[发明专利]一种双足机器人的下肢机构

说明书

技术领域

本发明属于机器人领域，尤其涉及一种双足机器人的下肢机构。

背景技术

研究表明，双足机器人想要实现与人类相仿的灵活步态，每条腿部至少需要具有3个运动关节和6个自由度，即：髋关节的前后摆、侧摆、扭转3个自由度，膝关节的前后摆自由度，以及踝关节的前后摆和侧摆2个自由度。这些自由度的实现形式有多种，以本田公司的ASIMO为代表的大型科研机器人大多采用直流伺服电机配谐波减速箱的驱动方式，德国慕尼黑大学的Johnnie机器人采用了直流无刷电机配滚珠丝杠的驱动方式。近年来随着RoboCup机器人足球比赛的迅速兴起，双足机器人的研发逐渐开始向小型化方向发展，具有机构简单、成本低、行走快速稳定的双足机器人成为广大参赛队共同追求的目标。而航模舵机或小型数字伺服电机由于其成本低、尺寸小、重量轻、并自带减速器和控制电路等特点，成为这一类双足机器人腿部最常采用的驱动方式。

然而，这种电机普遍存在的问题是控制精度低，并且输出轴具有一定的回转间隙，由此会引发机器人行走过程中关节实现角度与规划角度之间存在一定误差。而通常情况下，人形机器人的腿部机构多为简单的“单杆”形式的串联机构，即：大腿和小腿的结构件一般都可以等效为一根单独的连杆，其两端分别固定在运动关节上。这样，当杆件前端的电机输出转角存在间隙时，该误差会被自然地作用到杆件的后端，因此腿部的末端也就是脚底面处会产生较大的累积误差。举例来说，一般规划脚落地的瞬间脚底面与地面保持平行，从而得到稳定地抓地效果。但实际情况中往往由于“单杆式”腿部自上而下3个前摆电机的累积间隙最终作用在脚底面上的效果使得脚尖或脚跟先接触地面，产生一个扭矩进而导致机器人晃动甚至倾倒。由此可见，对于通常的双足机器人腿部机构，驱动电机的性能会在一定程度上制约了双足机器人的行走速度和稳定性。

此外，腿部驱动电机的设计安装位置对机器人的结构及性能也有一定影响。由于髋关节需要三个驱动电机以实现正交三自由度，以往较为常见的机构设计为三个驱动电机均固定在髋关节附近。这样带来的问题是机器人的腿部质量分布不均匀，髋关节处质量明显大于膝关节和踝关节；并且由于多个电机固定连接在一起，髋关节机构尺寸也明显偏大，不仅影响机器人腿部的整体美观性，更容易引起机构运动干涉从而减小髋关节自由度的运动范围。

发明内容

为了克服电机间隙或误差所产生的步态规划困难，以及行走速度慢，不稳定等问题，本发明提供一种新型的双足行走机器人，该机器人通过机构本身解决了关节电机输出间隙影响行走稳定性的问题，确保机器人在行走过程中两只脚底面始终与地面保持平行，从而有利于实现快速稳定的双足行走步态。

本发明解决上述技术问题所采用的方案如下：利用平行四连杆机构在运动过程中两组对边始终保持平行的原理特点，通过两组相连的平行四连杆实现机器人大小腿以及髋、膝、踝三个运动关节的机构设计。两组平行四连杆长边分别构成机器人的大腿及小腿结构件，短边分别连接机器人的髋、膝、踝三个关节的前摆自由度，由于平行四连杆机构实际上只有一个转动自由度，因此通过两组驱动电机即可实现机器人大小腿的前后摆动，并且在任意角度的摆动过程中机器人小腿踝关节和大腿髋关节的平面始终保持平行，从而确保了机器人在行走过程中脚底面始终保持水平姿态。此外，将控制髋关节前摆的驱动电机设计安装在膝关节位置处，从而对机器人腿部的质量分布进行了优化，并且降低了髋关节的机构复杂程度，有效地提高了机构性能。

本发明所提供的双足行走机器人的腿部机构原理如图1所示，该图为机器人腿部的侧面图，两组平行四连杆机构1和2分别构成机器人的大腿和小腿结构，从上到下依次连接机器人的髋关节3、膝关节4和踝关节5。平行四连杆只有一个转动自由度，在四个顶点中的任意一个点处安装电机的输出轴，其它三个点通过轴承与相应的运动关节(髋3、膝4或踝5)固定，于是当电机输出一定转角，平行四连杆的相邻两边的夹角会产生等量的变化，并带动平行四连杆的形状发生相应变化，此时由于一对短杆固定在关节结构件上，因此另外一对长杆会做相应转动，从而实现了大小腿的前后摆。