CN111301549B - 一种双足机器人结构及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开种双足机器人结构，包括：髋部、上支杆、下支杆、第一动力机构、第二动力机构、第三动力机构，本发明还提供了一种双足机器人结构的控制方法，所述的控制方法包括：控制所述第一动力机构及第三动力机构运转，进行被动行走；当行走的正方向遇到障碍物时，控制所述第二动力机构运转，使得所述下支杆摆动轴的角度发生偏转。所述第二动力机构可驱动所述第三动力机构在所述上支杆的下端自转，从而改变所述下支杆摆动轴的角度，使得所述下支杆向左前方或者右前方摆动，从而下支杆从障碍物的侧面绕过所述障碍物，避免下支杆正前方有障碍物对机器人的提膝动作造成干涉。

Description

一种双足机器人结构及其控制方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种双足机器人结构及其控制方法。

背景技术

双足机器人技术推动科技发展，能在复杂环境中完成行走任务，有着重要的研究意义，双足机器人目前采用被动行走，被动行走是研究双足(两条腿) 步行系统的一种方法，这个系统包括人类或其他双足动物。

被动行走过程中为了减少机器人的足部与地面的摩擦时间,通常在机器人的下支杆与上支杆的连接处设置了屈膝机构，实现机器人的膝盖弯曲（例如：提膝动作），从而减小少被动行走过程中机器人的足部与地面的摩擦时间。

但是机器人行走过程中，机器人的下支杆正前方有障碍物（例如：石块）时，机器人进行提膝动作容易使得下支杆的下端与障碍物发生快速碰撞，从而对机器人的提膝动作造成干涉。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种双足机器人结构，解决现有技术中机器人的下支杆正前方有障碍物对机器人的提膝动作造成干涉的技术问题。

为达到上述技术目的，本发明的技术方案提供一种双足机器人结构，包括：髋部、上支杆、下支杆、第一动力机构、第二动力机构、第三动力机构，所述上支杆为两个，所述第一动力机构为两个，两个所述第一动力机构分别安装于所述髋部的两侧，两个所述第一动力机构一一对应与两个所述上支杆驱动连接，且每个所述第一动力机构均可单独驱动一个所述上支杆相对所述髋部前后摆动；所述第二动力机构为两个，两个所述第二动力机构一一对应安装于两个所述上支杆的下端；所述第三动力机构为两个，两个所述第三动力机构一一对应安装于两个所述第二动力机构的下端，且每个所述第二动力机构均可单独驱动一个所述第三动力机构在所述上支杆的下端自转，并且所述第二动力机构驱动所述第三动力机构自转的轴线与所述上支杆的长边平行；所述下支杆为两个，两个所述下支杆一一对应安装于两个所述第三动力机构的下端，且每个所述第三动力机构均可单独驱动一个所述下支杆相对所述上支杆摆动，所述下支杆摆动的轴线与所述第二动力机构驱动所述第三动力机构自转的轴线垂直。

本发明还提供了一种双足机器人结构的控制方法，所述的控制方法包括：控制所述第一动力机构及第三动力机构运转，进行被动行走;当行走的正方向遇到障碍物时，控制所述第二动力机构运转，使得所述下支杆摆动轴的角度发生偏转。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：该双足机器人结构中两个所述第一动力机构分别驱动两个所述上支杆摆动，两个所述第三动力机构分别驱动所述下支杆摆动，从而实现双足机器人结构的被动行走，当机器人的下支杆正前方有障碍物时，下支杆离开地面的过程中，所述第二动力机构运转，所述第二动力机构可驱动所述第三动力机构在所述上支杆的下端自转，从而改变所述下支杆摆动轴的角度，使得所述下支杆向左前方或者右前方摆动，从而下支杆从障碍物的侧面绕过所述障碍物，避免下支杆正前方有障碍物对机器人的提膝动作造成干涉，并且所述下支杆在绕过所述障碍物之后、落地之前，所述第二动力机构反向运转，实现所述下支杆摆动轴角度的复位，为下一次被动行走做准备。

附图说明

图1是本发明提供的双足机器人结构的一种实施方式的结构示意图；

图2是本发明中下支杆未弯曲状态结构示意图；

图3是本发明中下支杆向左侧弯曲状态结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，本实施例提供了一种双足机器人结构，包括：髋部1、上支杆2、下支杆3、第一动力机构4、第二动力机构5、第三动力机构6。

所述上支杆2为两个，所述第一动力机构4为两个，两个所述第一动力机构4分别安装于所述髋部1的两侧，两个所述第一动力机构4一一对应与两个所述上支杆2驱动连接，且每个所述第一动力机构4均可单独驱动一个所述上支杆2相对所述髋部1前后摆动，本实施例中，所述髋部1为四棱柱形，显然所述髋部1也可以设置成圆柱形，所述髋部1的轴线水平布置，所述第一动力机构4可以为伺服电机或者步进电机，所述第一动力机构4的壳体与所述髋部1固定连接，所述第一动力机构4的转轴与所述上支杆2的上端固定连接。

所述第二动力机构5为两个，两个所述第二动力机构5一一对应安装于两个所述上支杆2的下端，本实施例中，所述第二动力机构5可为步进电机或者伺服电机。

所述第三动力机构6为两个，两个所述第三动力机构6一一对应安装于两个所述第二动力机构5的下端，且每个所述第二动力机构5均可单独驱动一个所述第三动力机构6在所述上支杆2的下端自转，并且所述第二动力机构5驱动所述第三动力机构6自转的轴线与所述上支杆2的长边平行，本实施例中，所述第三动力机构6可为步进电机或者伺服电机。

所述下支杆3为两个，两个所述下支杆3一一对应安装于两个所述第三动力机构6的下端，且每个所述第三动力机构6均可单独驱动一个所述下支杆3相对所述上支杆2摆动，所述下支杆3摆动的轴线与所述第二动力机构5驱动所述第三动力机构6自转的轴线垂直，从而改变所述下支杆3摆动轴的角度，即使得所述下支杆3不仅仅可以前、后摆动，也可以左、右摆动，也可以左前、右后摆动，也可以右前、左后摆动，从而避免所述下支杆3摆动过程中与其正前方的障碍物（例如：石块，本实施例中所述的障碍物为低于上支杆2高度的石块，不是墙体，若遇到墙体该机器人结构需要整体转向）发生碰撞。

该双足机器人结构中两个所述第一动力机构4分别驱动两个所述上支杆2摆动，两个所述第三动力机构6分别驱动所述下支杆3摆动，从而实现双足机器人结构的被动行走,被动行走包括0～40％时间段内为单腿支撑期，40～60％时间段为双腿支撑期，60～100％时间段为摆动阶段，由于机器人的被动行走为本领域技术人员的公知常识，故此处不再作详细介绍。

请参阅图2、图3，当机器人的下支杆3正前方有障碍物时，下支杆3离开地面的过程中，所述第二动力机构5运转，所述第二动力机构5可驱动所述第三动力机构6在所述上支杆2的下端自转，从而改变所述下支杆3摆动轴的角度，使得所述下支杆3向左前方或者右前方摆动，从而下支杆3从障碍物的侧面绕过所述障碍物，避免下支杆3正前方有障碍物对机器人的提膝动作造成干涉，并且所述下支杆3在绕过所述障碍物之后、落地之前，所述第二动力机构5反向运转，实现所述下支杆3摆动轴角度的复位，为下一次被动行走做准备。

本实施例还提供了一种优选的实施方式，每个所述上支杆2下端均固定有一个对接块2a，所述对接块2a下端开设有对接槽2b及第一滑槽2c，所述第一滑槽2c的长度方向与所述上支杆2的长度方向一致；每个所述第二动力机构5靠近所述对接块2a的一端均固定有一个滑动轴7，所述滑动轴7的一端滑动内置于所述第一滑槽2c，所述滑动轴7上套设有螺旋弹簧8，所述螺旋弹簧8的一端与所述对接块2a固定连接、所述螺旋弹簧8的另一端与所述滑动轴7靠近所述第三动力机构6的一端固定连接。

所述下支杆3的上端设置有沿其长度方向布置的对接柱3a，当所述下支杆3的下端与地面接触，且所述下支杆3与所述上支杆2的长度方向共线时，所述上支杆2在重力作用下相对所述下支杆3向下运动，并使得所述对接柱3a的上端插入所述对接槽2b，从而完全锁死所述下支杆3相对所述上支杆2的运动，避免髋部1上的工作机a在工作时下支杆1相对所述上支杆2发生偏转，只有在所述第一动力机构4驱动所述上支杆2摆动，并使得所述下支杆3与地面脱离时，所述螺旋弹簧8才会驱动所述对接柱3a的上端从所述对接槽2b内弹出，从而对下支杆3的运动进行解锁。

所述下支杆3的上端开设有第二滑槽，所述第二滑槽内设置有第四动力机构，所述第四动力机构与所述对接柱3a驱动连接，且所述第四动力机构可驱动所述对接柱3a滑入所述第二滑槽，从而完全避免对接柱3a对屈膝动作造成干涉，所述第四动力机构可为直线电机或者伸缩气缸。

本实施例还提供了一种优选的实施方式，所述的双足机器人结构还包括支撑板9及第五动力机构，每个所述下支杆3的下端的前侧及后侧均铰接一个所述支撑板9，并且所述支撑板9可向上翻转与所述下支杆3贴合、所述支撑板9可向下翻转与地面贴合；所述第五动力机构与所述支撑板9驱动连接，并驱动所述支撑板9相对所述下支杆3翻转，所述第五动力机构可驱动两个所述下支杆3上的支撑板9展开与地面接触，增大下支杆3下端与地面的接触面积，提高双足机器人结构的稳定性，使得双足机器人结构上的工作机受到较大反向作用力时，双足机器人结构不容易倾倒。

本实施例还提供了一种具体的实施方式，所述下支杆3上设置有沿其长度方向布置的通槽，并且所述通槽贯穿所述下支杆3的前侧端面、后侧端面，每个所述下支杆3上均设置有一个所述第三动力机构6，每个所述第五动力机构均包括第五旋转电机、丝杆a1、滑块a2、连杆a3，所述丝杆a1内置于所述通槽，并且所述丝杆a1沿着所述下支杆3的长度方向布置；所述第五旋转电机的壳体与所述下支杆3固定连接，并且所述第五旋转电机转轴与所述丝杆a1的一端同轴固定连接；所述滑块a2上固定有螺母，所述滑块a2与所述丝杆a1通过所述螺母连接，且所述滑块a2相对所述丝杆a1的周向固定；每个所述第五动力机构均包括两个所述连杆a3，两个所述连杆a3均一端与所述滑块a2铰接、两个所述连杆a3均另一端一一对应与两个所述支撑板9铰接，上述结构充分利用了所述下支杆3内部空间，一个所述第三旋转电机即可同时撑开两个所述支撑板9。

本实施例中，所述的双足机器人结构还包括电源模块与控制模块，所述电源模块用于为所述的移动机器人轮足机构提供移动的动力，所述控制模块用于控制所述的移动机器人轮足机构进行探测与移动，所述电源模块与控制模块均内置于所述髋部1。

本实施例还提供了一种双足机器人结构的控制方法，所述的控制方法包括：提供如上所述的双足机器人结构,控制所述第一动力机构4及第三动力机构6运转，进行被动行走;当行走的正方向遇到障碍物时，控制所述第二动力机构5运转，使得所述下支杆3摆动轴的角度发生偏转。

具体的，当机器人的下支杆3正前方有障碍物时，下支杆3离开地面的过程中，所述第二动力机构5运转，所述第二动力机构5可驱动所述第三动力机构6在所述上支杆2的下端自转，从而改变所述下支杆3摆动轴的角度，使得所述下支杆3向左前方或者右前方摆动，从而下支杆3从障碍物的侧面绕过所述障碍物，避免下支杆3正前方有障碍物对机器人的提膝动作造成干涉，并且所述下支杆3在绕过所述障碍物之后、落地之前，所述第二动力机构5反向运转，实现所述下支杆3摆动轴角度的复位。

工作原理：该双足机器人结构中两个所述第一动力机构4分别驱动两个所述上支杆2摆动，两个所述第三动力机构6分别驱动所述下支杆3摆动，从而实现双足机器人结构的被动行走，当机器人的下支杆3正前方有障碍物时，下支杆3离开地面的过程中，所述第二动力机构5运转，所述第二动力机构5可驱动所述第三动力机构6在所述上支杆2的下端自转，从而改变所述下支杆3摆动轴的角度，使得所述下支杆3向左前方或者右前方摆动，从而下支杆3从障碍物的侧面绕过所述障碍物，避免下支杆3正前方有障碍物对机器人的提膝动作造成干涉，并且所述下支杆3在绕过所述障碍物之后、落地之前，所述第二动力机构5反向运转，实现所述下支杆3摆动轴角度的复位，为下一次被动行走做准备。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (5)

1.一种双足机器人结构，其特征在于，包括：髋部、上支杆、下支杆、第一动力机构、第二动力机构、第三动力机构，所述上支杆为两个，所述第一动力机构为两个，两个所述第一动力机构分别安装于所述髋部的两侧，两个所述第一动力机构一一对应与两个所述上支杆驱动连接，且每个所述第一动力机构均可单独驱动一个所述上支杆相对所述髋部前后摆动；所述第二动力机构为两个，两个所述第二动力机构一一对应安装于两个所述上支杆的下端；所述第三动力机构为两个，两个所述第三动力机构一一对应安装于两个所述第二动力机构的下端，且每个所述第二动力机构均可单独驱动一个所述第三动力机构在所述上支杆的下端自转，并且所述第二动力机构驱动所述第三动力机构自转的轴线与所述上支杆的长边平行；所述下支杆为两个，两个所述下支杆一一对应安装于两个所述第三动力机构的下端，且每个所述第三动力机构均可单独驱动一个所述下支杆相对所述上支杆摆动，所述下支杆摆动的轴线与所述第二动力机构驱动所述第三动力机构自转的轴线垂直；

每个所述上支杆下端均固定有一个对接块，所述对接块下端开设有对接槽及第一滑槽，所述第一滑槽的长度方向与所述上支杆的长度方向一致；每个所述第二动力机构靠近所述对接块的一端均固定有一个滑动轴，所述滑动轴的一端滑动内置于所述第一滑槽，所述滑动轴上套设有螺旋弹簧，所述螺旋弹簧的一端与所述对接块固定连接、所述螺旋弹簧的另一端与所述滑动轴靠近所述第三动力机构的一端固定连接；所述下支杆的上端设置有沿其长度方向布置的对接柱；当所述下支杆的下端与地面接触，且所述下支杆与所述上支杆的长度方向共线时，所述上支杆在重力作用下相对所述下支杆向下运动，并使得所述对接柱的上端插入所述对接槽。

2.根据权利要求1所述的双足机器人结构，其特征在于，所述下支杆的上端开设有第二滑槽，所述第二滑槽内设置有第四动力机构，所述第四动力机构与所述对接柱驱动连接，且所述第四动力机构可驱动所述对接柱滑入所述第二滑槽。

3.根据权利要求1所述的双足机器人结构，其特征在于，所述的双足机器人结构还包括支撑板及第五动力机构，每个所述下支杆的下端的前侧及后侧均铰接一个所述支撑板，并且所述支撑板可向上翻转与所述下支杆贴合、所述支撑板可向下翻转与地面贴合；所述第五动力机构与所述支撑板驱动连接，并驱动所述支撑板相对所述下支杆翻转。

4.根据权利要求3所述的双足机器人结构，其特征在于，所述下支杆上设置有沿其长度方向布置的通槽，并且所述通槽贯穿所述下支杆的前侧端面、后侧端面，每个所述下支杆上均设置有一个所述第三动力机构，每个所述第五动力机构均包括第五旋转电机、丝杆、滑块、连杆，所述丝杆内置于所述通槽，并且所述丝杆沿着所述下支杆的长度方向布置；所述第五旋转电机的壳体与所述下支杆固定连接，并且所述第五旋转电机转轴与所述丝杆的一端同轴固定连接；所述滑块上固定有螺母，所述滑块与所述丝杆通过所述螺母连接，且所述滑块相对所述丝杆的周向固定；每个所述第五动力机构均包括两个所述连杆，两个所述连杆均一端与所述滑块铰接、两个所述连杆均另一端一一对应与两个所述支撑板铰接。

5.一种双足机器人结构的控制方法，其特征在于，所述的控制方法包括：提供如权利要求1所述的双足机器人结构；控制所述第一动力机构及第三动力机构运转，进行被动行走;当行走的正方向遇到障碍物时，控制所述第二动力机构运转，使得所述下支杆摆动轴的角度发生偏转。

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