CN103204190B

CN103204190B - 一种机器人足部机构

Info

Publication number: CN103204190B
Application number: CN201310076595.4A
Authority: CN
Inventors: 王福吉; 贾振元; 李明星; 宁福达; 马建伟; 许强
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2033-03-11
Also published as: CN103204190A

Abstract

本发明一种机器人足部机构属于机器人技术领域，特别涉及一种具有多自由度和大活动角度范围的机器人足部机构。机器人足部机构由旋转运动组件、大角度关节轴承组件、足底组件和减震器组件组成；采用大角度关节轴承实现足部机构的大角度偏摆运动，在轴承托架上采用凸轮状结构实现足部机构在前后方向偏摆时的限位；采用了对足部受力情况进行实时测量的测力传感器；采用拉伸弹簧实现足部机构的复位；足底和减震器均采用模化设计；本发明中足底和减震器采用模块化设计，使整体结构简单可靠，便于进行调整和更换，提高了足部机构的行走稳定性。本发明通过增大关节活动角度范围，提高了足部对复杂地貌的适应能力。

Description

一种机器人足部机构

技术领域

本发明属于机器人技术领域，特别涉及一种具有多自由度和大活动角度范围的机器人足部机构。

背景技术

足式机器人的落足点是离散的，即使在一些恶劣的地貌上也可以找到使机体稳定的支撑点，而足式机器人足部机构对复杂路面的适应能力直接关系到足式机器人的适用环境，因此，国内外研究了多种形式的对复杂路面具有一定适应能力的机器人足部机构。

美国John Deere公司研发的六足伐木机器人采用的足部机构运用球副结构实现偏摆和旋转，但是偏摆角度范围较小，而且缺少减震装置，对复杂路面的适应能力欠佳；日本东京工业大学研制的TITAN系列多足机器人利用双十字轴万向节结构实现偏摆，只能在正交方向上实现偏摆，同样对复杂路面的自适应性能较差。

公开号为CN102556201A，公开日为2012年7月11日的发明专利《一种多足步行机器人平底式脚结构》中公开了一种多足步行机器人平底式脚结构，在足底盘与小腿连接件中间均布三套含有立柱、立柱弹簧、螺母、压垫和位移测量装置的机构，不仅可以减缓震动和冲击，还可以实时感知地形状况，但是该机构自由度数目少，且活动角度范围较小，对不平整地貌的适应性能力较差。

随着足式机器人开始应用于抗险救灾、空间探测等领域，使得足式机器人在对不同地貌的适应性方面的要求不断提高，因而迫切需要设计一种可以适应不同地貌的具有多自由度的步行机器人足部机构。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的不足，针对目前足式移动机器人领域缺少对复杂地貌具有较好适应性的足部机构的现状，发明一种具有多自由度和大活动角度范围的机器人足部机构，采用大角度关节轴承实现足部机构的大角度偏摆运动。在轴承托架上采用凸轮状结构实现足部机构在前后方向偏摆时的限位；采用拉伸弹簧实现足部机构的复位，足底和减震器均采用模化设计。

本发明采取的技术方案为：一种机器人足部机构由旋转运动组件、大角度关节轴承组件、足底组件和减震器组件组成；采用大角度关节轴承实现足部机构的大角度偏摆运动，在轴承托架上采用凸轮状结构实现足部机构在前后方向偏摆时的限位；采用对足部受力情况进行实时测量的测力传感器；采用拉伸弹簧实现足部机构的复位；足底和减震器均采用模化设计；

在所述的旋转运动组件中，双向推力角接触球轴承36的外环安装在轴承底座6的内腔中，橡胶密封圈8安装在轴承底座6的顶端面上，若干个均匀分布的上压板固定螺钉11将轴承上压板9与轴承底座6固接；X型密封圈10安装在轴承上压板9顶端面上的环形沟槽中；阶梯形状的底座支架35的下圆柱面装在双向推力角接触球轴承36的内环中，轴承下挡板7通过均匀分布的若干个下挡板连接螺钉37固定在底座支架35的下端面上；

在所述的足底组件中，足垫1由均匀分布的若干个足垫连接螺钉3连接到足底板2上，橡胶密封垫5安装在足底板2的上端面上；通过均匀分布的若干个足底板连接螺钉4将足垫1、足底板2和橡胶密封垫5固定在轴承底座6上；

在所述的大角度关节轴承组件中，大角度关节轴承由关节轴承内圈30和关节轴承外圈29组成；关节轴承内圈30靠装在支撑轴13的轴肩上，并通过两个圆螺母31锁紧在支撑轴13上，关节轴承外圈29安装在轴承托架18中；轴承托架18的外圆周面上部具有两个用于实现足部前后方向偏摆时限位的凸轮状结构A；用于轴向定位关节轴承外圈29的轴承端盖16通过均匀分布的若干个端盖固定螺钉12固装在轴承托架18的左侧端面上；支承轴13架设在底座支架35上方的半圆形凹槽中；用两个下吊环螺钉38将左侧盖板14固定在底座支架35左侧凸台的上端面上，用其余的两个下吊环螺钉38将右侧盖板32固定在底座支架35右侧凸台的上端面上；通过弹簧垫圈33和锁紧螺母34将支承轴13轴向锁紧；用于周向定位的定位销15安装在左侧盖板14和支撑轴13的定位孔中；测力传感器28通过4个托架连接螺钉39与轴承托架18固定连接，转接板19通过4个均布的转接板上连接螺钉26与测力传感器28固接；

在所述的减震器组件中，按照由下到上的顺序，减震器组件由减震器底座20、下层柱状橡胶圈21、隔层钢板25、上层柱状橡胶圈22、减震器上压板23和减震器锁紧螺母24构成；上层柱状橡胶圈22与下层柱状橡胶圈21分别硫化粘接在隔层钢板25的上、下端面上，并将其放置在减震器底座20上；减震器上压板23放置在上层柱状橡胶圈22的顶端面上；在减震器底座20的空心柱结构上安装用于对减震器进行预紧的减震器锁紧螺母24；通过6个转接板下连接螺钉40和2个上吊环螺钉27将减震器底座20固接在转接板19的上端面上；将四个拉伸弹簧17分为左、右两组，每组两个，同组两个拉伸弹簧17的上端钩住同一个上吊环螺钉27，下端分别钩住同一侧的一个下吊环螺钉38。

本发明的有益效果是采用大角度关节轴承实现足部大角度的偏摆；采用双向推力角接触球轴承实现绕垂直足底面的中心轴线的360度回转。采用上述结构形式，使足部机构具有自由度数目多、活动角度范围大的特点，从而使足部机构对不平整路面具有更好的适应性。该足部机构同时具备防滑、减震和测力功能，并且足底部分和减震器均采用模块化设计，便于进行调整和更换，提高了足部机构的行走稳定性。

附图说明

图1是一种机器人足部机构的剖视图，图2是图1的左视图，图3是一种机器人足部机构的总体结构轴测图。图中：1 足垫，2 足底板，3足垫连接螺钉，4 足底板连接螺钉，5 橡胶密封垫，6 轴承底座，7 轴承下挡板，8 橡胶密封圈，9 轴承上压板，10 X型密封圈，11 上压板固定螺钉，12 端盖固定螺钉，13 支承轴，14 左侧盖板，15 定位销，16 轴承端盖，17 拉伸弹簧，18 轴承托架，19转接板，20 减震器底座，21 下层柱状橡胶圈，22 上层柱状橡胶圈，23 减震器上压板，24 减震器锁紧螺母，25 隔层钢板，26转接板上连接螺钉，27上吊环螺钉，28 测力传感器，29 关节轴承外圈，30 关节轴承内圈，31圆螺母，32 右侧盖板，33 弹簧垫圈，34 锁紧螺母，35 底座支架，36 双向推力角接触球轴承，37下挡板连接螺钉，38 下吊环螺钉，39 托架连接螺钉，40 转接板下连接螺钉，A 凸轮状结构。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式：

在附图1中，减震器上压板23设有均匀分布的若干个通孔，通过螺栓实现足部机构与腿部的连接。机器人进行姿态调整时，腿部会有偏摆和旋转的动作，从而带动足部机构进行相应的偏摆和旋转运动。

大角度关节轴承由关节轴承外圈29和关节轴承内圈30组成，其各方向的运动角度可达25～35度。关节轴承外圈29内表面通过贴附自润滑材料来提高其耐磨能力。关节轴承内圈30以过盈配合的形式靠装在支承轴13中部的轴肩上，安装两个圆螺母31以配合支承轴13中部的轴肩来实现关节轴承内圈30的轴向定位。支撑轴13架设在底座支架35两侧凸台上的半圆形凹槽中，左、右侧盖板14和32分别由两个下吊环螺钉38固定在底座支架35两侧凸台的上端面上，通过弹簧垫圈33和锁紧螺母34将支承轴13轴向锁紧，配合支撑轴13左端轴肩实现支撑轴13的轴向定位；定位销15安装在左侧盖板14和支撑轴13的定位孔中，对支撑轴13进行周向定位。这样，关节轴承内圈30与底座支架35的运动保持一致。关节轴承外圈29以过盈配合的形式安装在轴承托架18上，并由轴承托架18的轴肩与轴承端盖16进行轴向定位。测力传感器28通过4个托架连接螺钉39固接在轴承托架18的顶端面上，用于实时测量足部机构受力情况，为落脚点的选取提供有效的参考。通过2个上吊环螺钉27和6个均布的转接板下连接螺钉40将减震器底座20与转接板19进行连接。转接板19上表面的沉头孔中，通过4个均布的转接板上连接螺钉26将转接板19与下面的测力传感器28进行连接。转接板19实现了减震器与测力传感器28的等效连接。这样，关节轴承外圈29与腿部的运动保持一致，机器人进行姿态调整时，腿部产生偏摆动作时会带动关节轴承外圈29绕关节轴承内圈30作偏摆运动，从而实现足部机构中轴承托架18及以上部位绕关节轴承内圈30的偏摆运动。

双向推力角接触球轴承36的外环以过盈配合的形式装入轴承底座6的内腔中，并由轴承底座6的轴肩与轴承上压板9实现对双向推力角接触球轴承36外环的轴向定位。足垫1通过均匀分布的若干个足垫连接螺钉3连接到足底板2上，通过均匀分布的若干个足底板连接螺钉4将足垫1、足底板2和橡胶密封垫5固定在轴承底座6上。这样，足底组件与双向推力角接触球轴承36外环的运动保持一致。阶梯形状的底座支架35的下圆柱面以过盈配合的形式安装在双向推力角接触球轴承36的内环中，并由底座支架35的下圆柱面轴肩与轴承下挡板7实现对双向推力角接触球轴承36内环的轴向定位。这样，支撑轴13与双向推力角接触球轴承36内环的运动保持一致，当足式机器人落足后，足底组件与双向推力角接触球轴承36外环保持固定不动。机器人进行姿态调整时，腿部产生旋转动作时会带动关节轴承外圈29绕关节轴承内圈30作旋转运动至大角度关节轴承的极限位置后，腿部继续旋转会带动支撑轴13绕足部机构轴线进行旋转，进而带动双向推力角接触球轴承36的内环绕外环进行回转，从而实现足部机构中底座支架35及以上部分绕垂直足底的中心轴线的360度旋转运动。

在附图2和附图3中，轴承托架18的前后方均设有一个凸轮状结构A，当足部机构前后偏摆时，利用所述的凸轮状结构A与底座支架35的接触来限制足部机构前后偏摆的角度。限位部位设计成凸轮状结构A可以使轴承托架18与底座支架35接触时呈圆弧与平面的线-面接触形式，因而仍然可以在其他方向上偏摆，不至于卡死。在除前、后方向的其他方向上偏摆的角度范围由关节轴承外圈29与支承轴13中部的轴肩或圆螺母31之间的结构尺寸来控制。

减震器组件由减震器底座20、下层柱状橡胶圈21、上层柱状橡胶圈22、减震器上压板23、减震器锁紧螺母24和隔层钢板25组成。上层柱状橡胶圈22与下层柱状橡胶圈21分别硫化粘接于隔层钢板25的上、下端面上。在落足过程中，减震器上压板23受到压力的作用而压缩橡胶圈，压缩过程中，利用橡胶的阻尼吸能特性实现了对足部机构缓冲减震的作用。在抬足的过程中，下层柱状橡胶圈21和上层柱状橡胶圈22的变形恢复，为下一次的落足缓冲做好准备。针对不同的承载要求，可以通过更换柱状橡胶圈21和22的材料或者改变柱状橡胶圈的数目、尺寸等方式进行适应。通过拧紧减震器锁紧螺母24，对减震器进行预压缩，可以改变减震器的初始刚度，产生不同的减震缓冲效果，有效地提高了步行机器人行走过程中的稳定性。

分别在一个上吊环螺钉27和两个同侧的下吊环螺钉38之间安放拉伸弹簧17，来实现足部机构足底部分的复位，并有效减小在行进过程中足部结构的足底部分的晃动。

测力传感器28的信号线从转接板19和减震器底座20中间的通孔内导出至机器人的中央处理器。

橡胶密封垫5用于实现足底板2与轴承底座6之间的静密封；橡胶密封圈8用于实现轴承上压板9与轴承底座6之间的静密封；X型密封圈10用于实现轴承上压板9与底座支架35之间的动密封。

足底和减震器均采用模化的设计，便于进行组件整体替换、调整。可以通过设计足垫1的纹路来改善足部机构的防滑能力，提高了足部机构的行走稳定性。

Claims

1.一种机器人足部机构，其特征是，机器人足部机构由旋转运动组件、大角度关节轴承组件、足底组件和减震器组件组成；采用大角度关节轴承实现足部机构的大角度偏摆运动，在轴承托架上采用凸轮状结构实现足部机构在前后方向偏摆时的限位；采用了对足部受力情况进行实时测量的测力传感器；采用拉伸弹簧实现足部机构的复位；足底组件和减震器组件均采用模化设计；

在所述的旋转运动组件中，双向推力角接触球轴承（36）的外环安装在轴承底座（6）的内腔中，橡胶密封圈（8）安装在轴承底座（6）的顶端面上，若干个均匀分布的上压板固定螺钉（11）将轴承上压板（9）与轴承底座（6）固接；X型密封圈（10）安装在轴承上压板（9）顶端面上的环形沟槽中；阶梯形状的底座支架（35）的下圆柱面装在双向推力角接触球轴承（36）的内环中，轴承下挡板（7）通过均匀分布的若干个下挡板连接螺钉（37）固定在底座支架（35）的下端面上；

在所述的足底组件中，足垫（1）由均匀分布的若干个足垫连接螺钉（3）连接到足底板（2）上，橡胶密封垫（5）安装在足底板（2）的上端面上；通过均匀分布的若干个足底板连接螺钉（4）将足垫（1）、足底板（2）和橡胶密封垫（5）固定在轴承底座（6）上；

在所述的大角度关节轴承组件中，大角度关节轴承由关节轴承内圈（30）和关节轴承外圈（29）组成；关节轴承内圈（30）靠装在支承轴（13）的轴肩上，并通过两个圆螺母（31）锁紧在支承轴（13）上，关节轴承外圈（29）安装在轴承托架（18）中；轴承托架（18）的外圆周面上部具有两个用于实现足部前后方向偏摆时限位的凸轮状结构（A）；用于轴向定位关节轴承外圈（29）的轴承端盖（16）通过均匀分布的若干个端盖固定螺钉（12）固装在轴承托架（18）的左侧端面上；支承轴（13）架设在底座支架（35）上方的半圆形凹槽中；用两个下吊环螺钉（38）将左侧盖板（14）固定在底座支架（35）左侧凸台的上端面上，用其余的两个下吊环螺钉（38）将右侧盖板（32）固定在底座支架（35）右侧凸台的上端面上；通过弹簧垫圈（33）和锁紧螺母（34）将支承轴（13）轴向锁紧；用于周向定位的定位销（15）安装在左侧盖板（14）和支承轴（13）的定位孔中；测力传感器（28）通过4个托架连接螺钉（39）与轴承托架（18）固定连接，转接板（19）通过4个均布的转接板上连接螺钉（26）与测力传感器（28）固接；

在所述的减震器组件中，按照由下到上的顺序，减震器组件由减震器底座（20）、下层柱状橡胶圈（21）、隔层钢板（25）、上层柱状橡胶圈（22）、减震器上压板（23）和减震器锁紧螺母（24）构成；上层柱状橡胶圈（22）与下层柱状橡胶圈（21）分别硫化粘接在隔层钢板（25）的上、下端面上，并将其放置在减震器底座（20）上；减震器上压板（23）放置在上层柱状橡胶圈（22）的顶端面上；在减震器底座（20）的空心柱结构上安装用于对减震器进行预紧的减震器锁紧螺母（24）；通过6个转接板下连接螺钉（40）和2个上吊环螺钉（27）将减震器底座（20）固接在转接板（19）的上端面上；将四个拉伸弹簧（17）分为左、右两组，每组两个，同组两个拉伸弹簧（17）的上端钩住同一个上吊环螺钉（27），下端分别钩住同一侧的一个下吊环螺钉（38）。