CN107839781B - 一种高柔顺性低能耗的双足机器人仿生拉压踝关节 - Google Patents

一种高柔顺性低能耗的双足机器人仿生拉压踝关节 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高柔顺性低能耗的双足机器人仿生拉压踝关节，本发明通过被动型柔质构件和拮抗式布置的主动驱动型柔质构件的相互配合实现双足机器人仿生拉压踝关节的背伸和跖屈运动。弧状的足底板设计使得双足机器人运动步态和人类行走更加接近。被动型柔质构件自身具有预紧力和柔顺性，在传递运动时提高了踝关节运动的柔顺性和灵活性。此外，主动驱动型柔质构件和被动型柔质构件形成的三维空间拓扑结构不仅可维持踝关节的稳定性，也有助于能量的传递和管理。由此，被动型柔质构件、主动型柔质构件和硬质构件构成了仿生拉压体结构，将有助于提高双足机器人的柔顺性和能量效率。

Description

一种高柔顺性低能耗的双足机器人仿生拉压踝关节
技术领域
本发明属于仿生机器人领域，具体涉及一种高柔顺性低能耗的双足机器人仿生拉压踝关节。
背景技术
机器人已成为21世纪具有代表性的高技术研究课题，综合涉及机械科学、力学、仿生学、计算机技术、人工智能、控制论等多学科领域。随着科学技术的不断发展，机器人的含义也在不断扩展，现代的机器人已跨出了结构化环境的生产车间，向着人类生活的诸多方面渗透。双足机器人能够在人类的生活和工作环境中与人类协同工作，对步行环境要求较低，可适应各种地面且具有较高的跨越障碍的能力。此外，双足机器人具有广阔的应用领域，可作为残疾人(下肢瘫痪者或者截肢者)室外或户外的行走工具，在极限环境下代替人工作业等。双足行走机器人属于类人机器人，典型特点是机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿及髋关节、膝关节和踝关节，并以执行装置代替肌肉，实现对身体的支撑及连续地协调运动，各关节之间可以有一定角度的相对转动。
双足机器人的研究虽然取得了一些研究成果，但目前双足机器人的步态灵活性、稳定性和行走速度等与人类相比依旧存在有较大差距。类人双足机器人是一个多自由度机构，尤其腿部的自由度数直接决定了双足步态的灵活性。踝关节是连接小腿与足部的关节，起到调节足部姿态，维持身体稳定的作用，其设计是人形机器人设计中的重要环节，它决定了拟人行走过程中的灵活度，承载特性和传递精度。传统双足机器人踝关节的结构设计中通常利用刚性的转动副和弹簧连接足和小腿，弹簧虽可起到一定的缓冲作用，但刚性构件间的相互碰撞和冲击使得双足机器人的柔顺性较差，同时降低了能量利用效率，最终导致双足机器人的步态与人类步行的较大差异。
而人体本身具有运动灵活且能耗低的特点，研究表明，这与人体骨骼肌肉系统构成的生物拉压体结构具有密切联系。在拉压体结构中，受压的硬质构件间通过具有三维构形的接触面相互接触且主要进行法向正压力的传递，而受拉的柔质构件包括被动型柔质构件和主动驱动型柔质构件。
受生物骨骼肌肉系统启发，本专利申请人所在团队提出了仿生拉压体系统设计方法，进而为研究新型仿生拉压踝关节提供了技术支持。仿生拉压体系统是一种由受拉的柔质构件和受压的硬质构件按照特定空间拓扑结构组成的刚柔耦合系统，该系统具有能量效率和柔顺性高，自稳定、自平衡且抗冲击的特性。基于仿生拉压体系统设计方法提出一种高柔顺性低能耗的仿生拉压踝关节，对于提高双足机器人的行走步态和能量效率具有重要意义。
发明内容
本发明为解决现有双足机器人踝关节柔顺性差和能量效率低的问题，进而提出一种基于仿生拉压体系统设计方法的高柔顺性且能耗低的双足机器人仿生拉压踝关节。
本发明包括足底板、踝关节第一硬质构件、踝关节第二硬质构件、第一外侧被动型柔质构件、第二外侧被动型柔质构件、第三外侧被动型柔质构件、第四外侧被动型柔质构件、第一内侧被动型柔质构件、第二内侧被动型柔质构件、第三内侧被动型柔质构件、第四内侧被动型柔质构件、第一主动驱动型柔质构件、第二主动驱动型柔质构件、第三主动驱动型柔质构件、第四主动驱动型柔质构件、钢丝绳、连接板和底座；踝关节第一硬质构件、底座和足底板均通过螺纹连接；第一外侧被动型柔质构件、第二外侧被动型柔质构件、第三外侧被动型柔质构件和第四外侧被动型柔质构件粘接在踝关节第一硬质构件和踝关节第二硬质构件之间，将踝关节第一硬质构件和踝关节第二硬质构件连接在一起；第一内侧被动型柔质构件、第二内侧被动型柔质构件、第三内侧被动型柔质构件和第四内侧被动型柔质构件粘接在踝关节第一硬质构件和踝关节第二硬质构件之间，将踝关节第一硬质构件和踝关节第二硬质构件连接在一起；沿着足底板长边的方向分布着第一主动驱动型柔质构件、第三主动驱动型柔质构件，短边的方向分布着第二主动驱动型柔质构件、第四主动驱动型柔质构件，通过钢丝绳将第一主动驱动型柔质构件、第二主动驱动型柔质构件、第三主动驱动型柔质构件、第四主动驱动型柔质构件的上端和连接板相连接。第一主动驱动型柔质构件、第二主动驱动型柔质构件、第三主动驱动型柔质构件、第四主动驱动型柔质构件的下端与底座通过螺纹连接。
所述的第一外侧被动型柔质构件、第二外侧被动型柔质构件、第三外侧被动型柔质构件、第四外侧被动型柔质构件具有预紧力，第一外侧被动型柔质构件、第二外侧被动型柔质构件、第三外侧被动型柔质构件、第四外侧被动型柔质构件分别与第一内侧被动型柔质构件、第二内侧被动型柔质构件、第三内侧被动型柔质构件、第四内侧被动型柔质构件相互配合，与踝关节第一硬质构件和踝关节第二硬质构件共同构成了仿生拉压体结构，进而保证了踝关节第一硬质构件和踝关节第二硬质构件的结构稳定性。
所述的第一主动驱动型柔质构件、第二主动驱动型柔质构件、第三主动驱动型柔质构件和第四主动驱动型柔质构件均为人工气动肌肉。
本发明的工作原理和过程为：
具有预紧力的第一外侧被动型柔质构件、第二外侧被动型柔质构件、第三外侧被动型柔质构件、第四外侧被动型柔质构件分别与第一内侧被动型柔质构件、第二内侧被动型柔质构件、第三内侧被动型柔质构件、第四内侧被动型柔质构件相互配合，与踝关节第一硬质构件和踝关节第二硬质构件共同构成了仿生拉压体结构，进而保证了踝关节第一硬质构件和踝关节第二硬质构件的结构稳定性。
当足底板前侧的第一主动驱动型柔质构件处于充气收缩状态，而足底板后侧的第三主动驱动型柔质构件处于排气伸长状态时，通过钢丝绳带动连接板和踝关节第二硬质构件相对踝关节第一硬质构件旋转，进而实现踝关节的背伸运动。
当足底板前侧的第一主动驱动型柔质构件处于排气伸长状态，而足底板后侧的第三主动驱动型柔质构件处于充气收缩状态时，通过钢丝绳带动连接板和踝关节第二硬质构件相对踝关节第一硬质构件旋转，进而实现踝关节的跖屈运动。
当足底板左侧的第四主动驱动型柔质构件处于充气收缩状态，而足底板右侧的第二主动驱动型柔质构件处于排气伸长状态时，通过钢丝绳带动连接板和踝关节第二硬质构件相对踝关节第一硬质构件旋转，进而实现踝关节的外翻运动。
当足底板左侧的第四主动驱动型柔质构件处于排气伸长状态，而足底板右侧的第二主动驱动型柔质构件处于充气收缩状态时，通过钢丝绳带动连接板和踝关节第二硬质构件相对踝关节第一硬质构件旋转，进而实现踝关节的内翻运动。
本发明的有益效果：
本发明通过被动型柔质构件和拮抗式布置的主动驱动型柔质构件相互配合实现双足机器人踝关节的背伸和跖屈运动。弧状的足底板设计使得双足机器人运动步态和人类行走更加接近。被动型柔质构件自身具有预紧力和柔顺性，在传递运动时提高了踝关节运动的柔顺性和灵活性。主动驱动型柔质构件和被动型柔质构件形成的三维空间拓扑结构不仅可维持踝关节的稳定性，也有助于能量的传递和管理。由此，被动型柔质构件、主动型柔质构件和硬质构件构成了仿生拉压体结构，本发明将有助于提高双足机器人的柔顺性和能量效率。
附图说明
图1是本发明的立体示意图。
图2是本发明的主视图。
图3是本发明的俯视图。
图4、图5是本发明的内侧被动型柔质构件的局部视图。
其中：1—足底板；2—踝关节第一硬质构件；5—踝关节第二硬质构件；31—第一外侧被动型柔质构件；32—第二外侧被动型柔质构件；33—第三外侧被动型柔质构件；34—第四外侧被动型柔质构件；41—第一内侧被动型柔质构件；42—第二内侧被动型柔质构件；43—第三内侧被动型柔质构件；44—第四内侧被动型柔质构件；61—第一主动驱动型柔质构件；62—第二主动驱动型柔质构件；63—第三主动驱动型柔质构件；64—第四主动驱动型柔质构件；7—钢丝绳；8—连接板；9—底座。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明包括足底板1、踝关节第一硬质构件2、踝关节第二硬质构件5、第一外侧被动型柔质构件31、第二外侧被动型柔质构件32、第三外侧被动型柔质构件33、第四外侧被动型柔质构件34、第一内侧被动型柔质构件41、第二内侧被动型柔质构件42、第三内侧被动型柔质构件43、第四内侧被动型柔质构件44、第一主动驱动型柔质构件61、第二主动驱动型柔质构件62、第三主动驱动型柔质构件63、第四主动驱动型柔质构件64、钢丝绳7、连接板8和底座9；踝关节第一硬质构件2、底座9和足底板1均通过螺纹连接；第一外侧被动型柔质构件31、第二外侧被动型柔质构件32、第三外侧被动型柔质构件33和第四外侧被动型柔质构件粘接在踝关节第一硬质构件2和踝关节第二硬质构件5之间，将踝关节第一硬质构件2和踝关节第二硬质构件5连接在一起；第一内侧被动型柔质构件41、第二内侧被动型柔质构件42、第三内侧被动型柔质构件43和第四内侧被动型柔质构件44粘接在踝关节第一硬质构件2和踝关节第二硬质构件5之间，将踝关节第一硬质构件2和踝关节第二硬质构件5连接在一起；沿着足底板1长边的方向分布着第一主动驱动型柔质构件61、第三主动驱动型柔质构件63，短边的方向分布着第二主动驱动型柔质构件62、第四主动驱动型柔质构件64，通过钢丝绳7将第一主动驱动型柔质构件61、第二主动驱动型柔质构件62、第三主动驱动型柔质构件63、第四主动驱动型柔质构件64的上端和连接板8相连接。第一主动驱动型柔质构件61、第二主动驱动型柔质构件62、第三主动驱动型柔质构件63、第四主动驱动型柔质构件64的下端与底座9通过螺纹连接。
所述的第一外侧被动型柔质构件31、第二外侧被动型柔质构件32、第三外侧被动型柔质构件33、第四外侧被动型柔质构件34具有预紧力，第一外侧被动型柔质构件31、第二外侧被动型柔质构件32、第三外侧被动型柔质构件33、第四外侧被动型柔质构件34分别与第一内侧被动型柔质构件41、第二内侧被动型柔质构件42、第三内侧被动型柔质构件43、第四内侧被动型柔质构件44相互配合，与踝关节第一硬质构件2和踝关节第二硬质构件5共同构成了仿生拉压体结构，进而保证了踝关节第一硬质构件2和踝关节第二硬质构件5的结构稳定性。
所述的第一主动驱动型柔质构件(61)、第二主动驱动型柔质构件(62)、第三主动驱动型柔质构件(63)和第四主动驱动型柔质构件(64)均为人工气动肌肉。
所述的足底板1前侧的第一主动驱动型柔质构件61处于充气收缩状态，而足底板后侧的第三主动驱动型柔质构件63处于排气伸长状态时，通过钢丝绳7带动连接板8和踝关节第二硬质构件5相对踝关节第一硬质构件2旋转，进而实现踝关节的背伸运动。
所述的足底板1前侧的第一主动驱动型柔质构件61处于排气伸长状态，而足底板后侧的第三主动驱动型柔质构件63处于充气收缩状态时，通过钢丝绳7带动连接板8和踝关节第二硬质构件5相对踝关节第一硬质构件2旋转，进而实现踝关节的跖屈运动。
所述的足底板1左侧的第四主动驱动型柔质构件64处于充气收缩状态，而足底板右侧的第二主动驱动型柔质构件62处于排气伸长状态时，通过钢丝绳7带动连接板8和踝关节第二硬质构件5相对踝关节第一硬质构件2旋转，进而实现踝关节的外翻运动。
所述的足底板1左侧的第四主动驱动型柔质构件64处于排气伸长状态，而足底板右侧的第二主动驱动型柔质构件62处于充气收缩状态时，通过钢丝绳7带动连接板8和踝关节第二硬质构件5相对踝关节第一硬质构件2旋转，进而实现踝关节的内翻运动。

Claims (2)

1.一种高柔顺性低能耗的双足机器人仿生拉压踝关节，其特征在于：包括足底板(1)、踝关节第一硬质构件(2)、踝关节第二硬质构件(5)、第一外侧被动型柔质构件(31)、第二外侧被动型柔质构件(32)、第三外侧被动型柔质构件(33)、第四外侧被动型柔质构件(34)、第一内侧被动型柔质构件(41)、第二内侧被动型柔质构件(42)、第三内侧被动型柔质构件(43)、第四内侧被动型柔质构件(44)、第一主动驱动型柔质构件(61)、第二主动驱动型柔质构件(62)、第三主动驱动型柔质构件(63)、第四主动驱动型柔质构件(64)、钢丝绳(7)、连接板(8)和底座(9)；踝关节第一硬质构件(2)、底座(9)和足底板(1)均通过螺纹连接；第一外侧被动型柔质构件(31)、第二外侧被动型柔质构件(32)、第三外侧被动型柔质构件(33)和第四外侧被动型柔质构件粘接在踝关节第一硬质构件(2)和踝关节第二硬质构件(5)之间，将踝关节第一硬质构件(2)和踝关节第二硬质构件(5)连接在一起；第一内侧被动型柔质构件(41)、第二内侧被动型柔质构件(42)、第三内侧被动型柔质构件(43)和第四内侧被动型柔质构件(44)粘接在踝关节第一硬质构件(2)和踝关节第二硬质构件(5)之间，将踝关节第一硬质构件(2)和踝关节第二硬质构件(5)连接在一起；沿着足底板(1)长边的方向分布着第一主动驱动型柔质构件(61)、第三主动驱动型柔质构件(63)，短边的方向分布着第二主动驱动型柔质构件(62)、第四主动驱动型柔质构件(64)，通过钢丝绳(7)将第一主动驱动型柔质构件(61)、第二主动驱动型柔质构件(62)、第三主动驱动型柔质构件(63)、第四主动驱动型柔质构件(64)的上端和连接板(8)相连接；第一主动驱动型柔质构件(61)、第二主动驱动型柔质构件(62)、第三主动驱动型柔质构件(63)、第四主动驱动型柔质构件(64)的下端与底座(9)通过螺纹连接；
所述的第一外侧被动型柔质构件(31)、第二外侧被动型柔质构件(32)、第三外侧被动型柔质构件(33)、第四外侧被动型柔质构件(34)具有预紧力，第一外侧被动型柔质构件(31)、第二外侧被动型柔质构件(32)、第三外侧被动型柔质构件(33)、第四外侧被动型柔质构件(34)分别与第一内侧被动型柔质构件(41)、第二内侧被动型柔质构件(42)、第三内侧被动型柔质构件(43)、第四内侧被动型柔质构件(44)相互配合，与踝关节第一硬质构件(2)和踝关节第二硬质构件(5)共同构成了仿生拉压体结构，进而保证了踝关节第一硬质构件(2)和踝关节第二硬质构件(5)的结构稳定性。
2.根据权利要求1所述的一种高柔顺性低能耗的双足机器人仿生拉压踝关节，其特征在于：所述的第一主动驱动型柔质构件(61)、第二主动驱动型柔质构件(62)、第三主动驱动型柔质构件(63)和第四主动驱动型柔质构件(64)均为人工气动肌肉。
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