[发明专利]一种基于柔性驱动器的欠驱动双足步行机器人

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种各主动关节均采用柔性驱动器的欠驱动双足步行机器人。

背景技术

仿人机器人是目前机器人技术发展领域最高级的体现，它们具有类人的外形，在结构和行走方式上也模仿人类。仿人机器人稳定运行的核心技术与研究难点是实现稳定的双足步行。

从机器人技术的发展历史来看，双足步行一直被认为是一项最高难度的挑战。早在著名的仿人机器人ASIMO、QRIO和HRP-2出现前的三十年中，双足步行一直是步行机器人技术发展的难点。最早的研究暨平台开发可以追溯到早1966年稻田大学的加藤一郎和1968年牛津大学的D.C.Witt所进行的研究工作。加藤一郎等人在1973年创建了世界上第一台具有双腿和双臂并受计算机控制的仿人机器人WABOT-1。虽然这是一项标志性的成果，但是WAB0T-1只能做到静态步行运动。在1980年前后，实现双足动态步行是一个重要的研究趋势，国内外很多研究人员开始积极从事相关理论研究和机器人平台的开发。到1986年，已开发出许多能实现动态步行运动的双足步行机器人。即便是在双足步行机器人已成功开发(以1996年本田推出仿人双足步行机器人P2为标志)了十多年的今天，实现稳定双足步行的步态规划和控制仍然是一个研究热点，国内外还有很多研究机构研究和开发各种双足步行机器人。

从生物力学角度，双足步行可以分为基于主动控制的运动和基于被动行走的运动。基于主动控制的双足步行中，一般在所有关节都施加驱动，各个关节的运动轨迹是事先规划好的，根据期望的关节轨迹，计算各时刻所需要施加的驱动力矩，用轨迹跟踪的方法控制机器人各关节准确跟踪事先规划的轨迹。这种控制方法的优点在于：可以对机器人的运动方式进行精确的规划，机器人可以在驱动器功率允许的范围内完成各种复杂的运动，便于实现对双足运动的精确控制；缺点在于：能量消耗大，效率低，对驱动器的性能要求较高，步态不自然，与实际人类运动相差较大。基于被动行走的双足运动，一般不对各个关节的运动轨迹进行精确的规划，直接施加较简单的驱动和控制即可实现行走。这种行走的优点在于：运动效率高，步态自然，接近人类实际步行运动，制作相对简单，易于实现；缺点在于：控制难度高，运动的稳定性不容易保证，难以实现上下楼梯，跨越障碍物等较复杂的运动。

显然，未来双足步行机器人的发展趋势，是将主动控制与被动行走相结合，制作出既有较高的效率和自然的步态又能实现多种运动、有较强实用性的机器人。在20世纪90年代，日本早稻田大学进行了柔性驱动的相关研究，研究者参考了人类行走时肌肉的驱动方式以及关节柔性可以实时改变的特点，在基于主动控制的机器人“WL-14”上加入了拮抗驱动关节以及由非线性弹簧实现的可变关节柔性。实验结果发现，与关节柔性不可改变的情况相比，机器人在运动的摆腿阶段(swing phase)能量消耗减少了25％，即引入可控柔性的关节显著提高了机器人的运动效率。

发明专利CN101428657A公开了一种欠驱动双足步行机器人行走机构，主要由手臂、上身、髋关节、大腿、膝关节、小腿和脚等七部分组成，共10个自由度，在这10个自由度中，仅对3个自由度进行驱动，其中膝关节、踝关节不进行驱动，双臂分别通过机械链接机构与对侧的腿联动，髋关节采用集成联动-驱动髋关节机构，主要由髋关节器件安装板、角平分线联动机构、驱动电动机不完全齿轮传动机构、双向驱动机构四个部分组成；机器人双脚采用双层结构的多模式弹性脚。虽然该发明设计的欠驱动双足步行机器人结构简单，能够采用灵活、高能量效率的驱动系统设计，但是该步行机器人的拟人性效果较差，只有3个驱动自由度，与人体下肢的运动机理相差较大。

发明专利CN101423075A公开了一种模块化的六自由度主动关节型双足步行机器人，主要由六个关节模块和两个圆环状足组成。每个关节模块具有一个转动自由度，由直流伺服电机驱动。关节模块有两种型式，其关节转轴分别与关节连杆轴线平行和垂直，各称为I型关节和T型关节。各模块依次按串联方式连接，顺序为：足部-I型关节-T型关节-T型关节-T型关节-T型关节-I型关节-足部。中间四个T型关节的转轴互相平行，并与两端I型关节的转轴垂直。该机器人的步行模式有多种，包括扭转步态、横移步态和翻转步态。虽然所发明的机器人具有自由度少、主动步行、结构和控制简单、对环境的适应性好、越障能力强、能耗小等特点，但拟人效果差。