[发明专利]一种三维仿人双足步行机器人的机械结构及行走方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种机器人，更具体是涉及一种基于被动力学的三维仿人双足步行机器人的机械结构及行走方法。

背景技术

本发明是关于一种仿人步行机器人的设计。顾名思义，仿人机器人是从机器人的形态和功能的角度来进行定义的，区别于工业机器人的概念，仿人机器人具有和人体相类似的外形。从移动方式上来说，仿人机器人区别于多足步行和轮履等复合式底盘移动的方式，利用和人步行类似的双腿交替运动实现行走。在所有的类人行为中，机器人应当具有的最大特征之一就是步行功能，因此，仿人双足步行机器人的研究对于深入解析人类步行原理和助力行走，人工假肢等帮助残障人士实现行走的医疗器械的研究具有良好的应用价值。

被动式仿人步行机器人就是一种动态行走的双足步行机器人，它的研究主要是从降低能耗的角度出发，可以分成完全被动和半被动两种形式。完全被动的仿人步行机器人能够依靠重力作用沿着斜坡(倾斜1°—3°)稳定行走，半被动式的仿人步行机器人是在个别关节部位提供微小的能量输入使得机器人能够在平地上行走。最早的被动式步行机器人是在1988年以玩具的形式出现的，由于被动双足步行机器人的行走模式和人的行走机理更加接近，成为目前仿人步行研究的又一热点。目前，国内对被动步行机器人的研究正在如火如荼的开展着，本发明较专利CN201210207721和专利CN200810225507来说具有仿人程度高，机械结构更加简单的特点。

被动仿人双足步行机器人将机械结构和被动动力学特性相结合，这种机器人在行走过程中具有相应机械特性的同时，还具备和人类步行相类似的能量消耗。这一点是主动式仿人双足步行机器人不能相比的。正是这种特有的行走模式，使得被动仿人双足步行机器人具有很大的研究价值，有利于揭示人类行走机理以及仿人双足步行的控制原理。被动仿人双足步行机器人的研制还可以促进助力行走设备的研制，这种设备可以作为外骨骼帮助残疾人实现行走，并且可以在未来战争中充当代步设备，提升单兵作战能力。

发明内容

发明目的：针对传统的主动式仿人双足步行机器人耗能大、控制原理复杂等缺陷，本发明将基于被动力学相关原理，设计一种仿人程度高，能够实现三维被动步行的双足仿人机器人机械结构。

为实现上述目的，本发明的具体技术方案是：

一种三维仿人双足步行机器人的机械结构，从上至下依次包括躯干、对称设置的两个髋关节、角平分机构、手臂-大腿耦合机构及对称设置的双腿机构，其中，每一侧腿机构从上至下依次包括大腿、膝关节、小腿、踝关节及足底；

所述的躯干包括躯体、半固定环、连接环、轴承及轴承挡圈；其中，躯体的底部固定连接连接环，所述躯体上滑动连接滑块；

所述两个髋关节同轴水平布置在所述躯体的底部，躯体的底部设有用于与两个髋关节转动连接的连接环装置；每个髋关节和同侧的手臂固定连接；

所述的角平分机构包括两根连杆连接轴、四个连杆及两个曲柄；其中，每个所述髋关节上分别固定连接一个曲柄的一端，两个曲柄的另一端分别通过一个连杆连接轴与两个连杆转动连接，四个所述连杆两两交叉组合成两组后再分别和躯干上的滑块铰接，所述滑块上设有供铰接的连接轴；

所述手臂-大腿耦合机构包括分别布置在两个髋关节上的两组，每组包括大腿连接套筒和L型连接板，其中，L型连接板包括纵向直角边和横向直角边，纵向直角边与大腿连接套筒固定连接，横向直角边与角平分机构上的其中一根连杆连接轴固定连接，两个直角边的交汇处与同侧所述髋关节转动连接；

所述的膝关节包括电磁铁、电磁铁固定套筒、限位挡板、下连接套筒、上连接套筒、膝关节轴承及销轴，其中，大腿和小腿分别固定在下连接套筒和上连接套筒上，下连接套筒和上连接套筒之间通过销轴及轴承转动连接，大腿上固定连接有电磁铁固定套筒，电磁铁固定套筒上固定连接电磁铁，所述下连接套筒上固定连接所述限位挡板；

所述的踝关节包括万向节、弹簧连接套筒、足底连接套筒、足底连接板和弹簧；其中，弹簧连接套筒的上部与小腿固定连接，中部通过万向节连接足底连接套筒，足底连接套筒的底部固定连接足底连接板，所述弹簧连接套筒的下底面和足底连接板的上表面之间纵向布置三组弹簧。

进一步的，所述弹簧连接套筒上设有弹簧调节螺钉、调节螺母，所述足底连接板的上表面固定连接有弹簧固定螺钉，所述所述弹簧的上端与弹簧调节螺钉非螺纹端连接，另一端与弹簧固定螺钉连接，弹簧调节螺钉的螺纹端上螺纹连接调节螺母。

进一步的，所述连接环内左、右对称的设有两个轴承，所述两个轴承的内圈分别与一个髋关节固定连接。