一種兩足步行的三角形機器人的製作方法

2023-05-21 21:34:56

專利名稱：一種兩足步行的三角形機器人的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種兩足步行機器人，具體涉及一種兩足步行的三角形機器人。
背景技術：
在兩足步行機器人領域，日本本田公司製造的"阿西莫"代表了兩足步行
仿人機器人的最高技術成就，它可以完成8字形行走、上下臺階、彎腰等各項 "複雜"動作，但該機器人功耗大，對控制的軟硬體各方面要求都很高。美國、 加拿大等多所世界著名大學針對兩足步行機器人功耗大的問題進行了研究，加 拿大西蒙莎菲大學的TadMcGeer提出利用機器人自身重力和慣性作為動力實現 被動動力步行的設想，並且通過實驗樣機Dynamite驗證了該想法，美國的麻省 理工大學在McGeerde的被動動力步行思想的基礎上，在機器人的局部關節上增 加了動力，實現了平地行走。中國對兩足步行機器人進行的研究，如哈爾濱工 業大學的四型仿人雙足步行機器人，全身有52個自由度，在運動速度和平衡性 方面優於靜態行走機器人，已接近動態行走，但控制相當複雜。中國專利 CN1819901A公開了雙足步行機器人的下半身模塊，兩條腿分別採用並聯機構， 構成並聯機構的各個直線運動連杆是該機器人的驅動系統，這種結構使各個杆 件有效的分擔了機器人的負載，但是它零件多，控制複雜。現有的兩足步行機 器人一般是仿人型的機器人，具有串聯的腿部結構，自由度多，帶載能力有限， 採用旋轉關節上附加動力的驅動方式，對控制精度要求高。 發明內容
本實用新型要解決的技術問題兩足步行機器人一般採用仿人型的機械結構，機器人本體的零部件多，結構、控制複雜，成本高，機器人的腿部一般採 用串聯結構，在旋轉關節上附加動力進行驅動，當機器人本體較重，或者負載 較大的時候，對關節處的旋轉動力要求比較高，而且連杆對旋轉關節的角度誤 差具有放大效應，不利於機器人控制精度的提高。 本實用新型的技術方案
一種兩足步行的三角形機器人，該機器人包括構成三角形三邊的六個杆件， 左腿足外杆，右腿足外杆，左腿足內杆，右腿足內杆，橫杆外杆，橫杆內杆，
其中左腿足外杆和左腿足內杆構成移動副作為三角形的一條側邊；右腿足外杆 和右腿足內杆構成移動副作為三角形的另一條側邊；左腿足外杆的橫杆、橫杆 外杆和橫杆內杆構成移動副作為三角形的底邊。
第一連接件形式上看作三角形頂角的頂點，第一連接件上的縱向孔與左腿 足內杆的頂端橫杆上的縱向孔利用圓柱銷以轉動副的形式連接，該轉動副的軸 線在三角形平面內，並且垂直於左腿足外杆的橫杆；第一連接件上的橫向孔與 右腿足內杆末端上的孔利用圓柱銷以轉動副的形式連接，該轉動副的軸線垂直 於三角形平面。
第二連接件上的縱向孔與左腿足外杆的橫杆上的孔以轉動副的形式連接， 轉動副的軸線在三角形平面內，並且垂直於左腿足外杆的橫杆，該轉動副上安 裝電機作為驅動，第二連接件上的橫向孔與橫杆外杆一端部的孔利用圓柱銷以 轉動副的形式連接，該轉動副的軸線垂直於三角形平面。
橫杆內杆與右腿足外杆上的孔以轉動副的形式連接，該轉動副的軸線垂直 於三角形平面，轉動副的中心形式上是三角形一個底角的頂點。
所述的左腿足外杆由左杆、橫杆、U形杆固定連結而成，其中U形杆所在 平面是機器人的腳掌平面，左杆與U形杆的側邊垂直，左杆的一端固定在該側邊上，橫杆與左杆固定連接，橫杆平行於U形杆的底邊，橫杆與左杆所成角度 為e，P是銳角、直角或鈍角。
所述的右腿足外杆由右杆、U形杆固定連結而成，其中U形杆所在平面是 機器人的腳掌平面，右杆與U形杆的側邊垂直，右杆的一端固定在該側邊上，
右杆上加工出一個通孔，孔的軸線平行於腳掌平面且垂直於u形杆底邊。
所述的左腿足內杆由頂端橫杆和左腿內杆固定連接而成，頂端橫杆和左腿
內杆的一端以180-P的角度固定連接在一起，在頂端橫杆的另一端，在左腿足 內杆平面內且垂直於頂端橫杆的方向上加工出一個通孔。
所述的左腿足外杆、右腿足外杆的腳掌的形狀為U形、S形、V形或C形。
本實用新型的有益效果本實用新型所述的兩足步行的三角形機器人避免
了仿人形機器人的腿部串聯結構設計，機器人本體從整體上看是一個三角形， 採用了完全閉鏈的機械結構，增加了機器人整體的剛度，當機器人承受負載時， 各個杆件共同分擔負載，使機器人各構件的受力分布更均勻，提高機器人本體 的負載能力，採用控制杆件長度實現機器人的步行與轉彎，有效地減小了杆件 長度對轉角驅動誤差的放大效應，提高機器人控制精度，構件少，結構、控制 簡單。

圖1兩足步行的三角形機器人的整體三維圖(銳角三角形，U形腳)
圖2兩足步行的三角形機器人的整體三維圖(鈍角三角形，C形、S形腳)
圖3兩足步行的三角形機器人的整體三維圖(直角三角形，V形腳)
圖4第一連接件的三維圖
圖5第二連接件的三維圖
圖6胡克鉸的其他形式圖7電機的安裝圖
圖7A、圖7B、圖7C、圖7D、圖7E是兩足步行的三角形機器人的直行步態 的分解圖
圖7A直行步態的起始位姿 圖7B直行步態的右腿足外杆的抬起動作 圖7C直行步態的右腿足外杆的落地動作 圖7D直行步態的左腿足外杆的抬起動作 圖7E直行步態的左腿足外杆的落地動作
圖8A、圖8B、圖8C、圖8D、圖8E、圖8F、圖8G是兩足步行的三角形機 器人的轉彎步態的分解圖 圖8A轉彎步態的起始位姿 圖8B轉彎步態的右腿足外杆的抬起動作 圖8C轉彎步態的右腿足外杆抬起的轉彎動作 圖8D轉彎步態的右腿足外杆的落地動作 圖8E轉彎步態的左腿足外杆的抬起動作 圖8F轉彎步態的左腿足外杆抬起的轉彎動作 圖8G轉彎步態的左腿足外杆的落地動作
圖中左腿足外杆l、右腿足外杆2、左腿足內杆3、右腿足內杆4、橫杆外 杆5、橫杆內杆6、第一連接件7a、第二連接件7b、圓柱銷8a、圓柱銷8b、圓 柱銷8c、圓柱銷8d、開口銷9a、開口銷9b、開口銷9c、開口銷9d、電機10、 橫杆la、右杆2a、左杆lb、頂端橫杆3a、左腿內杆3b。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型做進一步詳細說明。一種兩足步行的三角形機器人，該機器人包括構成三角形三邊的六個杆件，
左腿足外杆l，右腿足外杆2，左腿足內杆3，右腿足內杆4，橫杆外杆5，橫杆 內杆6，其中左腿足外杆1和左腿足內杆3構成移動副作為三角形的一條側邊； 右腿足外杆2和右腿足內杆4構成移動副作為三角形的另一條側邊；左腿足外 杆1的橫杆la、橫杆外杆5和橫杆內杆6構成移動副作為三角形的底邊。
第一連接件7a形式上看作三角形頂角的頂點，第一連接件7a上的縱向孔i 與左腿足內杆3的頂端橫杆3a上的縱向孔利用圓柱銷8a以轉動副的形式連接， 該轉動副的軸線在三角形平面內，並且垂直於左腿足外杆1的橫杆la;第一連 接件7a上的橫向孔j與右腿足內杆4末端上的孔利用圓柱銷8b以轉動副的形式 連接，該轉動副的軸線垂直於三角形平面。第一連接件7a與左腿足內杆3的頂 端橫杆3a和右腿足內杆4的連接形式可以為胡克鉸的形式，見圖6。
第二連接件7b上的縱向孔g與左腿足外杆1的橫杆la上的孔以轉動副的 形式連接，轉動副的軸線在三角形平面內，並且垂直於左腿足外杆1的橫杆la， 該轉動副上安裝電機10作為驅動，見圖7，第二連接件7b上的橫向孔h與橫杆 外杆5 —端部的孔利用圓柱銷8c以轉動副的形式連接，該轉動副的軸線垂直於 三角形平面。第二連接件7b與左腿足外杆1的橫杆la和橫杆外杆5的連接形 式可以為胡克鉸的形式，見圖6。
橫杆內杆6與右腿足外杆2上的孔以轉動副的形式連接，該轉動副的軸線 垂直於三角形平面，轉動副的中心形式上是三角形一個底角的頂點。
所述的左腿足外杆l由左杆lb、橫杆la、 U形杆固定連結而成，其中U形 杆所在平面是機器人的腳掌平面，左杆1 b與U形杆的側邊垂直，左杆1b的一 端固定在該側邊上，橫杆la與左杆1 b固定連接，橫杆la平行於U形杆的底邊， 橫杆la與左杆lb所成角度為P， P是銳角，見圖l， P是直角，見圖3， e是鈍角，見圖2。
所述的右腿足外杆2由右杆2a、 U形杆固定連結而成，其中U形杆所在平 面是機器人的腳掌平面，右杆2a與U形杆的側邊垂直，右杆2a的一端固定在 該側邊上，右杆2a上加工出一個通孔，孔的軸線平行於腳掌平面且垂直於U形 杆底邊。
所述的左腿足內杆3由頂端橫杆3a和左腿內杆3b固定連接而成，頂端橫 杆3a和左腿內杆3b的一端以180-e的角度固定連接在一起，在頂端橫杆3a的 另一端，在左腿足內杆3平面內且垂直於頂端橫杆3a的方向上加工出一個通孔。 所述的左腿足外杆l、右腿足外杆2的腳掌的形狀為U形，見圖l，為S形 和C形見圖2，為V形見圖3。
第一連接件7a與第二連接件7b的結構完全相同，如附圖4、 5所示，都是 一個L型的金屬塊，在第一連接件7a的"L"的豎杆中心處垂直於"L"平面 的方向上設計一個通孔j;在第二連接件7b的"L"的豎杆中心處垂直於"L" 平面的方向上設計一個通孔h;在第一連接件7a的"L"的橫杆末端處，"L" 平面內且垂直於橫杆的方向上加工一個通孔i，在第二連接件7b的"L"的橫 杆末端處，"L"平面內且垂直於橫杆的方向上加工一個通孔g。
圓柱銷8a、 8b、 8c、 8d的結構和尺寸完全相同。
具體的使用方法兩足步行的三角形機器人可以實現直行步態。首先兩足步 行的三角形機器人處於如附圖7A所示的直行步態的起始位姿，兩足都與地面接 觸；當要直行的時候，以左腿足外杆1為支撐足，協調伸長三角形的三邊，實 現如附圖7B所示的右腿足外杆2的抬腿動作，以及如附圖7C所示的右腿足外 杆2的落地動作；當右腿足外杆2的腳掌落地後，協調縮短三角形的三邊，實 現如附圖7D所示的左腿足外杆1的抬起動作，以及如附圖7E所示的左腿足外杆1的落地動作。這樣就實現了機器人的一個完整直行步態，圖7A、圖7B、圖 7C、圖7D、圖7E是兩足步行的三角形機器人的直行步態的分解圖。
兩足步行的三角形機器人也可以實現轉彎步態。首先兩足步行的三角形機器 人處於如附圖8A所示的起始位姿，兩足都與地面接觸；當要轉彎的時候，以左 腿足外杆1為支撐足，協調伸長三角形的三邊，抬起腿足外杆2，當如附圖8B 所示左腿足外杆1上的豎直孔與左腿足內杆3上的豎直孔共軸時，停止三角形 三邊的長度變化，起動電機IO，右腿足外杆2、右腿足內杆4、橫杆外杆5、橫 杆內杆6、第一連接件7a、第二連接件7b作為一個整體繞著公共的軸旋動到如 附圖8C所示的合適位置的時候，停止電機IO，然後繼續三角形三邊長度的變化， 使右腿足外杆2實現如附圖8D所示的落地動作，然後再以右腿足外杆2作為支 撐足，縮短三角形三邊長度，抬起腿足外杆l，當達到如附圖8E所示的左腿足 外杆1上的豎直孔與左腿足內杆3上的豎直孔再次共軸的時候，停止三角形三 邊長度的變化，起動電機10，可以使左腿足外杆1和左腿足內杆3作為一個整 體繞著公共軸轉動，當反向轉動相同的角度，實現如附圖8F所示的左腿足外杆 1和右腿足外杆2共面構成一個三角形，停止電機10，繼續三角形三邊長度的 變化，使左腿足外杆1實現如附圖8G所示的落地動作，此時的三角形平面與原 來的三角形平面已經有一定的角度了，循環幾次，機器人就實現了大幅度的轉 彎步態。圖8A、圖8B、圖8C、圖8D、圖8E、圖8F、圖8G是兩足步行的三 角形機器人的轉彎步態的分解圖。
權利要求1.一種兩足步行的三角形機器人，其特徵在於該機器人包括構成三角形三邊的六個杆件，左腿足外杆(1)，右腿足外杆(2)，左腿足內杆(3)，右腿足內杆(4)，橫杆外杆(5)，橫杆內杆(6)，其中左腿足外杆(1)和左腿足內杆(3)構成移動副作為三角形的一條側邊；右腿足外杆(2)和右腿足內杆(4)構成移動副作為三角形的另一條側邊；左腿足外杆(1)的橫杆(1a)、橫杆外杆(5)和橫杆內杆(6)構成移動副作為三角形的底邊；第一連接件(7a)形式上看作三角形頂角的頂點，第一連接件(7a)上的縱向孔(i)與左腿足內杆(3)的頂端橫杆(3a)上的縱向孔利用圓柱銷(8a)以轉動副的形式連接，該轉動副的軸線在三角形平面內，並且垂直於左腿足外杆(1)的橫杆(1a)；第一連接件(7a)上的橫向孔(j)與右腿足內杆(4)末端上的孔利用圓柱銷(8b)以轉動副的形式連接，該轉動副的軸線垂直於三角形平面；第二連接件(7b)上的縱向孔(g)與左腿足外杆(1)的橫杆(1a)上的孔以轉動副的形式連接，轉動副的軸線在三角形平面內，並且垂直於左腿足外杆(1)的橫杆(1a)，該轉動副上安裝電機(10)作為驅動，第二連接件(7b)上的橫向孔(h)與橫杆外杆(5)一端部的孔利用圓柱銷(8c)以轉動副的形式連接，該轉動副的軸線垂直於三角形平面；橫杆內杆(6)與右腿足外杆(2)上的孔以轉動副的形式連接，該轉動副的軸線垂直於三角形平面，轉動副的中心形式上是三角形一個底角的頂點。
2.如權利要求1所述的兩足步行的三角形機器人，其特徵在於所述的左 腿足外杆(1)由左杆(lb)、橫杆(la)、 U形杆固定連結而成，其中U形杆所 在平面是機器人的腳掌平面，左杆(lb)與U形杆的側邊垂直，左杆(lb) 的一端固定在該側邊上，橫杆(la)與左杆(lb)固定連接，橫杆(la)平行於U形杆的底邊，橫杆(la)與左杆(lb)所成角度為3， P是銳角、直角或 鈍角。
3. 如權利要求1所述的兩足步行的三角形機器人，其特徵在於所述的右腿足外杆(2)由右杆(2a)、 U形杆固定連結而成，其中U形杆所在平面是機 器人的腳掌平面，右杆(2a)與U形杆的側邊垂直，右杆(2a)的一端固定在 該側邊上，右杆(2a)上加工出一個通孔，孔的軸線平行於腳掌平面且垂直於U 形杆底邊。
4. 如權利要求1所述的兩足步行的三角形機器人，其特徵在於所述的左 腿足內杆(3)由頂端橫杆(3a)和左腿內杆(3b)固定連接而成，頂端橫杆(3a) 和左腿內杆(3b)的一端以180-e的角度固定連接在一起，在頂端橫杆(3a) 的另一端，在左腿足內杆(3)平面內且垂直於頂端橫杆(3a)的方向上加工出一個通孔。
5. 如權利要求2所述的兩足步行的三角形機器人，其特徵在於所述的左腿足外杆(1)、右腿足外杆(2)的腳掌的形狀為U形、S形、V形或C形。
專利摘要一種兩足步行的三角形機器人，包括構成三角形三邊的六個杆件及連接，其中左腿足外杆(1)和左腿足內杆(3)構成移動副作為三角形的一條側邊，右腿足外杆(2)和右腿足內杆(4)構成移動副作為三角形的另一條側邊，左腿足外杆(1)的橫杆(1a)、橫杆外杆(5)和橫杆內杆(6)構成移動副作為三角形的底邊。協調三邊長度，使左腿足外杆(1)和右腿足外杆(2)抬起、前伸、落地，實現直行，當左腿足外杆(1)上的豎直孔與左腿足內杆(3)上的豎直孔共軸時，停止邊長變化，起動電機(10)，實現轉彎。該實用新型採用閉鏈結構，增加機器人剛度，提高負載能力；採用直線驅動，避免杆件長度對轉角驅動誤差的放大效應；結構、控制簡單。
文檔編號A63H11/18GK201362306SQ20092010637
公開日2009年12月16日 申請日期2009年3月18日 優先權日2009年3月18日
發明者劉長煥, 姚燕安, 郝豔玲, 郭建娟, 黃鐵球 申請人:北京交通大學