山东大学预研的液压驱动双足步行机器人，原理类似peterm ...

专利说明:具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构
技术领域:
本发明涉及一种双足机器人，尤其是一种具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构。
背景技术:
目前双足机器人移动方式能耗较低，对非结构环境具有较好的适应性，例如巷道和活动空间较小的危险区域，具有更好的机动性和更强的避障能力。国内外双足机器人的研究取得了丰硕的成果。
美国波士顿动力公司于2009年推出第一代液压驱动双足机器人“petman”，2011年9月推出第二代“petman”，它的职能是为美军实验防护服装。日本本田公司推出的“ASIMO”，它的目标是家庭服务。中国专利文献CN101856286A公开了“一种用于下肢假肢性能测试的双足步行机器人装置”，该装置用于智能下肢假肢定量测试和评估。中国专利文献CN101229826A公开了“一种双足机器人的下肢机构”，该机构是电机驱动，基本不具有负重能力。中国专利文献CN101565064A公开了“一种双足机器人步行机构”，该机构可实现较多的仿人动作，基本不具有负重能力。中国专利文献CN101121424A公开了“一种多自由度的双足机器人下肢机构”，该机构具有一定的承载能力，但是机构比较复杂。目前，双足机器人研究，大都追求仿人的动作及与人的交流。机器人基本不具有负重能力。近年来，双足负重机器人的研究已逐步展开。
2005年日本国际博览会(简称为″爱知世博会″)丰田公司展出“I foot”的载人机器人，可搭载一名体重在70公斤以下的驾驶员，同时可以搬动60公斤左右的重物，身高2.36m，其自身重量为200公斤，机构比较笨重。日本千叶工业大学未来机器人研究中心研制出可以搬运100kg的人或重物的双足步行机器人“Core”，这是目前世界上双足机器人可以搬运的最大重量。Core作为原型机，高1.915米，重230kg，在关节部位总共搭载了12台强力大型马达从而实现100kg的载重。运动能力相对较差。
现有负重型机器人机构比较笨重，运动能力相对较差，而且，大都采用电驱动，机器人自身重量比较大。开发一种、机构简单、运动能力强并且具有负重能力的液压驱动的双足机器人具有理论和实际意义。
发明内容:
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构，该机构构造简单、具有越障能力、能够转向、易于维护、动态响应能力强，具有负载能力。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种具有负重能力的液压驱动双足机器人下肢机构，包括两条机器人腿，所述每条机器人腿上部均与一个机器人转向机构相连，所述机器人转向机构设置于机器人躯干上，所述每条机器人腿下部均连接有一只机器人足；所述每条机器人腿、每个机器人转向机构和每一只机器人足均采用液压驱动；其中，一条机器人腿、一个机器人转向机构和一只机器人足上共设有一个以机器人躯干法向为轴的主动旋转自由度转动副I、一个侧向主动自由度转动副II、一个侧向被动自由度转动副VI及三个前向主动自由度分别是转动副III、转动副IV和转动副V。
所述每个机器人转向机构均由主动部分和从动部分组成；所述主动部分包括：液压马达、直齿齿轮、止动垫圈I和螺钉，所述液压马达安装于机器人躯干上，液压马达的输出轴向下穿过机器人躯干，直齿齿轮安装在液压马达输出轴上，轴端的固定方式为止动垫圈I加螺钉；
所述从动部分包括单腿转向用从动直齿齿轮轴、侧摆油缸固定支架、机器人腿支架、角位移传感器和角位移传感器支架；所述单腿转向用从动直齿齿轮轴穿过机器人躯干并通过轴承装置固定于机器人躯干上，角位移传感器通过角位移传感器支架安装于轴承装置顶端，且角位移传感器与单腿转向用从动直齿齿轮轴相连；单腿转向用从动直齿齿轮轴与主动部分的直齿齿轮相啮合，单腿转向用从动直齿齿轮轴下端与机器人腿支架相连，机器人腿支架上设置有侧摆油缸固定支架。
所述轴承装置包括轴承盖、圆螺母、止动垫圈、圆锥滚子轴承I、轴承支撑架、圆锥滚子轴承II，所述圆锥滚子轴承I和圆锥滚子轴承II的外圈宽对宽反装，上下安装于轴承支撑架中，所述轴承盖固定于轴承支撑架上部，圆锥滚子轴承I和轴承盖之间由下向上设有止动垫圈和圆螺母。
所述轴承支撑架下端设有能够固定于机器人躯干上的法兰盘。
所述轴承盖上设有供单腿转向用从动直齿齿轮轴穿过的孔。
所述每条机器人腿均由三段依次连接的腿节组成，其中，三段依次连接的腿节由上而下分别为：机器人腿节I、机器人大腿、机器人小腿；
所述机器人腿节I，通过轴线沿躯干纵向的转动副II和液压伺服油缸I与机器人腿支架相连；
所述机器人大腿，通过轴线沿躯干横向的转动副III和液压伺服油缸II与机器人腿节I连接；
所述机器人小腿，通过轴线沿躯干横向的转动副IV和液压伺服油缸III与机器人大腿连接；
所述液压伺服油缸I一端铰接于所述侧摆油缸固定支架上，另一端铰接于机器人腿节I内侧面上。
所述液压伺服油缸II一端铰接于机器人腿节I上，另一端铰接于机器人大腿上。
所述液压伺服油缸III一端铰接于机器人大腿上，另一端铰接于机器人小腿上。
所述每一个机器人足，均通过轴线沿躯干横向的转动副V和液压伺服油缸IV与机器人小腿连接；
每一个机器人足均包括：足部转动轴支架I，圆柱螺旋扭转弹簧，转动轴，液压伺服油缸连接架，阻尼器，足部转动轴支架II，足部支撑板I，足部支撑板II，缓冲装置，六维力传感器，套筒；
所述足部转动轴支架I和足部转动轴支架II固定于足部支撑板I上，转动轴两端分别伸入足部转动轴支架I和足部转动轴支架II中，伸入足部转动轴支架I中的转动轴上套有圆柱螺旋扭转弹簧，伸入足部转动轴支架II中的转动轴上套有套筒，靠近足部转动轴支架II的转动轴上设有阻尼器；液压伺服油缸连接架设置于转动轴上，转动轴与机器人小腿铰接组成转动副V；液压伺服油缸IV一端铰接于机器人小腿上，另一端铰接于液压伺服油缸连接架上；所述足部支撑板I下部通过六维力传感器连接有足部支撑板II，足部支撑板II下部设有缓冲装置。
转动副VI是被动运动自由度，当液压伺服油缸I，推动机器人腿侧摆时，为保证机器人足与地面的充分接触，机器人足底绕转轴旋转一定角度，当机器人足离地时，圆柱螺旋扭转弹簧提供机器人足底运动的恢复力。阻尼器限制机器人腿摆动时，足底相对于转动轴的自由转动。
所述每一个液压伺服油缸均包括电液伺服阀、液压缸、线位移传感器和力传感器，力传感器安装在液压缸的缸杆上，线位移传感器安装液压缸的一侧；电液伺服阀与液压缸为一体结构。
机器人负重时，采用静步态行走。首先，机器人双足支撑，机器人重心先向右移，根据左足六维力传感器反馈信息确定左腿的抬腿时刻，左腿相对于机器人躯干向前运动的同时，右腿相对于机器人躯干向后运动，右足保持与地面的相对静止；重心恢复的同时左腿落下，机器人由单足支撑变为双足支撑；机器人重心左移，根据右足六维力传感器反馈信息确定右腿的抬腿时刻，右腿相对于机器人躯干向前运动的同时，左腿相对于机器人躯干向后运动，左足与地面保持相对静止；重心恢复的同时右腿落下，机器人由单足支撑变为双足支撑，一个迈步周期结束。
机器人负重较小或者不负重行走时，重心加速侧移的同时，机器人抬腿，侧移的加速度根据六维力传感器反馈值进行调整。
以支撑腿和机器人躯干相对前向加速度的变化，保持机器人纵向平稳，以躯干3侧向位置及侧向加速度变化，保持机器人侧向平稳。
本发明与现有技术相比具有以下特点：
(1)采用液压驱动，使机器人功率/质量比大，工作平稳，可进行无级调速、且调速范围大，使机器人具有更大的负重能力；
(2)每条腿有五个主动关节，一个被动关节，可保证机器人具有较强的行走能力和地形适应能力。
(3)机器人二个转向关节采用液压马达，其余八个主动关节采用完全相同的液压伺服油缸驱动，使机器人结构简单，易于维护。

时至今日，陆战军用机器人已经在战场上占有一席之地，无论是隐秘侦察，还是冲锋陷阵，都有不错的效果。不过，目前的主流陆战军用机器人都要依靠轮式系统进行机动，所以与其说它们是“机器人”，不如说它们是“机器车”。
　　事实上，轮式系统的优点很明显：结构简单，技术成熟，速度较快。但是，轮式系统的缺点同样明显：只能在较为平坦的地区活动，一旦进入高低不平的山地环境就会变得寸步难行。因此，早已实现摩托化行动的美军在阿富汗山区行动时不得不依靠毛驴运输给养。
　　现在，两种能依靠步行装置行动的军用机器人已经走出实验室，即将踏上战场。其中一种是被命名为“Petman”的双足机器人，它的外形有点像科幻电影中的“终结者”。虽然还没有为它安装头颅，但它的体形已经堪称魁梧———身高1.83米，体重83公斤，裸露的复杂金属骨架看起来有一点狰狞。
　　在实验室中的Petman由一个通过电缆连接的“遥控箱”控制。它能模仿人体使用双足行走，当然也能下跪或蹲坐，甚至还可以俯卧撑。它的胸部有一个方形金属盒，里面是它的“大脑”。依靠全身的30个液压装置，它可以灵活控制自己的四肢和体态。它的双脚用高强度碳纤维材料制作，能以每小时8公里的速度行走。
　　另一种军用机器人是被命名为“大狗”的四足机器人。这种依靠四条腿活动的机器人能携带重达200千克的物资，以每小时12公里的速度行走在高低不平的山区。尽管行走时的动作显得略显笨拙，也不太雅观，但在战场上作为机械骡马使用是非常有效的。
　　这两种步行机器人都是波士顿动力公司的产品，公司总裁马克·莱伯特透露，它们将于今年正式交付美军使用，双足机器人将主要用于危险的化学战，而四足机器人可以伴随山地步兵行动，为他们提供后勤补给。新民晚报


时至今日，陆战军用机器人已经在战场上占有一席之地，无论是隐秘侦察，还是冲锋陷阵，都有不错的效果。不过，目前的主流陆战军用机器人都要依靠轮式系统进行机动，所以与其说它们是“机器人”，不如说它们是“机器车”。
　　事实上，轮式系统的优点很明显：结构简单，技术成熟，速度较快。但是，轮式系统的缺点同样明显：只能在较为平坦的地区活动，一旦进入高低不平的山地环境就会变得寸步难行。因此，早已实现摩托化行动的美军在阿富汗山区行动时不得不依靠毛驴运输给养。
　　现在，两种能依靠步行装置行动的军用机器人已经走出实验室，即将踏上战场。其中一种是被命名为“Petman”的双足机器人，它的外形有点像科幻电影中的“终结者”。虽然还没有为它安装头颅，但它的体形已经堪称魁梧———身高1.83米，体重83公斤，裸露的复杂金属骨架看起来有一点狰狞。
　　在实验室中的Petman由一个通过电缆连接的“遥控箱”控制。它能模仿人体使用双足行走，当然也能下跪或蹲坐，甚至还可以俯卧撑。它的胸部有一个方形金属盒，里面是它的“大脑”。依靠全身的30个液压装置，它可以灵活控制自己的四肢和体态。它的双脚用高强度碳纤维材料制作，能以每小时8公里的速度行走。
　　另一种军用机器人是被命名为“大狗”的四足机器人。这种依靠四条腿活动的机器人能携带重达200千克的物资，以每小时12公里的速度行走在高低不平的山区。尽管行走时的动作显得略显笨拙，也不太雅观，但在战场上作为机械骡马使用是非常有效的。
　　这两种步行机器人都是波士顿动力公司的产品，公司总裁马克·莱伯特透露，它们将于今年正式交付美军使用，双足机器人将主要用于危险的化学战，而四足机器人可以伴随山地步兵行动，为他们提供后勤补给。新民晚报

[据华盛顿技术网站2012年8月15日报道]波士顿动力公司获得了一份价值1090万美元的合同，开发制造一套同类型机器人，支持DARPA的机器人挑战项目。美国国防部8月14日公告称，该机器人将是人形机器人，包括两条腿、躯干、两只手、一个传感器头和板载计算机。这些正在建造的机器人将执行援助行动，如发生潜在自然或人为灾害时执行疏散行动，以消除人力援助的潜在危险。DARPA网站表示，由于是人形机器人，因此它们能够在人员工作环境下运行，如有必要可以使用人类工具。每个机器人都在监管下自主运行，并可以在丧失监管的期间，依靠自身智能运行。根据合同条款，机器人将在项目的两个阶段交付DARPA使用，然后根据项目虚拟灾害挑战结果，机器人将交付顶层软件开发团队。所有工作将在马萨诸塞州沃尔瑟姆进行，截止日期为2014年8月9日。(工业和信息化部电子科学技术情报研究所 陈皓)

双足机器人保持平衡是硬伤

很不错，紧跟热点研究方向，加油努力。

王师2015年准备把陆军三分之一都机器人化了 兔子加油啊

终结者…我喜欢

[media]http://player.youku.com/player.php/sid/XNjUyMTA2NTA4/v.swf[/media]

能源也是个问题。

也许两足只是科研，四足才是应用，结合点是大猩猩，前足可爬行可站立

用来干嘛的？

十月赞歌 发表于 2013-12-24 10:10
也许两足只是科研，四足才是应用，结合点是大猩猩，前足可爬行可站立
大猩猩前腿长了，应用版应该是前后腿差不多。