專利名稱：欠驅動雙足步行機器人髖關節機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及機械學、力學、電子學、控制論、計算機數字控制等技術領域，用于欠驅動 雙足機器人中髖關節高效率聯接、傳動機構與靈活驅動機構與控制系統設計。
背景技術：
雙足機器人在社會價值和經濟實用方面都具有重要的研究意義，主要包括以下幾個方
面
1) 雙足機器人在外形和功能上適合在人類生活、工作環境中與人協同工作；
2) 雙足步行機器人體積相對較小，具有更加靈活的運動方向和更大的速度變化范圍， 可以在非結構復雜環境具有較好的適應性，避障能力強；
3) 結合豐富的傳感系統、控制系統，增強機構的運動功能，可代替人進行作業或擴大 人類活動領域，如在危險環境(核電站、海底、太空)中進行復雜工作；
4) 雙足機器人機構設計及控制技術可以用于開發護理機器人、娛教機器人、服務機器 人等，還可以用于開發康復機器人或高效率動力假肢。
髖關節是雙足步行機器人機構的關鍵部分之一，是機器人兩條腿的連接部件，也是機器 人上身的支撐部件，同時需要集成雙腿驅動、上身驅動等多個自由度的驅動元件。髖關節的 機械效率與驅動效率直接影響了雙足機器人整體的控制與能量消耗。傳統的雙足機器人設計 在髖關節的各個自由度都安裝驅動，造成了機構的重復驅動(兩條腿在髖關節處置需要施加 相對力矩)，上身與髖關節的連接進行驅動，也增加了系統控制的復雜度。與傳統雙足機器 人機構設計與控制相比，欠驅動雙足步行機器人的髖關節需要運行于無驅動與有驅動兩種不 同的模式下，因此需要有更加簡單的機構與更加靈活的驅動、控制，也對髖關節的機構設計 提出了新的要求
1) 髖關節要對上身起到支撐作用，限制上身的自由運動，使機器人的上身與兩條腿自 由運動；
2) 為了實現欠驅動雙足步行機器人的行走的高效率，髖關節具有簡單結構，只設置一 個自由度；
3) 為了能使欠驅動雙足步行機器人在水平地面上行走，髖關節需要能夠為機器人提供 驅動力；
4) 為了實現欠驅動雙足步行機器人的欠驅動行走原理，髖關節驅動具有高效率，且能 夠自由地在有驅動與無驅動模式之間切換。
3雙足機器人的髓關節屬于三自由度的球關節，在仿生機構設計中可釆用分別以空間三個 相互垂直方向為軸的單自由度旋轉關節來替代，但是這種結構設計方法比較復雜，而且在機 器人的直線行走中，只有縱向平面內的俯仰旋轉自由度起著重要作用，其他兩個自由度的旋 轉只在機器人轉彎及一些特殊姿態起重要作用。因此，在欠驅動雙足步行機器人的機構設計 中，只保留了縱向平面內的俯仰旋轉自由度。
綜上所述，現有的雙足機器人髖關節機構設計中沒有將機器人上身的支撐與髖關節驅動 分離開來，也沒有專門針對前驅動雙足步行機器人的高效率、能靈活驅動的髖關節機構設計 方法。

發明內容
本發明的目的在于提供一種欠驅動雙足步行機器人髖關節機構。該機構能夠將機器人的 上身限制在兩條腿的角平分線上，對上身起到直接的支撐作用，并且能在兩條腿之間施加相 對力矩，對機器人的行走進行驅動。髖關節的驅動系統能夠方便的實現在線驅動狀態與離線 無驅動狀態的平滑切換，大大有利于欠驅動雙足步行機器人的高效率行走控制。
本發明的上述目的通過以下技術方案實現，結合


如下
一種欠驅動雙足步行機器人髖關節機構，主要由角平分線聯動機構、髖關節器件安裝板、 雙向傳動系統和不完全齒輪傳動系統組成，所述的角平分線機構1將兩條腿繞髖關節的轉動 運動與上身的運動聯系起來，并將上身限制在雙腿的角平分線上，該機構由正向、反向兩套 齒輪-鏈條組和自由傳動軸9組成；所述的髖關節器件安裝板2與機器人的上身固定在一起； 所述的雙向傳動系統3由將電動機的輸出力矩最終轉化為雙腿間的相對力矩的兩套驅動電 機、傳動軸及鋼索組成；所述的不完全齒輪傳動系統4包括驅動電動機13、裝在驅動電動 機輸出軸上的減速器和不完全傳動齒輪12，不完全傳動齒輪12與裝在髖關節驅動力矩傳動 軸II 18上的傳動齒輪14嚙合或分離。
本發明的髖關節集成聯動驅動機構能夠在支撐上身、提供連接雙腿的自由度的同時在雙 腿之間施加相對驅動力矩，在功能上主要由四個部分組成，分別是髖關節器件安裝板、角平 分線聯動機構、驅動電動機不完全齒輪機構、雙向驅動機構，為解釋各部分的機構設計與工 作原理，結合

如下
1、 髖關節器件安裝板由螺栓直接與機器人的上身固定在一起，其主要功能是為髖關節 的其他部件提供安裝空間，對髖關節系統起到支撐的作用；
2、 角平分線聯動機構的主要作用是將機器人的上身運動與兩條腿的運動相聯系，使機 器人的上身始終保持在兩條腿的角平分線上，簡化機器人機構，并有利于機器人在行走時產
生連貫、美觀的仿人步態，主要由正向傳動齒輪、反向傳動齒輪、自由轉軸三個主要功能部件組成；
3、 驅動電動機不完全齒輪機構主要作用是將電動機經減速器輸出的力矩進行適當比例 的放大或縮小，通過調整不完整齒輪與電機輸出端齒輪的嚙合位置與時間來實現對欠驅動雙足步行機器人的驅動，并在驅動完成后使電動機脫離驅動系統，實現機器人的無驅動行走模 式；
4、雙向驅動機構主要作用是將電動機機的輸出力矩最終轉化為雙腿間的相對力矩，主 要由兩套驅動電機、傳動軸及鋼索組成。
有益效果本發明與傳統雙足機器人機構設計與控制相比，具有機構簡單，采用靈活、 高能量效率的驅動系統設計，只需要簡單控制就能產生連貫、自然的仿人行走步態。髖關節 的驅動系統能夠方便的實現電動機在線驅動狀態與離線無驅動狀態的平滑切換，從機構上保 證了欠驅動雙足步行機器人高效率行走控制的實現。

圖1是欠驅動雙足步行機器人髖關節機構總體結構圖。
圖2 (a)是髖關節角平分線聯動機構的正視圖2 (b)是圖2 (b)的側視圖2 (c)是髖關節角平分線聯動機構動作原理圖。
圖3是髖關節驅動電動機不完全齒輪機構圖。
圖4 (a)是圖1中的髖關節雙向驅動機構右視圖4 (b)是圖1中的髖關節雙向驅動機構左視圖。
圖中l.角平分線聯動機構2.髖關節器件安裝板3.雙向傳動系統4.不完全齒輪傳 動系統 5.機器人大腿I 6.機器人大腿I1 7.髖關節轉軸8.反向傳動齒輪機構9.自由 轉軸IO.正向傳動齒輪機構ll.機器人上身12.不完全傳動齒輪12.驅動電動機14. 傳動齒輪 15.髖關節驅動力矩傳動軸I 16.正向傳動鋼索17.反向傳動鋼索18.髖關節 驅動力矩傳動軸ll 19.鋼索滑輪 20.牽拉鋼索
具體實施例方式
本發明的髖關節集成聯動驅動機構能夠在支撐上身、提供連接雙腿的自由度的同時在雙 腿之間施加相對驅動力矩，能夠實現機器人行走運動中對上身運動的控制，主要目在于解決 雙足機器人設計中髖關節機構復雜，驅動系統能量效率低，控制復雜等問題，從機構上保證 欠驅動雙足步行機器人的高能量效率與動態穩定行走。以下結合附圖所示實施例，進一步詳 細描述本發明的技術方案與工作原理。
一種欠驅動雙足步行機器人集成聯動-驅動髖關節，主要由角平分線聯動機構、髖關節 器件安裝板、雙向傳動系統和不完全齒輪傳動系統組成，所述的角平分線機構1將兩條腿繞 髖關節的轉動運動與上身的運動聯系起來，并將上身限制在雙腿的角平分線上，該機構由正 向、反向兩套齒輪-鏈條組和自由傳動軸9組成；所述的髖關節器件安裝板2與機器人的上 身固定在一起；所述的雙向傳動系統3由將電動機的輸出力矩最終轉化為雙腿間的相對力矩 的兩套驅動電機、傳動軸及鋼索組成；所述的不完全齒輪傳動系統4包括驅動電動機13、裝在驅動電動機輸出軸上的減速器和不完全傳動齒輪12，不完全傳動齒輪12與裝在髖關節 驅動力矩傳動軸II18上的傳動齒輪14嚙合或分離。
所述的自由傳動軸9安裝在機器人上身，并能自由轉動，所述的正向、反向兩套齒輪包 括正向傳動齒輪機構IO和反向傳動齒輪機構8，兩套齒輪機構的一端齒輪分別固定在自由 傳動軸9的兩端，兩套齒輪機構的另一端齒輪分別固定在髖關節轉軸7的兩端，髖關節轉軸 7與兩條大腿T 5和大腿I16固定在一起。
所說的雙向驅動機構主要由兩套驅動電機13、傳動齒輪14、髖關節驅動力矩傳動軸、 鋼索滑輪19、牽拉鋼索20組成，兩個驅動電動機13安裝在髖關節器件安裝板2上，鋼索 滑輪19與傳動齒輪14固連，每個電動機的驅動力矩經過減速器放大后，驅動裝有鋼索的滑 輪轉動，鋼索滑輪19通過鋼索控制機器人大腿的牽拉，該驅動經鋼索的反向傳動后，帶動 另外一側的傳動軸沿相反的方向轉動。
髖關節驅動系統設計為雙向驅動系統，由兩套電動機驅動一力矩傳動系統組成，分別負 責兩個不同方向的髖關節力矩(機器人兩條腿之間的相對力矩)驅動。每套電動機驅動一力 矩傳動系統由電動機、傳動齒輪、傳動鋼索、驅動力矩傳動軸、鋼索滑輪、大腿牽拉鋼索、 鋼索預緊彈簧組成。傳動齒輪負責對電動機的力矩進行適當放大，鋼索滑輪與傳動齒輪固連，
并大腿牽拉鋼索或傳動鋼索連接，將傳動齒輪傳遞的電動機力矩轉換為鋼索的拉力。大腿牽 拉鋼索直接對機器人大腿施加拉力，使機器人大腿繞髖關節旋轉。鋼索預緊彈簧彈性系數較 大，能夠顯著的改變電動機及驅動系統在驅動開始時刻的負載特性，將驅動時系統各部件間 的剛性沖擊變為柔性彈性沖擊，提高電機驅動的效率。
所述的減速器對驅動電動機13輸出力矩進行比例放大或縮小，通過調整不完全傳動齒 輪12與傳動齒輪14的嚙合位置與時間來對欠驅動雙足步行機器人驅動，并在驅動完成后使 電動機脫離驅動系統，實現機器人的無驅動行走模式。
髖關節集成聯動一驅動機構實際上通過髖關節器件安裝板安裝在機器人上身，與上身一 同運動。髖關節器件安裝板采用硬鋁合金板，由螺栓直接與機器人的上身固定在一起，其主 要功能是為髖關節的其他部件提供安裝空間，對髖關節系統起到支撐的作用。同上身一樣， 髖關節也要繞髖關節轉軸轉動。
角平分線聯動機構的主要動作機構參閱附圖2，其主要作用是將機器人的上身運動與兩 條腿的運動相聯系，使機器人的上身始終保持在兩條腿的角平分線上。這種設計方法能夠簡 化機器人機構，并有利于機器人在行走時產生連貫、美觀的仿人步態，主要由正向傳動齒輪 機構、反向傳動齒輪機構、自由轉軸三個主要功能部件組成。自有轉軸安裝在機器人上身， 可以自由轉動。正向、反向兩套傳動齒輪機構與自由轉軸固定在一起，而另一端分別與兩條 大腿相連接。 一方面正向傳動齒輪機構的運動經過自由轉軸的傳動，同樣要使反向傳動齒輪 機構產生相同的運動，而正向、反向傳動齒輪機構分別與兩條腿相連接，實現了雙腿運動的聯系。與正向鏈輪傳動機構連接的大腿2繞髖關節主軸轉動(相對于機器人上身逆時針轉動 角度P,)時，通過正向齒輪傳動機構帶動上身的自由轉軸旋轉，安裝在轉軸另一端的反向 齒輪傳動機構沿相反的方向將自由轉軸的轉動傳遞至另外一條機器人大腿I 5，帶動機器人 大腿I 5沿與機器人大腿I16相反的方向繞髖關節主軸轉動相同大小的角度，機器人大腿I 5 相對于機器人上身順時針轉動角度0。兩條腿產生了相對轉動，而且兩條腿相對于上身轉動 的角度相等，方向相反，保證了上身始終保持在雙腿的角平分線上。
驅動機構及傳動機構的高能量效率是欠驅動雙足歩行機器人機構設計的主要標準之一。 髖關節的驅動力矩輸出機構如說明書附圖3所示。在驅動元件的選擇上，采用電動機驅動方 式，體積小、重量輕、控制靈活。由于欠驅動雙足步行機器人在控制中不需要實時的軌跡跟 蹤控制，而只需要短時間的驅動與能量輸入，因此，電動機主要釆用的是簡單的點到點控制， 并對電機的旋轉速度進行了簡單限制。由于電動機的輸出力矩密度不能滿足需求，在電動機 輸出軸要安裝減速器機構，降低電動機轉速，并放大電動機的驅動力矩。由于電動機在停止 旋轉時的自鎖力矩以及電動機輸出端減速器的摩擦力矩，如果電動機停止旋轉，還能夠在傳 動系統中維持一定的力矩，成為影響機器人行走步態、能量效率、控制復雜度的一個很重要 的因素。為了實現驅動系統設計的高能量效率，在不需要驅動時需要將電動機力矩輸出機構 與系統脫離。不完全齒輪機構能夠較為可靠地實現這個功能。電動機輸出端驅動力矩首先經 過不完全齒輪傳動，在需要驅動力矩輸出時，不完全齒輪的齒輪部分與傳動齒輪嚙合，電動 機輸出驅動力矩對機器人系統進行驅動。而不需要進行驅動時，不完全齒輪旋轉至合適位置， 與脫離傳動齒輪的嚙合狀態，將電動機力矩輸出機構與系統完全隔離丌，保證機構其余部分 的高效率運動。
雙向驅動機構主要作用是將電動機機的輸出力矩最終轉化為雙腿間的相對力矩，主要由 兩套驅動電機、傳動軸及傳動鋼索組成，如說明書附圖4所示，每一套傳動系統能夠完成一 個方向上機器人雙腿之間的相對轉動。傳動系統中采用鋼索完成力的傳動，并通過對雙腿的 牽拉完成對雙腿的驅動。通過鋼索的牽拉實現對雙腿的驅動，主要優點在于鋼索只能在單方 向對大腿的運動起到驅動與限制，當鋼索的牽拉速度小于被牽拉大腿的擺動速度時，大腿可 以自由地擺動。采用兩套驅動系統，配合以不完全齒輪驅動機構，鋼索的傳動機構實現了髖 關節的高效率、靈活驅動。鋼索的另一端安裝有彈性系數很大的彈簧，能夠顯著的改變電動 機及驅動系統在驅動開始時刻的負載特性，將驅動時系統各部件間的剛性沖擊變為柔性彈性 沖擊，提高了電機驅動的效率。
髖關節是欠驅動雙足步行機器人最重要的功能部件之一，其機械設計直接決定了機器人 行走的效率與復雜度。本發明設計的髖關機集成聯動一驅動機構以較簡單的機構實現了機器 人的高效率行走機構，能夠靈活的對機器人的雙腿施加驅動，使機器人實現高能量效率的驅 動態行走。顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范 圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則 本發明也意圖包含這些改動和變型在內。
權利要求
1、一種欠驅動雙足步行機器人髖關節機構，主要由角平分線聯動機構、髖關節器件安裝板、雙向傳動系統和不完全齒輪傳動系統組成，其特征在于所述的角平分線機構(1)將兩條腿繞髖關節的轉動運動與上身的運動聯系起來，并將上身限制在雙腿的角平分線上，該機構由正向、反向兩套齒輪-鏈條組和自由傳動軸(9)組成；所述的髖關節器件安裝板(2)與機器人的上身固定在一起；所述的雙向傳動系統(3)由將電動機的輸出力矩最終轉化為雙腿間的相對力矩的兩套驅動電機、傳動軸及鋼索組成；所述的不完全齒輪傳動系統(4)包括驅動電動機(13)、裝在驅動電動機輸出軸上的減速器和不完全傳動齒輪(12)，不完全傳動齒輪(12)與裝在髖關節驅動力矩傳動軸II(18)上的傳動齒輪(14)嚙合或分離。
2、 根據權利要求1所述的欠驅動雙足步行機器人髖關節機構，其特征在于所述的自由 傳動軸(9)安裝在機器人上身，并能自由轉動，所述的正向、反向兩套齒輪包括正向傳動 齒輪機構(10)和反向傳動齒輪機構(8)，兩套齒輪機構的一端齒輪分別固定在自由傳動軸(9)的兩端，兩套齒輪機構的另一端齒輪分別固定在髖關節轉軸(7)的兩端，髖關節轉軸 (7)與兩條大腿I (5)和大腿II (6)固定在一起。
3、 根據權利要求1所說的欠驅動雙足步行機器人髖關節機構，其特征在于所說的雙向 傳動系統(3)主要由兩套驅動電機(13)、傳動齒輪(14)、髖關節驅動力矩傳動軸、鋼索 滑輪(19)、牽拉鋼索(20)組成，兩個驅動電動機(13)安裝在髖關節器件安裝板(2)上， 鋼索滑輪(19)與傳動齒輪(14)固連，每個電動機的驅動力矩經過減速器放大后，驅動裝 有鋼索的滑輪轉動，鋼索滑輪(19)通過鋼索控制機器人大腿的牽拉，該驅動經鋼索的反向 傳動后，帶動另外一側的傳動軸沿相反的方向轉動。
4、根據權利要求1所述的欠驅動雙足步行機器人髖關節機構，其特征在于所述的減速 器對驅動電動機(13)輸出力矩進行比例放大或縮小，通過調整不完全傳動齒輪(12)與傳 動齒輪(14)的嚙合位置與時間來對欠驅動雙足步行機器人驅動，并在驅動完成后使電動機 脫離驅動系統，實現機器人的無驅動行走模式。
全文摘要
本發明涉及一種欠驅動雙足步行機器人的髖關節機構，能夠方便的實現在線驅動狀態與離線無驅動狀態的平滑切換，有利于欠驅動雙足步行機器人的高效率行走控制。技術方案是角平分線機構(1)將兩條腿繞髖關節的轉動運動與上身的運動聯系起來，并將上身限制在雙腿的角平分線上，該機構由正向、反向兩套齒輪-鏈條組和自由傳動軸(9)組成；髖關節器件安裝板(2)與機器人的上身固定在一起；雙向傳動系統(3)由將電動機的輸出力矩最終轉化為雙腿間的相對力矩的兩套驅動電機、傳動軸及鋼索組成；不完全齒輪傳動系統(4)包括驅動電動機(13)、裝在驅動電動機輸出軸上的減速器和不完全傳動齒輪(12)。
文檔編號B62D57/00GK101422907SQ20081005160
公開日2009年5月6日 申請日期2008年12月16日 優先權日2008年12月16日
發明者劉振澤, 盧輝遒, 宿建樂, 崔相吉, 張佩杰, 田彥濤, 肖家棟, 趙紅杰, 振 隋, 黃笑亮 申請人:吉林大學