CN106404232B - 一种用于机器人行走机构的具备减震功能的三维力传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于机器人行走机构的具备减震功能的三维力传感器，包括用于固定于腿部末端的圆板形固定平面、三根导电性连杆、三根线性弹簧、三个球铰、三个向心关节轴承、上导电环、下导电环、触地端，所述的固定平面上沿周向均匀设置有三个轴承座孔，所述连杆的上端通过向心关节轴承与所述轴承座孔活动连接；所述触地端采用弹性材料，其上端为圆形平面，下端为球面，所述三个球铰沿周向均匀设置在触地端的圆形平面上，各个连杆下端分别与对应的球铰固定连接，本发明可用于感知机器人腿部任意方向和任意位置的受力情况,体积小、安装方便、灵活性好、可方便与机器人腿部的结构融合以及功能性多样。

Description

一种用于机器人行走机构的具备减震功能的三维力传感器
技术领域
本发明属于机器人技术领域,具体涉及一种用于机器人行走机构的带减震的三维力传感器。
背景技术
仿生四足机器人是在复杂的自然地形中最容易实现稳定行走的机械装置之一,四足机器人多工作于非结构化、不确定的环境中,因此通过稳定的感知系统准确、实时地获取外界和自身状态信息尤为重要,而外界对其的作用力及自身的关节力矩信息正是这其中最重要的信息之一。现有的四足机器人腿部系统不具备全方位的力感知功能,不能够保证感知腿部任意方向和任意位置受到的外界作用力,而且用于四足机器人的力传感器为独立元件,没有融合于腿部的结构,所以普遍存在体积大、不易安装和灵活性差的问题,限制了腿部结构的设计,现有的传感器弹性体与机器人系统以螺栓螺母形式相连接时,螺栓螺母的松紧程度对弹性体会产生较大的影响,直接影响到传感器的测量精度。因此，设计一种可融合于腿部的三维力传感器，并承担一定功能如减震是未来足式机器人的发展方向。
发明内容
本发明为解决现有的用于足式机器人的力传感器无法感知机器人腿部任意方向和任意位置的受力情况,而且力传感器体积大、不易安装、灵活性差、无法与机器人腿部的结构融合以及功能性单一,进而提供一种用于机器人行走机构的具备减震功能的三维力传感器。
为了实现上述目的本发明采用如下技术方案：
一种用于机器人行走机构的具备减震功能的三维力传感器，包括用于固定于腿部末端 的圆板形固定平面、三根导电性连杆、三根线性弹簧、三个球铰、三个向心关节轴承、上导电 环、下导电环、触地端，所述的固定平面上沿周向均匀设置有三个轴承座孔，所述连杆的上端通过向心关节轴承与所述轴承座孔活动连接；所述触地端采用弹性材料，其上端为圆形平面，下端为球面，所述三个球铰沿周向均匀设置在触地端的圆形平面上，各个连杆下端分别与对应的球铰固定连接，所述的三根线性弹簧分别套在各个连杆上，其下端固定在连杆上，上端固定在与向心关节轴承内圈固连的弹簧座上，所述下导电环固定在向心关节轴承内圈上平面，上导电环固定在连杆顶端。
进一步地，各个连杆下端通过螺纹分别与对应的球铰固定连接。
进一步地，所述的球铰通过螺纹与触地端固连。
相比现有技术，本发明采用类似三自由度并联平台的结构，解决了现有的用于足式机器人的力传感器无法感知机器人腿部任意方向和任意位置的受力情况,而且力传感器体积大、不易安装、灵活性差、无法与机器人腿部的结构融合以及功能性单一的问题。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图。
图2是图1中I处放大示意图。
示意图中零部件的标号说明：
1-固定平面，2-球铰，3-触地端，4-线性弹簧，5-向心关节轴承，6-下导电环，7-上导电环，8-连杆。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1和图2所示，一种用于机器人行走机构的具备减震功能的三维力传感器，包括用于固定于腿部末端的圆板形固定平面1、三根导电性连杆8、三根线性弹簧4、三个球铰2、三个向心关节轴承5、上导电环7、下导电环6、触地端3，所述的固定平面1上沿周向均匀设置有三个轴承座孔，所述连杆8的上端通过向心关节轴承5与所述轴承座孔活动连接；所述触地端3采用弹性材料，其上端为圆形平面，下端为球面，与地面接触为由点接触过渡到部分面接触，具有减震效果且适应复杂地形，所述三个球铰2通过螺纹沿周向均匀设置在触地端3的圆形平面上，各个连杆8下端通过螺纹分别与对应的球铰2固定连接，所述的三根线性弹簧4分别套在各个连杆8上，其下端固定在连杆8上，上端固定在与向心关节轴承5内圈固连的弹簧座上，所述下导电环6固定在向心关节轴承5内圈上平面，上导电环7固定在连杆8顶端。
当地面对触地端3产生力的作用时，造成三根连杆8上的各线性弹簧4分别产生不同的压缩量，连杆8相对固定端的伸出长度随之改变，通过对上导电环7、下导电环6施加恒定电压，连杆8为导电金属材料，测出两导电环之间的电流，通过R=U/I,测出连杆8伸出部分的电阻。由R=ρL/S,可计算出连杆8伸出部分的长度L，可得出△L=L-L0，则可知线性弹簧4压缩量或者伸长量,通过F=K△L得出三个连杆8上方向上所受的力的大小，通过测出三根连杆8不同的伸出长度，且该结构的各个尺寸参数皆已知，可唯一确定触地端3相对于固定端的一个位置，可得出连杆8方向相对足部末端坐标系的倾角，通过三角函数关系将三个连杆8三方向上所受的力投影到足部末端坐标系，则可得出地面对足部末端的一个力和力矩的作用大小和方向。上述计算过程皆编程于控制端。由于采用线性弹簧4作为弹性原件，具有减震效果。
本实施例解决了现有的用于足式机器人的力传感器无法感知机器人腿部任意方向和任意位置的受力情况,而且力传感器体积大、不易安装、灵活性差、无法与机器人腿部的结构融合以及功能性单一的问题,体积小、安装方便、灵活性好、可方便与机器人腿部的结构融合以及功能性多样。
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。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种用于机器人行走机构的具备减震功能的三维力传感器，其特征在于，包括用于固定于腿部末端的圆板形固定平面(1)、三根导电性连杆(8)、三根线性弹簧(4)、三个球铰(2)、三个向心关节轴承(5)、上导电环(7)、下导电环(6)、触地端(3)，所述的固定平面(1)上沿周向均匀设置有三个轴承座孔，所述连杆(8)的上端通过向心关节轴承(5)与所述轴承座孔活动连接；所述触地端(3)采用弹性材料，其上端为圆形平面，下端为球面，所述三个球铰(2)沿周向均匀设置在触地端(3)的圆形平面上，各个连杆(8)下端分别与对应的球铰(2)固定连接，所述的三根线性弹簧(4)分别套在各个连杆(8)上，其下端固定在连杆(8)上，上端固定在与向心关节轴承(5)内圈固连的弹簧座上，所述下导电环(6)固定在向心关节轴承(5)内圈上平面，上导电环(7)固定在连杆(8)顶端，各个连杆(8)下端通过螺纹分别与对应的球铰(2)固定连接，所述的球铰(2)通过螺纹与触地端(3)固连。
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