基本信息
- 项目名称：
- 基于闭环运动链的两足行走机构
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品通过对比开环与闭环运动链的优缺点，设计出一种新型的基于闭环运动链形式的两足行走机构。该行走机构由平台和两条腿组成，两条腿具有相同的闭环形式运动链，每一条腿有两个自由度；通过控制相应的驱动电机，可实现脚的抬起和落下运动，通过协调两腿的运动，可实现机构的站起、下蹲、俯仰以及行走、跑动、转弯、跳跃运动。
- 详细介绍：
- 机器人技术作为信息技术和先进制造技术的典型代表和主要技术手段，已成为世界各国竞相发展的技术。研制具有人类外观特征，可以模拟人类行走与基本操作功能的类人型机器人，一直是人类的梦想之一，而双足步行机器人属于模拟人类行走的机器人。步行机器人技术涉及仿生学、机构学、传感技术及信息处理技术等综合技术，无论是医疗康复的应用研究，还是航天科技的探测器，甚至日常生活的玩具都能够见到步行机器人的身影，步行机器人对人们生活的影响正日益增大，对步行机器人的研究也更加深入。双足行走机器人具有仿人的外形和行走方式、广泛的社会应用前景和多学科的融合等特点，是机器人研究领域中的一个热门方向，世界各国学术界及工程界都在这方面进行了深入的研究工作。 双足行走机构作为类人机器人的主要结构部分，其研究意义主要有以下几个方面：1) 希望研制出双足行走机构，使它们能在许多结构和非结构环境中行走，以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领域；2) 希望更多得了解和掌握人类的步行特性，并利用这些特性更好地为人类服务，例如：人造假肢、医疗康复器械。另外双足行走系统具有丰富的动力学特性，在这方面的研究可以拓宽力学及机器人的研究方向。由此可以看出，对双足行走机构的研究具有重要的基础性作用。 通过查阅相关文献及专利，目前双足行走机构的主要形式为开环运动链形式，其机构驱动方式均采用的是串联驱动方式。如图1所示。 图1基于开环运动链形式的双足行走机构 此类型的双足行走机构，对于每一条腿而言由于采用是串联驱动的方式，这样腿部的每一个关节连接部位都有一个相应的内置驱动电机来带动，在这种情况下，所有驱动电机的重量对每条腿来说都是很大的负载，这样在机构行走时，如此大的负载大大增加了腿部的运功惯性，就在很大程度上降低了机构行走的灵活性。另一方面，随着步行机器人应用领域的拓展，对机器人的行走机构的速度、刚度、承载能力等特点有了更高的要求，这样一来，基于开环运动链形式的双足行走机构往往很难达到设计要求。再者，从控制的角度来看，给定行走机构的步态轨迹就可以通过控制关节的驱动电机来实现机构的运动，而根据步态轨迹来计算各关节变量的过程就是求机构位置反解的过程。这样在步行机构控制分析和步态规划时就要对机构的位置反解进行求解，而基于开环运动链形式两足行走机构其位置正解较简单，但是其位置反解却非常复杂繁琐，这就对控制系统的研制提出了很高的要求。 综上所述，针对基于开环运动链形式的两足行走机构的不足和缺点，本作品通过对比开环与闭环运动链的优缺点，设计出一种新型的基于闭环运动链形式的两足行走机构，如图2-4所示。该行走机构由平台和两条腿组成，两条腿具有相同的闭环形式运动链，每一条腿有两个自由度；通过控制相应的驱动电机，可实现脚的抬起和落下运动，通过协调两腿的运动，可实现机构的站起、下蹲、俯仰以及行走、跑动、转弯、跳跃运动。 图3 行走机构的左视图 图4 行走机构的主视图 通过上图可以看出，基于闭环运动形式的两足行走机构所采用的驱动方式为并联驱动，这样就可以把机构腿部的所有驱动电机全部置于平台上，大大减少了腿部的运动惯性，提高了机构行走的灵活性。另外闭环形式的运动链其位置反解非常简单，甚至可以得到其位置反解的解析表达，这就显著地简化了机构的控制分析和步态规划的手续，易于控制系统的构建。 现结合图5对行走机构的具体实施过程简述： 本项目所提出的基于闭环运动链的两足行走机构包括平台(1)、电机一(2)、电机二(3)、转动副一(4) 、转台一(5)、转台二(18)、腿一(Ⅰ)和腿二(Ⅱ)；腿一(Ⅰ)和腿二(Ⅱ)具有相同的结构，且为闭环运动链形式，腿一(Ⅰ)由电机三(6)、主动臂一(7)、辅助臂一(8)、铰链一(9)、从动臂一(10)、辅助臂二(11)、脚(12)、辅助臂三(13)、从动臂二(14)、铰链二(15)、主动臂二(16)、电机四(17)组成。其中电机一(2)、电机二(3)分别控制腿二(Ⅱ)和腿一(Ⅰ)的转向运动，以实现机构的转弯运动；对于腿一(Ⅰ)，通过控制电机三(6)、电机四(17)分别带动主动臂一(7)、主动臂二(16)转动，从而实现脚(12)的抬起及落地运动，腿二(Ⅱ)的控制实现与腿一(Ⅰ)相似。通过协调控制腿一(Ⅰ)和腿二(Ⅱ)的驱动电机和电机一(2)、电机二(3)，可实现行走机构的下蹲、站起、行走、转弯、跑动和跳跃运动。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 相对于目前已有的双足行走机构，本项目提出的新型双足行走机构的创新点主要在以下几个方面： 1、构型创新，基于闭环运动链形式的双足行走机构，具有刚度大、承载能力强、速度快、运动灵活、位置反解简单、易于控制等优点； 2、在实现相同的运动功能的前提下，此类型双足行走机构所使用的电机比开环运动链形式的行走机构少，这一方面减少了机构的本身负载，另一方面亦简化了控制系统。 技术关键 本项目的技术关键主要集中在机构的设计和控制系统的搭建两个方面；机构设计方面：形成闭环形式的运动链，保持脚在离开和接触地面时要与地面保持平行状态，机构运动学设计，根据所要实现的运动形式，对机构的结构、尺度参数等进行优化设计；控制方面：通过前期运动学设计及行走路径规划，选在合适的驱动电机及控制系统，实现机构所预期的运动。 主要技术指标 1、可实现的运动形式：直行、转弯、站起、下蹲、跑动、跳跃； 2、机构直行跨步能力：所设计机构可实现300mm步幅以内的直行。 3、机构行走的稳定能力：在机构直行时，可始终实现平台的水平运动。 4、机构负载能力：由于应用和闭环运动链形式的双腿，机构具有较大的承载刚度，使得负载/自重比大大提高； 5、强健的控制系统，控制机构实现所期望的运动形式。
科学性、先进性
- 基于闭环运动链形式的双足行走机构，与传统的开环运动链形式的类人型双足行走机构相比，在机构方面具有刚度大、精度高等特点；另外由于传统形式的行走机构在每一个关节处都要内置相应的驱动电机，这就大大加大了机构腿部的重量，在机构行走时增大了腿部的运动惯性，影响了机构运动的灵活性，而闭环运动链形式的双足行走机构可将所有的驱动电机全部置于平台上，这样此类型的行走机构具有更加灵活的运动特性及动态特性。 另外在机构的运动学设计方面，闭环形式的双足行走机构的控制完全可实现机构的在线实时控制，且具有很高的控制精度。 再者，闭环运动链形式的行走机构所使用的电机比开环运动链形式的行走机构少，这一方面减少了机构的本身负载，另一方面亦简化了控制系统。换句话说，使用同样数目的驱动电机，前者要比后者可实现更多的运动形式。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 样机制作，本体机构已经制作完成，正在控制系统调试。
技术转让方式
- 专利转让、技术合作
作品可展示的形式
- 实物、产品、现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 相对于目前传统的双足行走机构，本项目所提出的闭环运动链形式的双足行走机构，可将腿部的所有驱动电机置于运动平台上，大大减少了腿在行走时的运动惯性、可有效提高机构运动的灵活性，该机构不仅有很好的行走、转弯能力，而且还能实现跑动、跳跃运动，并且机构简单、运动灵活、易于控制，闭环运动链形式的腿结构，具有承载力大、刚性好等特点，能以尽可能少的驱动电机，实现多种运动形式，环境适应性强，能广泛应用于不同场合的行走机构。 具有非常广阔的应用范围和应用前景。
同类课题研究水平概述
- 机器人是一种典型的机电一体化产品，仿人型机器人是机器人研究领域的热点。研究仿人型机器人需要结合机械、电子、信息论、人工智能、生物学以及计算机等诸多学科知识，同时其自身的发展也促进了这些学科的发展。双足步行机器人是仿人型机器人的一种。 研究双足步行机器人的原因和目的，主要有以下几个方面：希望研制出双足步行机构，使它们能在许多结构和非结构环境中行走，以代替人进行作业或延伸和扩大人类的活动领域；希望更多得了解和掌握人类得步行特性，并利用这些特性为人类服务，例如：人造假肢。双足步行系统具有丰富的动力学特性，在这方面的研究可以拓宽力学及机器人的研究方向；双足步行机器人可以作为一种智能机器人在人工智能中发挥重要的作用。 目前针对两足行走机构的研究相对于机构本身而言，其控制策略的研究占据了很大的比例，从机构学的角度看，目前除了类人型双足机器人行走机构外，一直没有其它的行走效果显著的双腿行走机构问世。现有的技术中，类人型两足行走机构为实现行走、转弯、下蹲\站起、跑动、跳跃等动作，就需增加相应的关节自由度，也就意味着使用更多的驱动电机，这一方面增加了机构腿部的负载，使得其运动惯性加大，降低了机构运动的灵活性，另一方面，使得机构的设计、制造、维护及控制成本都大幅增加。因此，如何设计出结构简单、满足运动需要的行走机构对于机构研究人员来说，是一项急需解决的工作。 在此背景中，项目提出的基于闭环运动链形式的两足行走机构，改变了传统的两足行走机构必须类似人腿结构的思维定势，为新型行走机构的创新设计提出了可行的解决方案。
