一种高稳定性双足迈步仿人机器人
阅读说明：本技术 一种高稳定性双足迈步仿人机器人 (High-stability double-foot walking humanoid robot ) 是由 李晓艳 班书昊 江鹏 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高稳定性双足迈步仿人机器人,属于仿人机器人领域。它包括躯体连接板,装设在躯体连接板上的机器人躯体,装设在机器人躯体上的机器人头部,转动装设在躯体连接板底部的复合机器腿A和复合机器腿B；躯体连接板上还装设有驱动电机、齿轮绕线轮A和齿轮绕线轮B；复合机器腿A和复合机器腿B结构相同,包括上端采用机械髋关节与躯体连接板下端相连的机械大腿,上端采用柔性机械膝关节与机械大腿下端相连的机械小腿,采用机械踝关节与机械小腿下端相连的机械足；机械大腿上设有转轴滑槽。本发明是一种结构合理、具有柔性膝关节、能够减小迈步摩擦力,提高迈步运动稳定性的高稳定性双足迈步仿人机器人。(The invention discloses a high-stability biped walking humanoid robot, and belongs to the field of humanoid robots. The robot comprises a body connecting plate, a robot body arranged on the body connecting plate, a robot head arranged on the robot body, and a composite robot leg A and a composite robot leg B which are rotatably arranged at the bottom of the body connecting plate; the body connecting plate is also provided with a driving motor, a gear reel A and a gear reel B; the composite machine leg A and the composite machine leg B have the same structure and comprise a mechanical thigh of which the upper end is connected with the lower end of the body connecting plate by adopting a mechanical hip joint, a mechanical shank of which the upper end is connected with the lower end of the mechanical thigh by adopting a flexible mechanical knee joint, and a mechanical foot of which the lower end is connected with a mechanical ankle joint; the mechanical thigh is provided with a rotating shaft chute. The invention is a high-stability double-foot stepping humanoid robot which has a reasonable structure, has a flexible knee joint, can reduce stepping friction and improve the stability of stepping motion.)
技术领域
本发明主要涉及仿人机器人领域，特指一种高稳定性双足迈步仿人机器人。
背景技术
迈步机器人因具有良好的越障能力而备受重视。现有技术中的迈步机器人虽然实现了迈步前进，但缺存在如下缺点：迈步时与地面的摩擦力太大而导致离开地面时稳定性较低，悬空过程中机械足与地面的夹角通常不发生变化，从而使得悬空过程中整个机器人的稳定性较低；悬空的机械足落地通常不是由地面的机械足转动来驱动，从而在落地时整个重心位置变化突然，降低了落地时的稳定性。因此，亟需设计一种高稳定性的迈步机器人。
发明内容
本发明需解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构合理、具有柔性膝关节、能够减小迈步摩擦力，提高迈步运动稳定性的高稳定性双足迈步仿人机器人。
为了解决上述问题，本发明提出的解决方案为：一种高稳定性双足迈步仿人机器人，包括躯体连接板，装设在所述躯体连接板上的机器人躯体，装设在所述机器人躯体上的机器人头部，转动装设在所述躯体连接板底部的复合机器腿A和复合机器腿B。
所述躯体连接板上还装设有驱动电机、齿轮绕线轮A和齿轮绕线轮B；所述驱动电机的输出轴上固定装设有不完全齿轮，不完全齿轮的啮合齿所对应的弧长为三分之一个圆周长；所述齿轮绕线轮A和齿轮绕线轮B关于所述驱动电机的输出轴左右对称，并与所述不完全齿轮分时啮合传动。
所述复合机器腿A和复合机器腿B结构相同，均包括上端采用机械髋关节与所述躯体连接板下端相连的机械大腿，上端采用柔性机械膝关节与所述机械大腿下端相连的机械小腿，采用机械踝关节与所述机械小腿下端相连的机械足；所述机械大腿上设有转轴滑槽。
所述机械髋关节包括转动装设在所述躯体连接板上的髋关节转轴A，固定装设在所述髋关节转轴A内外两侧的髋关节绕线轮A和髋关节齿轮A，与所述机械大腿上端固定相连并转动穿过所述躯体连接板的髋关节转轴B，固定装设在所述髋关节转轴B内外两侧的髋关节绕线轮B和髋关节齿轮B，髋关节牵引绳。
所述髋关节齿轮A与髋关节齿轮B外啮合传动，所述复合机器腿A中的髋关节牵引绳两端分别缠绕所述齿轮绕线轮A和髋关节绕线轮A之后再连接在一起，所述复合机器腿B中的髋关节牵引绳两端分别缠绕所述齿轮绕线轮B和髋关节绕线轮A之后再连接在一起。
所述柔性机械膝关节包括与所述机械小腿上端相连的膝关节转轴，固定装设在所述膝关节转轴上的膝关节定位柱，固定装设在所述机械大腿上的膝关节定位块和液压缸，两端分别与所述液压缸的活塞杆、所述膝关节定位柱相连的膝关节牵引绳，两端分别与所述机械小腿和机械大腿相连的膝关节扭转弹簧；所述膝关节定位块上沿所述机械大腿轴线方向开设有定位通孔，所述膝关节定位柱可以在所述膝关节牵引绳作用下滑进或滑出所述定位通孔；所述膝关节转轴滑动转动装设于所述转轴滑槽中。
所述机械踝关节包括转动装设在所述机械小腿上的踝关节转轴A，固定装设在所述踝关节转轴A内外两侧的踝关节绕线轮和踝关节齿轮A，与所述机械足固定相连并转动穿过所述机械小腿的踝关节转轴B，固定装设在所述踝关节转轴B的外侧且与所述踝关节齿轮A相啮合的踝关节齿轮B，沿同一水平高度固定装设在所述机械小腿上的两根导向轮支架，转动在所述导向轮支架上的导向绕线轮，中部缠绕于所述髋关节绕线轮B上的踝关节牵引绳A，中部缠绕于所述踝关节绕线轮上的踝关节牵引绳B。
还包括踝关节伸缩弹簧A和踝关节伸缩弹簧B；所述导向轮支架位于所述膝关节转轴和踝关节转轴A之间；所述踝关节牵引绳A的一端绕过一个所述导向绕线轮并与所述踝关节伸缩弹簧A的上端相连，所述踝关节牵引绳A的另一端绕过另一个所述导向绕线轮并与所述踝关节伸缩弹簧B的上端相连；所述踝关节伸缩弹簧A的下端与所述踝关节牵引绳B的一端相连，所述踝关节伸缩弹簧B的下端与所述踝关节牵引绳B的另一端相连。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明的一种高稳定性双足迈步仿人机器人设有柔性机械膝关节，从而使得机械大腿向前迈步时，机械小腿始终处于铅垂状态，从而减小了迈步时机械足与地面的摩擦力；膝关节牵引绳收紧时使得机械小腿与机械大腿共线，从而使得准备落地的机械足由倾斜于地面转变为平行于地面，进而增加了落地时的运动稳定性；驱动迈步的机械足落地的另一个机械足在运动过程中逐渐由全部接触地面状态转变为脚后跟离地、脚尖接触地面状态，从而使得机器人躯体的重心慢慢向前移动至两个复合机械腿中间，从而提高了迈步后落地过程中的运动稳定性。由此可知，本发明是一种结构合理、具有柔性膝关节、能够减小迈步摩擦力，提高迈步运动稳定性的高稳定性双足迈步仿人机器人。
附图说明
图1是本发明的一种高稳定性双足迈步仿人机器人的结构原理示意图。
图2是本发明中柔性机械膝关节的结构原理示意图。
图3是本发明中踝关节牵引绳A与踝关节牵引绳B的连接示意图。
图中，10—机器人头部；11—机器人躯体；12—躯体连接板；13—复合机器腿A；14—复合机器腿B；15—驱动电机；16—不完全齿轮；17—齿轮绕线轮A；18—齿轮绕线轮B；21—机械大腿；210—转轴滑槽；22—机械小腿；23—机械足；31—髋关节转轴A；32—髋关节绕线轮A；33—髋关节齿轮A；34—髋关节转轴B；35—髋关节齿轮B；36—髋关节绕线轮B；37—髋关节牵引绳；41—膝关节转轴；42—膝关节定位柱；43—膝关节定位块；431—定位通孔；44—膝关节牵引绳；45—液压缸；46—膝关节扭转弹簧；51—踝关节转轴A；52—踝关节齿轮A；53—踝关节绕线轮；54—踝关节转轴B；55—踝关节齿轮B；56—导向轮支架；57—导向绕线轮；58—踝关节牵引绳A；59—踝关节牵引绳B；61—踝关节伸缩弹簧A；62—踝关节伸缩弹簧B。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明的一种高稳定性双足迈步仿人机器人，它包括躯体连接板12，装设在躯体连接板12上的机器人躯体11，装设在机器人躯体11上的机器人头部10，转动装设在躯体连接板12底部的复合机器腿A13和复合机器腿B14。
躯体连接板12上还装设有驱动电机15、齿轮绕线轮A17和齿轮绕线轮B18；在驱动电机15的输出轴上固定装设有不完全齿轮16，不完全齿轮16的啮合齿所对应的弧长为三分之一个圆周长；齿轮绕线轮A17和齿轮绕线轮B18关于驱动电机15的输出轴左右对称，并与不完全齿轮16分时啮合传动。齿轮绕线轮A17和齿轮绕线轮B18结构相同，均由同轴装设的齿轮和绕线滑轮组成，其中的齿轮与不完全齿轮16啮合传动。不完全齿轮16顺时针方向转动时，依次带动齿轮绕线轮A17和齿轮绕线轮B18逆时针方向转动；不完全齿轮16逆时针方向转动时，依次带动齿轮绕线轮A17和齿轮绕线轮B18顺时针方向转动。
复合机器腿A13和复合机器腿B14结构相同，均包括上端采用机械髋关节与躯体连接板12下端相连的机械大腿21，上端采用柔性机械膝关节与机械大腿21下端相连的机械小腿22，采用机械踝关节与机械小腿22下端相连的机械足23；机械大腿21上设有转轴滑槽210。
机械髋关节包括转动装设在躯体连接板12上的髋关节转轴A31，固定装设在髋关节转轴A31内外两侧的髋关节绕线轮A32和髋关节齿轮A33，与机械大腿21上端固定相连并转动穿过躯体连接板12的髋关节转轴B34，固定装设在髋关节转轴B34内外两侧的髋关节绕线轮B36和髋关节齿轮B35，髋关节牵引绳37。
髋关节齿轮A33与髋关节齿轮B35外啮合传动，复合机器腿A13中的髋关节牵引绳37两端分别缠绕齿轮绕线轮A17和髋关节绕线轮A32之后再连接在一起，复合机器腿B14中的髋关节牵引绳37两端分别缠绕齿轮绕线轮B18和髋关节绕线轮A32之后再连接在一起。髋关节牵引绳37使得齿轮绕线轮A17或齿轮绕线轮B18正、反向转动均可驱动髋关节绕线轮A32正、反向转动。
参见图1和图2，柔性机械膝关节包括与机械小腿22上端相连的膝关节转轴41，固定装设在膝关节转轴41上的膝关节定位柱42，固定装设在机械大腿21上的膝关节定位块43和液压缸45，两端分别与液压缸45的活塞杆、膝关节定位柱42相连的膝关节牵引绳44，两端分别与机械小腿22和机械大腿21相连的膝关节扭转弹簧46；膝关节定位块43上沿机械大腿21轴线方向开设有定位通孔431，膝关节定位柱42可以在膝关节牵引绳44作用下滑进或滑出定位通孔431；膝关节转轴41滑动转动装设于转轴滑槽210中。
机械踝关节包括转动装设在机械小腿22上的踝关节转轴A51，分别固定装设在踝关节转轴A51内外两侧的踝关节绕线轮53和踝关节齿轮A52，与机械足23固定相连并转动穿过机械小腿22的踝关节转轴B54，固定装设在踝关节转轴B54的外侧且与踝关节齿轮A52相啮合的踝关节齿轮B55，沿同一水平高度固定装设在机械小腿22上的两根导向轮支架56，转动在导向轮支架56上的导向绕线轮57，中部缠绕于髋关节绕线轮B36上的踝关节牵引绳A58，中部缠绕于踝关节绕线轮53上的踝关节牵引绳B59。踝关节牵引绳A58在髋关节绕线轮B36上至少缠绕两圈，以增加髋关节绕线轮B36与踝关节牵引绳A58之间的摩擦力；踝关节牵引绳B59在踝关节绕线轮53上至少缠绕两圈，以增加踝关节绕线轮53与踝关节牵引绳B59之间的摩擦力。
参见图1和图3，本发明还设置有踝关节伸缩弹簧A61和踝关节伸缩弹簧B62；导向轮支架56位于膝关节转轴41和踝关节转轴A51之间；踝关节牵引绳A58的一端绕过一个导向绕线轮57并与踝关节伸缩弹簧A61的上端相连，踝关节牵引绳A58的另一端绕过另一个导向绕线轮57并与踝关节伸缩弹簧B62的上端相连；踝关节伸缩弹簧A61的下端与踝关节牵引绳B59的一端相连，踝关节伸缩弹簧B62的下端与踝关节牵引绳B59的另一端相连。踝关节伸缩弹簧A61和踝关节伸缩弹簧B62的刚度相等，初始长度相同，因此当膝关节转轴41远离膝关节定位块43时，踝关节伸缩弹簧A61和踝关节伸缩弹簧B62可以同时伸长而不会导致踝关节牵引绳A58驱动踝关节绕线轮53转动；当膝关节转轴41逐渐靠近膝关节定位块43时，踝关节伸缩弹簧A61和踝关节伸缩弹簧B62可以同时缩短以适应髋关节绕线轮B36与踝关节绕线轮53之间的距离；踝关节伸缩弹簧A61和踝关节伸缩弹簧B62在工作过程中始终处于受拉伸状态。
本发明中的迈步动作过程如下：不妨假设复合机器腿A13和复合机械腿B14同时处于铅垂直立状态。
第一步：复合机器腿A13向前迈步离开地面。复合机器腿A13中的液压缸45中的活塞杆向外伸出释放膝关节牵引绳44，膝关节定位柱42处于向外滑出定位通孔431的运动趋势，即复合机器腿A13中的膝关节转轴41具有沿转轴滑槽210向下滑动趋势。
驱动电机15逆时针方向转动，带动不完全齿轮16逆时针方向转动，不完全齿轮16恰好开始与齿轮绕线轮A17啮合，且脱离与齿轮绕线轮B17啮合；不完全齿轮16逆时针方向转动，因此髋关节转轴A31、髋关节绕线轮A32和髋关节齿轮A33正向转动，进而带动髋关节齿轮B35反向转动，从而使得机械大腿21相对于机器人躯体11和躯体连接板12向前转动；在此过程中膝关节定位柱42滑出定位通孔431，从而使得机械小腿22可以相对于机械大腿21向后转动，在重力作用下机械小腿22始终保持铅垂状态。
髋关节齿轮B35反向转动，带动髋关节转轴B34和髋关节绕线轮B36同步转动，进而通过踝关节牵引绳A58、踝关节伸缩弹簧A61和踝关节牵引绳B59拉动踝关节绕线轮53反向转动；踝关节绕线轮53正向转动带动踝关节转轴A51和踝关节齿轮A52反向转动，进而啮合踝关节齿轮B55正向转动，并通过踝关节转轴B54带动机械足23相对于机械小腿22向后转动。此时机械足23倾斜于地面。
复合机器腿A13中的液压缸45中的活塞杆向里缩回收紧膝关节牵引绳44，膝关节牵引绳44拉动膝关节定位柱42运动直至其滑入定位通孔431中，从而使得机械大腿21与机械小腿22共线；由于机械大腿21相对于机器人躯体11向前转动的角度等于机械足23相对于机械小腿22向后转动的角度，从而使得机械足23平行于地面，准备落地。
第二步：复合机械腿B14驱动机器人躯体11向前转动，使得复合机器腿A13中的机械足23落地。驱动电机15继续逆时针方向转动，不完全齿轮16脱离与齿轮绕线轮A17的啮合，并开始与齿轮绕线轮B18啮合；不完全齿轮16逆时针方向转动，按照类似的原理带动复合机械腿B14中的机械大腿21相对于躯体连接板12向后转动，同时使得复合机械腿B14中的机械足23相对于机械小腿22向后转动。由于机械小腿22与机械大腿21共线，因此复合机械腿B14中的机械足23与地面的接触情况为由全部接触地面转变为脚尖接触地面，脚后跟离开地面，直至复合机器腿A13中的机械足23接触地面，从而实现复合机器腿A13迈步后的落地。
第三步：复合机器腿B14向前迈步离开地面。复合机器腿B14中的液压缸45中的活塞杆向外伸出释放膝关节牵引绳44，复合机器腿B14中的膝关节定位柱42处于向外滑出定位通孔431的运动趋势，即膝关节转轴41具有沿转轴滑槽210向下滑动趋势。
驱动电机15瞬时针方向转动，不完全齿轮16反向转动并带动相啮合的齿轮绕线轮B18反向转动。从而使得复合机器腿B14中的机械大腿21相对于躯体连接板12向前转动，同时机械足23相对于机械小腿22向后转动，整个过程中由于复合机器腿B14中的机械小腿22可以相对于机械大腿21自由转动，从而使得复合机器腿B14中的机械小腿22始终保持铅直状态，这点类似于前文中复合机器腿A13向前迈步的动作。
复合机器腿B14中的液压缸45中的活塞杆向里收紧释放的膝关节牵引绳44，复合机器腿B14中的机械小腿22在膝关节牵引绳44的作用下与机械大腿21共线，此时复合机器腿B14中的机械足23平行于地面，迈步后准备落地。
第四步：复合机械腿A13驱动机器人躯体11向前转动，从而使得复合机器腿B14中的机械足23落地。驱动电机15继续瞬时针方向转动，不完全齿轮16顺时针方向转动开始与齿轮绕线轮A17啮合传动。因此复合机器腿A13中的髋关节转轴A31、髋关节绕线轮A32与髋关节齿轮A33反向转动，进而带动髋关节齿轮B35正向转动，复合机器腿A13中的机械大腿21相对于机器人躯体11和躯体连接板12向后转动；复合机器腿A13中的机械小腿22与自己的机械大腿21共线，因此机械足23有全面接触地面逐渐变为脚后跟离地，脚尖接触地面，直至复合机器腿B14中的机械足23接触地面。从而完成一次完整的迈步过程。
不断重复上述动作，即可实现迈步前进。本发明的机器人在机械足23准备接触地面时平行于地面，从而使得机器人躯体11和躯体连接板12始终处于铅垂状态，而且迈步过程中，整个机器人躯体的重心沿前进方向始终位于复合机械腿A13和复合机器腿B14之间，从而增加了运动过程中的稳定性。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应该属于本发明的保护范围之内。
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