專利名稱：一種模塊化的六自由度主動關(guān)節(jié)型雙足步行機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體而言涉及一種用模塊化方法構(gòu)建的具有 六個自由度的所有關(guān)節(jié)都為主動型的雙足步行機(jī)器人。
背景技術(shù)：
仿人機(jī)器人是當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的最高級和最尖端的體現(xiàn)。它們具有類 似人類的外形，在結(jié)構(gòu)方面和步行方式上也模仿人類。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，往往有上
身和下肢組成，具有雙腿和雙手，自由度往往多達(dá)30個。仿人機(jī)器人的核心技 術(shù)和最具挑戰(zhàn)的難點(diǎn)是雙足步行時動態(tài)平衡的實現(xiàn)。自從機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的初 期，雙足步行就被認(rèn)為是一項最高難度的挑戰(zhàn)。早在著名的仿人機(jī)器人ASIMO、 QRIO和HRP-2出現(xiàn)之前的三十年中，雙足步行一直是步行機(jī)器人發(fā)展的焦點(diǎn) 和難點(diǎn)。最早的研究暨平臺開發(fā)可以追溯到早稻田大學(xué)的加藤一郎在1966年和 牛津大學(xué)的D.C. Witt在1968年開始的工作。加藤一郎等人在1973年創(chuàng)建了世 界上第一臺具有雙腿和雙臂并受計算機(jī)控制的仿人機(jī)器人WAB0T-1。雖然是一 項標(biāo)志性成果，WAB0T-1只能做靜態(tài)步行運(yùn)動。在1980年前后， 一個重大的 研究趨勢是實現(xiàn)雙足動態(tài)步行，很多國內(nèi)外研究人員開始積極從事理論研究和 機(jī)器人平臺的開發(fā)。到1986年，已開發(fā)出許多能作動態(tài)步行運(yùn)動的雙足機(jī)器人。 即便是仿人機(jī)器人已成功開發(fā)(以1996年本田推出仿人機(jī)器人P2為標(biāo)志)了 十多年的今天，雙足步態(tài)規(guī)劃和控制仍然是一個研究熱點(diǎn)，國內(nèi)外還有很多研
究機(jī)構(gòu)開發(fā)和研究各種雙足步行機(jī)器人。
國內(nèi)外大多數(shù)雙足步行機(jī)器人在結(jié)構(gòu)上都較復(fù)雜，由兩條腿構(gòu)成，關(guān)節(jié)都 是主動型的，自由度較多，雙足的自由度有8個、10個、往往多達(dá)12個，行走方式模仿人類的步行，控制較復(fù)雜。另有一類步行機(jī)器人通過其它方式實現(xiàn)動 態(tài)步行，包括讓機(jī)器人在勢能的作用下沿小斜面步行而下的被動步行機(jī)器人、
通過非線性振擺實現(xiàn)跨步的高蹺型雙足機(jī)器人BIPMAN2、通過學(xué)習(xí)和進(jìn)化算法 實現(xiàn)雙足步行的由三個連桿構(gòu)成的簡單步行機(jī)器人以及麻省理工學(xué)院開發(fā)過一 個裝備四個驅(qū)動器的三維半被動步行機(jī)，等等。這些雙足機(jī)器人結(jié)構(gòu)較簡單， 自由度較少，關(guān)節(jié)多為被動或半被動的。由于全部或部分關(guān)節(jié)是非主動的，機(jī) 器人往往借助外界環(huán)境的特點(diǎn)(例如斜坡)實現(xiàn)歩行。因此其活動范圍和場所 很小，步行能力很有限。
顯然，開發(fā)少自由度、結(jié)構(gòu)簡單而步行能力較強(qiáng)的步行機(jī)器人符合人們的 需求和步行機(jī)器人的發(fā)展方向。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服主動步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜、自由度多等缺點(diǎn)而被動 歩行機(jī)器人步行能力弱等局限，提供一種模塊化的六自由度主動關(guān)節(jié)型雙足步 行機(jī)器人。
為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
所述機(jī)器人采用六個主動關(guān)節(jié)，包括兩個I型關(guān)節(jié)和四個T型關(guān)節(jié)，兩端 是兩個足部。各部分采用串聯(lián)方式依次連接，順序為足部-I型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié) -T型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-I型關(guān)節(jié)-足部，即四個T型關(guān)節(jié)在中間，兩個I 型關(guān)節(jié)和足部在兩端。四個T型關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸互相平行，并與兩端的I型關(guān)節(jié)的 轉(zhuǎn)軸互相垂直。機(jī)器人的具體組成包括兩個I型關(guān)節(jié)模塊、四個T型關(guān)節(jié)模
塊、兩個足部模塊和一個連接套筒。機(jī)器人站立時呈倒u形，I型關(guān)節(jié)模塊與地
面垂直。足部模塊為圓環(huán)狀或輪式，通過其端面與地面接觸。
上述模塊化的六自由度主動關(guān)節(jié)型雙足步行機(jī)器人中，所述I型關(guān)節(jié)模塊是指只有一個轉(zhuǎn)動自由度且關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與連桿軸線重合或平行的關(guān)節(jié)模塊。關(guān)節(jié)由 直流伺服電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)的后端與用于檢測轉(zhuǎn)角位移和角速度的光電編碼器直 接相聯(lián)，前端與諧波減速器相連，進(jìn)行減速增力。諧波減速器通過一個軸輸出 到一個中心直齒輪，而中心直齒輪通過兩個對稱分布的過渡輪驅(qū)動一個內(nèi)齒直 齒輪作進(jìn)一步減速增力并保持傳動方向，內(nèi)齒輪帶動關(guān)節(jié)模塊的另一部分作相 對轉(zhuǎn)動，最后驅(qū)動關(guān)節(jié)的輸出件。具體結(jié)構(gòu)包括伺服電機(jī)及光電編碼器組件1-1、
關(guān)節(jié)套筒l-2、電機(jī)軸套1-3、電機(jī)座1-4、關(guān)節(jié)基座1-5、軸承端蓋1-6、軸承座 1-7、角接觸球軸承及外軸套1-8、軸承端蓋1-9、內(nèi)齒輪1-10、關(guān)節(jié)輸出端連接 件l-ll、過渡齒輪軸1-12、過渡齒輪1-13、諧波減速器輸出軸1-14、中心齒輪 1-15、小軸承端蓋1-16、軸套1-17、角接觸球軸承1-18、諧波減速器輸出過渡 盤1-19、盤式諧波減速器組件1-20。各零部件的連接方式為伺服電機(jī)及光電 編碼器組件1-1與電機(jī)座l-4通過軸向螺釘緊固；電機(jī)軸通過電機(jī)軸套1-3與盤 式諧波減速器組件1-20的波發(fā)生器間接相連；盤式諧波減速器組件1-20的輸入 和輸出剛輪通過軸向螺釘分別與電機(jī)座1-4和諧波減速器輸出過渡圓盤1-19緊 固連接，而后者(1-19)再用軸向螺釘與諧波減速器輸出軸l-14緊固連接關(guān) 節(jié)套筒l-2套在電機(jī)座l-4上并沿圓周方向用徑向螺釘緊固；電機(jī)座1-4通過軸 向螺釘與關(guān)節(jié)基座1-5緊固連接；軸承座1-7通過角接觸球軸承及外軸套1-8支 承于關(guān)節(jié)基座1-5上；角接觸球軸承及外軸套1-8通過軸承端蓋1-6定位和施加 預(yù)緊力；諧波減速器輸出軸1-14通過兩個鍵與中心齒輪1-15連接，而中心齒輪 1-15又與對稱分布的兩個過渡齒輪1-13嚙合；兩個過渡齒輪軸1-12通過其上的 螺紋與關(guān)節(jié)基座1_5緊固連接，并通過軸承與過渡齒輪1-13連接；兩個過渡齒 輪1-13與內(nèi)齒輪1-10嚙合；內(nèi)齒輪1-10、關(guān)節(jié)輸出端連接件1-11和軸承座1-7 三者通過軸向螺釘緊固連接。上述模塊化的六自由度主動關(guān)節(jié)型雙足步行機(jī)器人中，所述T型關(guān)節(jié)模塊 只有一個轉(zhuǎn)動自由度且關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與連桿軸線垂直的關(guān)節(jié)模塊。關(guān)節(jié)由直流伺服 電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)的后端與用于檢測轉(zhuǎn)角位移和角速度的光電編碼器直接相聯(lián)， 前端與諧波減速器相連，進(jìn)行減速增力。諧波減速器通過一個軸進(jìn)行輸出，再 通過一對錐齒輪作進(jìn)一步減速與增力并改變傳動方向。大錐齒輪通過一根關(guān)節(jié) 軸帶動關(guān)節(jié)模塊的另一部分作相對轉(zhuǎn)動，進(jìn)行速度和力的輸出。具體結(jié)構(gòu)包括 伺服電機(jī)及光電編碼器組件2-l、關(guān)節(jié)套筒2-2、電機(jī)座2-3、關(guān)節(jié)基座2-4、角 接觸球軸承2-5、軸承套環(huán)2-6、內(nèi)軸套2-7、小錐齒輪2-8、齒輪端蓋2-9、關(guān)節(jié) 軸端蓋2-10、關(guān)節(jié)軸2-11、關(guān)節(jié)蓋2-12、大錐齒輪2-13、關(guān)節(jié)輸出連接件2-14、 關(guān)節(jié)軸角接觸球軸承2-15、關(guān)節(jié)軸端蓋2-16、軸承端蓋2-17、軸承端蓋2-18、 諧波減速器輸出軸2-19 、諧波減速器輸出過渡盤2-20 、盤式諧波減速器組件2-21 、 電機(jī)軸套2-22。各零部件的連接方式為伺服電機(jī)及光電編碼器組件2-l與電機(jī) 座2-3通過軸向螺釘緊固；電機(jī)軸通過電機(jī)軸套2-22與盤式諧波減速器組件2-21 的波發(fā)生器間接相連；盤式諧波減速器組件2-21的輸入和輸出剛輪通過軸向螺 釘分別與電機(jī)座2-3和諧波減速器輸出過渡盤2-20緊固連接，而后者(2-20) 再用軸向螺釘與諧波減速器輸出軸2-19緊固連接；關(guān)節(jié)套筒2-2套在電機(jī)座2-3 上并沿圓周方向用徑向螺釘緊固；電機(jī)座2-3通過軸向螺釘與關(guān)節(jié)基座2-4緊固 連接；諧波減速器輸出軸2-19通過角接觸球軸承及軸承套環(huán)2-5和2-6支承于 關(guān)節(jié)軸承座2-4內(nèi)，輸出端與小錐齒輪2-8連接，用齒輪端蓋2-9緊固；小錐齒 輪2-8與角接觸球軸承2-5之間通過內(nèi)軸套2-7作軸向間隔；小錐齒輪2-8與大 錐齒輪2-13嚙合，而后者安裝于關(guān)節(jié)軸2-11上；關(guān)節(jié)軸2-11用角接觸球軸承 2-15支承于關(guān)節(jié)基座2-4上，兩端通過關(guān)節(jié)軸端蓋2-10與關(guān)節(jié)連接件2-14固連。
所述圓環(huán)狀足部模塊，包括輪足3-l、輪軸3-2、六維力/力矩傳感器3-3和連接過渡件3-4組成。輪軸3-2穿過輪足3-l的中心孔，在軸端用墊片和螺母緊 固；另一頭的端面一個與力/力矩傳感器3-3的端面用螺釘連接和緊固。力/力矩 傳感器3-3的另一端面也用螺釘與套筒狀的連接過渡件3-4固連。足部的圓環(huán)部 分為橡膠或泡沫塑料，具有一定的彈性，與地面平行和接觸，起緩沖和吸振作 用，保護(hù)機(jī)器人免受大沖擊。所述力/力矩傳感器為外購件，六維，用于檢測沿 傳感器坐標(biāo)系x, y, z三軸的力和繞x, y, z三軸的力矩。 本發(fā)明的機(jī)器人具有如下特點(diǎn)
1) 機(jī)器人具有六個主動關(guān)節(jié)，包括兩個I型關(guān)節(jié)和四個T型關(guān)節(jié)。關(guān)節(jié)釆用 串聯(lián)方式依次連接，順序為I型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型 關(guān)節(jié)-I型關(guān)節(jié)，即中間為四個T型關(guān)節(jié)，兩端各為一個I型關(guān)節(jié)。四個T 型關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸互相平行，并與兩端I型關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸互相垂直。機(jī)器人站立 時呈倒U形或拱門狀。
2) 主要由八個模塊組成，包括兩個I型關(guān)節(jié)模塊、四個T型關(guān)節(jié)模塊和兩個 足部模塊。模塊之間的連接和緊固通過在其兩端用卡環(huán)實現(xiàn)。機(jī)器人的構(gòu) 建簡單、方便和快速。
3) 機(jī)器人的雙足為圓環(huán)狀或輪式模塊，由具有一定彈性的圓周部分與地面接 觸，起緩沖吸振作用。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和效果
(1) 機(jī)器人的自由度少，只有六個，以很少的自由度實現(xiàn)主動步行，機(jī)器 人結(jié)構(gòu)和控制相對簡單；
(2) 本發(fā)明采用模塊化方法構(gòu)建機(jī)器人系統(tǒng)，主體只由兩種關(guān)節(jié)模塊組成， 構(gòu)建容易，設(shè)計、制造和維護(hù)簡單，成本較低；
(3) 本發(fā)明針對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可采用三種特殊的步行模式，包括扭轉(zhuǎn)步態(tài)、橫移步態(tài)和翻轉(zhuǎn)步態(tài)，具有控制簡單、實現(xiàn)容易、對環(huán)境的適應(yīng)性好、 越障能力強(qiáng)、能耗小特點(diǎn)；
(4) 本發(fā)明所創(chuàng)建的機(jī)器人本體實際上是個六自由度的機(jī)械臂， 一端固定 后另一端在其工作空間中可實現(xiàn)各種位姿，因而本機(jī)器人具有一定的操作功能；
(5) 本發(fā)明所創(chuàng)建的機(jī)器人只要加裝一個萬向輪，平放在地上調(diào)整一下位 形即可作為移動機(jī)器人使用。


圖1是本發(fā)明的機(jī)器人外觀圖2是本發(fā)明的機(jī)器人機(jī)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明的I型關(guān)節(jié)模塊外觀圖4是本發(fā)明的I型關(guān)節(jié)模塊剖面圖5是本發(fā)明的T型關(guān)節(jié)模塊外觀圖6是本發(fā)明的T型關(guān)節(jié)模塊剖面圖7是本發(fā)明的圓環(huán)狀足部模塊及其連接外觀圖8是本發(fā)明的圓環(huán)狀足部模塊及其連接的剖面圖9是本發(fā)明的機(jī)器人第一種步行模式一扭轉(zhuǎn)步態(tài)的俯視示意圖10是本發(fā)明的機(jī)器人第二種步行模式一橫移步態(tài)的示意圖11是本發(fā)明的機(jī)器人第三種步行模式一翻轉(zhuǎn)步態(tài)的示意圖。
具體實施例方式
為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步地描述，但本發(fā) 明的實施方式不限于此。
圖1和圖2分別示出了本發(fā)明構(gòu)建的機(jī)器人的外觀圖和機(jī)構(gòu)示意圖。如圖 所示，機(jī)器人有六個自由度，共有八個模塊。本體由六個關(guān)節(jié)模塊0-2和0-3組成，兩端各接一個足模塊0-l。各模塊依次以串聯(lián)方式連接，順序為足部一力 傳感器一i型關(guān)節(jié)一T型關(guān)節(jié)一T型關(guān)節(jié)一T型關(guān)節(jié)一T型關(guān)節(jié)一I型關(guān)節(jié)一力傳 感器一足部。中間為四個T型關(guān)節(jié)模塊0-3，中間用一個過渡套筒0-4調(diào)整連接 距離。各關(guān)節(jié)模塊之間用卡環(huán)0-4進(jìn)行連接?？ōh(huán)的內(nèi)環(huán)縱截面為凹的梯形槽， 卡環(huán)有個開口，開口部分穿過螺栓，擰緊卡環(huán)上的螺栓和螺母即可將相連的兩 個零件緊固連接。四個t型關(guān)節(jié)模塊0-3的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸互相平行，并與兩端的I 型關(guān)節(jié)模塊的關(guān)節(jié)軸垂直。它們構(gòu)成一個平面四桿機(jī)構(gòu)。通過同時改變此四個T 形關(guān)節(jié)的角位移可改變該平面四桿機(jī)構(gòu)的形狀進(jìn)而調(diào)整機(jī)器人的重心。機(jī)器人 直立時，兩個輪足的側(cè)面與地面接觸，兩個I型關(guān)節(jié)與地面垂直，機(jī)器人的構(gòu)型 呈倒立的u字，兩條腿是完全相同和對稱的。
如圖3和圖4所示分別為I型關(guān)節(jié)模塊的外觀圖和剖面圖。I型關(guān)節(jié)模塊的 轉(zhuǎn)軸與關(guān)節(jié)連桿的軸線重合或平行。零部件包括伺服電機(jī)及光電編碼器組件 1-1、關(guān)節(jié)套筒l-2、電機(jī)軸套l-3、電機(jī)座l-4、關(guān)節(jié)基座l-5、軸承端蓋l-6、 軸承座1—7、角接觸球軸承及外軸套1-8、軸承端蓋1-9、內(nèi)齒輪1-10、關(guān)節(jié)輸出 端連接件l-ll、過渡齒輪軸1-12、過渡齒輪1-13、諧波減速器輸出軸1-14、中 心齒輪1-15、小軸承端蓋1-16、軸套1-17、角接觸球軸承1-18、諧波減速器輸 出過渡盤1-19和盤式諧波減速器組件1-20。驅(qū)動電機(jī)為直流伺服電機(jī)，電機(jī)與 用于角位移和角速度檢測的光電編碼器集成，即電機(jī)軸后端直接連接光電編碼 器，成為伺服電機(jī)及光電編碼器組件1-1。電機(jī)的前端面與電機(jī)座l-4用螺釘(沿 軸向)相連接。電機(jī)外面的關(guān)節(jié)套筒l-2的一端套在電機(jī)座l-4上，并沿圓周方 向與電機(jī)座1-4用螺釘(沿徑向)相連接。電機(jī)座1-4與關(guān)節(jié)基座1-5也用螺釘 沿軸向緊固。電機(jī)的輸出軸與電機(jī)軸套l-3相連接，用兩個徑向頂絲緊固。電機(jī) 軸套1-3與諧波減速器1-20的波發(fā)生器相連接，通過一個直鍵傳遞運(yùn)動和動力。為了得到較小的關(guān)節(jié)模塊長度， 一級減速采用扁平盤狀的諧波減速器三大件 1-2，其中的輸入剛輪與電機(jī)座l-4用螺釘沿軸向緊固，輸出剛輪用螺釘沿軸向
與諧波減速器過渡圓盤l-19緊固連接，過渡圓盤l-19再用通過螺釘與諧波減速 器輸出軸1-14連接。波減速器輸出軸1-14通過一對角接觸軸承1-18支承于關(guān) 節(jié)基座1-5中，兩個軸承之間有內(nèi)圈套筒1-17， 一端用軸承套1-16定位和預(yù)緊。 波減速器輸出軸1-14的輸出端上安裝一個直齒輪作為中心齒輪1-15，通過對稱 的兩個直鍵傳遞運(yùn)動和動力。中心齒輪1-15與兩個對稱分布的過渡直齒輪1-13 嚙合。每個過渡直齒輪1-13通過內(nèi)孔中的軸承支承在其齒輪軸1-12上，而后者 (1-12)通過其上的螺紋固定安裝在關(guān)節(jié)基座1-5上。過渡直齒輪1-13與內(nèi)齒 輪1-10嚙合。內(nèi)齒輪1-10、軸承座1-7和關(guān)節(jié)輸出端連接件1-11三者通過軸向 螺釘連接緊固，成為關(guān)節(jié)模塊的最后輸出部件。這個輸出輸出部件通過一對角 接觸球軸承及外軸套1-8支承在關(guān)節(jié)基座1-5上。軸承端蓋1-6對這對角接觸球 軸承進(jìn)行軸向定位和預(yù)緊。該關(guān)節(jié)模塊的工作過程和運(yùn)動原理如下電機(jī)的輸 出軸驅(qū)使電機(jī)軸套1-3轉(zhuǎn)動，而電機(jī)軸套1-3又帶動諧波減速器1-20的波發(fā)生 器。諧波減速器l-20減速增力，通過輸出軸1-14將運(yùn)動和動力傳遞到中心齒輪 1-15上。中心齒輪1-15驅(qū)動兩個過渡齒輪1-13，進(jìn)而驅(qū)動內(nèi)齒輪I-IO。內(nèi)齒輪
1- 10與軸承座1-7和關(guān)節(jié)輸出端連接件1-11緊固，完成整個關(guān)節(jié)模塊的運(yùn)動和 動力的輸出。
如圖5和圖6所示分別為T型關(guān)節(jié)模塊的外觀圖和剖面圖。T型關(guān)節(jié)模塊 的轉(zhuǎn)軸與關(guān)節(jié)連桿的軸線互相垂直。零部件包括伺服電機(jī)及光電編碼器組件
2- 1、關(guān)節(jié)套筒2-2、電機(jī)座2-3、關(guān)節(jié)基座2-4、角接觸球軸承2-5、軸承套環(huán)2-6、 內(nèi)軸套2-7、小錐齒輪2-8、齒輪端蓋2-9、關(guān)節(jié)軸端蓋2-10、關(guān)節(jié)軸2-11、關(guān)節(jié) 蓋2-12、大錐齒輪2-13、關(guān)節(jié)連接件2-14、關(guān)節(jié)軸角接觸球軸承2-15、關(guān)節(jié)軸端蓋2-16、軸承端蓋2-17、軸承端蓋2-18、諧波減速器輸出軸2-19、諧波減速 器輸出過渡盤2-20、盤式諧波減速器組件2-21和電機(jī)軸套2-22。驅(qū)動電機(jī)為直 流伺服電機(jī)，電機(jī)與用于角位移和角速度檢測的光電編碼器集成，即電機(jī)軸后 端直接連接光電編碼器，成為伺服電機(jī)及光電編碼器組件2-l。電機(jī)的前端面與 電機(jī)座2-3用螺釘(沿軸向)相連接。電機(jī)外面的關(guān)節(jié)套筒2-2的一端套在電機(jī) 座2-3上，并沿圓周方向與電機(jī)座2-3用螺釘(沿徑向)相連接。電機(jī)座2-3與 關(guān)節(jié)基座2-4也用螺釘沿軸向緊固。電機(jī)的輸出軸與電機(jī)軸套2-22相連接，用 兩個徑向頂絲緊固。電機(jī)軸套2-22與諧波減速器2-21的波發(fā)生器相連接，通過 一個直鍵傳遞運(yùn)動和動力。為了得到較小的關(guān)節(jié)模塊長度， 一級減速采用扁平 盤狀的諧波減速器三大2-21，其中的輸入剛輪與電機(jī)座2-3用螺釘沿軸向緊固， 輸出剛輪用螺釘沿軸向與諧波減速器過渡圓盤2-20緊固連接，過渡圓盤2-20再 用通過螺釘與諧波減速器輸出軸2-19連接。波減速器輸出軸2-19通過一對角接 觸軸承2-5支承于關(guān)節(jié)基座2-4中，兩個軸承之間有軸承套2-6， 一端用軸承套 2-18進(jìn)行軸向定位和預(yù)緊。波減速器輸出軸2-19的輸出端上安裝一個小錐齒輪 2-8，通過對稱的兩個直鍵傳遞運(yùn)動和動力，用齒輪端蓋2-9作軸向鎖緊。小錐 齒輪2-8與角接觸軸承2_5之間用內(nèi)軸套2-7作軸向間隔。小錐齒輪2-8與大錐 齒輪2-13嚙合，而后者安裝于關(guān)節(jié)軸2-11上，通過一對直鍵傳遞運(yùn)動和動力。 關(guān)節(jié)軸2-11用一對角接觸球軸承2-15支承于關(guān)節(jié)基座2-4上，兩個軸承端蓋2-17 對角接觸球軸承2-15進(jìn)行軸向定位和預(yù)緊。關(guān)節(jié)軸2-11兩端通過兩個端蓋2-10 與關(guān)節(jié)連接件2-14固連，并用端蓋2-16進(jìn)行軸向定位和鎖緊。該關(guān)節(jié)模塊的工 作過程和運(yùn)動原理如下電機(jī)的輸出軸驅(qū)使電機(jī)軸套2-22轉(zhuǎn)動，而電機(jī)軸套2-22 又帶動諧波減速器2-21的波發(fā)生器。諧波減速器2-21減速增力，通過輸出軸2-19 將運(yùn)動和動力傳遞到小錐齒輪2-8上。小錐齒輪2-8驅(qū)動大錐齒輪2-13，實現(xiàn)了運(yùn)動方向的90度改變。大錐齒輪2-13將運(yùn)動和動力傳遞到關(guān)節(jié)軸2-11，而后者 與關(guān)節(jié)軸端蓋2-10固接，將運(yùn)動和動力傳遞到關(guān)節(jié)連接件2-14。整個關(guān)節(jié)模塊 的運(yùn)動和動力通過關(guān)節(jié)連接件2-14輸出。
如圖7和圖8所示為足部模塊及其連接部分的外觀圖和剖面圖。以小車輪 作為圓環(huán)狀的足，輪足模塊包括輪足3-l、輪軸3-2、六維力/力矩傳感器3-3和 連接過渡件3-4組成。輪軸3-2穿過輪足3-l輪轂的中心孔，在軸端用墊片和螺 母緊固；另一頭的端面與一個力/力矩傳感器3-3的端面用螺釘連接和緊固。力/ 力矩傳感器3-3的另一端面也用螺釘與套筒狀的連接過渡件3-4固連。足部的圓 環(huán)部分為橡膠或泡沫塑料，具有一定的彈性，與地面平行和接觸，起緩沖和吸 振作用，保護(hù)機(jī)器人免受大沖擊。所述力/力矩傳感器為外購件，六維，用于檢 測沿傳感器坐標(biāo)系x， y， z三軸的力和繞x， y， z三軸的力矩。
本發(fā)明的雙足機(jī)器人有多種步態(tài)即多種步行模式，如圖9、 10和11所示。 如圖9所示為扭轉(zhuǎn)步態(tài)(俯視圖，圓形代表足部位置)，圖中的數(shù)字是動作順序 號。其具體步驟為l)上端的四個T型關(guān)節(jié)T1 T4驅(qū)動由它們構(gòu)成的平面四桿 機(jī)構(gòu)運(yùn)動，將機(jī)器人的質(zhì)心或ZMP (零力距點(diǎn))調(diào)整到支撐腳形成的支撐面內(nèi) (例如圖中序號為2的左腳)；2)上端的四個T型關(guān)節(jié)繼續(xù)運(yùn)動，將另一只腳 (游動腳，例如圖中序號為1的右腳)抬離地面；3)支撐腳的踝關(guān)節(jié)(例如I 型關(guān)節(jié)II)轉(zhuǎn)動使機(jī)器人繞垂直地面的踝關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動，使游動腳的位置發(fā)生改 變(例如從圖中序號為1的右腳位置到序號為3的右腳位置)；4)上端的四個T 型關(guān)節(jié)運(yùn)動，將游動腳放到地面；5)支撐腳和游動腳的角色互換，重復(fù)上面的 步驟，兩足的前后順序改變，機(jī)器人即可實現(xiàn)前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、拐彎和上下 樓梯等各種步行動作。
如圖10所示為橫移步態(tài)(側(cè)視圖)，圖中數(shù)字是動作順序號。其具體步驟為1)上端的四個T型關(guān)節(jié)T1 T4驅(qū)動由它們構(gòu)成的平面四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動，將機(jī) 器人的質(zhì)心或ZMP (零力距點(diǎn))調(diào)整到支撐腳形成的支撐面內(nèi)；2)上端的四個 T型關(guān)節(jié)繼續(xù)運(yùn)動，將另一只腳(游動腳)抬離地面，并使之向前或向后移動， 必要時支撐腳(例如I型關(guān)節(jié)Il)扭轉(zhuǎn)以改變行走方向；3)上端的四個T型關(guān) 節(jié)繼續(xù)運(yùn)動，將游動腳放到地面；4)支撐腳和游動腳的角色互換，兩足的前后 順序不變，重復(fù)上面的步驟，機(jī)器人即實現(xiàn)各種步行動作。
如圖11所示為翻轉(zhuǎn)步態(tài)(側(cè)視圖)，圖中數(shù)字是動作順序號，其具體步驟 為1)上端的四個T型關(guān)節(jié)T1 T4驅(qū)動其四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動，將機(jī)器人的質(zhì)心或 ZMP (零力距點(diǎn))調(diào)整到支撐腳形成的支撐面內(nèi)；2)上端的四個T型關(guān)節(jié)繼續(xù) 轉(zhuǎn)動，將另一只腳(游動腳)抬離地面、升高，繞支撐腳上端的T型關(guān)節(jié)翻轉(zhuǎn)， 必要時支撐腳(例如I型關(guān)節(jié)Il)扭轉(zhuǎn)以改變行走方向；3)上端的四個T型關(guān) 節(jié)作繼續(xù)運(yùn)動，將游動腳下降、放到地面；4)支撐腳和游動腳的角色互換，重 復(fù)上面的步驟，兩足的前后順序改變，機(jī)器人實現(xiàn)各種步行動作。
權(quán)利要求
1、一種模塊化的六自由度主動關(guān)節(jié)型雙足步行機(jī)器人，該機(jī)器人具有六個主動關(guān)節(jié)，包括兩個I型關(guān)節(jié)和四個T型關(guān)節(jié)，所述I型關(guān)節(jié)是指只有一個轉(zhuǎn)動自由度且關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與連桿軸線重合或平行的關(guān)節(jié)，所述T型關(guān)節(jié)是指只有一個轉(zhuǎn)動自由度且關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與連桿軸線垂直的關(guān)節(jié)，其特征在于該機(jī)器人由兩個I型關(guān)節(jié)模塊、四個T型關(guān)節(jié)模塊和兩個足部模塊組成，關(guān)節(jié)模塊采用串聯(lián)方式通過卡環(huán)依次連接，順序從一端到另一端為I型關(guān)節(jié)模塊-T型關(guān)節(jié)模塊-T型關(guān)節(jié)模塊-T型關(guān)節(jié)模塊-T型關(guān)節(jié)模塊-I型關(guān)節(jié)模塊，兩端的I型關(guān)節(jié)模塊再分別與兩個足部模塊通過卡環(huán)連接，四個T型關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸互相平行，并與兩端的I型關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸互相垂直，機(jī)器人站立時呈倒U形，I型關(guān)節(jié)模塊與地面垂直；所述足部模塊為圓環(huán)狀或輪式，其端面與地面接觸。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化的六自由度主動關(guān)節(jié)型雙足步行機(jī)器人， 其特征在于所述I型關(guān)節(jié)模塊包括伺服電機(jī)及光電編碼器組件(1-1)、關(guān)節(jié)套筒(1-2)、電機(jī)軸套(1-3)、電機(jī)座(1-4)、關(guān)節(jié)基座(1-5)、軸承端蓋(1-6)、 軸承座(1-7)、角接觸球軸承及外軸套(1-8)、軸承端蓋(1-9)、內(nèi)齒輪(1-10)、 關(guān)節(jié)輸出端連接件(1-11)、過渡齒輪軸(1-12)、過渡齒輪(1-13)、諧波減速 器輸出軸(1-14)、中心齒輪(1-15)、小軸承端蓋(1-16)、軸套(1-17)、角接 觸球軸承(1-18)、諧波減速器輸出過渡盤(1-19)和盤式諧波減速器組件(1-20)， 各零部件的連接方式為伺服電機(jī)及光電編碼器組件(1-1)與電機(jī)座(1-4)通 過軸向螺釘緊固；電機(jī)軸通過電機(jī)軸套(1-3)與盤式諧波減速器組件(1-20) 的波發(fā)生器間接相連；盤式諧波減速器組件U-20)的輸入和輸出剛輪通過軸向 螺釘分別與電機(jī)座(1-4)和諧波減速器輸出過渡盤(1-19)緊固連接，而后者(1-19)再用軸向螺釘與諧波減速器輸出軸(1-14)緊固連接；關(guān)節(jié)套筒(1-2) 套在電機(jī)座(1-4)上并沿圓周方向用徑向螺釘緊固；電機(jī)座(1-4)通過軸向螺 釘與關(guān)節(jié)基座(1-5)緊固連接；軸承座(1-7)通過角接觸球軸承及外軸套(1-8) 支承于關(guān)節(jié)基座(1-5)上；角接觸球軸承及外軸套(1-8)通過軸承端蓋(1-6) 定位和施加預(yù)緊力；諧波減速器輸出軸(1-14)通過兩個鍵與中心齒輪(1-15)連接，而中心齒輪(1-15)又與對稱分布的兩個過渡齒輪(1-13)嚙合；兩個過渡齒輪軸(1-12)通過其上的螺紋與關(guān)節(jié)基座(1-5)緊固連接，并通過軸承與過渡齒輪(1-13)連接；兩個過渡齒輪(1-13)與內(nèi)齒輪(1-10)嚙合；內(nèi)齒輪(1-10)、關(guān)節(jié)輸出端連接件(1-11)和軸承座(1-7)三者通過軸向螺釘緊固連接。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化的六自由度主動關(guān)節(jié)型雙足步行機(jī)器人， 其特征在于所述T型關(guān)節(jié)模塊包括伺服電機(jī)及光電編碼器組件(2-1)、關(guān)節(jié)套 筒(2-2)、電機(jī)座(2-3)、關(guān)節(jié)基座(2-4)、角接觸球軸承(2-5)、軸承套環(huán)(2-6)、 內(nèi)軸套(2-7)、小錐齒輪(2-8)、齒輪端蓋(2-9)、關(guān)節(jié)軸端蓋(2-10)、關(guān)節(jié)軸(2-11)、關(guān)節(jié)蓋(2-12)、大錐齒輪(2-13)、關(guān)節(jié)連接件(2-14)、關(guān)節(jié)軸角接 觸球軸承(2-15)、關(guān)節(jié)軸端蓋(2-16)、軸承端蓋(2-17)、軸承端蓋(2-18)、 諧波減速器輸出軸(2-19)、諧波減速器輸出過渡盤(2-20)、盤式諧波減速器組 件(1-21)和電機(jī)軸套(2-22)，各零部件的連接方式為伺服電機(jī)及光電編碼 器組件(2-1)與電機(jī)座(2-3)通過軸向螺釘緊固；電機(jī)軸通過電機(jī)軸套(2-22) 與盤式諧波減速器組件(2-21)的波發(fā)生器間接相連；盤式諧波減速器組件(2-21) 的輸入和輸出剛輪通過軸向螺釘分別與電機(jī)座(2-3)和諧波減速器輸出過渡盤(2-20)緊固連接，而諧波減速器輸出過渡盤(2-20)再用軸向螺釘與諧波減速 器輸出軸(2-19緊固連接；關(guān)節(jié)套筒(2-2)套在電機(jī)座(2-3)上并沿圓周方向 用徑向螺釘緊固；電機(jī)座(2-3)通過軸向螺釘與關(guān)節(jié)基座(2-4)緊固連接；諧 波減速器輸出軸(2-19)通過角接觸球軸承及軸承套環(huán)(2-5)和(2-6 )支承 于關(guān)節(jié)軸承座(2-4)內(nèi)，輸出端與小錐齒輪(2-8)連接，用齒輪端蓋(2-9) 緊固；小錐齒輪(2-8)與角接觸球軸承(2-5)之間通過內(nèi)軸套(2-7)作軸向 間隔；小錐齒輪(2-8)與大錐齒輪(2-13)嚙合，而后者安裝于關(guān)節(jié)軸(2-11) 上；關(guān)節(jié)軸(2-11)用角接觸球軸承(2-15)支承于關(guān)節(jié)基座(2-4)上，兩端 通過關(guān)節(jié)軸端蓋(2-10)與關(guān)節(jié)連接件(2-14)固連。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化的六自由度主動關(guān)節(jié)型雙足步行機(jī)器人， 其特征在于所述足部模塊由輪足(3-1)、輪軸(3-2)、六維力/力矩傳感器(3-3)和連接過渡件(3-4)組成，輪軸(3-2)穿過輪足(3-1)的中心孔，在軸端用 墊片和螺母緊固；另一頭的端面與力/力矩傳感器(3-3)的端面用螺釘連接和緊 固；力/力矩傳感器(3-3)的另一端面則與連接過渡件(3-4)用螺釘連接和緊固。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的模塊化的六自由度主動關(guān)節(jié)型雙足步行機(jī)器人， 其特征在于所述機(jī)器人的重心或零力矩點(diǎn)通過上端四個T型關(guān)節(jié)運(yùn)動改變關(guān)節(jié) 連桿構(gòu)成的四桿機(jī)構(gòu)的形狀進(jìn)行調(diào)整，雙足步行通過三種步態(tài)實現(xiàn)，這三種步 態(tài)包括扭轉(zhuǎn)步態(tài)、橫移步態(tài)和翻轉(zhuǎn)步態(tài)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種模塊化的六自由度主動關(guān)節(jié)型雙足步行機(jī)器人。該機(jī)器人主要由六個關(guān)節(jié)模塊和兩個圓環(huán)狀足組成。每個關(guān)節(jié)模塊具有一個轉(zhuǎn)動自由度，由直流伺服電機(jī)驅(qū)動。關(guān)節(jié)模塊有兩種型式，其關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸分別與關(guān)節(jié)連桿軸線平行和垂直，各稱為I型和T型。各模塊依次按串聯(lián)方式連接，順序為足部-I型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-T型關(guān)節(jié)-I型關(guān)節(jié)-足部。中間四個T型關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸互相平行，并與兩端I型關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)軸垂直。該機(jī)器人的步行模式有多種，包括扭轉(zhuǎn)步態(tài)、橫移步態(tài)和翻轉(zhuǎn)步態(tài)。所發(fā)明的機(jī)器人具有自由度少、主動步行、結(jié)構(gòu)和控制簡單、對環(huán)境的適應(yīng)性好、越障能力強(qiáng)、能耗小等特點(diǎn)，可廣泛用于搬運(yùn)、探測和救災(zāi)等作業(yè)。
文檔編號B62D57/032GK101423075SQ20081021982
公開日2009年5月6日 申請日期2008年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月9日
發(fā)明者張憲民, 勵 江, 管貽生 申請人:華南理工大學(xué)