全方位两足步行机器人,其特征在于:该机构包括下外足(1)、上外足(2)、第一曲柄(3)、第二曲柄(4)、上内足(5)、下内足(6),上内足(5)和下内足(6)以转动副形式连接,下内足(6)和第一曲柄(3)以圆柱副形式连接,第一曲柄(3)和下外足(2) 以转动副形式连接,下外足(2)和上外足(1) 以转动副形式连接,上外足(1)和第二曲柄(4) 以转动副形式连接,第二曲柄(4)和上内足(5) 以圆柱副形式连接,本发明所述机器人,安装三个电机进行驱动,通过三种运动模式实现平面内全方位移动,机构简单,内外足几何对称,行走时稳定性高,转向灵活简便,翻过来的状态下依然可以实现行走,并具有一定的越障能力。
1.全方位两足步行机器人,其特征在于:该机构包括下外足(1)、上外足(2)、第一曲柄(3)、第二曲柄(4)、上内足(5)、下内足(6),下外足(1)和上外足(2)结构相同,第一曲柄(3)和第二曲柄(4)结构相同,上内足(5)和下内足(6)结构相同,上外足(1)和下外足(2)一起称为外足,上内足(5)和下内足(6)一起称为内足,上内足(5)和下内足(6)以转动副形式连接,下外足(2)的轴孔和第一曲柄(3)在第一曲柄前端(3a)和第一曲柄后端(3c)处以转动副形式连接,第一曲柄(3)和下内足(6)的轴孔在第一曲柄中段(3b)处以圆柱副形式连接,上外足(2)的轴孔和第二曲柄(4)在第二曲柄(4a)和第二曲柄(4c)处以转动副形式连接,第二曲柄(4)和上内足(5)的轴孔在第二曲柄中段(4b)处以圆柱副形式连接,下外足(2)和上外足(1)以转动副形式连接,下外足(1)与第一曲柄(3)之间的转动副和第一曲柄(3)与下内足(6)之间的圆柱副的旋转轴线平行,上外足(2)与第二曲柄(4)之间的转动副和第二曲柄(4)与上内足(5)之间的圆柱副的旋转轴线平行,两圆柱副的旋转轴线垂直且有一定的偏移距离,同一曲柄连接的圆柱副和转动副的旋转轴线平行,两曲柄各自连接的转动副的旋转轴线垂直并有一定的偏移距离,这个偏移距离与两圆柱副的旋转轴线偏移距离相等,内足之间的转动副和外足之间的转动副的旋转轴线平行,并且垂直于其他运动副的旋转轴线,M1电机驱动第一曲柄(3)相对于上外足(1)转动,M2电机驱动第二曲柄(4)相对于下外足(2)转动,M3电机驱动上外足(1)相对于下外足(2)转动,内足和外足的外形是多样的。
2.如权利要求1所述的全方位两足步行机器人,其特征在于:在不同的行走模式下,完成机构运动需要的电机驱动数量分别为1至3个。技术领域
本发明涉及一种机器人,具体涉及一种全方位两足步行机器人。
背景技术
步行机器人具有运动灵活、地面适应能力强的优点,故而越来越受到研究人员的关注。常规的两足步行机器人,虽然可以完成8字形行走、上下台阶等各项“复杂”动作,但机器人自由度较多,结构复杂,功耗大,对控制的软硬件各方面要求都很高。中国专利CN181990IA公开了双足步行机器人的下半身模块,两条腿分别采用并联机构,构成并联机构的各个直线运动连杆是该机器人的驱动系统,这种结构使各个杆件有效的分担了机器人的负载,但是它的零件多,控制复杂,行走时容易发生左右足失稳,转向步态复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题:两足步行机器人一般采用仿人型的机械机构,机器人本体的零部件多,对控制系统精度要求较高,成本高。本发明的技术方案:全方位两足步行机器人,该机构包括上内足、下内足、上外足、下外足、第一曲柄,第二曲柄,上内足和下内足一起称为内足,上外足和下外足一起称为外足。上内足和下内足通过转动副连接,下内足和第一曲柄通过圆柱副连接,第一曲柄和下外足通过转动副连接。下外足和上外足通过转动副连接,上外足和第二曲柄通过转动副连接,第二曲柄和上内足通过圆柱副连接。下外足与第一曲柄之间的转动副和第一曲柄与下内足之间的圆柱副的旋转轴线平行,上外足与第二曲柄之间的转动副和第二曲柄与上内足之间的圆柱副的旋转轴线平行。两圆柱副的旋转轴线垂直且有一定的偏移距离,同一曲柄连接的圆柱副和转动副的旋转轴线平行。两曲柄各自连接的转动副的旋转轴线之间垂直并有一定的偏移距离,这个偏移距离与两圆柱副的旋转轴线偏移距离相等。内足之间的转动副和外足之间的转动副的旋转轴线平行,并且垂直于其他运动副的旋转轴线。M1电机驱动第一曲柄相对于上外足转动。M2电机驱动第二曲柄相对于下外足转动。M3电机驱动上外足相对于下外足转动。本发明的有益效果:本发明所述的全方位两足步行机器人,通过三个电机分别对机构进行驱动和控制实现机构的运动,内足和外足依次抬起和着地实现步行步态,并可平面内全方位移动。该机构结构简单,内外足几何对称,行走时稳定性高,转向灵活简便,而且由于机构结构在竖直方向上的对称性,全方位两足步行机器人在翻过来的状态下依然可以实现行走,并具有一定的越障能力。该机构对驱动电机的加速性能依赖性较低,对电机的性能要求较低,成本低廉,易于制造和工程实现。可用于制作玩具、教学教具,也可用于制作军用探测机器人。
附图说明
图1全方位两足步行机器人的整体三维图图2全方位两足步行机器人第一曲柄和第二曲柄的三维图图3xa0M3电机调整两曲柄间的夹角示意图图4a、图4b、图4c、图4d、图4e、图4f、图4g、图4h是M3电机锁止,M1电机或者M2电机驱动全方位两足步行机器人行走(即行走模式I)的分解图图5全方位两足步行机器人在行走模式II下的奇异位型位置图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f、图6g、图6h是全方位两足步行机器人在行走模式II下的奇异位型位置行走的分解图图7a、图7b、图7c、图7d、图7e、图7f、图7g、图7h是电机M3和M1(或M2)驱动全方位两足步行机器人在行走模式III下行走的分解图图中:下外足1、上外足2、第一曲柄3、第二曲柄4、上内足5、下内足6。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。本发明的实施方式:全方位两足步行机器人如图1所示,由圆柱体外足和长方体内足通过曲柄连接组成。如图1所示的全方位两足步行机器人,其特征在于:该机构包括下外足(1)、上外足(2)、第一曲柄(3)、第二曲柄(4)、上内足(5)、下内足(6),下外足(1)和上外足(2)结构相同,第一曲柄(3)和第二曲柄(4)结构相同,上内足(5)和下内足(6)结构相同,上外足(1)和下外足(2)一起称为外足,上内足(5)和下内足(6)一起称为内足,如图1、图2所示,上内足(5)和下内足(6)以转动副形式连接,下外足(2)的轴孔和第一曲柄(3)在第一曲柄前端(3a)和第一曲柄后端(3c)处以转动副形式连接,第一曲柄(3)和下内足(6)的轴孔在第一曲柄中段(3b)处以圆柱副形式连接,上外足(2)的轴孔和第二曲柄(4)在第二曲柄(4a)和第二曲柄(4c)处以转动副形式连接,第二曲柄(4)和上内足(5)的轴孔在第二曲柄中段(4b)处以圆柱副形式连接,下外足(2)和上外足(1)以转动副形式连接,下外足(1)与第一曲柄(3)之间的转动副和第一曲柄(3)与下内足(6)之间的圆柱副的旋转轴线平行,上外足(2)与第二曲柄(4)之间的转动副和第二曲柄(4)与上内足(5)之间的圆柱副的旋转轴线平行,两圆柱副的旋转轴线垂直且有一定的偏移距离,同一曲柄连接的圆柱副和转动副的旋转轴线平行,两曲柄各自连接的转动副的旋转轴线垂直并有一定的偏移距离,这个偏移距离与两圆柱副的旋转轴线偏移距离相等,内足之间的转动副和外足之间的转动副的旋转轴线平行,并且垂直于其他运动副的旋转轴线,M1电机驱动第一曲柄(3)相对于上外足(1)转动,M2电机驱动第二曲柄(4)相对于下外足(2)转动,M3电机驱动上外足(1)相对于下外足(2)转动。具体的使用方法:假设两曲柄转到最高位置时输入角为α₁=0°,α₂=0°,假设两曲柄间夹角为θ行走模式I:角θ为不等于90°的固定值时,那么机构自由度数将为1。只需要一个电机(M1或者M2)就可以驱动全方位两足步行机器人以固定的步长沿直线运动。这条直线的方向是两个曲柄的角平分线方向。如图3所示,当输入角α₁和α₂等于0°或者180°时,也就是两个电机(M1和M2)旋转到0°或者180°位置时,内外足的几何中心将在同一条竖直线上。这时锁止两个电机(M1和M2),全方位两足步行机器人停止运动。然后,电机M3工作调整两个曲柄间的夹角θ,从而调整全方位两足步行机器人的行走方向。接下来,锁止电机M3,电机M1或者M2驱动全方位两足步行机器人沿新调整的方向行走。如图4所示,电机M3锁止,电机(M1或者M2)驱动全方位两足步行机器人沿设定的方向行走。图4a表示全方位两足步行机器人处于的初始位置(外足着地内足抬起在最高点位置),电机M1或者M2产生一个力矩使内足落下(图4b)着地(图4c),之后,内足作为固定杆,同样的力矩带动外足抬起(图4d)到最高点(图4e)再落下(图4f)着地(图4g),外足不动作为固定杆,内足抬起至最高点。行走模式II:当角θ等于90°且角α₁和α₂都等于0°或者180°时,机构的自由度是2,此时,处于奇异位型位置,需要两个电机驱动机构运动。当θ等于90°且角α₁和α₂都不等于0°或者180°时,机构的自由度是1,仅需要一个电机驱动机构运动。如图5所示为全方位两足步行机器人在行走模式II下的两个奇异位型位置,其中:图5a为角α₁和α₂都等于0°的位置,图5b为角α₁和α₂都等于180°的位置。如图6所示为一个周期内的行走步态。图6a表示全方位两足步行机器人处于的初始位置(外足着地内足抬起在最高点位置),也就是奇异位型位置,在该位置,两个电机必须同时工作来确定内足的移动方向。然后,内足落下(图6c)着地。同理,内足着地后,外足抬起(图6d)至最高点(图6d)后落下(图6f)着地。行走模式III:全方位两足步行机器人在角θ不等于90°,M3电机不锁止时,自由度是2。需要用两个电机M3和M1(或者M2)同时驱动全方位两足步行机器人行走。通过对这两个电机的控制可以实现变步长变方向的行走。如图7所示,图7a、图7b、图7c、图7d、图7e、图7f、图7g、图7h是电机M3和M1(或M2)驱动全方位两足步行机器人在行走模式III下行走的分解图。