[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

权利要求书

1.一种三维仿人双足步行机器人的机械结构，其特征在于，从上至下依次包括躯干(1)、对称设置的两个髋关节(23)、角平分机构(2)、手臂-大腿耦合机构(6)及对称设置的腿机构，其中，每一侧腿机构从上至下依次包括大腿(35)、膝关节(3)、小腿(31)、踝关节(4)及足底(5)；躯干(1)上安装有主控芯片；

所述的躯干(1)包括躯体(13)、半固定环(15)、连接环(17)、轴承(16)及轴承挡圈(11)；其中，躯体(13)的底部固定连接连接环(17)，所述躯体(13)上滑动连接滑块(14)；

所述两个髋关节(23)同轴水平布置在所述躯体(13)的底部，躯体(13)的底部设有用于与两个髋关节(23)转动连接的连接环装置；每个髋关节(23)和同侧的手臂固定连接；

所述的角平分机构(2)包括两根连杆连接轴(21)、四个连杆(22)及两个曲柄(24)；其中，每个所述髋关节(23)上分别固定连接一个曲柄(24)的一端，两个曲柄(24)的另一端分别通过一个连杆连接轴(21)与两个连杆(22)转动连接，四个所述连杆(22)两两交叉组合成两组后再分别和躯干(1)上的滑块(14)铰接，所述滑块(14)上设有供铰接的连接轴(12)；

所述手臂-大腿耦合机构(6)包括分别布置在两个髋关节(23)上的两组，每组包括大腿连接套筒(64)和L型连接板(65)，其中，L型连接板(65)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(64)固定连接，横向直角边与角平分机构(2)上的其中一根连杆连接轴(21)固定连接，两个直角边的交汇处与同侧所述髋关节(23)转动连接；

所述的膝关节(3)包括压力传感器、电磁铁(36)、电磁铁固定套筒(34)、限位挡板(37)、下连接套筒(32)、上连接套筒(33)、轴承(38)及销轴(39)，其中，大腿(35)和小腿(31)分别固定在下连接套筒(32)和上连接套筒(33)上，下连接套筒(32)和上连接套筒(33)之间通过销轴(39)及膝关节轴承(38)转动连接，大腿(35)上固定连接有电磁铁固定套筒(34)，电磁铁固定套筒(34)上固定连接电磁铁(36)，所述下连接套筒(32)上固定连接所述限位挡板(37)；

所述的踝关节(4)包括万向节(46)、弹簧连接套筒(43)、足底连接套筒(47)、足底连接板(51)和弹簧(45)；其中，弹簧连接套筒(43)的上部与小腿(31)固定连接，中部通过万向节(46)连接足底连接套筒(47)，足底连接套筒(47)的底部固定连接足底连接板(51)，所述弹簧连接套筒(43)的下底面和足底连接板(51)的上表面之间纵向布置三组弹簧(45)；所述足底连接板(51)的下方具有足底曲面板(52)；足底曲面板(52)上设有微动开关。

2.根据权利要求1所述的三维仿人双足步行机器人的机械结构，其特征在于，所述弹簧连接套筒(43)上设有弹簧调节螺钉(42)、调节螺母(44)，所述足底连接板(51)的上表面固定连接有弹簧固定螺钉(41)，所述弹簧(45)的上端与弹簧调节螺钉(42)非螺纹端连接，另一端与弹簧固定螺钉(41)连接，弹簧调节螺钉(42)的螺纹端上螺纹连接调节螺母(44)。

3.根据权利要求1所述的三维仿人双足步行机器人的机械结构，其特征在于，所述连接环(17)内左、右对称的设有两个轴承(16)，所述两个轴承(16)的内圈分别与一个髋关节(23)固定连接。

4.根据权利要求1所述的三维仿人双足步行机器人的机械结构，其特征在于，所述髋关节(23)和连杆连接轴(21)上分别通过螺纹连接件安装有用来定位的套筒。

5.一种如权利要求1—4中任一所述的三维仿人双足步行机器人的机械结构的行走方法，其特征是，根据行走过程的不同状态，将整个步行周期分为四个相态；相态一支撑腿的膝关节(3)锁合，支撑腿上的大腿(35)和小腿(31)不会发生相对旋转；此时，摆动腿的膝关节(3)放开，进行自由摆动，系统为三个自由度；

当摆动腿上的小腿和大腿摆动到同一条直线上时，摆动腿上限位挡板(37)的压力传感器会受到膝关节的限位挡板(37)和电磁铁(36)的挤压，压力传感器将接收到的碰撞信号传递给主控芯片，主控芯片接收到该信号之后发出指令控制电磁铁(36)通电，摆动腿膝关节(3)锁合，此时为相态二，系统变为两个自由度；

在相态三中，机器人变为双直腿结构，大腿(35)和小腿(31)以同样的角速度摆动，系统具有两个自由度；

当足底曲面板(52)和地面发生碰撞之后，微动开关将被触碰，此时，摆动腿和支撑腿角色互换，该状态为相态四。

微动开关检测到足底曲面板(52)和地面发生碰撞，将碰撞信号传递给主控芯片，主控芯片发出指令让原支撑腿的电磁铁断电，原支撑腿的膝关节打开，原支撑腿变为摆动腿，此时又变回三自由度，行走状态将回到相态一。