專利名稱：欠驅動雙足步行機器人行走機構的制作方法
技術領域：
本發明涉及機器人領域，特別涉及欠驅動雙足步行機器人領域。
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。
雙足機器人機構的設計要實現以下目標
1) 能夠實現穩定的雙足行走步態；2) 機器人動作連貫、美觀，能夠實現相似度較高的仿人行走步態；
3) 結構簡單，最大程度地減輕機器人重量，降低制造成本，同時降低控制的復雜度及 相關硬件的開銷；
4) 外形美觀，有利于進行人機交互。
雙足機器人機構的結構外形及功能結構類似于人，則從仿生的角度出發，分析人的關節 自由度和關節驅動形式，在功能和結構上模擬人關節運動形式，確定了雙足機器人的關節結 構形式。結合人的各軀干的比例尺寸，確定了雙足機器人的桿件尺寸和關節轉角范圍。
人體由二百余塊骨骼組成，每一部分骨骼都是按其功能生成，具有自身獨立的完整性， 通過肌腱和軟骨巧妙地接合在一起，組成了一個便于運動、堅固而又輕巧的整體。骨與骨相 接形成了人體運動的關節，組合方式呈多樣化。這些關節以肌肉為動力，能產生多種復雜的 運動。對于如此復雜的動作機構與運動控制系統，想利用機電系統進行完全的模擬是不可能 也是不現實的。因此，基于通過盡量少的自由度，來實現盡量多的基本運動，同時又要使這 些運動盡量柔順美觀的出發點，配置機器人自由度。
雙足機器人是一個復雜的機械電子系統，自由度數目多，行走控制方法復雜。 一般的雙 足機器人機構設計中，每個自由度(運動關節)都需要有電動機進行驅動，系統結構復雜，而且電動機輸出軸需要由減速機構進行力矩放大，系統能量效率低。機器人的行走控制方法 復雜，首先需要對雙足機器人系統進行簡化得到簡單的線性控制模型，通過經典的線性控制 算法完成結構化環境下的步態規劃，然后通過一些智能控制算法在線修正和調整機器人的關 節扭矩，獲得一定意義下的穩定步態。在這個過程中，機器人的驅動控制系統首先需要克服 機器人自身的慣性力和所受重力作用，才能使機器人的各個關節按照規劃好的軌跡運動。而 且，由于機構和控制的復雜，機器人在機械硬件和軟件控制方面需求較高，且行走速度受到 限制，也使雙足機器人技術的實用化受到較大限制。雙足機器人技術的進一步發展，需要用 新的思路設計具有更加精巧、高效的機械結構與驅動系統，開發新的機器人控制方法。欠驅 動雙足步行機器人動態行走機構通過對人體的行走運動進行分析，選取了最少的自由度來實 現雙足機器人的一個最基本運動…雙足行走。
綜上所述，以最簡單的機械及控制系統來實現對人類雙足行走運動的模擬是一個很大的 挑戰，特別是要實現所設計雙足機器人的高效率行走運動。

發明內容
本發明提供了一種高能量效率的雙足行走機構及其設計方法，主要從機構設計與控制的 角度來解決雙足機器人機構設計復雜與控制方法復雜、能量效率低的問題。 結合附圖，說明如下
一種欠驅動雙足步行機器人行走機構主要由手臂、上身、髖關節、大腿、膝關節、小 腿、腳等七部分組成，共10個DOF自由度，其中，上身1 DOF，雙臂2X1D0F，髖關節 1D0F，雙腿膝關節2X1D0F，雙腳踝關節2X1D0F，側向腳與地面之間2X 1 DOF， 在 這10個自由度中，僅對3個自由度進行驅動，其中膝關節、踝關節不進行驅動，雙臂分別 通過機械鏈接機構與對側的腿聯動，髖關節采用集成聯動-驅動髖關節機構6，所說的集成 聯動-驅動髖關節機構6主要由安裝在機器人上身的髖關節器件安裝板13、使機器人的上身 始終保持在雙腿的角平分線上的角平分線聯動機構15、驅動電動機不完全齒輪傳動機構11、 將電動機的輸出力矩最終轉化為雙腿間的相對力矩的雙向驅動機構12四個部分組成；機器 人雙腳采用雙層結構的多模式彈性腳。
髖關節角平分線機構12由正向傳動齒輪機構17、反向傳動齒輪機構18、自由轉軸16 三個主要功能部件組成，自有轉軸16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17、 18的一端與自由轉軸16固定在一起，而另一端分別與兩條大腿相連接。
驅動電動機不完全齒輪機構11是在電動機力矩輸出軸安裝不完全齒輪19，不完全齒輪 的齒輪部分與傳動齒輪28嚙合，在需要驅動力矩輸出時，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，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開，實現機器人的無驅動行走模式。
雙向驅動機構主要由兩套驅動電機20、傳動齒輪28、驅動力矩傳動軸22、 23鋼索滑輪26、牽拉鋼索27組成，兩個驅動電動機20安裝在髖關節器件安裝板13上，鋼索滑輪26與 傳動齒輪28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26通過鋼索控制大腿的牽拉，該驅動經鋼索的反向傳動后，帶動另外一側的轉軸 沿相反的方向轉動。
多模式彈性腳為雙層結構，上、下兩平板30、 34之間的內側設置一對彈性支撐座31， 并安裝彈簧進行支撐，使上腳板能夠在彈性支撐座上上下運動很小的一段距離，另一側安裝 側向自由度可調被動彈性機構33，上下腳板之間僅僅通過彈簧進行連接，內外兩側為同類 型的彈簧，外側彈簧的彈性系數小于內側彈簧的彈性系數；在腳底板的四個對角安裝彈簧支 撐的滾輪機構32，調節彈簧的彈力，使得四個滾輪機構能夠支撐腳的重量，當機器人的腳 受到一定壓力時，下腳板能與地面接觸；下平板后面和踝關節上方用一彈簧連接，并用開關 控制彈簧只在機器人擺動腿剛離開地面時和即將接觸地面時作用。
一種雙足步行機器人行走機構的控制方法，其控制系統釆用上位機一嵌入式微處理器一 底層電機驅動控制，其特征在于嵌入式微處理器安裝在如權利要求1所說的機器人上，能夠 實現對機器人行走的自主控制，嵌入式微處理器與上位機之間通過無線通信模塊實現數據交 互，讀取上位機的控制指令，并將機器人行走步態數據上傳至上位機進行存儲與分析，在行 走控制算法方面，控制器采用基于邏輯狀態的控制方法，將機器人的行走過程分為幾個不同 的邏輯階段，包括
a行走起動階段；
b擺動起始階段；
c擺動腿膝關節彎曲擺動階段；
d擺動腿伸直擺動階段；
e擺動腿膝關節伸直擺動階段；
f雙腳觸地碰撞階段；
在每個采樣一控制周期，控制器根據傳感器的數據判斷機器人狀態所處的邏輯階段，并 根據機器人的具體姿態計算出相應的控制量。
有益效果本發明設計的欠驅動雙足步行機器人機構簡單，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。


圖1是欠驅動雙足步行機器人總體機構圖2是欠驅動雙足步行機器人集成聯動-驅動髖關節機構圖； 圖3髖關節角平分線聯動機構；
圖4髖關節驅動電動機不完全齒輪機構； 圖5髖關節雙向驅動機構；
圖6多模式彈性腳結構圖；圖7欠驅動雙足步行機器人膝關節機構剖視圖(彎曲狀態)；
圖8欠驅動雙足步行機器人控制系統總體框圖9欠驅動雙足步行機器人控制軟件的層次結構圖IO欠驅動雙足步行機器人行走邏輯階段圖。
圖中I、頭部支架2、手臂3、上身4、同步齒形帶5、髖關節6、集成聯動-驅動髖關節機構 7、大腿 8、膝關節9、小腿 10、多模式彈性腳11、不完全齒輪 傳動12、雙向傳動系統13、髖關節器件安裝板 14、髖關節主軸 15、角平分線聯動 機構 16、自由轉軸17、正向傳動齒輪機構18、反向傳動齒輪機構 19、不完全傳動 齒輪 20、驅動電動機 21、傳動齒輪 22髖關節驅動力矩傳動軸I 23、髖關節驅動 力矩傳動軸II 24、正向傳動鋼索 25、反向傳動鋼索 26、鋼索滑輪 27、牽拉 鋼索 28、傳動齒輪 29、無驅動踝關節30、上腳板 31、上腳板彈性支撐座 32、 彈性支撐滾輪機構33、側向自由度可調被動彈性機構34、下腳板 35、鎖扣松緊螺栓 —恢復彈簧 36、鎖扣機構(鎖臂一滾輪) 37、膝關節軸套一鎖臂滑塊 38、
膝關節轉軸
具體實施方式
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本發明從系統結構設計、機械設計、控制系統開發與行走控制算法設計等四個方面實現 了欠驅動雙足步行機器人的高能量效率機構的機械設計與控制。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、設計思想與系統工作原理。
傳統的雙足機器人主要采用仿生設計方法，首先從機械系統結構上模擬人的各個運動自 由度，使得系統機構與控制復雜。本發明則以欠驅動雙足行走為指導思想，對雙足機器人的 行走機構與控制系統進行設計，使機器人能夠以簡單的機構實現較高能量效率行走步態。欠 驅動雙足步行機器人的設計要點在于欠驅動、高效率與行走步態動態穩定。欠驅動指機器人 驅動的關節數量少，所以機器人的行走控制則更多地依賴機器人的原有動態特性；高效率包 括機械系統的高效率與驅動控制的高效率；行走步態動態穩定，指機器人在行走過程中重心 在地面的投影并不是始終位于雙腳支撐區域內，這需要在合理、高效的機械系統與驅動系統 的基礎上，通過基于欠驅動行走原理的控制算法來達到。
欠驅動雙足步行機器人在原理與機構上區別于一般意義上的雙足機器人，上述的設計理 念需要系統的考慮系統結構與控制算方法的設計。欠驅動步行機器人的機構設計是機器人是 能否實現欠驅動行走的關鍵。欠驅動步行機器人的高效、動態行走控制算法是欠驅動步行機 器人研究的核心所在。
欠驅動雙足步行機器人的機構設計主要包括系統自由度的設置、驅動自由度的設計、驅 動方式與驅動機構的設計。系統要合理設置自由度，以使系統能夠完成行走運動，并具有合 理的復雜度。欠驅動步行機器人不同自由度的驅動對行走步態具有不同的驅動效果，驅動效率也不相同。
欠驅動雙足步行機器人由手臂、上身、髖關節、大腿、膝關節、小腿、腳等七部分組成， 在機構上總共包括IO個自由度，其中，手臂2X1D0F，上身1D0F，髖關節1D0F，膝關 節2X1D0F，腳2X2DOF (每個腳包含踝關節的一個無驅動自由度和一個側向自由度)。在 這10個自由度中，僅對3個自由度進行驅動，其中膝關節、踝關節不進行驅動，機器人兩 只手臂進行適當控制后能有利于機器人在行走時的側向平衡，但并不是欠驅動雙足步行機器 人穩定行走的必要結構。因此，本發明中，手臂僅通過同步齒形帶傳動機構與對側的腿聯動， 起到協調、美化機器人的行走步態的作用。機器人的上身是驅動系統的主要支撐部件，必須 與兩條腿進行運動上的關聯與力矩上傳遞， 一般的作法是在上身與每條腿之間都進行電機驅 動，導致系統比較復雜，協調控制難度高。本發明中設計的髖關節稱為集成聯動-驅動髖關 節機構，集成聯動-驅動髖關節機構主要由安裝在機器人上身的髖關節器件安裝板、角平分 線聯動機構、驅動電動機不完全齒輪傳動機構、雙向驅動機構四個部分組成。髖關節角平分 線機構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的一端與自由轉軸固定 在一起，而另一端分別與兩條大腿相連接。與正向鏈輪傳動機構連接的大腿繞髖關節主軸轉 動時，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大腿，兩條腿產生了相對運動，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。髖 關節角平分線機構，通過正、反兩條傳動齒輪機構，將兩條腿的運動聯系起來，同時將上身 限制在雙腿的角平分線上，機構簡單，效率更高。
欠驅動雙足步行機器人在行走過程中，與人體的行走步態類似，擺動腿首先有一個彎曲 的過程，然后伸直，直至擺動腿的腳接觸地面，而這個過程中，支撐腿始終是伸直的。為了 實現機器人雙腿的這兩種姿態模式及其在這兩種運動模式下的快速切換，本發明設計了膝關 節的半主動鎖扣機構。腿彎曲時，膝關節軸套與鎖扣機構完全脫離，膝關節自由轉動。腿有 彎曲狀態逐漸變為伸直狀態時，膝關節軸套內側與大腿接觸，繼續運動受到限制，同時膝關 節軸套上端的圓滑曲面與鎖扣機構接觸，并將驅動鎖扣機構向上運動。當腿運動至伸直狀態 時，膝關節軸套完全運動至鎖扣機構滾輪內側，失去圓滑曲面支撐的鎖扣機構在彈簧的作用 下向下運動，阻止了膝關節軸套往回的運動，使膝關節始終保持在伸直狀態。鎖扣機構的 滾輪可以將膝關節軸套與鎖扣機構間的滑動摩擦變為滾動摩擦，減小了摩擦損耗。
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。
驅動機構及傳動機構的高能量效率是欠驅動雙足步行機器人機構設計的主要標準之一。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， 電動機主要采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開，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，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。雙向驅動機構主要由兩套驅動電 機、傳動齒輪、驅動力矩傳動軸、鋼索滑輪、牽拉鋼索組成，兩個驅動電動機對稱安裝在髖 關節器件安裝板上，鋼索滑輪與傳動齒輪固連，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6通過鋼索控制大腿的牽拉，該驅動經鋼索的反向傳動后， 帶動另外一側的轉軸沿相反的方向轉動。
傳動系統中采用鋼索完成力的傳動，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。
欠驅動雙足步行機器人的穩定行走由動態穩定原理來保證，即機器人的重心在地面的投 影不必始終位于支撐腳的支撐區域內，在理論上，支撐腿可以僅僅以一個"點"接觸地面， 而不需要大面積的腳底板來保證機器人的平衡與行走穩定。本發明的欠驅動步行機器人正是 按照這個基本原理來設計的，設計的機器人機構也完全實現了這一原理。腳的設計是實現欠 驅動穩定行走的關鍵，雙腳要保證欠驅動雙足步行機器人可以實現欠驅動行走，不能采用電 機驅動一軌跡跟蹤控制的設計方法，還要保證機器人在行走過程中的側向穩定以及支撐腿與 地面的穩定接觸。本發明中機器人的腳稱為多模式彈性腳。多模式彈性腳為雙層結構，上、 下兩平板之間的內側設置一對彈性支撐座，并安裝彈簧進行支撐，使上腳板能夠在彈性支撐 座上上下運動很小的一段距離，以減小機器人的腳落地時對機器人的沖擊，有利于機器人行走的穩定。另一側安裝側向自由度可調被動彈性機構，上下腳板之間僅僅通過彈簧進行連接， 并利用鋼絲對彈簧的初始長度和預緊力進行限制，保證機器人在行走過程中能夠側向搖擺， 并具有合適的頻率，以實現機器人在欠驅動行走過程中的動態側向穩定性。內側彈簧的彈性 系數大，起到緩沖的作用，減小彈性腳與地面之間的碰撞；外側彈簧的彈性系數小于內側彈 簧的彈性系數，使機器人產生側向運動。
由于踝關節不進行任何驅動與控制，機器人的腳就不能進行主動控制，由于機器人的腳 面積較大，在機器人的行走中腳與地面的摩擦、碰撞將直接導致行走失敗。因此，對機器人 的下腳板進行了特殊設計，在腳底板的四個對角安裝彈簧支撐的滾輪機構。調節彈簧的彈力， 使得在四個滾輪機構能夠支撐腳的重量，而當機器人的腳受到一定壓力時，下腳板能與地面 接觸。這樣的設計可以使機器人的腳在穩定行走中避免與地面的碰撞。對于擺動腿，由于小 腿要擺起一定的高度，機器人通過踝關節對腳施加的壓力接近為零或直接將腳抬離地面，下 腳板的彈簧滾輪機構對機器人的腳起到支撐作用，使腳作為整體或只有前端或后端在地面上 滑動。對于支撐腿，機器人通過踝關節對腳施加較大的壓力，下腳板的彈簧滾輪機構失去支 撐作用，下腳板與地面接觸。由于下腳板面積較大，能夠有效避免腳與地面之間的滑動，機 器人的支撐腿可以繞踝關節自由轉動，在功能上相當于以一個點與地面接觸。下平板后面和 踝關節上方用一彈簧連接，并用開關控制彈簧只在機器人擺動腿剛離開地面時和即將接觸地 面時作用。
欠驅動雙足步行機器人的控制系統采用人機交互層，機器人管理與控制層，硬件驅動層 三層結構，在硬件上對應于上位機一嵌入式微處理器一底層電機驅動控制組成的三層結構， 如說明書附圖5所示。上位機是一臺工控機，負責對欠驅動雙足步行機器人行走控制參數的 設置、步態數據的存儲與分析、數據的顯示，歷史記錄管理等功能。機器人嵌入式微處理器 選用NXP公司生產的高速LPC2378ARM7嵌入式微處理器，主要用來完成機器人行走的自 主實時控制，并負責與上位機進行交互，在每個采樣周期，嵌入式微處理器讀取機器人各傳 感器的數據，判斷機器人所處的邏輯狀態，并根據具體的數據計算所需要的驅動控制量。通 過直流電機驅動板核心芯片BTS7960的控制實現關節電機伺服控制，根據嵌入式微處理器 輸出的PWM信號生成需要的電壓，完成電動機的驅動與速度調節。
欠驅動雙足步行機器人在算法上采用基于邏輯狀態的控制方法，將機器人的行走過程分 為幾個不同的階段，分別為行走起動階段、擺動起始階段、擺動腿膝關節彎曲擺動階段、擺 動腿伸直擺動階段、擺動腿膝關節伸直擺動階段、雙腳觸地碰撞階段，如說明書附圖7所示。 在行走起動階段(圖7-a)，機器人雙腿伸直，處于靜止狀態，由外力施加一個合適的推動力， 機器人前面的腳接觸地面，后面的腿脫離地面，膝關節鎖死機構打開，擺動腿自由向前擺動。 連續行走的擺動起始階段(圖7-b)與行走起動階段動態相似，不放機器人的繼續動作不需 要外力驅動，擺動腿末端與腳底板間的彈簧釋放彈性勢能，擺動腿脫離地面；擺動腿膝關節彎曲擺動階段(圖7-C)，在開始時髖關節電動機在雙腿間施加驅動力矩，之后驅動力從系統 中切除，機器人在自身慣性與重力作用下以支撐腿踝關節為軸向前擺動。擺動腿伸直碰撞階 段(圖7-d)，擺動腿伸直，膝關節的鎖死機構將機器人的擺動腿限制在伸直狀態；擺動腿伸 直擺動階段(圖7-e)，髖關節自由活動，擺動腿保持甚至狀態，繼續擺動，支撐腿對末端的 彈簧進行拉伸，存儲彈性勢能；雙腳觸地碰撞階段(圖7-發)，雙腳與地面接觸，兩條腿變 換狀態。之后，機器人回到擺動起始階段，開始一個新的行走步態周期。
上述機械結構設計與原理分析表明，欠驅動雙足步行機器人通過高效率與靈活的機構保 證了機器人的高效率欠驅動動態行走，提高了雙足行走的速度與穩定性，從機構、運動原理 與控制方法上實現了雙足機器人行走機構設計的仿人設計。
為了最大限度地減輕欠驅動雙足步行機器人的質量，以提高能量效率并降低對驅動電機 負載能力的要求，機器人主要連接部件如大腿、小腿等均采用鋁合金型材，主要功能部件如 腳、髖關節等由鋁合金板加工而成，選用硬鋁作為機器人各關節間的連接部件，其余一些負 載強度大的零件如鏈輪、軸承等由鋼材加工而成。為說明前驅動雙足步行機器人機構設計組 成及運動原理，結合

如下
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行走機構主要由手臂、上身、髖關節、大腿、膝關節、小腿、腳等七部分組成，共10個DOF自由度，其中，上身1DOF，雙臂2×1DOF，髖關節1DOF，雙腿膝關節2×1DOF，雙腳踝關節2×1DOF，側向腳與地面之間2×1DOF，在這10個自由度中，僅對3個自由度進行驅動，其中膝關節、踝關節不進行驅動，雙臂分別通過機械鏈接機構與對側的腿聯動，其特征在于髖關節采用集成聯動-驅動髖關節機構(6)，所說的集成聯動-驅動髖關節機構(6)主要由安裝在機器人上身的髖關節器件安裝板(13)、使機器人的上身始終保持在雙腿的角平分線上的角平分線聯動機構(15)、驅動電動機不完全齒輪傳動機構(11)、將電動機的輸出力矩最終轉化為雙腿間的相對力矩的雙向驅動機構(12)四個部分組成；機器人雙腳采用雙層結構的多模式彈性腳。
2、 根據權利要求1所說的一種欠驅動雙足步行機器人行走機構，其特征在于所說的髖 關節角平分線機構(12)由正向傳動齒輪機構(H)、反向傳動齒輪機構(18)、自由轉軸(16) 三個主要功能部件組成，自有轉軸(16)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(17)、 (18)的一端與自由轉軸(16)固定在一起，而另一端分別與兩條大 腿相連接。
3、 根據權利要求1所說的一種欠驅動雙足步行機器人行走機構，其特征在于所說的驅 動電動機不完全齒輪機構(11)是在電動機力矩輸出軸安裝不完全齒輪(19)，不完全齒輪 的齒輪部分與傳動齒輪(28)嚙合，在需要驅動力矩輸出時，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，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開，實現機器人的無驅動行走模式。
4、 根據權利要求1所說的一種欠驅動雙足步行機器人行走機構，其特征在于所說的雙 向驅動機構主要由兩套驅動電機(20)、傳動齒輪(28)、驅動力矩傳動軸(22)、 (23)、鋼索 滑輪(26)、牽拉鋼索(27)組成，兩個驅動電動機(20)安裝在髖關節器件安裝板(13) 上，鋼索滑輪(26)與傳動齒輪(28)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(26)通過鋼索控制大腿的牽拉，該驅動經鋼索的反向傳 動后，帶動另外一側的轉軸沿相反的方向轉動。
5、 根據權利要求1所說的一種欠驅動雙足步行機器人行走機構，其特征在于所說的多 模式彈性腳為雙層結構，上、下兩平板(30)、 (34)之間的內側設置一對彈性支撐座(31)， 并安裝彈簧進行支撐，使上腳板能夠在彈性支撐座上上下運動很小的一段距離，另一側安裝 側向自由度可調被動彈性機構(33)，上下腳板之間僅僅通過彈簧進行連接，內外兩側為同 類型的彈簧，外側彈簧的彈性系數小于內側彈簧的彈性系數；在腳底板的四個對角安裝彈簧 支撐的滾輪機構(32)，調節彈簧的彈力，使得四個滾輪機構能夠支撐腳的重量，當機器人的腳受到一定壓力時，下腳板能與地面接觸；下平板后面和踝關節上方用一彈簧連接，并用 開關控制彈簧只在機器人擺動腿剛離開地面時和即將接觸地面時作用。
6、 一種雙足步行機器人行走機構的控制方法，其控制系統采用上位機一嵌入式微處理 器一底層電機驅動控制，其特征在于嵌入式微處理器安裝在如權利要求1所說的機器人上， 能夠實現對機器人行走的自主控制，嵌入式微處理器與上位機之間通過無線通信模塊實現數 據交互，讀取上位機的控制指令，并將機器人行走步態數據上傳至上位機進行存儲與分析， 在行走控制算法方面，控制器采用基于邏輯狀態的控制方法，將機器人的行走過程分為幾個 不同的邏輯階段，包括a) 行走起動階段；b) 擺動起始階段； C)擺動腿膝關節彎曲擺動階段；d) 擺動腿伸直擺動階段；e) 擺動腿膝關節伸直擺動階段；f) 雙腳觸地碰撞階段；在每個采樣一控制周期，控制器根據傳感器的數據判斷機器人狀態所處的邏輯階段，并 根據機器人的具體姿態計算出相應的控制量。
全文摘要
一種欠驅動雙足步行機器人行走機構涉及機器人領域，特別涉及欠驅動雙足步行機器人領域。主要由手臂、上身、髖關節、大腿、膝關節、小腿、腳等七部分組成，共10個DOF自由度，在這10個自由度中，僅對3個自由度進行驅動，其中膝關節、踝關節不進行驅動，雙臂分別通過機械鏈接機構與對側的腿聯動，髖關節采用集成聯動-驅動髖關節機構(6)，主要由髖關節器件安裝板(13)、角平分線聯動機構(15)、驅動電動機不完全齒輪傳動機構(11)、雙向驅動機構(12)四個部分組成；機器人雙腳采用雙層結構的多模式彈性腳。本發明設計的欠驅動雙足步行機器人機構簡單，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。
文檔編號B62D57/00GK101428657SQ20081005160
公開日2009年5月13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, 宿建樂, 崔相吉, 張佩杰, 偉 洪, 田彥濤, 肖家棟, 趙紅杰, 陳鴻帥, 振 隋 申請人:吉林大學