本发明属于机器人
技术领域：
：，具体涉及一种双足机器人高能效轻量化腿足结构布局与设计方法。
背景技术：
：：双足机器人的本体结构相当于人的身体，其结构布局与设计的好坏，直接关系到机器人的综合性能。目前，我国研究人员在进行双足机器人的结构布局与设计时，主要考虑基本运动功能的实现，设计过程主要关注自由度配置、关节驱动器的选择以及结构强度的校核等，而具体结构布局与设计方面主要借鉴了日本双足机器人的技术，包括硕士论文《仿人机器人结构设计与分析》所述的浙江大学的zjukong，以及最近的期刊论文《contactforce/torquecontrolbasedonviscoelasticmodelforstablebipedalwalkingonindefiniteuneventerrain》所述的北京理工大学的bhr-6p。此类双足机器人设计主要关注运动功能的实现，机器人关节的电机轴一般与其自由度的转动轴相重合，较少考虑质量分布对机器人系统性能的影响，使得机器人腿足结构转动惯量较大，机器人步行能耗较高，续航能力较弱。在2015年darpa机器人挑战赛上，美国的durus机器人在低速情况下步行2个多小时，被评为当时能效最高的双足机器人，其步行能效为日本asimo机器人的两倍。相比其他机器人，durus机器人小腿较为轻盈，质量分布明显往躯干集中。除了durus机器人，美国最近的cassie机器人以及digit机器人看起来也有类似的结构特点。总体来看，尽管科研人员研制出了能效更高的双足机器人样机，但国内外目前仍然缺乏科学、系统的高能效轻量化腿足结构布局与设计方法来指导双足机器人的设计。技术实现要素：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种双足机器人高能效轻量化腿足结构布局与设计方法。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种双足机器人高能效轻量化腿足结构布局与设计方法，包括以下步骤：步骤一，确定双足机器人各多自由度关节处驱动电机的布局形式，包括串联形式和并联形式；步骤二，确定双足机器人各多自由度关节处驱动电机的布局顺序；步骤三，从能效优化角度，进行双足机器人各关节处驱动电机间的尺寸布局。进一步地，所述步骤一中，多自由度关节包括踝关节和髋关节，踝关节处采用并联形式的两个驱动电机，髋关节处采用串联形式的三个驱动电机。进一步地，所述步骤二包括以下子步骤：（2.1）确定踝关节处驱动电机的布局顺序：由于踝关节处的两个驱动电机采用并联形式，布局顺序任意选取；（2.2）确定髋关节处驱动电机的布局顺序，包括以下子步骤：（2.2.1）髋关节处三个驱动电机的转动惯量均为j，按照与躯干的距离从近到远排序为第一电机、第二电机、第三电机；髋关节锁死状态下，髋关节作为整体绕第一电机转动轴的转动惯量为j1，j1>3j；第二电机和第三电机作为整体绕第二电机转动轴的转动惯量为j2，2j<j2<j1；第三电机绕第三电机转动轴的转动惯量为j3，j3=j；步行时，髋关节俯仰自由度加速度峰值为α，髋关节偏航自由度和髋关节滚动自由度处于锁死状态；（2.2.2）当髋关节俯仰自由度驱动电机分别为第一电机、第二电机、第三电机时，髋关节俯仰自由度驱动电机的峰值力矩分别为j1α、j2α、j3α；以峰值力矩最小为优化目标，根据步骤（1）将髋关节俯仰自由度驱动电机布局为第三电机。进一步地，将髋关节滚动自由度驱动电机布局为第一电机，髋关节偏航自由度驱动电机布局为第二电机。进一步地，所述步骤三包括以下子步骤：（3.1）进行髋关节驱动电机的尺寸布局设计：为减小机器人腿部转动惯量，提高步行能效，将髋关节滚动自由度驱动电机和髋关节偏航自由度驱动电机布置于机器人躯干上；髋关节俯仰自由度驱动电机的尺寸布局的优化设计问题如下：其中，ch,p表示髋关节俯仰自由度驱动电机绕髋关节滚动轴的转动惯量，mh,p表示髋关节俯仰自由度驱动电机质量，dh,p表示髋关节俯仰自由度驱动电机轴与髋关节滚动轴间的距离，fh,p表示各设计约束条件；以转动惯量ch,p最小作为髋关节俯仰自由度驱动电机的尺寸布局的优化目标并考虑约束条件fh,p，距离dh,p越小越满足优化目标；（3.2）进行踝关节驱动电机的尺寸布局设计：踝关节驱动电机尺寸布局的优化设计问题如下：其中，ca表示两踝关节驱动电机整体绕膝关节转动轴的转动惯量，两踝关节驱动电机转动惯量均为ja、质量均为ma，da,1表示踝关节第一电机轴与膝关节转动轴间的距离，da,2表示踝关节第二电机轴与膝关节转动轴间的距离，fa表示各设计约束条件；以转动惯量ca最小作为踝关节驱动电机尺寸布局的优化目标并考虑约束条件fa，使踝关节第一电机转动轴与膝关节自由度的转动轴重合，即da,1=0，且距离da,2越小越满足优化目标；（3.3）进行膝关节驱动电机的尺寸布局设计：膝关节驱动电机的尺寸布局的优化设计问题如下：其中，ck表示膝关节驱动电机绕髋关节第三电机转动轴的转动惯量，jk表示膝关节驱动电机转动惯量，mk表示膝关节驱动电机质量，dk表示膝关节驱动电机轴与髋关节第三电机转动轴间的距离，fk表示各设计约束条件；以转动惯量ck最小作为优化目标并考虑约束条件fk，距离dk越小越满足优化目标。本发明的有益效果在于：本发明提供了一种双足机器人高能效轻量化腿足结构布局与设计方法。该方法提供了双足机器人各腿足关节驱动电机的布局形式、布局顺序以及尺寸布局设计方案。基于本发明所提供的双足机器人腿足结构布局与设计方法，可有效减小双足机器人腿足结构的转动惯量，提高机器人的步行能效，改善其续航能力。附图说明图1为双足机器人三维模型设计示意图，其中a为轴测图，b为主视图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。如图1所示，本发明一种双足机器人高能效轻量化腿足结构，包括髋关节第一电机、髋关节第一电机连杆、髋关节第二电机、髋关节第三电机、膝关节电机、膝关节电机连杆、踝关节第一电机、踝关节第二电机、踝关节第一电机连杆和踝关节第二电机连杆。其中，踝关节第一电机与踝关节第二电机、膝关节电机以及髋关节第一电机均采用连杆进行传动，具体为：髋关节第一电机转动轴通过髋关节第一电机连杆连接髋关节第二电机转动轴，膝关节电机转动轴通过膝关节电机连杆连接踝关节第一电机转动轴；踝关节第一电机转动轴通过踝关节第一电机连杆连接脚掌，踝关节第二电机转动轴通过踝关节第二电机连杆连接脚掌。本发明所提供的一种双足机器人高能效轻量化腿足结构布局与设计方法，包含以下步骤：步骤一，确定双足机器人各腿足关节驱动电机的布局形式。对于多自由度关节，该关节处的电机布局采用串联或并联形式。如图1所示，本实施例中机器人踝关节处两个电机采用并联形式，髋关节处三个电机采用串联形式。步骤二，确定双足机器人各多自由度关节处驱动电机的布局顺序，包括踝关节以及髋关节处驱动电机的布局顺序。首先，确定踝关节处驱动电机的布局顺序。由于踝关节采用并联形式，该关节处两个驱动电机的布局顺序可任意选取，本实施例布局顺序所图1b所示；然后，根据常规步行情况下双足机器人髋关节的力矩驱动情况，考虑电机峰值力矩，通过定性分析方法确定髋关节处电机的布局顺序。在常规步行情况下，机器人主要控制髋关节俯仰自由度，而髋关节偏航自由度以及滚动自由度常处于锁死状态。基于该发现，本实施例髋关节电机布局顺序通过如下定性分析方法进行确定：1）设定定性分析的假设条件。设髋关节处三个驱动电机选型一致，转动惯量均为j，髋关节锁死状态下，髋关节作为整体绕最靠近躯干的髋关节第一电机转动轴的转动惯量为j1（j1>3j），髋关节第二电机以及髋关节第三电机作为整体绕髋关节第二电机转动轴的转动惯量为j2（2j<j2<j1），最远离躯干的髋关节第三电机绕其转动轴的转动惯量为j3（j3=j）。常规步行情况下，设髋关节俯仰自由度加速度峰值为α，而髋关节偏航自由度以及髋关节滚动自由度处于锁死状态。2）以髋关节电机峰值力矩最小作为优化目标，确定各串联电机的布局顺序。当髋关节俯仰自由度驱动电机分别作为第一、第二以及第三电机时，髋关节电机峰值力矩分别为j1α、j2α、j3α。基于该结果，如图1b所示，将髋关节俯仰自由度驱动电机布局为第三电机，其余两个驱动电机布局顺序视装配情况进行确定，本实施例中将髋关节滚动自由度驱动电机作为第一电机，髋关节偏航自由度驱动电机作为第二电机。步骤三，从能效优化角度，进行双足机器人腿足关节驱动电机的尺寸布局，并进一步开展结构设计。首先，进行髋关节驱动电机的尺寸布局设计。如图1b所示，为减小机器人腿部转动惯量，提高步行能效，髋关节滚动自由度以及偏航自由度的驱动电机布置于机器人躯干上；将髋关节俯仰自由度驱动电机的尺寸布局设计转化为以髋关节俯仰自由度驱动电机绕髋关节滚动轴的转动惯量最小作为优化目标，并考虑装配干涉以及其它结构设计约束条件的优化设计问题，如下：其中，ch,p表示髋关节俯仰自由度驱动电机绕髋关节滚动轴的转动惯量，mh,p表示电机质量，dh,p表示髋关节俯仰自由度驱动电机轴与髋关节滚动轴间的距离，fh,p表示各设计约束条件。因此，髋关节俯仰自由度驱动电机轴与髋关节滚动轴间的距离dh,p越小，髋关节俯仰自由度驱动电机绕髋关节滚动轴的转动惯量ch,p越小。然后，进行踝关节驱动电机的尺寸布局设计。为减小机器人腿部转动惯量，将踝关节电机尺寸布局设计转化为以踝关节电机总体绕膝关节转动轴的转动惯量最小作为优化目标，并考虑装配干涉以及其它结构设计约束条件的优化设计问题：其中，ca表示踝关节电机绕膝关节转动轴的总体转动惯量，ja表示踝关节电机转动惯量，ma表示踝关节电机质量，da,1表示踝关节第一电机轴与膝关节转动轴间的距离，da,2表示踝关节第二电机轴与膝关节转动轴间的距离，fa表示各设计约束条件。为此，如图1b所示在本实施例中，使机器人踝关节第一电机转动轴与膝关节自由度的转动轴重合，即da,1=0，并让踝关节第二电机的质量分布在满足结构设计约束的情况下尽量上提，踝关节第二电机轴与膝关节转动轴间的距离da,2越小，踝关节电机绕膝关节转动轴的总体转动惯量ca越小。最后，进行膝关节驱动电机的尺寸布局设计。为减小机器人腿部转动惯量，将膝关节驱动电机尺寸布局设计被转化为以膝关节电机绕髋关节第三电机转动轴的转动惯量最小作为优化目标，并考虑装配干涉以及其它结构设计约束条件的优化设计问题：其中，ck表示膝关节电机绕髋关节第三电机转动轴的转动惯量，jk表示膝关节电机转动惯量，mk表示膝关节电机质量，dk表示膝关节电机轴与髋关节第三电机转动轴间的距离，fk表示各设计约束条件。为此，如图1b所示在本实施例中，尽量将膝关节电机上提，膝关节电机轴与髋关节第三电机转动轴间的距离dk越小，表示膝关节电机绕髋关节第三电机转动轴的转动惯量ck越小。以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。当前第1页12当前第1页12