CN105835986A - 一种可变刚度双足机器人足部系统 - Google Patents

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臧希喆
李文渊
刘义祥
林珍坤
赵杰
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    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B62D57/032—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid

Abstract

一种可变刚度双足机器人足部系统，它涉及一种可变刚度的仿人机器人足部系统，以解决现有附加橡胶软底层的刚性平底一体化足部与地面接触时的减震效果具有一定局限性，以及刚性仍然较大，遇到崎岖不平的路面或踩到硬质颗粒物时，对控制算法和控制系统性能要求较高且仍容易失稳跌倒的问题，它包括足底和足背；它还包括前足背中间层、后足背中间层、前足背支撑层、后足背支撑层、气动快换接头和多个压力传感器；足底由硅胶气垫制成，硅胶气垫具有贯通的多个气室，足底的上端面安装有前足背中间层和后足背中间层；前足背支撑层与后足背支撑层铰接连接；足背中间层和足背支撑层之间阵列布置有多个压力传感器。本发明用于双足仿人机器人足部。

Description

一种可变刚度双足机器人足部系统
技术领域
本发明涉及一种可变刚度的仿人机器人足部系统，属于机器人领域。
背景技术
目前仿人双足机器人的足部多为刚性平底的一体化结构附加一层橡胶软底，其中橡胶软底对机器人足部与地面接触时的减震效果具有一定局限性，且由于此种足部结构刚性较大，在遇到崎岖不平的路面或踩到硬质颗粒物时，需要机器人的控制系统完成复杂的动作规划来绕行或者调整足部适应路面，这对于机器人控制系统计算速度、运算量以及控制精度要求极高，且仍易由于扰动而使机器人跌倒。因此，研究一种刚度可变的双足机器人足部系统对机器人控制系统的简化和提高双足机器人行走稳定性和对路面的适应能力都有极为重要的意义。
发明内容
本发明是为解决现有附加橡胶软底层的刚性平底一体化足部与地面接触时的减震效果具有一定局限性，以及刚性仍然较大，遇到崎岖不平的路面或踩到硬质颗粒物时，对控制算法和控制系统性能要求较高且仍容易失稳跌倒的问题，进而提出一种可变刚度双足机器人足部系统。
本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明的一种可变刚度双足机器人足部系统包括足底和足背；它还包括前足背中间层、后足背中间层、前足背支撑层、后足背支撑层、气动快换接头和多个压力传感器；前足背中间层和后足背中间层构成足背中间层；前足背支撑层和后足背支撑层构成足背支撑层；足背中间层和足背支撑层构成足背；
足底由硅胶气垫制成，硅胶气垫具有贯通的多个气室，足底的上端面安装有前足背中间层和后足背中间层；前足背中间层和后足背中间层分别设置在硅胶气垫的上端面上，前足背中间层的上端面设置有前足背支撑层，后足背中间层的上端面设置有后足背支撑层；前足背支撑层与后足背支撑层铰接连接；足背中间层和足背支撑层之间阵列布置有多个压力传感器，后足背中间层和后足背支撑层上设置有与硅胶气垫连通的贯通孔，贯通孔内安装有气动快换接头。
本发明的有益效果是，本发明研制的可变刚度双足机器人足部系统可以根据不同地面调整硅胶气垫内部气压，系统刚度通过气压调节。如在有尺寸范围10mm以内的颗粒物的地面上行走时，可以依靠硅胶气垫的柔性包容地面的颗粒物，且通过一定的气压保证足部有足够的刚度保证机器人正常行走不发生侧翻，而不需要通过提高控制系统运算速度或提高控制算法复杂度来调整足部与颗粒和地面的接触状态从而保证行走的稳定。也不易由于扰动而使机器人跌倒，因此，本发明系统能够在不改变控制系统的前提下提高机器人行走的稳定性。
附图说明
图1为本发明可变刚度双足机器人足部系统的整体结构图；
图2为本发明可变刚度双足机器人足部系统使用的硅胶气垫制作模具结构图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明，本实施方式的一种可变刚度双足机器人足部系统，它包括足底1和足背；它还包括前足背中间层3、后足背中间层4、前足背支撑层5、后足背支撑层6、气动快换接头7和多个压力传感器8；前足背中间层3和后足背中间层4构成足背中间层；前足背支撑层5和后足背支撑层6构成足背支撑层；
足底1由硅胶气垫制成，硅胶气垫具有贯通的多个气室，硅胶气垫具有贯通的多个气室，足底1的上端面安装有前足背中间层3和后足背中间层4；前足背中间层3和后足背中间层4分别设置在硅胶气垫的上端面上，前足背中间层3的上端面设置有前足背支撑层5，后足背中间层4的上端面设置有后足背支撑层6；前足背支撑层5与后足背支撑层6铰接连接；足背中间层和足背支撑层之间阵列布置有多个压力传感器8，后足背中间层4和后足背支撑层6上设置有与硅胶气垫连通的贯通孔，贯通孔内安装有气动快换接头7。
本实施方式的硅胶气垫制备模具结构如图2所示，主要由模具上盖11、模具下盖12、腔内模具13和销钉14构成。腔内模具13一共由12块不同部分组成，通过销形结构相互连接并与模具上盖11相连，模具上盖11和模具下盖12通过两个销钉14定位，由外部措施夹紧，浇注时从模具侧面的三个浇道15注入混合好的硅胶，浇注后24小时内在模具内凝固成形。24小时后，首先打开模具上盖11和模具下盖12，再利用硅胶的柔性将气垫内部的12块腔内模具分离并取出，得到硅胶气垫。后足背中间层上留有一个气孔，与后足背支撑层上螺纹孔对应，共同构成一个贯通孔，以便安装气动快换接头，用以给空心气垫充放气和调节气压。压力传感器用于检测足部刚性结构与变刚度部分的接触力。足背支撑层主要为足部提供足够的刚度以支持机器人行走，足背支撑层也将足部系统各部分连接在一起。硅胶气垫的内部气压可由固定于足背支撑层上的接头及其上连接的气压回路控制。对于特定地形，不同的气压可以保证足部能够有效包容一定尺寸范围内的颗粒物，且保证足部有足够的刚度支撑机器人行走。
本实施方式的前足背支撑层5和后足背支撑层6通过铰链销9和铰链紧定螺钉10连接为一体。此铰链结构为一被动关节，依靠硅胶气垫的弹性提供恢复力。
具体实施方式二：结合图1说明，本实施方式的前足背中间层3和后足背中间层4均为聚甲醛树脂中间层。如此设置，强度高、刚度高和弹性好，减磨耐磨性好。保护气垫磨损，保证硅胶气垫更换方便，也可以保护压力传感器。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1说明，本实施方式的前足背支撑层5和后足背支撑层6均为聚甲醛树脂支撑层。如此设置，强度高、刚度高和弹性好，减磨耐磨性好，保护压力传感器。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：结合图1说明，本实施方式的前足背中间层3和后足背中间层4的上端面分别粘结在硅胶气垫的上端面上。如此设置，以保证密封性能和更换硅胶气垫的方便性。其它与具体实施方式三相同。
具体实施方式五：结合图1说明，本实施方式的压力传感器8为片式力敏电阻式传感器。如此设置，具有体积小、重量轻、耐高温、反应快、制作工艺简单的特点。其它与具体实施方式一、二或四相同。
具体实施方式六：结合图1说明，本实施方式的前足背中间层3和前足背支撑层5之间布置两个压力传感器8；后足背中间层4和后足背支撑层6之间布置六个压力传感器8。如此设置，阵列设置八个压力传感器，满足实际用于检测足部刚性结构与变刚度部分的接触力.其它与具体实施方式五相同。
具体实施方式七：结合图1说明，本实施方式的前足背中间层3通过螺栓与前足背支撑层5可拆卸连接，后足背中间层4通过螺栓与后足背支撑层6可拆卸连接。如此设置，前足背采用两组螺栓和后足背采用五组螺栓满足足背中间层与足背支撑层连接的需要。其它与具体实施方式一、二、四或六相同。
工作原理：足背支撑层可以和双足机器人脚踝连接，气动快换接头和气动管路及气动控制系统连接，压力传感器和控制系统相连。机器人行走过程中，硅胶气垫的柔性可以保证在踩到尺寸范围10mm以下的颗粒物时，硅胶气垫可以包容这类颗粒物，同时提供和地面足够的接触面积以保证行走的稳定性。硅胶气垫在低压状态时，足部刚度较小，包容颗粒物的能力随之提高，但提供给机器人的支撑力减小，当足部刚度低于某一阈度时，无法提供足够的支持力正常行走。系统刚度通过气压调节，硅胶气垫处于高压状态时，足部刚度较高，包容颗粒物的能力降低，但提供的支持力增大。因此通过调节足部硅胶气垫的气压，可以在足部支撑刚度和适应地面的能力上做出平衡，以适应不同地面的行走要求。

Claims (7)

1.一种可变刚度双足机器人足部系统，它包括足底(1)和足背；其特征在于：它还包括前足背中间层(3)、后足背中间层(4)、前足背支撑层(5)、后足背支撑层(6)、气动快换接头(7)和多个压力传感器(8)；前足背中间层(3)和后足背中间层(4)构成足背中间层；前足背支撑层(5)和后足背支撑层(6)构成足背支撑层；足背中间层和足背支撑层构成足背；
足底(1)由硅胶气垫制成，硅胶气垫具有贯通的多个气室，足底(1)的上端面安装有前足背中间层(3)和后足背中间层(4)；前足背中间层(3)和后足背中间层(4)分别设置在硅胶气垫的上端面上，前足背中间层(3)的上端面设置有前足背支撑层(5)，后足背中间层(4)的上端面设置有后足背支撑层(6)；前足背支撑层(5)与后足背支撑层(6)铰接连接；足背中间层和足背支撑层之间阵列布置有多个压力传感器(8)，后足背中间层(4)和后足背支撑层(6)上设置有与硅胶气垫连通的贯通孔，贯通孔内安装有气动快换接头(7)。
2.根据权利要求1所述的一种可变刚度双足机器人足部系统，其特征在于：前足背中间层(3)和后足背中间层(4)均为聚甲醛树脂中间层。
3.根据权利要求1或2所述的一种可变刚度双足机器人足部系统，其特征在于：前足背支撑层(5)和后足背支撑层(6)均为聚甲醛树脂支撑层。
4.根据权利要求3所述的一种可变刚度双足机器人足部系统，其特征在于：前足背中间层(3)和后足背中间层(4)的上端面分别粘结在硅胶气垫的上端面上。
5.根据权利要求1、2或4所述的一种可变刚度双足机器人足部系统，其特征在于：压力传感器(8)为片式力敏电阻式传感器。
6.根据权利要求5所述的一种可变刚度双足机器人足部系统，其特征在于：前足背中间层(3)和前足背支撑层(5)之间布置两个压力传感器(8)；后足背中间层(4)和后足背支撑层(6)之间布置六个压力传感器(8)。
7.根据权利要求1、2、4或6所述的一种可变刚度双足机器人足部系统，其特征在于：前足背中间层(3)通过螺栓与前足背支撑层(5)可拆卸连接，后足背中间层(4)通过螺栓与后足背支撑层(6)可拆卸连接。
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