CN102514649A - 一种具有多自由度的仿人机器人脚板机构 - Google Patents

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Abstract

本发明一种具有多自由度的仿人机器人脚板机构，属于机器人技术领域，由中央固定板以及四个脚板构成；中央固定板的前侧与后侧上各铰接有两个连接板，每个连接板均通过铰链连接一个脚板，使四个脚板分别位于中央固定板的左前方、右前方、左后方与右后方。每个铰链的旋转轴上安装有扭簧。当脚板机构中各个脚板与凹凸不平的地面接触时，通过扭簧作用，各脚板根据接触的地表曲率与连接板形成一定角度，使各脚板与地面形成至少四个接触点的空间支撑面；当脚板离开地面时，在扭簧作用下脚板恢复到初始状态。本发明结构简单，不需驱动便可使脚板自适应贴合任意不平整地面，解决脚板与凹凸不平地面匹配问题，实现自动适应凹凸变化地表形貌的特性与功能。

Description

一种具有多自由度的仿人机器人脚板机构
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，具体来说，是一种具有8个自由度的仿人机器人脚板机构。 
背景技术
人类足部单侧由26块骨头组成，同时含29个关节，42条肌肉及25条肌腱。得益于复杂足部的高度灵活性，人类才能稳定行走于凹凸不平、空间障碍等复杂环境。仿人机器人除需要具备类人的形体和外观外，更需要具备类人的行为特征-双足步行。仿人机器人只有像人类一样随时走到需要的地方、能自主完成预先设置的工作，才能发挥其不可估量的作用。传统仿人机器人平板刚性的足部构型，不具有任何自动适应凹凸变化地表形貌的特性与功能。例如： 
公开号为CN101402380A，公开日为2009年4月8日的发明专利《一种仿人机器人足部冲击吸收机构》中公开的仿人机器人足部冲击吸收机构，包括脚底板、减震柱、力传感器、上盖板、调节垫圈、防滑垫。该发明主要利用减震柱起到吸收冲击及减震的作用，结构紧凑，但是脚底板为刚性机构，不具备自动适应不平整地面的特性与功能。 
公开号为CN101108146A，公开日为2008年01月23日的发明专利《一种人形机器人脚》中公开的人形机器人脚，包括脚板、橡胶脚底层、六维力传感器、上法兰、下法兰、倾角传感器、触觉阵列垫、信号处理系统和脚面。该发明通过橡胶脚底层吸收脚着地时的冲击力，不具有任何自动适应凹凸变化地表形貌的特性与功能。 
发明内容
为了解决现有技术的缺陷，本发明提供一种更加有效的具有多自由度的仿人机器人脚板机构，解决了现有仿人机器人的脚板与凹凸不平地面的匹配问题，实现自动适应凹凸变化地 表形貌的特性与功能。 
本发明一种具有多自由度的仿人机器人脚板机构，由中央固定板以及四个脚板构成；所述中央固定板水平设置，与仿人机器人的踝关节固连。四个脚板结构相同，在中央固定板的前侧与后侧上各铰接有两个连接板，每个连接板均通过铰链连接一个脚板。其中，铰链的旋转轴与中央固定板前后方向轴线平行，四个脚板分别位于中央固定板的左前方、右前方、左后方与右后方。每个铰链的旋转轴上安装有扭簧。扭簧一侧的伸出部分固定在铰链中第一合页与连接板间，另一侧的伸出部分固定在第二合页与脚板之间。 
通过上述结构，形成仿人机器人多自由度脚板机构。当脚板机构中各个脚板与凹凸不平的地面接触时，通过扭簧作用，各个脚板可依据所接触的地表曲率与连接板形成一定角度，使各个脚板与地面形成至少四个接触点的空间支撑面，有效避免了脚板与凹凸不平地面仅以点或线接触导致行走失败问题；当脚板离开地面时，在扭簧作用下脚板恢复到初始状态。 
当仿人机器人在凹凸不平的地面行走时，可通过驱动电机驱动脚板机构中各个连接板相对于中央固定板做俯仰运动，由此带动各个脚板做俯仰运动，实现仿人机器脚部与凹凸地面的贴合。 
本发明的优点在于： 
1、本发明脚板机构设计具有8个自由度，通过扭簧作用，各脚板实现自动贴合凹凸不平地面，解决脚板与凹凸不平地面的匹配问题，实现自动适应凹凸变化地表形貌的特性与功能； 
2、本发明脚板机构采用被动结构，不需要驱动，有效降低控制及结构复杂性。 
附图说明
图1为本发明脚板机构结构俯视图； 
图2为本发明脚板机构结构仰视图； 
图3为本发明脚板机构中脚板转动示意图； 
图4为应用时本发明脚板机构时驱动电机安装示意图； 
图5为驱动电机具体安装方式示意图。 
图中： 
1-中央固定板    2-脚板         3-铰链      4-连接板 
5-扭簧          6-踝关节连接架 7-驱动电机  8-锁轴 
9-弹簧          10-弹簧支撑座  11-连杆     12-销 
13-电机支架     301-第一合页   302-第二合页 
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步的详细说明。 
本发明一种仿人机器人多自由度脚板机构，采用被动的脚趾形式，由中央固定板1以及四个脚板2构成，如图1、图2所述； 
所述中央固定板1为水平设置的矩形，与仿人机器人的踝关节固连。四个脚板2结构相同，每个脚板2通过铰链3与中央固定板1相连。其具体连接方式为：在中央固定板1的前侧与后侧上各铰接有两个连接板4。每个连接板4均通过铰链3连接一个脚板2，其中，铰链3中第一合页301与连接板4固连，铰链3中第二合页302与脚板2固连，铰链3的旋转轴303与中央固定板1前后方向轴线平行，由此使四个脚板2分别位于中央固定板1的左前方、右前方、左后方与右后方，通过上述结构，形成8个自由度的脚板机构。上述结构中，中央固定板1的前侧的两个连接板4与后侧上的两个连接板4相对于中央固定板1左右方向轴线对称，且相对与中央固定板1前后方向轴线对称。同样，位于中央固定板1左前方与右前方的脚板2与中央固定板1左后方与右后方的脚板2相对于中央固定板1左右方向轴线对称，且相对与中央固定板1前后方向轴线对称，由此，保证各脚板2受力均衡。 
为实现四个脚板2自动适应贴合凹凸不平地面，在每个铰链3的旋转轴上安装有高刚度的扭簧5，其刚度应满足：四分之一仿人机器人重量，产生的形变小于1°。在扭簧5处于初始状态时，扭簧5两侧的伸出部分平行。扭簧5一侧的伸出部分与第一合页301宽度相等，固定在铰链3中第一合页301与连接板4间；扭簧5另一侧的伸出部分与第二合页302宽度相等固定在第二合页302与脚板2之间。扭簧5两侧伸出部分端部具有U型结构，分别卡住铰链3中的第一合页301与第二合页302，从而保证了脚板2与连接板4在初始状态时相互 平行，并且扭簧5双向跟随脚板运动。 
上述脚板2均采用一端向上翘起的圆弧脚板，且位于中央固定板1左前方与右前方的脚板2向上翘起一端朝向前方，位于中央固定板1左后方与右后方的脚板2向上翘起一端朝向后方，由此，使脚板机构整体形成拟人类步行中足弓结构，提高步行效率。所述每个脚板2底部设有防滑垫，以提高脚板2与地面的摩擦力，防止机器人行走过程中打滑。 
通过上述结构，形成仿人机器人多自由度脚板机构。当脚板机构中各个脚板2与凹凸不平的地面接触时，通过扭簧5作用，各个脚板2可依据所接触的地表曲率与连接板形成一定角度，如图3所示，使各个脚板2与地面形成至少四个接触点的空间支撑面，有效避免了脚板2与凹凸不平地面形成的点或线接触而导致的行走失败问题；当脚板2离开地面时，在扭簧5作用下使脚板2恢复到初始状态。 
当仿人机器人在凹凸不平的地面行走时，可通过驱动电机驱动脚板机构中各个连接板4相对于中央固定板1做俯仰运动，由此带动各个脚板2做俯仰运动，由此实现仿人机器脚部与凹凸地面的贴合。 
由于本发明脚板机构作为仿人机器人的支撑部位，因此由此仿人机器人的重量会压迫中央固定板1向下运动，造成在脚板2未运动时便与中央固定板1产生相对运动，为了避免这种情况，将各个铰链3的第二合页302均固定在其对应脚板2的外侧，且使第二合页302的外侧边与脚板2外侧边重合，且上述用来驱动脚板工作的电机机体需要与中央固定板1间的相对位置固定。 
下面给出应用本发明脚板机构在应用中的具体实施例。 
如图4所示，在中央固定板1上安装固定有仿人机器人踝关节连接架6，踝关节连接架6用来连接仿人机器人的踝关节，仿人机器人中每个踝关节对应一个脚板机构。脚板机构中各个连接板4通过驱动电机7控制，各个连接板4与驱动电机7连接方式相同，下面以其中一个连接板4与驱动电机7连接方式为例进行说明，如图5所示，驱动电机7的输出轴与锁轴8套接固定，锁轴8可跟随驱动电机7的输出轴运动，锁轴8上套接有弹簧9，弹簧9轴线与锁轴8轴线重合，弹簧9底端通过弹簧固定销钉与弹簧支撑座10固定，弹簧支撑座10与连 杆11一端铰接，连杆11另一端与连接板4铰接，连杆11可绕弹簧支撑座10、连接板4转动。锁轴8上有与弹簧9螺旋角相同的倾斜通孔，销12从一侧弹簧9钢丝间隙中穿入锁轴8上的倾斜通孔，然后从另一侧弹簧9钢丝间隙穿出，从而销12将弹簧9分隔为不可压缩和可压缩的上下两部分。上述驱动电机7通过电机支架13与踝关节连接架6固定。 
由此，通过上述结构，驱动电机7的电机轴旋转运动，带动锁轴8转动，使得弹簧9在锁轴8上销12的作用下进行伸缩运动，从而带动弹簧支撑座10上下运动，由此通过与弹簧支撑座10铰接的连杆11带动连接板4做俯仰运动。 
另外所设计脚板机构具有被动特性，无需驱动电机驱动便可自动贴合凸起地面，因此当脚板2着落在凸起地面时，脚板2及连接板4在地面反力的作用下向上转动，由于锁轴8为刚性元件，弹簧支撑座10只能沿锁轴轴线上下运动，因此当连接板4向上转动时，连杆11绕弹簧支撑座10、连接板4转动，弹簧支撑座10向上运动，因此弹簧支撑座10到销12距离减小，即销12以下的弹簧9被压缩，实现可逆的被动关节转动，以贴合凸起地面。 

Claims (10)

1.一种具有多自由度的仿人机器人脚板机构，其特征在于：由中央固定板以及四个脚板构成；所述中央固定板水平设置，与仿人机器人的踝关节固连；四个脚板结构相同，在中央固定板的前侧与后侧上各铰接有两个连接板，每个连接板均通过铰链连接一个脚板；其中，铰链的旋转轴与中央固定板前后方向轴线平行，四个脚板分别位于中央固定板的左前方、右前方、左后方与右后方；每个铰链的旋转轴上安装有扭簧；扭簧一侧的伸出部分固定在铰链中第一合页与连接板间，另一侧的伸出部分固定在第二合页与脚板之间。
2.如权利要求1所述一种具有多自由度的仿人机器人脚板机构，其特征在于：所述扭簧处于初始状态时，扭簧两侧的伸出部分平行。
3.如权利要求1所述一种具有多自由度的仿人机器人脚板机构，其特征在于：所述扭簧一侧的伸出部分与第一合页宽度相等，扭簧另一侧的伸出部分与第二合页宽度相等。
4.如权利要求1所述一种具有多自由度的仿人机器人脚板机构，其特征在于：所述扭簧两侧伸出部分端部具有U型结构。
5.如权利要求1所述一种具有多自由度的仿人机器人脚板机构，其特征在于：所述扭簧的刚度应满足：四分之一仿人机器人重量，产生的形变小于1°。
6.如权利要求1所述一种具有多自由度的仿人机器人脚板机构，其特征在于：所述中央固定板前侧的两个连接板与后侧上的两个连接板相对于中央固定板左右方向轴线对称；且相对与中央固定板前后方向轴线对称。
7.如权利要求1所述一种具有多自由度的仿人机器人脚板机构，其特征在于：所述中央固定板前方的两个脚板与后方的两个脚板相对于中央固定板左右方向轴线对称，且相对与中央固定板前后方向轴线对称。
8.如权利要求1所述一种具有多自由度的仿人机器人脚板机构，其特征在于：每个铰链的第二合页均固定在其所连接脚板的外侧。
9.如权利要求1所述一种具有多自由度的仿人机器人脚板机构，其特征在于：所述四个脚板均采用一端向上翘起的圆弧脚板，且位于中央固定板左前方与右前方的脚板向上翘起一端朝向前方，位于中央固定板左后方与右后方的脚板向上翘起一端朝向后方。
10.如权利要求1所述一种具有多自由度的仿人机器人脚板机构，其特征在于：所述四个脚板底部均设有防滑垫。
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