CN102730095B - 柔性着陆的仿人机器人足部机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性着陆的仿人机器人足部机构。现有的机器人足部冲击吸收效果不好。本发明包括前边沿向上弯曲的脚底板、底层橡胶垫、中间层橡胶垫、平端对顶波形弹簧、包覆片、多维柔性铰链、六维力/力矩传感器、踝支承座。在脚底板上方固定设置有多维柔性铰链，踝支承座通过六维力/力矩传感器与多维柔性铰链连接；在脚底板下方从上至下依次设置有中间层橡胶垫和底层橡胶垫。本发明具有承受载荷大、行程短、所需空间小等优点，大大增强了足部吸收冲击的能力。

Description

柔性着陆的仿人机器人足部机构

技术领域

本发明属于拟人机器人技术领域，涉及柔性着陆的仿人机器人足部机构。

背景技术

仿人机器人是当前机器人研究领域最活跃的研究方向之一，它是研究人类智能的高级平台，综合了机械、电子、计算机、传感器、控制技术、人工智能、仿生学等多种学科的复杂智能机械。仿人机器人具有人的外形，而且具有移动功能、操作功能、联想记忆、学习能力、情感交流、社交能力和具有部分人类经验的最接近人的智能机器人。

仿人机器人不同于一般的工业机器人，因为它不再固定在一个位置上，这种机器人具有灵活的行走系统，以便随时走到需要的地方，包括一些对普通人来说不易到达的地方和角落，完成人或智能系统预先设置指定的工作。所以仿人机器人的关键技术是具有行走机构，其行走的速度、稳定性、步态的灵活性会直接影响工作能力与效率。在行走过程中，当脚部与地面接触而产生冲击时，冲击会通过踝关节逐渐传送到机器人的驱干，正是由于这种冲击，机器人的动态平衡会受到干扰，从而导致步态不稳定，更严重的是会机器人对内部的精密减速机构、伺服电机、精密传感器等精密部件造成损伤，这样势必就限制了仿人机器人的步行速度以及行走步态的连贯性，导致仿人机器人失去平衡，影响控制稳定性等，所以在设计仿人机器人的脚部机构时必须充分考虑冲击吸收的问题。

为了解决上述问题，目前已经研制出多种在走路期间能够吸收冲击的仿人机器人脚部机构。

中国专利CN101402380A，一种仿人机器人足部冲击吸收机构，该方案包括脚底板，减震柱，上压板，上盖板，调节垫圈，脚面外壳，六维力传感器，防滑垫，并且脚底板的前端和后端都设计成斜面，有利于实现脚跟着地、脚尖离地的行走方式。减震柱设置在脚底板和上压板中间，上盖板通过调节垫圈也和脚底板相连，六维力传感器与仿人机器人的腿部相连。当仿人机器人行走时，防滑垫与地面接触，直接受到地面的反作用力，将力通过脚底板传递给减震柱，减震柱有效地吸收此冲击力，而且可以通过调节调节垫圈的厚度来改变减震柱的压紧力。此种类型的冲击吸收装置有下述缺点，当振动施加在机器人的脚跟或者是脚趾处的时候，不能有效地减弱所产生的振动。

    中国专利CN101108146A，一种人形机器人脚，给出了一种人形机器人脚的设计方法，包括橡胶脚底层、脚板、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。信号处理系统安装在脚板的前部，倾角传感器安装在中部，六维力传感器安装在脚跟处。当机器人行走时，人形机器人脚上的六维力传感器检测机器人行走过程中脚与路面接触时的地面反作用力，倾角传感器检测脚板的倾斜角度，触觉阵列垫检测脚与路面的接触位置与接触状态等信息，信号处理系统实时采集和处理这些信息，计算机器人行走时的ZMP轨迹，判断脚的状态，推测机器人的行走路面情况，并发送给机器人的控制系统，为机器人的步态规划提供依据，提高人形机器人行走时的步态稳定性和自然性。橡胶脚底层与路面接触的下表面有防滑槽，橡胶脚底层具有弹性，用于吸收人形机器人脚着地时的冲击力。该发明主要是依靠橡胶脚底层吸收脚着地时的冲击力，冲击吸收的效果十分有限。并且若要改变冲击吸收机构的柔性，则必须要对整个橡胶脚底层进行加厚或者减薄处理，实际操作起来比较繁琐。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提供了柔性着陆的仿人机器人足部机构。

本发明技术方案如下：

柔性着陆的仿人机器人足部机构，包括前边沿向上弯曲的脚底板、底层橡胶垫、中间层橡胶垫、平端对顶波形弹簧、包覆片、多维柔性铰链、六维力/力矩传感器、踝支承座。

在脚底板上方固定设置有多维柔性铰链，踝支承座通过六维力/力矩传感器与多维柔性铰链连接；在脚底板下方从上至下依次设置有中间层橡胶垫和底层橡胶垫。

所述的多维柔性铰链包括三个支架、一个圆盘以及支架与圆盘之间的柔性连接部分；所述的支架均匀分布在圆盘四周，三个均布支架构成一个并联机构，三个支架所在的平面与圆盘所在的平面平行。

所述的脚底板底面分布三个环形凹槽，用于放置平端对顶波形弹簧，其中靠近脚尖处有二个并列环形凹槽，分布在脚尖的两侧；靠近脚跟处有一个环形凹槽，位于上述二个环形凹槽中心连线的对称轴上；脚底板上面分布着三个与凹槽对应的凸起，靠近脚尖处的二个凸起之间有连接凸台用来安装多维柔性铰链的一个支架，靠近脚底板脚跟处的一个凸起两侧也有延伸凸台用来安装多维柔性铰链的另二个支架。

所述的中间层橡胶垫与脚底板底面三个环形凹槽对应分布着三个通孔，底层橡胶垫上表面与中间层橡胶垫的三个通孔对应分布着三个盲孔，脚底板与底层橡胶垫之间的通孔内放置有平端对顶波形弹簧，平端对顶波形弹簧一端伸进脚底板底面的环形凹槽内，另一端伸进盲孔内，并与盲孔内固定的包覆片包覆在一起。

所述的底层橡胶垫有三个圆形凸起，该圆形凸起与盲孔对应，三个圆形凸起与周围区域呈褶皱过渡，也即底层橡胶垫在这三个位置的厚度比其它地方要厚。

所述的包覆片为带三个向内弯曲的包覆耳的圆形薄板零件，材质为铝合金。

所述的平端对顶波形弹簧为美国Smalley公司生产的标准平端对顶波形弹簧，材质为碳钢。

本发明的有益效果：本发明所使用的多维柔性铰链具有承受载荷大、行程短、所需空间小等优点，大大增强了足部吸收冲击的能力；所选用的平端对顶波形弹簧也具有行程短和所需空间小的特点，在吸收足部冲击的过程中扮演着十分重要的角色；平端对顶波形弹簧的三点式配置和多维柔性铰链三点支撑的方式，在足部着地时可以实现机器人驱干在俯仰方向和滚动方向上一定幅度的转动，从而明显提高了机器人在应对足部着地冲击时的自我调整能力；抬脚起步的过程中，被压缩的多维柔性铰链和平端对顶波形弹簧可释放弹性变形能，在机器人的行走过程中起到节能的目的，被压缩的中间层橡胶垫和底层橡胶垫又起到阻尼的作用，防止起步冲击过大使机器人失去平衡；底层橡胶垫下表面三个凸起周围的褶皱结构，在足部着地时相当于弹簧的作用，可以有效减缓驱干的压缩行程；以上所述的平端对顶波形弹簧、多维柔性铰链、中间层橡胶垫、底层橡胶垫可以吸收着地时冲击产生的能量，使仿人机器人行走时更加平稳、舒适及节能。

附图说明

图1是本发明提供的柔性着陆的仿人机器人足部机构的总体结构图；

    图2是图1的局部剖视图；

    图3是多维柔性铰链的结构图；

    图4是图1去掉六维力/力矩传感器和踝支承座这两个零件后的俯视图；

    图5是图4在A—A处的阶梯剖视图； 

图6是图4在C—C处的局部剖视图；

图7是包覆片的结构图；

图中：1多维柔性铰链、2脚底板、3外径为35mm的平端对顶波形弹簧、4外径为60mm的平端对顶波形弹簧、5直径为35mm的包覆片、6直径为60mm的包覆片、7中间层橡胶垫、8底层橡胶垫、9六维力/力矩传感器、10踝支承座。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明

如图1所示，本发明所述的柔性着陆的仿人机器人足部机构，包括多维柔性铰链1、脚底板2、中间层橡胶垫7、底层橡胶垫8、六维力/力矩传感器9、踝支承座10。

脚底板2与多维柔性铰链1固定连接，踝支承座9通过六维力/力矩传感器10与多维柔性铰链1固定连接，底层橡胶垫8通过中间层橡胶垫7与脚底板2固定连接。

    如图2所示，柔性着陆的仿人机器人足部机构，还包括平端对顶波形弹簧（外径为35mm的平端对顶波形弹簧3、外径为60mm的平端对顶波形弹簧4）、包覆片（直径为35mm的包覆片5、直径为60mm的包覆片6）。

    底层橡胶垫8上表面有三个盲孔，其中二个盲孔分布在脚底板2脚尖的两侧，另一个盲孔分布在上述二个盲孔中心连线的对称轴上，且位于靠近脚底板2脚跟的一端；下底面有三个褶皱结构的凸起，并分别与三个盲孔对应。

外径为35mm的两个平端对顶波形弹簧3放置在脚底板2脚尖两侧的两个环形凹槽内，外径为60mm的平端对顶波形弹簧4放置在脚底板2脚跟一端的一个环形凹槽内。

直径为35mm的包覆片5包覆在外径为35mm的平端对顶波形弹簧3上，并且与底层橡胶垫8靠近脚尖一端的二个盲孔底面固定起来；直径为60mm的包覆片6包覆在外径为60mm的平端对顶波形弹簧4上，并且与底层橡胶垫8靠近脚跟一端的一个盲孔底面固定起来；

如图3所示，多维柔性铰链包括三个支架、一个圆盘以及支架与圆盘之间的柔性连接部分；支架均匀分布在圆盘四周，三个均布支架构成一个并联机构，三个支架所在的平面与圆盘所在的平面平行； 柔性连接部分是圆弧切槽，即厚度比周围区域要薄，同时中间有槽型孔。

    如图4所示，脚底板2上表面有三个凸起，脚尖的两侧有二个凸起，中间连接部分的凸台用于安装多维柔性铰链1的一个支架，脚跟的一端有一个凸起，且向外围延伸的凸台用于安装多维柔性铰链1的二个支架。

    多维柔性铰链1的一个支架固定在脚底板2靠近脚尖的二个凸起中间的连接凸台上，另二个支架固定在脚底板2靠近脚跟的凸起延伸部分的凸台上。

    如图5所示，外径为60mm的平端对顶波形弹簧4一端伸进脚底板2靠近脚跟的一端的一个环形凹槽内，穿过中间层橡胶垫7所对应的一个通孔，另一端通过包覆片6的三个包覆耳与直径为60mm的包覆片6固定在一起。

    直径为60mm的包覆片6与底层橡胶垫8上靠近脚底板2脚跟的一端的盲孔底面固定连接。

    底层橡胶垫8与中间层橡胶垫7固定连接，底层橡胶垫和中间层橡胶垫所用材料采用的是美国KELLETT公司的LP-13冲击吸收垫，具有很好的吸收减震作用，可以将仿人机器人足部着地时产生的机械能一部分转换成热能，防止振动对接触点产生影响，起到一定的缓冲作用；另外，底层橡胶垫8着地的一面即其下底面有三个凸起，而且凸起与周围区域之间以褶皱形式过渡，这种结构不仅可以缓冲脚部着地时的冲击，还可以抑制足抬起时平端对顶波形弹簧3、平端对顶波形弹簧4以及多维柔性铰链的反弹作用，从而提高了行走的稳定性。

    如图6所示，外径为35mm的平端对顶波形弹簧3一端伸进脚底板2脚尖处的二个环形凹槽内，穿过中间层橡胶垫7所对应的二个通孔，另一端通过包覆片5的三个包覆耳与直径为35mm的包覆片5固定在一起。

直径为35mm的包覆片5与底层橡胶垫8靠近脚底板2脚尖的一端的盲孔底面固定连接。

脚底板2和底层橡胶垫8之间的二个平端对顶波形弹簧3和一个平端对顶波形弹簧4呈三点式分布，三个平端对顶波形弹簧的这种三点式分布可以使脚底板2在承受机器人重量冲击时保持稳定，而且在抬脚的过程中还可以将三个平端对顶波形弹簧的弹性变形能转化成动能，从而起到节能的目的。

如图7所示，包覆片（包括直径为35mm的包覆片5和直径为60mm的包覆片6）为带三个向内弯曲的包覆耳的圆形薄板零件，材质为铝合金；

    多维柔性铰链1是一个并联机构的多维柔性铰链，它的三个支架之间均布在一个平面内，一个支架安装在脚底板2脚尖处的二个凸起之间的连接凸台上；另二个支架安装在脚底板2脚跟处的一个凸起外围延伸的凸台上；这三个支架的三点式分布可以使脚底板2在承受机器人着地冲击时保持稳定，而且与所述的三个平端对顶波形弹簧的三点式分布呈互补的姿势，从而使得机器人的着地时更加平稳；另外，这种并联机构的多维柔性铰链还可以提供垂直于地面、俯仰方向和滚动方向等多个自由度，使机器人行使在不平路面和承受冲击时能够更好地调整自身的姿态，从而保证着地时的稳定性和舒服性。

多维柔性铰链1相当于弹簧K₁，二个平端对顶波形弹簧3和一个平端对顶波形弹簧4相当于弹簧K₂，中间层橡胶垫7和底层橡胶垫8相当于阻尼C，同时又相当于弹簧K₃，这样就构成了一个有粘性阻尼的双质量二自由度振动系统，可以很好地吸收足部着地时所受到的冲击以及减缓足部离地时弹簧反弹所引起的震动，从而很好地保证了机器人着陆和起步的稳定性。

以上通过参考在附图中表示的示例性实施例对本发明做了特别的展示和说明，对本领域的技术人员来说，应该明白，在不背离本发明的思想和范围下做出在形式上和细节上的各种修改和改变，都将是对本发明专利的侵犯。因此本发明要保护的真正思想和范围由所附的权利要求书来限定。

Claims (1)

1.柔性着陆的仿人机器人足部机构，包括前边沿向上弯曲的脚底板、底层橡胶垫、中间层橡胶垫、平端对顶波形弹簧、包覆片、多维柔性铰链、六维力/力矩传感器、踝支承座，其特征在于：

在脚底板上方固定设置有多维柔性铰链，踝支承座通过六维力/力矩传感器与多维柔性铰链连接；在脚底板下方从上至下依次设置有中间层橡胶垫和底层橡胶垫；

所述的多维柔性铰链包括三个支架、一个圆盘以及支架与圆盘之间的柔性连接部分；所述的支架均匀分布在圆盘四周，三个均布支架构成一个并联机构，三个支架所在的平面与圆盘所在的平面平行；

所述的脚底板底面分布三个环形凹槽，用于放置平端对顶波形弹簧，其中靠近脚尖处有二个并列环形凹槽，分布在脚尖的两侧；靠近脚跟处有一个环形凹槽，位于上述二个环形凹槽中心连线的对称轴上；脚底板上面分布着三个与凹槽对应的凸起，靠近脚尖处的二个凸起之间有连接凸台用来安装多维柔性铰链的一个支架，靠近脚底板脚跟处的一个凸起两侧也有延伸凸台用来安装多维柔性铰链的另二个支架；

所述的中间层橡胶垫与脚底板底面三个环形凹槽对应分布着三个通孔，底层橡胶垫上表面与中间层橡胶垫的三个通孔对应分布着三个盲孔，脚底板与底层橡胶垫之间的通孔内放置有平端对顶波形弹簧，平端对顶波形弹簧一端伸进脚底板底面的环形凹槽内，另一端伸进盲孔内，并与盲孔内固定的包覆片包覆在一起；

所述的底层橡胶垫有三个圆形凸起，该圆形凸起与盲孔对应，三个圆形凸起与周围区域呈褶皱过渡，也即底层橡胶垫在这三个位置的厚度比其它地方要厚；

所述的包覆片为带三个向内弯曲的包覆耳的圆形薄板零件，材质为铝合金；

所述的平端对顶波形弹簧为美国Smalley公司生产的标准平端对顶波形弹簧，材质为碳钢。

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