一种两足气垫靴式步行机器人及其行走方法

摘要

本发明涉及一种机器人的行走机构及其行走方法，一种两足气垫靴式步行机器人，在髋部板(9)的两侧配置摆动大腿(3)，摆动大腿(3)的下端连摆动小腿(5)，摆动小腿(5)的下端以球铰(18)结构连接气垫靴(6)；在摆动大腿(3)和摆动小腿(5)之间设置可控插销(4)，所述摆动小腿(5)的下部伸出支撑横杆(11)，在支撑横杆(11)和顶层硬板(17)之间设置至少一根竖直弹簧(12)；所述气垫靴(6)的结构是在顶层硬板(17)的下部配置柔性围裙(15)，在顶层硬板(17)的上方设置由鼓气风机电机(13)驱动的鼓气风机(14)；机器人的行走方法以分解动作方式提供和限止了动作特征。本发明机器人结构简单，两腿自由度少，控制单元要求低；行走过程中均两足承受载荷，行走稳定性好；接地比压小对复杂地面有更好包容性，能量利用效率高。

说明书

技术领域

本发明涉及一种机器人的行走机构及其行走方法，尤其是一种以气垫靴方 式行走的机器人步行结构及其行走方法。

背景技术

迄今为止，在步行机器人的研究领域，大都采用多关节、多自由度的仿人 型结构，且其在行进过程中均是通过控制腿的关节的运动继而实现腿的摆动来 完成机器人的移动，这就导致了现有两足步行机器人结构复杂、控制难度大、 稳定性差且能量利用效率低等问题。同时传统的两足机器人在行进过程中单足 着地，接地比压大，无法通过松软地面。因此，针对以上不足，需要技术上的 进步来实现两足步行机器人的控制稳定性和通过性问题。

经过对现有的技术文献检索发现：

中国实用新型专利号：200920105112.8，名称：一种三杆两足步行机构。 该实用新型结构简单，将动力机安装在其中一足之上，通过转动副驱动中间连 杆做回转运动，这样只用一个动力机驱动实现两足接地步行，解决了现有两足 步行机器人结构复杂、控制难度大的问题，但是，该技术依然存在单脚着地， 行走稳定性不够的问题，而且也没有考虑松软地面上的通过性问题。

中国发明专利申请号：201210554495.3，名称：一种两足步行机器人。该 两足步行机器人的每条腿具有自由度髋关节、自由度膝关节、自由度踝关节。 可以在斜坡，阶梯等复杂路面下实现行走、攀爬、转弯等多种驱动前进方式。 但是，该技术的每条腿需要单独控制，结构复杂，自由度多，不利于保持稳定， 同时也没有考虑松软地面上的行走问题。

中国发明专利申请号：201010109042.0，名称：气垫式步行车。该气垫式 步行车包括前中后机械足各两条，分两排并列分布在车体左右两侧，各足结构 相同，同时设计还包括驱动电机、控制机构、密封气室、加压风机、鼓气风机 电机和摄像头等。但是，该气垫式步行车需要六条腿进行移动，考虑了松软地 面上的通过性问题但不具有良好的控制性能。

从以上可知，经文献检索，并未发现对于两足气垫靴式步行机器人的相关 研究成果。因此，气垫技术在两足步行机器人领域的应用，可以创新性地为今 后双足步行机器人的行走机构提供一个新的合理的解决方案。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种两足步行机器人，可以 实现在松软地面上的行走，行走稳定性好，结构简单，自由度少，控制难度小。

本发明的目的由如下技术方案实现。

一种两足气垫靴式步行机器人，其特征在于：

在髋部板的左、右两侧配置可前后摆动的杆状摆动大腿，摆动大腿的下端 连接可前后转动的杆状摆动小腿，摆动小腿的下端以球铰结构连接气垫靴上表 面的顶层硬板；

在摆动大腿和摆动小腿之间设置可控插销，所述可控插销有插入锁紧和释 放两状态，插入锁紧状态可限止两杆件相互转动，保持在一直线或一定角度， 释放状态两杆件可相互转动；

所述摆动小腿的下部伸出支撑横杆，在支撑横杆和顶层硬板之间设置至少 一根竖直弹簧；

所述气垫靴的结构是在顶层硬板的下部配置柔性围裙，在顶层硬板的上方 设置由鼓气风机电机驱动的鼓气风机；鼓气风机工作对所述气垫靴充气，柔性 围裙向上膨胀抬起，并与地面形成一定的气隙；鼓气风机停止工作所述气垫靴 放气，柔性围裙向下收缩落下；

在所述髋部板上配置可驱动所述摆动大腿前后摆动的驱动电机，在所述髋 部板上还配置控制单元；

所述控制单元可控制鼓气风机的充气和停止；可控制摆动大腿的摆动或静 止；可控制可控插销的锁紧或释放。

进一步，所述气垫靴的柔性围裙呈上小下大形状，且由上至下设置若干相 应规格的环形卡环。

进一步，所述球铰结构为一个万向节结构，固定连接在摆动小腿下端与气 垫靴顶层硬板之间，所述支撑横杆呈圆环状，所述摆动小腿杆件位于圆环中央， 所述竖直弹簧为一个直径大于摆动小腿杆件的管状弹簧。

进一步，所述球铰结构为一个圆球设置在摆动小腿下端与气垫靴顶层硬板 之间两个浅凹窝中，所述支撑横杆为在摆动小腿前、后方向各伸出的水平板， 所述竖直弹簧为在前、后的水平板下方分别配置竖直的拉簧。

进一步，在所述髋部板外围配置环状的髋部环，所述髋部环为圆形的或者 矩形的金属环。

进一步，在所述髋部板左、右两侧配置摆动大腿的位置再分别配置可前后 摆动的摆臂，一侧摆臂的摆动方向与同侧的摆动大腿摆动方向相反，对另一侧 的摆动大腿摆动方向相同。

进一步，所述气垫靴横截面形状为圆形或椭圆形或长腰形。

进一步，在所述摆动大腿与髋部板的连接处配置弹性垫圈。

一种如前述技术方案所述两足气垫靴式步行机器人的行走方法，其特征在 于：所述机器人周而复始以如下动作行走：

第Ⅰ动作：两侧鼓气风机不工作，两侧气垫靴不充气，柔性围裙收缩，两 侧可控插销锁紧，两侧髋部板上的驱动电机不工作，，两侧摆动大腿连同摆动 小腿呈垂直状直立；

第Ⅱ动作：其中一侧鼓气风机工作对所述气垫靴充气，柔性围裙向上膨胀 抬起，同侧可控插销打开，同侧髋部板上的驱动电机工作，同侧摆动大腿向前 摆动，与同侧摆动小腿形成一定夹角，直至柔性围裙膨胀至最高位置下部形成 气隙，此时可控插销锁紧将此动作定义为抬腿动作；

第Ⅲ动作：同侧鼓气风机继续工作，使所述气垫靴下部维持形成气隙，同 侧驱动电机继续工作，同侧摆动大腿继续向前摆动至设定距离，另一侧摆动大 腿连同摆动小腿呈直线状向前倾斜，髋部板高度降低，将此动作定义为跨腿动 作；

第Ⅳ动作：同侧鼓气风机不工作，所述气垫靴收缩，同侧驱动电机不工作， 同侧摆动大腿无动力约束，可控插销打开，同侧摆动大腿逐渐向下恢复至与摆 动小腿呈直线状，将此动作定义为落腿动作；

此后，另一侧重复第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ动作使两腿重新合并直立完成一步行走。

进一步，在一侧摆动大腿向前摆动的同时，另一侧的摆臂与之同步向前摆 动。

本发明工作时：左右腿按程序依次交替向前摆动，如左腿先向前移动一定 的距离，右腿再向前移动相同的距离，或者向前移动两倍的距离，完成机器人 整体向前的移动。并且当其中一条腿向前移动工作时，另一条腿与地面保持相 对静止状态。如左腿工作时，右腿与地面保持静止，不发生相对滑动，反之亦 然。

为了更清楚理解本发明机器人的行走方法，也可以从机器人的抬腿、移步 和落地三个动作进行分解解释，在机器人向前移动的过程中，以左腿为例，需 要依次完成如下动作：

第一步，抬腿动作。机器人接通电源后，根据控制单元发出的控制信号， 左侧的鼓气风机电机工作，向左侧气垫靴充入加压气体，气垫充气膨胀。气垫 靴整体由气垫升力抬起，在抬腿动作前后，可控插销锁紧使得腿部起支撑作用； 在抬腿动作过程中，可控插销打开使得摆动大腿和摆动小腿之间的“膝关节” 可自由弯曲。

第二步，移步动作。左侧髋部板上的驱动电机工作，使得左侧摆动大腿、 摆动小腿向前摆动，带动左侧气垫靴向前移动。当移动到一个合适的位置时， 驱动电机停止工作，移动的距离即为一个步长。在跨腿动作过程中，鼓气风机 电机保持工作，可控插销锁紧。

第三步，落腿动作。可控插销打开，鼓气风机电机停止工作，气垫升力消 失，气垫收缩，完成落腿动作，随后可控插销继续锁紧使得腿部起支撑作用。

此时右侧的气垫靴不充气，右侧的可控插销仍锁紧，摆动大腿和摆动小腿 在一直线上，起支撑作用。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种两足步行机器人，包括：气垫靴、鼓气风机、鼓气风机电机、弹 簧机构、摆动大腿、可控插销、摆动小腿、摆臂、髋部环、驱动电机、电源和 控制单元，其中摆动大腿与摆动小腿共同构成摆动腿，并通过可控插销连接； 整个腿部结构一端与髋部板通过转轴相连，另一端与气垫靴通过球铰和弹簧机 构相连，既可以支撑，又可在一定角度范围摆动，鼓气风机置于气垫靴上，通 过控制鼓气风机电机完成气垫靴充气、放气等操作；驱动电机与摆动大腿相连， 通过控制驱动电机完成机器人腿的摆动；膝关节处装有可控插销，气垫靴抬升 和下降时插销打开，其它时候插销锁紧使得腿起支撑作用；控制单元安装在髋 部环内的髋部板上，电源可以外接。

所述的摆动腿使用材料需有足够的刚度，其横截面可以是正方形、长方形 或圆形。

所述的摆臂与摆动腿选取相同的材料，安装在髋部板两侧，并通过机械结 构与对侧腿相连，实现手臂和腿的自动反向运动，来抑制机器人在摆腿过程中 身体的扭转，保持平衡。

所述的气垫靴包括：顶层硬板和柔性围裙，其上安装有鼓气风机和鼓气风 机电机。其中顶层硬板材料可以为铝合金或其他材料，其上设有进气口，与鼓 气风机相连。柔性围裙分三层或多层设计，上小下大，并在三层围裙之间设置 卡坏。气垫靴横截面形状可以是圆形、椭圆形或其它形状。

本发明的弹簧机构包括支撑横杆、弹簧和球铰可以采用如下两种结构：

其一，球铰为一个圆球设置在摆动小腿与气垫靴之间两个浅凹窝中，所述 弹簧为拉簧，拉紧固定在摆动小腿的支撑横杆与气垫靴顶层硬板之间。

其二，球铰为一个万向节结构，固定连接在摆动小腿下端与气垫靴顶层硬 板之间，所述弹簧为支撑弹簧。

所述的髋部板：驱动电机安装在髋部板上，驱动摆动大腿的摆动，髋部板 可设置于有固定形状圆环的髋部环内，驱动电机和控制单元配置在髋部环内， 髋部的外形更好，而且便于摆动大腿的安装。

所述的控制单元包括：鼓气风机控制单元、驱动电机控制单元和可控插销 控制单元。其中鼓气风机控制单元用以控制鼓气风机工作，驱动电机控制单元 用以控制驱动电机工作，可控插销控制单元用以控制可控插销的打开与锁紧。

本发明的有益效果，经文献检索，并未发现对于气垫靴式两足步行机器人 的相关研究成果。本发明针对现有技术存在的不足，首次将气垫技术和两足机 器人相结合，创新性的提出了一种两足气垫靴式步行机器人，在简单控制条件 下实现类两足步行，为步行机器人家族添加了一名新成员。机器人结构简单， 两腿均为类直杆机构，设置带有可控插销的膝关节，自由度小，对相应控制单 元的要求显著降低；在行走过程中，即使在动态行走时，始终保持双脚支撑， 两足均承受垂直载荷，重心只在小范围内移动，不会发生侧倾或前后倾现象， 提高机构的行进稳定性；气垫靴接地比压小，在松软地面上通过性强且气垫靴 及其连接装置设计巧妙，能够对复杂地面有更好的包容性；气垫靴在承受较大 压力的同时与地面间摩擦力小，能够达到较高的能量利用效率。

附图说明

图1是本发明两足气垫靴式步行机器人的一实施例结构示意图；

图2是本发明机器人的一实施例，髋部环及内部部件的配置示意图；

图3是本发明机器人的一实施例，摆动小腿、气垫靴及连接机构的示意图；

图4是本发明机器人的一实施例，行走过程中简单动作示意图；

图5是本发明两足气垫靴式步行机器人的行走方法的一实施例，分解为直 立，及抬腿、跨腿、落腿三个行走动作的图解。

图中：1、髋部环；2、摆臂；3、摆动大腿；4、可控插销；5、摆动小腿； 6、气垫靴；7、驱动电机；8、控制单元；9、髋部板；10、金属环；11、支撑 横杆；12、竖直拉簧；13、鼓气风机电机；14、鼓气风机；15、柔性围裙；16、 卡环；17、顶层硬板；18、球铰结构。

具体实施方式

以下结合附图进一步详细说明本发明的结构。

一种两足气垫靴式步行机器人，在髋部板9的左、右两侧配置可前后摆动 的杆状摆动大腿3，摆动大腿3的下端连接可前后转动的杆状摆动小腿5，摆 动小腿5的下端以球铰结构18连接气垫靴6上表面的顶层硬板17；

在摆动大腿3和摆动小腿5之间设置可控插销4，所述可控插销4有插入 锁紧和释放两状态，插入锁紧状态可限止两杆件相互转动，保持在一直线或一 定角度，释放状态两杆件可相互转动；

所述摆动小腿5的下部伸出支撑横杆11，在支撑横杆11和顶层硬板17 之间设置至少一根竖直弹簧12；

所述气垫靴6的结构是在顶层硬板17的下部配置柔性围裙15，在顶层硬 板17的上方设置由鼓气风机电机13驱动的鼓气风机14；鼓气风机14工作对 所述气垫靴6充气，柔性围裙15向上膨胀抬起，并与地面形成一定的气隙； 鼓气风机14停止工作所述气垫靴6放气，柔性围裙15向下收缩落下；

在所述髋部板9上配置可驱动所述摆动大腿3前后摆动的驱动电机7，在 所述髋部板9上还配置控制单元8；

所述控制单元8可控制鼓气风机14的充气和停止；可控制摆动大腿3的 摆动或静止；可控制可控插销4的锁紧或释放。

所述气垫靴6的柔性围裙15呈上小下大形状，且由上至下设置若干相应 规格的环形卡环16。柔性围裙15通过上小下大的设计，增大与地面接触面积， 减小比压的同时减小风机功耗，并且对地面有更好的包容性，一般分三层设计 为佳，为了防止气垫的外扩，在三层或多层围裙之间设置卡坏16。

所述球铰结构18为一个万向节结构，固定连接在摆动小腿5下端与气垫 靴6顶层硬板之间，所述支撑横杆11呈圆环状，所述摆动小腿5杆件位于圆 环中央，所述竖直弹簧12为一个直径大于摆动小腿5杆件的管状弹簧，此方 案比较简单易行。

所述球铰结构18为一个圆球设置在摆动小腿下端5与气垫靴6顶层硬板 之间两个浅凹窝中，所述支撑横杆11为在摆动小腿5前、后方向各伸出的水 平板，所述竖直弹簧12为在前、后的水平板下方分别配置竖直的拉簧，此方 案针对性强，主要满足行走时前后倾斜的要求。

在所述髋部板9外围配置环状的髋部环1，所述髋部环1为圆形的或者矩 形的金属环10。使得髋部的结构和外形更加合理、美观。

在所述髋部板9左、右两侧配置摆动大腿3的位置再分别配置可前后摆动 的摆臂2，一侧摆臂2的摆动方向与同侧的摆动大腿3摆动方向相反，对另一 侧的摆动大腿3摆动方向相同。提高行走平衡、平稳性。

所述气垫靴6横截面形状为圆形或椭圆形或长腰形，可以配置较适宜形状 的柔性围裙15，有利充气和行走。

在所述摆动大腿3与髋部板9的连接处配置弹性垫圈，用于抵消摆动大腿 3向前行走时的细微侧向摆动。

一种如前述两足气垫靴式步行机器人的行走方法，所述机器人周而复始以 如下动作行走：

第Ⅰ动作：两侧鼓气风机14不工作，两侧气垫靴6不充气，柔性围裙15 收缩，两侧可控插销4锁紧，两侧髋部板9上的驱动电机7不工作，，两侧摆 动大腿3连同摆动小腿5呈垂直状直立；

第Ⅱ动作：其中一侧鼓气风机14工作对所述气垫靴6充气，柔性围裙15 向上膨胀抬起，同侧可控插销4打开，为了配合气垫靴的抬升同侧髋部板9上 的驱动电机7开始工作，同侧摆动大腿3向前摆动，与同侧摆动小腿5形成一 定夹角，直至柔性围裙15膨胀至最高位置下部形成气隙，此时可控插销4锁 紧；

第Ⅲ动作：同侧鼓气风机14继续工作，使所述气垫靴6下部维持形成气 隙，同侧驱动电机7以不同的转速继续工作，驱动同侧摆动大腿3继续向前摆 动至设定距离，另一侧摆动大腿3连同摆动小腿5呈直线状向前倾斜，髋部板 9高度降低；

第Ⅳ动作：同侧鼓气风机14不工作，所述气垫靴6收缩，同侧驱动电机7 不工作，同侧摆动大腿3无动力约束，可控插销4打开，同侧摆动大腿3逐渐 向下恢复至与摆动小腿5呈直线状；

此后，另一侧重复第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ动作使两腿重新合并直立完成一步行走。

在一侧摆动大腿3向前摆动的同时，另一侧的摆臂2与之同步向前摆动。

下面结合附图和具体实施例对本发明的发明目的作进一步详细地描述，本 实施例在以本发明技术方案为前提下实施，给出了详细的实施方式和具体的 操作过程，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施例。

如图1所示，所述的两足气垫靴式步行机器人包括髋部环1，此作为机器人 腰部；摆动大腿3和摆动小腿5，通过可控插销4连接，共同构成机器人摆动 腿；机器人摆动腿和气垫靴6，此作为机器人腿部。机器人腿部包括左腿与右 腿，左腿、右腿均与机器人腰部即髋部环1相连。机器人的摆臂2与摆动腿选 取相同的材料，安装在髋部环两侧，并通过机械结构与对侧腿相连，实现手臂 和腿的自动反向运动，此作为机器人的手臂。

如图2所示，所述机器人腰部，即髋部环包括：驱动电机7、控制单元8、 髋部板9和金属环10。其中，金属环10选取轻质的刚性材料，起固定形状和 支撑作用；髋部板9安装于其内并与金属环10固定；驱动电机7和控制单元8 安装在髋部板9上；机器人腿部与髋部环即机器人腰部通过转动连接，形成两 个转动副；驱动电机与摆动大腿连接，驱动摆动大腿的摆动。控制单元8包括： 鼓气风机电机控制单元、驱动电机控制单元和可控插销控制单元，在工作时分 别控制各个电机。

如图3所示，所述机器人腿部包括：摆动腿、气垫靴6、鼓气风机电机13、 鼓气风机14和弹簧机构。其中：摆动腿与气垫靴通过弹簧机构相连，鼓气风 机电机13、鼓气风机14置于气垫靴上，通过控制风机电机13完成气垫靴充气、 放气操作。

所述的摆动腿使用材料需有足够的刚度，其横截面可以是正方形、长方形 或圆形。

所述的气垫靴包括：顶层硬板17和柔性围裙15，其中顶层硬板材料可以 为铝合金或其他材料，其上设有进气口，与鼓气风机14相连。柔性围裙15分 三层设计，通过上小下大的设计，增大与地面接触面积，减小比压的同时减小 风机功耗，并且对地面有更好的包容性。为了防止气垫的外扩，在三层围裙之 间设置卡坏16。

所述的弹簧机构包括：支撑横杆11、竖直拉簧12和球铰18。球铰18设 置在摆动腿与气垫靴之间，使得气垫足在不同的地面条件下有更好的适应性。 在摆动腿前后对称设置一对支撑横杆11，与摆动腿固定连接，并在支撑横杆 11与气垫靴之间设置竖直拉簧12，保证摆动腿只能在竖直位置附近摆动。

本实施例工作时：两足气垫靴式步行机器人左右足依次跨步向前行进合理 的距离，完成机器人整体向前的移动。首先，左足完成跨步，即完成抬腿、跨 腿和落腿动作。

第一步，抬腿动作。机器人接通外接电源后，根据控制单元8发出的控制 信号，可控插销4打开，鼓气风机电机13工作，通过顶层硬板17上的通孔向 气垫靴6充入加压气体，气垫充气膨胀。气垫靴6整体由气垫升力抬起，并保 持离地间隙，完成抬腿动作。抬腿完成后，可控插销4重新锁紧。

第二步，跨腿动作。髋部环1内的驱动电机7工作，使得摆动腿向前摆动， 带动气垫靴6向前移动。当移动到一个合适的位置时，驱动电机7停止工作， 移动的距离即为一个步长。在跨腿动作过程中，鼓气风机电机13保持工作， 可控插销4锁紧。

第三步，落腿动作。可控插销打开，鼓气风机电机13停止工作，气垫升力 消失，气垫收缩，完成落腿动作。随后可控插销4继续锁紧使得腿部起支撑作 用。

左足动作全部完成，此时左右足鼓气风机电机均不工作，左右两气垫靴均 收缩，可控插销锁紧，两摆动腿交叉。随后与左足相同，右足依次通过抬腿、 跨腿和落腿完成跨步，重新回到与左足平行的状态。此时，两足气垫靴式步行 机器人整体向前推进了一个合适的距离，即一个步长。

两足气垫靴式步行机器人两足独立控制，理论上可以通过控制驱动电机的 工作时长改变机器人行进距离，因此对于不同的工况可以适当选取不同的步 长。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并 非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述 说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。凡是属于本发明的技术 方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。