可平面內(nèi)全方位移動。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，內(nèi)外足幾何對稱，行走時穩(wěn)定性高，轉(zhuǎn)向靈活簡便，而且由于機構(gòu)結(jié)構(gòu)在豎直方向上的對稱性，全方位兩足步行機器人在翻過來的狀態(tài)下依然可以實現(xiàn)行走，并具有一定的越障能力。該機構(gòu)對驅(qū)動電機的加速性能依賴性較低，對電機的性能要求較低，成本低廉，易于制造和工程實現(xiàn)。可用于制作玩具、教學(xué)教具，也可用于制作軍用探測機器人。


圖I全方位兩足步行機器人的整體三維2全方位兩足步行機器人第一曲柄和第二曲柄的三維3 M3電機調(diào)整兩曲柄間的夾角示意4a、圖4b、圖4c、圖4d、圖4e、圖4f、圖4g、圖4h是M3電機鎖止，Ml電機或者M2 電機驅(qū)動全方位兩足步行機器人行走(即行走模式I)的分解5全方位兩足步行機器人在行走模式II下的奇異位型位置圖6a、圖6b、圖6c、圖6d、圖6e、圖6f、圖6g、圖6h是全方位兩足步行機器人在行走模式II下的奇異位型位置行走的分解7a、圖7b、圖7c、圖7d、圖7e、圖7f、圖7g、圖7h是電機M3和Ml (或M2)驅(qū)動全方位兩足步行機器人在行走模式III下行走的分解中下外足I、上外足2、第一曲柄3、第二曲柄4、上內(nèi)足5、下內(nèi)足6。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細說明。本發(fā)明的實施方式全方位兩足步行機器人如圖I所示，由圓柱體外足和長方體內(nèi)足通過曲柄連接組成。如圖I所示的全方位兩足步行機器人，其特征在于該機構(gòu)包括下外足(I)、上外足(2)、第一曲柄(3)、第二曲柄⑷、上內(nèi)足(5)、下內(nèi)足(6)，下外足⑴和上外足(2)結(jié)構(gòu)相同，第一曲柄⑶和第二曲柄⑷結(jié)構(gòu)相同，上內(nèi)足(5)和下內(nèi)足(6)結(jié)構(gòu)相同，上外足
(I)和下外足⑵一起稱為外足，上內(nèi)足(5)和下內(nèi)足(6) —起稱為內(nèi)足，如圖I、圖2所示，上內(nèi)足(5)和下內(nèi)足(6)以轉(zhuǎn)動副形式連接，下外足(2)的軸孔和第一曲柄(3)在3a和3c處以轉(zhuǎn)動副形式連接，第一曲柄(3)和下內(nèi)足￠)的軸孔在3b處以圓柱副形式連接，上外足(2)的軸孔和第二曲柄(4)在4a和4c處以轉(zhuǎn)動副形式連接，第二曲柄(4)和上內(nèi)足(5)的軸孔在4b處以圓柱副形式連接，下外足(2)和上外足(I)以轉(zhuǎn)動副形式連接，下外足(I)與第一曲柄(3)之間的轉(zhuǎn)動副和第一曲柄(3)與下內(nèi)足(6)之間的圓柱副的旋轉(zhuǎn)軸線平行，上外足(2)與第二曲柄(4)之間的轉(zhuǎn)動副和第二曲柄(4)與上內(nèi)足(5)之間的圓柱副的旋轉(zhuǎn)軸線平行，兩圓柱副的旋轉(zhuǎn)軸線垂直且有一定的偏移距離，同一曲柄連接的圓柱副和轉(zhuǎn)動副的旋轉(zhuǎn)軸線平行，兩曲柄各自連接的轉(zhuǎn)動副的旋轉(zhuǎn)軸線垂直并有一定的偏移距離，這個偏移距離與兩圓柱副的旋轉(zhuǎn)軸線偏移距離相等，內(nèi)足之間的轉(zhuǎn)動副和外足之間的轉(zhuǎn)動副的旋轉(zhuǎn)軸線平行，并且垂直于其他運動副的旋轉(zhuǎn)軸線，Ml電機第一曲柄(3)相對于上外足(I)轉(zhuǎn)動，M2電機驅(qū)動第二曲柄(4)相對于下外足(2)轉(zhuǎn)動，M3電機驅(qū)動上外足(I)相對于下外足(2)轉(zhuǎn)動。具體的使用方法假設(shè)兩曲柄轉(zhuǎn)到最高位置時輸入角為αι=0°，Q2=O0，假設(shè)兩曲柄間夾角為Θ行走模式I :角Θ為不等于90°的固定值時，那么機構(gòu)自由度數(shù)將為I。只需要一個電機(Ml或者M2 )就可以驅(qū)動全方位兩足步行機器人以固定的步長沿直線運動。這條直線的方向是兩個曲柄的角平分線方向。如圖3所示，當(dāng)輸入角\和Ci2等于0°或者180°時，也就是兩個電機(Ml和M2)旋轉(zhuǎn)到0°或者180°位置時，內(nèi)外足的幾何中心將在同一條豎直線上。這時鎖止兩個電機(Ml和M2)，全方位兩足步行機器人停止運動。然后，電機M3工作調(diào)整兩個曲柄間的夾角Θ，從而調(diào)整全方位兩足步行機器人的行走方向。接下來，鎖止電機M3，電機Ml或者M2驅(qū)動全方位兩足步行機器人沿新調(diào)整的方向行走。如圖4所示，電機M3鎖止，電機(Ml或者M2)驅(qū)動全方位兩足步行機器人沿設(shè)定的方向行走。圖4a表示全方位兩足步行機器人處于的初始位置(外足著地內(nèi)足抬起在最高點位置)，電機Ml或者M2產(chǎn)生一個力矩使內(nèi)足落下(圖4b)著地(圖4c),之后，內(nèi)足作為固定桿，同樣的力矩帶動外足抬起(圖4d)到最高點(圖4e)再落下(圖4f)著地(圖4g)，外足不動作為固定桿，內(nèi)足抬起至最高點。
行走模式II 當(dāng)角Θ等于90°且角\和Ci2都等于0°或者180°時，機構(gòu)的自由度是2，此時，處于奇異位型位置，需要兩個電機驅(qū)動機構(gòu)運動。當(dāng)Θ等于90°且角Ci1和Ci2都不等于0°或者180°時，機構(gòu)的自由度是1，僅需要一個電機驅(qū)動機構(gòu)運動。如圖5所示為全方位兩足步行機器人在行走模式II下的兩個奇異位型位置，其中圖5a為角\和Ci2都等于0°的位置，圖5b為角^和α2都等于180°的位置。如圖6所示為一個周期內(nèi)的行走步態(tài)。圖6a表示全方位兩足步行機器人處于的初始位置(外足著地內(nèi)足抬起在最高點位置)，也就是奇異位型位置，在該位置，兩個電機必須同時工作來確定內(nèi)足的移動方向。然后，內(nèi)足落下(圖6c)著地。冋理，內(nèi)足著地后，外足抬起(圖6d)至最聞點(圖6d)后落下(圖6f)著地。行走模式III:全方位兩足步行機器人在角Θ不等于90°，M3電機不鎖止時，自由度是2。需要用兩個電機M3和Ml (或者M2)同時驅(qū)動全方位兩足步行機器人行走。通過對這兩個電機的控制可以實現(xiàn)變步長變方向的行走。如圖7所示，圖7a、圖7b、圖7c、圖7d、圖7e、圖7f、圖7g、圖7h是電機M3和Ml (或M2)驅(qū)動全方位兩足步行機器人在行走模式III下行走的分解圖。
權(quán)利要求
1.全方位兩足步行機器人，其特征在于該機構(gòu)包括下外足(I)、上外足(2)、第一曲柄(3)、第二曲柄(4)、上內(nèi)足(5)、下內(nèi)足(6)，下外足⑴和上外足(2)結(jié)構(gòu)相同，第一曲柄(3)和第二曲柄⑷結(jié)構(gòu)相同，上內(nèi)足(5)和下內(nèi)足(6)結(jié)構(gòu)相同，上外足⑴和下外足(2)一起稱為外足，上內(nèi)足(5)和下內(nèi)足(6) —起稱為內(nèi)足，上內(nèi)足(5)和下內(nèi)足(6)以轉(zhuǎn)動副形式連接，下外足(2)的軸孔和第一曲柄(3)在3a和3c處以轉(zhuǎn)動副形式連接，第一曲柄(3)和下內(nèi)足￠)的軸孔在3b處以圓柱副形式連接，上外足(2)的軸孔和第二曲柄(4)在4a和4c處以轉(zhuǎn)動副形式連接，第二曲柄(4)和上內(nèi)足(5)的軸孔在4b處以圓柱副形式連接，下外足(2)和上外足(I)以轉(zhuǎn)動副形式連接，下外足(I)與第一曲柄(3)之間的轉(zhuǎn)動副和第一曲柄(3)與下內(nèi)足(6)之間的圓柱副的旋轉(zhuǎn)軸線平行，上外足(2)與第二曲柄(4)之間的轉(zhuǎn)動副和第二曲柄(4)與上內(nèi)足(5)之間的圓柱副的旋轉(zhuǎn)軸線平行，兩圓柱副的旋轉(zhuǎn)軸線垂直且有一定的偏移距離，同一曲柄連接的圓柱副和轉(zhuǎn)動副的旋轉(zhuǎn)軸線平行，兩曲柄各自連接的轉(zhuǎn)動副的旋轉(zhuǎn)軸線垂直并有一定的偏移距離，這個偏移距離與兩圓柱副的旋轉(zhuǎn)軸線偏移距離相等，內(nèi)足之間的轉(zhuǎn)動副和外足之間的轉(zhuǎn)動副的旋轉(zhuǎn)軸線平行，并且垂直于其他運動副的旋轉(zhuǎn)軸線，Ml電機第一曲柄(3)相對于上外足(I)轉(zhuǎn)動，M2電機驅(qū)動第二曲柄(4)相對于下外足(2)轉(zhuǎn)動，M3電機驅(qū)動上外足(I)相對于下外足(2)轉(zhuǎn)動，內(nèi)足和外足的外形是多樣的，如圓柱體，長方體，三棱柱。
2.如權(quán)利要求I所述的全方位兩足步行機器人，其特征在于在不同的行走模式下，完成機構(gòu)運動需要的電機驅(qū)動數(shù)量分別為I至3個。
3.如權(quán)利要求I所述的全方位兩足步行機器人，其特征在于驅(qū)動電機的形式是多樣的，如電機或舵機。
全文摘要
全方位兩足步行機器人，其特征在于該機構(gòu)包括下外足(1)、上外足(2)、第一曲柄(3)、第二曲柄(4)、上內(nèi)足(5)、下內(nèi)足(6)，上內(nèi)足(5)和下內(nèi)足(6)以轉(zhuǎn)動副形式連接，下內(nèi)足(6)和第一曲柄(3)以圓柱副形式連接，第一曲柄(3)和下外足(2) 以轉(zhuǎn)動副形式連接，下外足(2)和上外足(1) 以轉(zhuǎn)動副形式連接，上外足(1)和第二曲柄(4) 以轉(zhuǎn)動副形式連接，第二曲柄(4)和上內(nèi)足(5) 以圓柱副形式連接，本發(fā)明所述機器人，安裝三個電機進行驅(qū)動，通過三種運動模式實現(xiàn)平面內(nèi)全方位移動，機構(gòu)簡單，內(nèi)外足幾何對稱，行走時穩(wěn)定性高，轉(zhuǎn)向靈活簡便，翻過來的狀態(tài)下依然可以實現(xiàn)行走，并具有一定的越障能力。
文檔編號B62D57/032GK102910220SQ201210445229
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月8日
發(fā)明者姚燕安, 劉超, 李虹江 申請人:北京交通大學(xué)