CN103587606A - 双足跑步机器人的足部减振方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机器人技术领域，具体涉及双足跑步机器人的足部减振方法。本发明包括脚板、脚趾、铰链、上弹性驱动器、下弹性驱动器、直流电机，机器人的脚板和脚趾采用铰链连接方式。机器人足部在着地阶段，直流电机驱动上弹性驱动器缩短，围绕铰链对脚板形成缓冲力矩，减小着地冲击力，降低着地振动；在起跳阶段，下弹性驱动器产生拉力，提供弹跳驱动力矩，提升机器人的速度。本发明采用机器人支撑脚趾先着地的跑步方法，可以缓冲机器人跑步过程中由于碰撞冲击而引起的振动；有效降低双足机器人跑步过程中由于碰撞冲击而引起的振动，提高双足机器人的跑步速度、稳定性和可靠性。此外，本发明结构简单、制作成本低，适合在相关领域中推广使用。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及双足跑步机器人的足部减振方法。
背景技术
目前国际上机器人的跑步速度一般在1.3m/s以下，与成人跑步的平均速度4m/s尚有较大差距。这主要是由于机器人要实现快速跑步存在着许多难题有待解决，而机器人跑步时的着地冲击引起的振动就是亟待解决的难题之一。
机器人在跑步过程中，在飞行阶段的末端时刻，脚底和地面接触的瞬间，由于脚掌和地面产生碰撞，其速度瞬间变为零，引起机器人振动，甚至造成机器人失去稳定而摔倒。本田公司对ASIMO的行走速度与脚板所受地面碰撞冲击力进行了研究，发现行走速度在0.5～1m/s时，脚板所受冲击力是体重的1.2-1.4倍；2m/s时，冲击力是体重的1.8倍，由此可见着地冲击在机器人跑步时对其造成的影响更为严重。相对步行而言，跑步时冲击力大、缓冲时间短，所以在一步周期内将振幅减小到忽略不及的难度更大。
从目前国际国内研究的发展趋势来看，为了保证机器人跑步的稳定性，模拟人体脚掌功能的机器人双足是不可缺少的部件，同时也是机器人的发展趋势。目前具有双足的机器人大多简化了脚趾关节，足部设计成一整块的脚掌；跑步过程中大都采取全脚掌同时着地或后脚跟先着地的方式，着地冲击力较大(一般为机器人自重的1.2倍以上，随着跑步速度的增大，着地冲击力也相应地增大)，这是影响机器人跑步速度提升的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种有效降低双足机器人跑步过程中由于碰撞冲击而引起的振动，提高双足机器人的跑步速度、稳定性和可靠性的机器人。
双足跑步机器人的足部减振方法包括脚板、脚趾、铰链、上弹性驱动器、下弹性驱动器、直流电机，机器人的脚板和脚趾采用铰链连接方式，直流电机通过螺栓固定连接在机器人的脚板上部，上弹性驱动器安装在脚板和脚趾的上部，下弹性驱动器安装在脚板和脚趾的下部。
机器人足部在着地阶段，直流电机驱动上弹性驱动器缩短，围绕铰链对脚板形成缓冲力矩，减小着地冲击力，降低着地振动；在起跳阶段，下弹性驱动器产生拉力，提供弹跳驱动力矩，提升机器人的速度。
所述机器人足部在着地阶段，分为脚趾着地-脚板前部着地-脚板全着地三个过程，为了增强脚掌着地的柔顺性、缓冲着地冲击力对机器人本体造成的影响，此阶段在脚趾关节处产生缓冲力矩。
所述机器人足部在起跳阶段，分为脚板后部离地-脚板全离地-脚趾离地三个过程，为了加大机器人向前跳跃的幅度从而增加机器人跑步速度，同时降低脚趾的振动，此阶段在脚趾关节处产生驱动力矩。
本发明采用机器人支撑脚趾先着地的跑步方法，可以缓冲机器人跑步过程中由于碰撞冲击而引起的振动；通过增加机器人足部的脚趾关节，可以模拟长期光脚运动员的跑步运动机理，有效降低双足机器人跑步过程中由于碰撞冲击而引起的振动，提高双足机器人的跑步速度、稳定性和可靠性。此外，本发明结构简单、制作成本低，适合在相关领域中推广使用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的动作示意图。
图中：1、脚板；2、脚趾；3、铰链；4、下弹性驱动器；5、上弹性驱动器；6、直流电机。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和特点更加清楚，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步的详细说明。在此，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，双足跑步机器人的足部减振方法包括脚板1、脚趾2、铰链3、上弹性驱动器5、下弹性驱动器4、直流电机6，机器人的脚板1和脚趾2采用活性连接方式，直流电机6通过螺栓固定连接在机器人的脚板1上部。
所述脚板1和脚趾2采用的活性连接方式是铰链3连接。
本发明的上弹性驱动器5安装在脚板1和脚趾2的上部；下弹性驱动器4安装在脚板1和脚趾2的下部。
如图2所示，本发明的动作状态包括着地阶段和缓冲阶段。其中，着地阶段分为脚趾2着地、脚板1着地和后跟着地，起跳阶段包括后跟离地、脚板1离地和脚趾2离地。在着地阶段，脚趾1先着地，此时直流电机6驱动上弹性驱动器5缩短，产生拉力，该拉力大于下弹性驱动器4产生的力，从而围绕铰链3对脚板1形成缓冲力矩，减小着地冲击力，从而降低着地振动；在起跳阶段，直流电机6不驱动上弹性驱动器5，使其处于平衡状态，不产生力，而下弹性驱动器4产生拉力，提供弹跳驱动力矩，有利于机器人速度的提升。
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。这里无法对所有的实施方式予以穷举。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。
Claims (5)
1.双足跑步机器人的足部减振方法，包括脚板、脚趾、铰链、上弹性驱动器、下弹性驱动器、直流电机，机器人的脚板和脚趾采用铰链连接方式，直流电机通过螺栓固定连接在机器人的脚板上部，其特征在于机器人足部在着地阶段，直流电机驱动上弹性驱动器缩短，围绕铰链对脚板形成缓冲力矩，减小着地冲击力，降低着地振动；在起跳阶段，下弹性驱动器产生拉力，提供弹跳驱动力矩，提升机器人的速度。
2.根据权利要求1所述的双足跑步机器人的足部减振方法，其特征在于机器人足部在着地阶段，分为脚趾着地-脚板前部着地-脚板全着地三个过程，此阶段在脚趾关节处产生缓冲力矩。
3.根据权利要求1所述的双足跑步机器人的足部减振方法，其特征在于机器人足部在起跳阶段，分为脚板后部离地-脚板全离地-脚趾离地三个过程，此阶段在脚趾关节处产生驱动力矩。
4.根据权利要求1所述的双足跑步机器人的足部减振方法，其特征在于上弹性驱动器安装在脚板和脚趾的上部。
5.根据权利要求1所述的双足跑步机器人的足部减振方法，其特征在于下弹性驱动器安装在脚板和脚趾的下部。
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