[发明专利]一种带髋部振子准被动双足步行机器人系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种带髋部振子准被动双足步行机器人，属于机器人技术领域。

背景技术

被动双足步行机器人是双足步行机器人研究领域内的研究热点，它具有步态自然、能耗低的特点。被动机器人是能够利用自身重力为步行提供能量从而获得稳定步行的步行机器人，与传统的主动步行机器人相比有结构简单，步态自然、能耗低的特点。被动步行机器人按是否有驱动关节可以分为：纯被动步行机器人与准被动步行机器人，准被动机器人对某些关节进行了驱动因此能够在平地上行走；按是否有冠状面摆动运动分为：平面步行机器人及三维步行机器人。

现有的三维被动双足步行机器人一般通过采用特殊结构的足部来保持机器人在冠状面的运动平衡。这种方式最大的缺点在于，它需要通过反复试验来改善足部结构及机器人各部分参数才可能保持侧面运动的平衡，且稳定性较差。也有少数机器人通过在髋关节两腿处分别增加一个侧向摆动的自由度，并通过控制足地接触位置来改善机器人侧向平衡。这种方式增加了两个腿部自由度，增加了机构复杂度，增加了机器人总重量，因此降低了系统的可靠程度。

发明内容

本发明是为解决现有的主动机器人步态不自然、能耗高，以及现有三维被动机器人冠状面运动不稳定，系统的可靠程度差的问题，进而提供一种带髋部振子准被动双足步行机器人系统。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：

一种带髋部振子准被动双足步行机器人系统包括髋部总成、两个腿部总成和两个足部总成，髋部总成和两个足部总成之间各布置有一个腿部总成；

所述机器人系统还包括髋部振子，髋部振子包括减速电机、支座、锥齿轮副、联轴器和输出齿轮；

髋部总成包括圆筒、齿条、导轨和两个环状连接件；圆筒内沿圆筒的长度方向固装有导轨和齿条，圆筒的外侧面沿圆筒的周向安装有并列设置的两个环状连接件，减速电机安装在支座上，支座滑动安装在导轨上，减速电机的输出端通过联轴器与锥齿轮副中的一个锥齿轮连接，锥齿轮副中的另一个锥齿轮安装在支座上，所述锥齿轮副中的另一个锥齿轮与输出齿轮同轴设置并连接为一体，输出齿轮与齿条啮合；

每个足部总成主要由足板组成，足板的与地面接触的侧面为双曲面结构，足板的与地面接触的侧面在矢状面的截面为第一曲线，足板的与地面接触的侧面在冠状面的截面为第二曲线，足板上加工有与腿足连接件连接的足台；

每个腿部总成包括髋腿连接件、直腿和腿足连接件，每个环状连接件上套设有能转动的髋腿连接件，直腿的上端与髋腿连接件连接，直腿的下端与腿足连接件连接。

本发明的有益效果是：

为使被动机器人在单腿支撑向前摆动过程中，机器人在冠状面内保持平衡不摔倒，且冠状面侧摆运动与矢状面前后摆运动周期相吻合(矢状面机器人摆动腿落地时，冠状面机器人摆动腿也刚好落地)，本发明设计了足板底面在冠状面及矢状面截面都为特定曲率曲线的双曲面足部结构。

为解决现有的准被动三维机器人冠状面侧摆运动与矢状面前后摆运动周期不能精确吻合的问题，本发明设计了髋部振子，通过控制髋部振子摆动来控制机器人侧摆频率，从而使机器人侧摆运动与前后摆运动周期吻合，步行稳定。

本发明能够使三维准被动机器人保持冠状面的稳定运动，达到稳定的三维步行的目的。同时使机器人充分利用自身的自然动力学特性，使其步行过程步态自然，能耗低。本发明的技术要点：1、足板的与地面接触的侧面在冠状面及矢状面截面上都为具有特定曲率的曲线，曲率通过计算机仿真结果获得，整个足板的与地面接触的侧面呈双曲面结构。该结构使冠状面侧摆运动与矢状面前后摆运动周期相吻合(矢状面机器人摆动腿落地时，冠状面机器人摆动腿也刚好落地)，它是准被动三维双足步行机器人能够完成稳定三维步行的先决条件；2、在髋部安装了可在冠状面往复摆动的振子，通过控制振子往复摆动频率改变机器人冠状面运动频率，从而使冠状面及矢状面运动周期严格吻合，达到稳定三维步行的目的。该髋部振子主要由减速电机和输出齿轮等组成，通过电机转动带动输出齿轮在齿条上做往复运动来实现调整冠状面运动周期的目的。髋部振子在导轨及齿条上整体作直线往复运动。