CN103738428A

CN103738428A - 仿人型双足机器人足部结构

Info

Publication number: CN103738428A
Application number: CN201310755959.1A
Authority: CN
Inventors: 张峻霞; 徐春; 苏海龙; 王新亭; 张琰
Original assignee: Tianjin University of Science and Technology
Current assignee: Tianjin University of Science and Technology
Priority date: 2013-12-27
Filing date: 2013-12-27
Publication date: 2014-04-23

Abstract

本发明涉及一种仿人型双足机器人足部结构，包括脚掌、跖趾关节、脚跟和踝关节组件，脚掌前端安装跖趾关节，脚掌后端安装脚跟，脚掌中部上端安装踝关节组件，所述脚掌中部上端固装有踝关节组件；所述脚掌的纵向前端对称铰装有两个跖趾关节，该跖趾关节前端制有向上翘起的弧形结构，跖趾关节与脚掌之间分别通过扭簧支架安装有一扭簧；所述脚掌的纵向后端同轴铰装有脚跟，该脚跟后端制有向上翘起的弧形结构，脚跟上端两侧均对称固装有一对加强筋，脚跟两侧与脚掌之间均安装有一减震器。本发明利用扭簧的压缩和伸展功能实现脚趾关节的屈伸自由度，减震效果好，运行平稳可靠，可以与现有大部分的机器人进行完美匹配，提升机器人行走平稳性。

Description

仿人型双足机器人足部结构

技术领域

本发明属于机器人领域，涉及机器人行走机构，尤其是一种仿人型双足机器人足部结构。

背景技术

近年来，机器人工程成为了一门新兴的综合性学科，它是集电子工程、机械工程、材料工程、计算机工程、自动化与控制工程等多门学科的最新研究成果，其不仅代表了机电一体化领域的最高成就，同时也是目前最为活跃的研究领域之一。最近几十年，各领域开始展开对机器人的深入研究，不同工作种类的机器人开始进入我们的生活工作中，这使我们从复杂、高危、重复的工作中彻底解放出来。在各式各样的机器人中，仿人型双足机器人是一种与人类外形高度相似的机器人，同时它还具有像人一样的移动、操作、学习、交流、社交能力以及部分人类经验的最接近人类特征的智能型机器人。

仿人型双足机器人与轮式和履带式机器人相比，具有更加灵活的行走系统，可实现模拟人类双足行走的特征，使仿人型双足机器人在工作中不可替代的优越性和高效性。

目前，国内外对双足机器人的研究，多着重于躯干、肢体的运动仿真控制，一般足部机构被简化为由踝关节驱动的简单的平板或一些简单的机构。简化的足部结构在限制机器人足部关节自由度的同时缺失了大部分人类足部的正常机能。另外，由于目前很多双足机器人的步态规划及行走控制都是基于正常人的行走步态，足部结构的过分简化有可能会对机器人的步态稳定性产生很大的影响。

而且，作为人体行走运动中唯一与地面接触的部位，足部的结构及运动形态对行走稳定性也起到很重要的作用。因此本课题基于行走步态稳定性，针对双足机器人的足部结构进行设计优化，对于机器人领域的研究发展具有重要的实践价值。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种结构简单、设计合理、运行稳定、减震效果好的仿人型双足机器人足部结构。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种仿人型双足机器人足部结构，包括脚掌、跖趾关节、脚跟和踝关节组件，脚掌前端安装跖趾关节，脚掌后端安装脚跟，脚掌中部上端安装踝关节组件，其特征在于：具体安装结构分别为：所述脚掌中部上端固装有踝关节组件；所述脚掌的纵向前端对称铰装有两个跖趾关节，该跖趾关节前端制有向上翘起的弧形结构，跖趾关节与脚掌之间分别通过扭簧支架安装有一扭簧；所述脚掌的纵向后端同轴铰装有脚跟，该脚跟后端制有向上翘起的弧形结构，脚跟上端两侧均对称固装有一加强筋，脚跟两侧与脚掌之间均安装有一减震器。

而且，所述踝关节组件包括踝关节固定架、横轴、下踝关节、纵轴以及上踝关节，脚掌中部上端固装踝关节固定架，该踝关节固定架上端中部通过水平安装的横轴铰装有一下踝关节，该下踝关节上部通过纵轴铰装有一上踝关节。

而且，所述减震器前端通过固定支架安装在脚掌上端中部，减震器后端安装有一传动三角架的一个顶点，该传动三角架的另外两个顶点分别固装在脚掌后部上端以及和脚跟的加强筋前端。

而且，所述脚掌、跖趾关节以及脚跟下端均固装有一层橡胶脚底层。

而且，所述踝关节固定架内底部安装有一六维力矩传感器，横轴和纵轴的两端分别安装有角度传感器。

本发明的优点和积极效果是：

1、本足部结构克服了现有机器人在行走稳定性方面的不足，利用仿生设计与逆向工程原理，研究双足机器人的多自由度仿生足部，旨在提高双足机器人的直立行走稳定性，同时也为双足机器人模拟正常人体行走步态提供设计参考。

2、本足部结构增加了柔性跖趾关节和足跟冲击吸收机构，起到减震的作用，使机器人的着陆更加的平稳，进一步提升机器人行走稳定性。

3、本发明利用扭簧的压缩和伸展功能实现脚趾关节的屈伸自由度，减震效果好，运行平稳可靠，可以与现有大部分的机器人进行完美匹配，提升机器人行走平稳性。

附图说明

图1为本发明机构简图；

图2为本发明结构示意图；

图3为脚掌部分结构示意图；

图4为脚踝关节结构示意图；

图5为脚踝关节的双轴示意图。

附图中标记表示：1上踝关节；2下踝关节；3脚跟；4加强筋；5传动三角架；6避震器；7横轴；8脚掌；9扭簧；10跖趾关节；11六维力矩传感器；12纵轴；13扭簧支架；14固定支架；15合页；16踝关节固定架。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种仿人型双足机器人足部结构，包括脚掌8、跖趾关节10、脚跟3和踝关节组件，本实施例附图显示为单只机器人足部结构，以本实施例所示为例进行说明，脚掌前端安装跖趾关节，脚掌后端安装脚跟，脚掌中部上端安装踝关节组件，具体安装结构分别为：

所述脚掌中部上端固装有踝关节组件，该踝关节组件包括踝关节固定架16、横轴7、下踝关节2、纵轴12以及上踝关节1，脚掌中部上端固装踝关节固定架，该踝关节固定架上端中部通过水平安装的横轴铰装有一前后摆转的下踝关节，该下踝关节上部通过纵轴铰装有一左右摆转的上踝关节，该上踝关节用于与机器人下盘连接；

为了便于对机器人进行步态控制，所述踝关节固定架内底部安装有一六维力矩传感器11，横轴和纵轴的两端分别安装有角度传感器（图中未标号）。

所述脚掌的纵向前端对称铰装有两个跖趾关节，该跖趾关节前端制有向上翘起的弧形结构，跖趾关节与脚掌之间分别通过扭簧支架13安装有一扭簧9，扭簧提供预紧力保证跖趾关节在水平位置恢复状态，利用扭簧的压缩和伸展性能实现脚趾关节的屈伸自由度。

所述脚掌的纵向后端同轴铰装有一脚跟，该脚跟后端制有向上翘起的弧形结构，脚跟上端两侧均对称固装有一加强筋4，该脚跟采用合页15铰装在脚掌后端；脚跟两侧与脚掌之间均安装有一减震器6，该减震器前端通过固定支架14安装在脚掌上端中部，减震器后端安装有一传动三角架5的一个顶点，该传动三角架的另外两个顶点分别固装在脚掌后部上端以及和脚跟的加强筋前端。

为了提升减震效果，所述脚掌、跖趾关节以及脚跟下端均固装有一层橡胶脚底层。

所述六维力矩传感器、角度传感器、避震器、扭簧等元件属于现有技术，根据足部的具体参数量程选择相应的产品型号和规格。

本发明的工作原理及动作步骤如下：

当脚掌在初始平直的状态下，避震器的弹簧存在一定的预紧力，弹簧拥有一定的弹性势能。步态初期，一只脚水平着地，另一只脚跟触地，此时避震器先被压缩，起到缓冲减震的作用，机器人身体继续前倾，当脚掌全部水平着地以后，另一只脚的跖趾关节开始被弯曲，跖趾关节的扭簧被逐渐被压缩，当弯曲达到一定角度后另一只脚进行迈步，此时扭簧开始伸展，对机器人足部行走产生助力。

本发明首次将逆向工程原理结合到了机器人的足部仿生设计中，旨在最大限度的模拟人类足部在行走过程中的运动机理及行走模式。并根据现有研究中足部各功能性自由度对机器人行走步态稳定性的影响，进行机器人足部的自由度配置。

同时也是首次将柔性元件用于机器人的足部结构设计与功能实现中，增加机器人的柔性跖趾关节，利用扭簧的压缩和伸展功能实现脚趾关节的屈伸自由度，并且具有储存和释放部分能量的作用。此外，采用避震器和弹簧片的组合作为脚跟冲击吸收机构，起到减震的作用，使机器人的着陆更加的平稳。

根据研究跖趾关节对机器人的行走机理的影响并对机器人的跖趾关节进行具体的结构设计，脚趾结构采用扭簧作为柔性储能元件，应用柔顺机构原理，设计足部脚趾结构。根据受试者足-地接触力极值，确定扭簧承受的最大载荷，以此作为设计的初始理论依据进行扭簧的参数化设计与校核。

利用仿生学与逆向工程原理，并根据人类足部的解剖学结构以及足部跖趾关节的结构设计，完成机器人仿生足部单元的运动机构及整体结构的设计。针对地面对机器人行走产生的瞬时冲击作用，设计了机器人足部的缓冲吸收机构，利用避震器与扭簧的组合完成足部减震的功能。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims

1.一种仿人型双足机器人足部结构，包括脚掌、跖趾关节、脚跟和踝关节组件，脚掌前端安装跖趾关节，脚掌后端安装脚跟，脚掌中部上端安装踝关节组件，其特征在于：具体安装结构分别为：

所述脚掌中部上端固装有踝关节组件；

所述脚掌的纵向前端对称铰装有两个跖趾关节，该跖趾关节前端制有向上翘起的弧形结构，跖趾关节与脚掌之间分别通过扭簧支架安装有一扭簧；

所述脚掌的纵向后端同轴铰装有脚跟，该脚跟后端制有向上翘起的弧形结构，脚跟上端两侧均对称固装有一加强筋，脚跟两侧与脚掌之间均安装有一减震器。

2.根据权利要求1所述的仿人型双足机器人足部结构，其特征在于：所述踝关节组件包括踝关节固定架、横轴、下踝关节、纵轴以及上踝关节，脚掌中部上端固装踝关节固定架，该踝关节固定架上端中部通过水平安装的横轴铰装有一下踝关节，该下踝关节上部通过纵轴铰装有一上踝关节。

3.根据权利要求1所述的仿人型双足机器人足部结构，其特征在于：所述减震器前端通过固定支架安装在脚掌上端中部，减震器后端安装有一传动三角架的一个顶点，该传动三角架的另外两个顶点分别固装在脚掌后部上端以及和脚跟的加强筋前端。

4.根据权利要求1所述的仿人型双足机器人足部结构，其特征在于：所述脚掌、跖趾关节以及脚跟下端均固装有一层橡胶脚底层。

5.根据权利要求2所述的踝关节组件，其特征在于：所述踝关节固定架内底部安装有一六维力矩传感器，横轴和纵轴的两端分别安装有角度传感器。