[发明专利]欠驱动双足步行机器人髋关节机构

说明书

技术领域

本发明涉及机械学、力学、电子学、控制论、计算机数字控制等技术领域，用于欠驱动双足机器人中髋关节高效率联接、传动机构与灵活驱动机构与控制系统设计。 

背景技术

双足机器人在社会价值和经济实用方面都具有重要的研究意义，主要包括以下几个方面： 

1)双足机器人在外形和功能上适合在人类生活、工作环境中与人协同工作； 

2)双足步行机器人体积相对较小，具有更加灵活的运动方向和更大的速度变化范围，可以在非结构复杂环境具有较好的适应性，避障能力强； 

3)结合丰富的传感系统、控制系统，增强机构的运动功能，可代替人进行作业或扩大人类活动领域，如在危险环境(核电站、海底、太空)中进行复杂工作； 

4)双足机器人机构设计及控制技术可以用于开发护理机器人、娱教机器人、服务机器人等，还可以用于开发康复机器人或高效率动力假肢。 

髋关节是双足步行机器人机构的关键部分之一，是机器人两条腿的连接部件，也是机器人上身的支撑部件，同时需要集成双腿驱动、上身驱动等多个自由度的驱动元件。髋关节的机械效率与驱动效率直接影响了双足机器人整体的控制与能量消耗。传统的双足机器人设计在髋关节的各个自由度都安装驱动，造成了机构的重复驱动(两条腿在髋关节处置需要施加相对力矩)，上身与髋关节的连接进行驱动，也增加了系统控制的复杂度。与传统双足机器人机构设计与控制相比，欠驱动双足步行机器人的髋关节需要运行于无驱动与有驱动两种不同的模式下，因此需要有更加简单的机构与更加灵活的驱动、控制，也对髋关节的机构设计提出了新的要求： 

1)髋关节要对上身起到支撑作用，限制上身的自由运动，使机器人的上身与两条腿自由运动； 

2)为了实现欠驱动双足步行机器人的行走的高效率，髋关节具有简单结构，只设置一个自由度； 

3)为了能使欠驱动双足步行机器人在水平地面上行走，髋关节需要能够为机器人提供驱动力； 

4)为了实现欠驱动双足步行机器人的欠驱动行走原理，髋关节驱动具有高效率，且能够自由地在有驱动与无驱动模式之间切换。 

双足机器人的髓关节属于三自由度的球关节，在仿生机构设计中可采用分别以空间三个相互垂直方向为轴的单自由度旋转关节来替代，但是这种结构设计方法比较复杂，而且在机器人的直线行走中，只有纵向平面内的俯仰旋转自由度起着重要作用，其他两个自由度的旋转只在机器人转弯及一些特殊姿态起重要作用。因此，在欠驱动双足步行机器人的机构设计中，只保留了纵向平面内的俯仰旋转自由度。 

综上所述，现有的双足机器人髋关节机构设计中没有将机器人上身的支撑与髋关节驱动分离开来，也没有专门针对前驱动双足步行机器人的高效率、能灵活驱动的髋关节机构设计方法。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种欠驱动双足步行机器人髋关节机构。该机构能够将机器人的上身限制在两条腿的角平分线上，对上身起到直接的支撑作用，并且能在两条腿之间施加相对力矩，对机器人的行走进行驱动。髋关节的驱动系统能够方便的实现在线驱动状态与离线无驱动状态的平滑切换，大大有利于欠驱动双足步行机器人的高效率行走控制。 

本发明的上述目的通过以下技术方案实现，结合附图说明如下： 

一种欠驱动双足步行机器人髋关节机构，主要由角平分线联动机构、髋关节器件安装板、双向传动系统和不完全齿轮传动系统组成，所述的角平分线机构1将两条腿绕髋关节的转动运动与上身的运动联系起来，并将上身限制在双腿的角平分线上，该机构由正向、反向两套齿轮-链条组和自由传动轴9组成；所述的髋关节器件安装板2与机器人的上身固定在一起；所述的双向传动系统3由将电动机的输出力矩最终转化为双腿间的相对力矩的两套驱动电机、传动轴及钢索组成；所述的不完全齿轮传动系统4包括驱动电动机13、装在驱动电动机输出轴上的减速器和不完全传动齿轮12，不完全传动齿轮12与装在髋关节驱动力矩传动轴II 18上的传动齿轮14啮合或分离。 

本发明的髋关节集成联动驱动机构能够在支撑上身、提供连接双腿的自由度的同时在双腿之间施加相对驱动力矩，在功能上主要由四个部分组成，分别是髋关节器件安装板、角平分线联动机构、驱动电动机不完全齿轮机构、双向驱动机构，为解释各部分的机构设计与工作原理，结合附图说明如下： 

1、髋关节器件安装板由螺栓直接与机器人的上身固定在一起，其主要功能是为髋关节的其他部件提供安装空间，对髋关节系统起到支撑的作用；