CN104590417B - 一种仿人机器人足部 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿人机器人足部及其控制方法，其特征是设置一上盘体作为距骨，距骨的后端面为平面，距骨的前端面俯视呈“V”形，“V”形前端面上具有对称的外侧前端面和内侧前端面，三根杆件在距骨后端面和前端面上对距骨形成三个力点的支撑；三根杆件分别是跟骨、内跖骨和外跖骨，形成一个以跟骨的下端为后顶点、尖头朝后的后足底受力三角形，距骨的上端面通过踝关节与机器人下肢连接。本发明在机器人下肢上设置直线驱动装置，利用柔索按设定的动作驱动各构件，实现机器人足部关节转动的驱动和控制。

Description

一种仿人机器人足部

技术领域

本发明公开了一种仿生人足的行走触地行为模式和性能的仿人机器人足部，属于仿生机械领域。

背景技术

仿人机器人是模仿人的形态和行为而设计制造的机器人，仿人机器人具有很强的环境适应能力和广泛的应用潜力，但是行走步态僵硬、行走稳定性差一直是遏制其走向广泛应用的瓶颈。因此，仿生机器人足部的设计研究是改善和提高机器人行走稳定性的突破点之一。设计出一种具有人类足部功能特点的仿生足，是提高和改善仿人机器人的行走稳定性、增强仿人机器人的环境适应能力的突破点之一，是促进仿人机器人走向应用领域的重要课题。

目前的机器人足部机构大多是简化的平板结构，也有一些足部具有足趾关节结构，其中主动足趾关节大多采用电机驱动或齿轮的啮合传动来实现，而被动足趾关节大多是利用弹簧或柔性单元的变形来实现，如专利CN 103112516 A中的柔性铰链。存在的问题是：目前提出的足部结构，不能很好的模仿人体行走时足部与地面接触的整个过程、不能很好的吸收地面冲击与振动，因此无法模拟人行走时从脚跟着地到脚尖离地时的步态特点，无法应对复杂的地面路况，影响机器人行走稳定性和灵活性。由于目前大多机器人足部的主动关节不是直线驱动和控制、足部结构的自由度少，因此足部结构的控制系统十分复杂,而且不具有人足的主动灵活性和被动稳定性，导致机器人行走步态调整能力差。

发明内容

本发明是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种仿人机器人足部及其控制方法，以实现人足触地行为模式和性能仿生，提高机器人行走稳定性和灵活性。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明仿人机器人足部的结构特点是：设置一上盘体作为距骨，距骨的后端面为平面，距骨的前端面俯视呈“V”形，“V”形前端面上具有对称的外侧前端面和内侧前端面，三根杆件在距骨后端面和前端面上对距骨形成三个力点的支撑；三根杆件分别是：

跟骨，其上端通过后跟关节支撑在距骨的后端面；

内跖骨，其上端通过内跖骨关节支撑在距骨的内侧前端面；

外跖骨，其上端通过外跖骨关节支撑在距骨的外侧前端面；

形成一个以跟骨的下端为后顶点、尖头朝后的后足底受力三角形；内跖骨和外跖骨的下端分别为后足底受力三角形的内侧顶点和外侧顶点；距骨的上端面通过踝关节与机器人下肢连接。

本发明仿人机器人足部的结构特点也在于：后足底受力三角形的每两个支撑点之间通过弹性受拉元件相连接，形成以距骨为弓顶的三个空间并联足弓，分别是：以跟骨、内跖骨、距骨，以及连接在跟骨和内跖骨之间的第一弹性受拉元件构成的内侧纵弓；以跟骨、外跖骨、距骨，以及连接在跟骨和外跖骨之间的第二弹性受拉元件构成的外侧纵弓；以内跖骨、距骨、外跖骨，以及连接在内跖骨和距骨之间的第三弹性受拉元件9构成的横弓。

本发明仿人机器人足部的结构特点也在于：设置一大拇趾，大拇趾的近端通过大拇趾关节柔性连接在内跖骨的下端，大拇趾向前延伸的远端向下凸起作为前顶点；以前顶点与内侧顶点和外侧顶点形成尖头朝前的前足底受力三角形，前足底受力三角形与后足底受力三角形共边并处在相同或不同的平面中。

本发明仿人机器人足部的结构特点也在于：所述后跟关节、内跖骨关节、外跖骨关节和大拇趾关节是在“U”形弹性钢板的两侧板之间设置弹簧，其各自具有满足机器人相应部位要求的柔性和吸震能力。

本发明仿人机器人足部的结构特点也在于：所述跟骨、内跖骨、外跖骨和大拇趾的下端面设置为曲面，并且在下端面的表面设置有减震防滑层。

本发明仿人机器人足部的控制方法的特点是：在机器人下肢上设置直线驱动装置，并有柔索分别连接在直线驱动装置与跟骨、内跖骨、外跖骨以及大拇趾之间，通过直线驱动装置并利用柔索按设定的动作拉动跟骨、内跖骨、外跖骨和大拇趾，实现机器人足部关节转动的驱动和控制。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明仿人机器人足部，通过对不同触地方式的切换，充分模仿人体足部行走时的触地方式和行为性能，能有效支持机器人对人体行走步态的仿真，实现步态平稳。

2、本发明可以实现五种接触方式分别是：跟骨下端单点支撑、后足底受力三角形支撑、两个足底受力三角形同时支撑、前足底受力三角形支撑、大拇趾单点支撑。当足跟着地时后跟单点支撑要能够承受由于身体重心前移导致的地面冲击力；在另一足摆动的单足支撑阶段，足底先受后受力三角形支撑、然后由后受力三角形支撑向前受力三角形支撑过渡，有利于单只脚稳定支撑全身及身体重心的前移；最后在脚尖离地期，大拇趾能提供足够的支撑力和位态控制，帮助身体前移，稳定地将身体重心送到另一只脚上，有助于实现机器人稳定、平缓的行走。

2、本发明在结构上具有跟人足类似的内侧纵弓、外侧纵弓和横弓，当机器人足底触地时，通过纵弓、横弓的被动变形能够有效增强足部接触地面的适应能力、有效吸收足底的地面冲击，更可以储存弹性形变能，为足部的提起和向前摆动提供能量，提高行走速度和步幅。三 个足弓均为柔性五杆闭环机构，以距骨作为共同的弓顶，弓足两两合并,形成基于柔性五杆闭环的空间三重并联足部机构，从而具有结构稳定性。弓底的弹性受拉元件模拟足底筋膜对三个足弓分别提供支撑，每个足弓具有结构和性能上的独立性和可设计性。

3、本发明在距骨的上端面有一个踝关节安装面，可以通过踝关节实现与小腿的连接。利用布置在距骨上小腿部位的直线驱动装置拉动跟骨、内跖骨、外跖骨、大拇趾上的柔索孔，来实现对踝关节、后跟关节、内跖骨关节、外跖骨关节和大拇趾关节的协调驱动和控制，实现机器人对人体行走的驱动和控制机制的仿生，有利于实现机器人控制系统的简单灵活、实现步态的平稳和不僵硬。

4、本发明具有主动驱动和控制的大拇趾结构，使得机器人行走时能够根据行走动态平衡的稳定性准则，对大拇趾关节的抗弯刚度和位姿进行调节、实现对行走动态平衡进行有利微调，增强机器人行走稳定性、提高行走速度和步幅。

5、本发明各相邻骨骼之间通过弹性受拉元件相连接，通过对这些弹性受拉元件的参数设计可满足各关节不同的性能要求。这些关节和三个足弓本身在结构上就具有被动自由度的特点，不仅在结构上与人足相似，还能减少运动参数的开环增益，提高控制稳定性。

6、本发明中仿人足的跟骨、内外跖骨和大拇趾的下端面设置为曲面，并且表面镶有减震防滑层，有利于提高机器人行走稳定性，特别是平稳渡过单点支撑阶段。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中各弹性受拉元件结构图；

图3为本发明中仿人足外侧的直线驱动走线图；

图4为本发明中仿人足内侧的直线驱动走线图；

图中标号：1内跖骨关节，2第一弹性受拉元件，3跟骨，4后跟关节，5距骨，6外跖骨关节，7第二弹性受拉元件，8外跖骨，9第三弹性受拉元件，10内跖骨，11大拇趾关节，12大拇趾，13弹性钢板，14弹簧，15第一柔索，16第二柔索，17第三柔索，18第四柔索，19第五柔索，20第六柔索，21第七柔索。

具体实施方式

参见图1，本实施例中仿人机器人足部的结构形式是：

设置一上盘体作为距骨5，距骨5的后端面为平面，距骨5的前端面俯视呈“V”形，“V”形前端面上具有对称的外侧前端面和内侧前端面，三根杆件在距骨5后端面和前端面上对距骨5形成三个力点的支撑；三根杆件分别是：

跟骨3，其上端通过后跟关节4支撑在距骨5的后端面；

内跖骨10，其上端通过内跖骨关节1支撑在距骨5的内侧前端面；

外跖骨8，其上端通过外跖骨关节6支撑在距骨5的外侧前端面；

形成一个以跟骨3的下端为后顶点、尖头朝后的后足底受力三角形；内跖骨10和外跖骨8的下端分别为后足底受力三角形的内侧顶点和外侧顶点；距骨5的上端面通过踝关节与机器人下肢连接。

具体实施中，后足底受力三角形的每两个支撑点之间通过弹性受拉元件相连接，形成以距骨5为弓顶的三个空间并联足弓，分别是：

以跟骨3、内跖骨10、距骨5，以及连接在跟骨3和内跖骨10之间的第一弹性受拉元件2构成的内侧纵弓；以跟骨3、外跖骨8、距骨5，以及连接在跟骨3和外跖骨8之间的第二弹性受拉元件7构成的外侧纵弓；以内跖骨10、距骨5、外跖骨8，以及连接在内跖骨10和距骨5之间的第三弹性受拉元件9构成的横弓。

以第一弹性受拉元件2、第二弹性受拉元件7和第三弹性受拉元件9模拟足底筋膜对三个足弓分别提供支撑；足弓可有效吸收足底的地面冲击，储存弹性形变能，为足部的提起和向前摆动提供能量，提高行走速度和步幅。三个足弓均为柔性五杆闭环机构，以距骨作为共同的弓顶，弓足两两合并,形成基于柔性五杆闭环的空间三重并联足部机构，从而具有结构稳定性。每个足弓具有结构和性能上的独立性和可设计性。

设置一大拇趾12，大拇趾12的近端通过大拇趾关节11柔性连接在内跖骨10的下端，大拇趾12向前延伸的远端向下凸起作为前顶点；以前顶点与内侧顶点和外侧顶点形成尖头朝前的前足底受力三角形，前足底受力三角形与后足底受力三角形共边且处在相同或不同的平面中。

机器人足部在行走时两个三角形的公共边会受力伸长，使得两个受力三角形在一个平面上，实现从后受力三角形支撑到前受力三角形支撑的平顺过渡。行走时足部与地面接触阶段，分别形成跟骨下端单点支撑、后足底受力三角形支撑、两个足底受力三角形同时支撑、前足底受力三角形支撑和大拇趾单点支撑，与人体步行时的触地方式一致。当足跟着地时后跟单点支撑要能够承受由于身体重心前移导致的地面冲击力；在另一足摆动的单足支撑阶段，足底先受后受力三角形支撑、然后由后受力三角形支撑向前受力三角形支撑过渡，有利于单只脚稳定支撑全身及身体重心的前移；最后在脚尖离地期，具有主动驱动和控制的大拇趾能提供足够的支撑力和位态控制，帮助机器人根据行走动态平衡的稳定性准则，对大拇趾关节的抗弯刚度和位姿进行调节，有助于稳定地将身体重心送到另一只脚上，实现机器人稳定、平顺地行走。

在跟骨3、内跖骨10、外跖骨8，以及大拇趾12上分别设置有柔索孔；后跟关节4、内 跖骨关节1、外跖骨关节6和大拇趾关节11各自具有满足机器人相应部位要求的柔性和吸震能力，本实施例中后跟关节4、内跖骨关节1、外跖骨关节6和大拇趾关节11采用如图2所示的结构形式，是在“U”弹性钢板13的两侧板之间设置弹簧14。

本实施例中将跟骨3、内跖骨10、外跖骨8和大拇趾12的下端面设置为曲面，有利于机器人行走时与地面平稳接触；在下端面的表面设置有减震防滑层，可以在机器人行走时起到减震防滑的作用。

本实施例中仿人机器人足部的控制方法是在机器人下肢上设置直线驱动装置，并有柔索分别连接在直线驱动装置与各柔索孔之间，通过直线驱动装置利用柔索按设定的动作拉动跟骨3、内跖骨10、外跖骨8和大拇趾12，实现机器人足部关节转动的驱动和控制。

图3所示为第一柔索15、第二柔索16、第三柔索17、第四柔索18和第五柔索19的走线图，其中第一柔索一端连接在根骨外侧，另一端连接在距骨上端；第二柔索一端连接在外跖骨下侧，另一端连接在距骨上端；第三柔索一端连接在根骨内侧，另一端连接在距骨上端；第四柔索一端连接在外跖骨上端，另一端连接在距骨上端；第五柔索一端连接在内跖骨上端，另一端连接在距骨上端。

图4所示为第六柔索20和第七柔索21的走线图，其中第六柔索一端连接在内跖骨下端，另一端连接在距骨上端；第七柔索一端连接在大拇趾内侧，另一端穿过大拇趾关节、内跖骨连接到距骨上端。

Claims (5)

1.一种仿人机器人足部，其特征是：设置一上盘体作为距骨(5)，距骨(5)的后端面为平面，距骨(5)的前端面俯视呈“V”形，“V”形前端面上具有对称的外侧前端面和内侧前端面，三根杆件在距骨(5)后端面和前端面上对距骨(5)形成三个力点的支撑；三根杆件分别是：

跟骨(3)，其上端通过后跟关节(4)支撑在距骨(5)的后端面；

内跖骨(10)，其上端通过内跖骨关节(1)支撑在距骨(5)的内侧前端面；

外跖骨(8)，其上端通过外跖骨关节(6)支撑在距骨(5)的外侧前端面；

形成一个以跟骨(3)的下端为后顶点、尖头朝后的后足底受力三角形；内跖骨(10)和外跖骨(8)的下端分别为后足底受力三角形的内侧顶点和外侧顶点；距骨(5)的上端面通过踝关节与机器人下肢连接。

2.根据权利要求1的仿人机器人足部，其特征是：后足底受力三角形的每两个支撑点之间通过弹性受拉元件相连接，形成以距骨(5)为弓顶的三个空间并联足弓，分别是：以跟骨(3)、内跖骨(10)、距骨(5)，以及连接在跟骨(3)和内跖骨(10)之间的第一弹性受拉元件(2)构成的内侧纵弓；以跟骨(3)、外跖骨(8)、距骨(5)，以及连接在跟骨(3)和外跖骨(8)之间的第二弹性受拉元件(7)构成的外侧纵弓；以内跖骨(10)、距骨(5)、外跖骨(8)，以及连接在内跖骨(10)和距骨(5)之间的第三弹性受拉元件(9)构成的横弓。

3.根据权利要求2的仿人机器人足部，其特征是：设置一大拇趾(12)，大拇趾(12)的近端通过大拇趾关节(11)柔性连接在内跖骨(10)的下端，大拇趾(12)向前延伸的远端向下凸起作为前顶点；以前顶点与内侧顶点和外侧顶点形成尖头朝前的前足底受力三角形，前足底受力三角形与后足底受力三角形共边并处在相同或不同的平面中。

4.根据权利要求3的仿人机器人足部，其特征是：所述后跟关节(4)、内跖骨关节(1)、外跖骨关节(6)和大拇趾关节(11)是在“U”形弹性钢板(13)的两侧板之间设置弹簧(14)，其各自具有满足机器人相应部位要求的柔性和吸震能力。

5.根据权利要求3的仿人机器人足部，其特征是：跟骨(3)、内跖骨(10)、外跖骨(8)和大拇趾(12)的下端面设置为曲面，并且在下端面的表面设置有减震防滑层。