[发明专利]一种具有重载缓振平稳功能的仿生双足行走机器人

说明书

一种具有重载缓振平稳功能的仿生双足行走机器人，由机身、冠状面摆动机构和两条机械腿组成。冠状面摆动机构包括电机、曲柄和主轴；机械腿包括髋关节运动机构、膝关节运动机构、踝关节运动机构和机械足机构。髋关节运动机构包括腿部电机、曲柄、髋部连杆和大腿；膝关节运动机构包括大腿、中腿和腿部连杆；踝关节运动机构包括中腿和小腿；机械足机构包括两个足部电机和两个足趾，足趾由减振弹簧、上足板和足底板组成。本发明通过模仿鸵鸟生物解剖结构和后肢运动特点设计了一种可实现二维运动、重载、减振的双足机器人。本发明利用冠状面摆动机构和髋关节运动机构来实现机械腿在矢状面和冠状面的运动，利用承重关节和足趾机构来实现机械腿的重载减振目标。

技术领域

本发明属于仿生机器人领域，涉及一种能实现二维运动的可承重双足机器人。

背景技术

成年非洲鸵鸟体重能达到130-150公斤，它的后肢强壮而有力，具有稳健、持久和高速奔跑的能力，能够以稳定在60km/h的速度持续运动30分钟以上，冲刺速度甚至达到70km/h，是陆地上速度最快的双足动物。鸵鸟身体重量大，在奔跑过程中会产生巨大的冲击力，鸵鸟腿承受了鸵鸟高速奔跑过程中巨大的冲击载荷，这表明鸵鸟下肢关节和跗跖骨具有很好的机械强度和缓震性能。鸵鸟奔跑时，鸵鸟腿矢状面前进与冠状面外展内收运动同时进行，鸵鸟之所以能达到如此高的速度，和鸵鸟这样的运动步态关系甚大。相对于人类和其他鸟类，鸵鸟的腿部肌肉更加集中在腿部近端，远端仅通过细长的肌腱驱动。跖趾关节在肌腱的限定下永久离地，在运动中能够有效提高能量的利用效率。基于鸵鸟以上运动特征和生物组装特征，根据工程仿生学原理，可将鸵鸟的优越性能应用到双足机器人结构的设计中。

目前，国内外存在大量的仿生足式机器人，包括BISAM，HyQ，KOLT，BigDog，Aibo，ScoutⅡ，TITAN，LittleDog，Tekken，这些机器人研究比较成熟，但是在结构设计上还存在提高的空间，这些机器人与生物原型相比还有很大的差距。而且，目前的仿生足式机器人的足端结构单一，与地面产生较大冲击力，容易导致机器人产生振动，使其无法正常运作，严重时甚至损坏机器部件。机器人的构件通常是金属材料，再加上电机，机器人的机身往往计较沉重。为了使机器人与外界具有良好的交互性，对关节运动的缓震性、承载性等方面提出了越来越高的要求。

与双足机器人Cassie、Planer Elliptical Runner和FastRunner不同，本发明与生物原型更贴近，不仅能实现腿部在矢状面的运动和冠状面的摆动，而且承重位置模仿鸵鸟腿部关节结构形式，起到承重和缓冲减震的作用。并且，本发明注重足部的设计：模仿跖趾关节在肌腱的限定下永久离地，机械足上足板和足底板直接固接弹簧，起到缓冲减震的作用。每个机械足有两个足趾，每个足趾安装一个足趾电机，足趾的张合角度可以通过足趾电机调节。

本发明以能够高效运动的鸵鸟腿为仿生原型，通过鸵鸟奔跑后肢运动参数测试，结合鸵鸟的生物组装特征，优化设计出结构简单、安全可靠、振动性小、可实现高速运动可承重的仿生机器人。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有重载缓振平稳功能的仿生双足行走机器人。本发明能够模仿鸵鸟行走姿态，并具有结构简单、重载、减振的优点。本发明基于鸵鸟后肢的尺寸参数、鸵鸟承重关节减振特性以及跖趾关节减振特性，通过模仿鸵鸟生物解剖结构和后肢运动特点设计了一种可实现二维运动、重载、减振的双足机器人。

本发明包括机身、冠状面摆动机构和两条机械腿。冠状面摆动机构包括电机、曲柄和主轴；电机座通过机身连接件固定在机身上，曲柄固接于电机，主轴通过万向轴承与机身连接。电机的往复转动带动曲柄上提和下压，曲柄通过主轴带动机械腿外展或内收。