CN107933735A - 一种具有主被动柔顺功能的双足机器人脚部机构 - Google Patents

Abstract

本发明属于液压伺服控制领域，并公开了一种具有主被动柔顺功能的双足机器人脚部机构，包括小腿板、液压缸、中足支撑架、十字旋转轴、第一阻尼器、弹性元件、前脚掌、后脚掌、第一中间连杆和第二中间连杆。本发明增加了机器人对不同步态的适应能力，为踝关节设计具有变刚度功能的类跟腱结构，提高了步行中的能量利用率；对小腿结构进行优化设计，减轻整个结构的重量；仿照人类的脚掌结构，为机器人设计了更加接近人类脚部结构的带前后脚掌的机器人脚部结构，并根据关节运动特点为不同关节加入主被动柔顺结构，实现不同的柔顺功能。

Description

一种具有主被动柔顺功能的双足机器人脚部机构

技术领域

本发明属于液压伺服控制领域，更具体地，涉及一种双足机器人脚部机构。

背景技术

关节仿生驱动技术是机器人领域中的一个重要研究方向，尤其踝关节作为仿人机器人脚部结构的重要组成部分，没有这个自由度的机器人基本不可能实现人的步态，它也是机器人脚部结构简化模型中最重要的一个关节。长期以来，机器人踝关节都是刚性的、单自由度的，致使机器人脚部承受较大冲击力且运动能力不足。因此在以往的基础上，提出了以下几点改进措施：1)、为踝关节添加弹性元件，增加抗冲击能力，并使其能够实现力控制功能；2)、为踝关节添加翻滚自由度，增加机器人对不同步态的适应能力；3)、为踝关节设计具有变刚度功能的类跟腱结构，提高步行中的能量利用率；4)、利用拓扑优化方法对小腿结构进行优化设计，减轻整个结构的重量。

传统的仿人机器人，往往使用单脚板作为其脚掌，由于单脚掌结构缺乏相应的自由度和缓冲性能，导致传统的机器人很难模仿人类的行走步态，从而限制了性能上的进一步提高。

鉴于刚性关节难以满足目前更加广泛的应用需要，在关节中加入弹性元件是目前关节设计的主流形式，而串联弹性驱动器正是目前最热门的形式，因此采用在机器人踝关节中加入串联弹性驱动器的方式，对踝关节的结构进行设计。在进行机器人设计时，需要详细设计主被动柔顺驱动脚部关重件，如果直接将弹性元件应用到机器人本体上，可能会带来未知的震动，造成机器人行走的不稳定，难以满足使用要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种双足机器人脚部机构,能根据关节运动特点为不同关节加入主被动柔顺结构，实现不同的柔顺功能。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种具有主被动柔顺功能的双足机器人脚部机构，其特征在于，包括小腿板、液压缸、中足支撑架、十字旋转轴、第一阻尼器、弹性元件、前脚掌和后脚掌，其中，

所述液压缸为两个并且它们分别竖直安装在所述小腿板上，每个所述液压缸的活塞杆均朝下设置并且分别连接在所述中足支撑架上；

所述十字旋转轴水平设置，其包括相互垂直的第一转轴和第二转轴，所述第一转轴的两端分别连接在所述小腿板上，所述第二转轴的两端分别连接在所述中足支撑架上；

所述中足支撑架的一侧通过第一铰轴铰接所述第一阻尼器的一端，所述第一阻尼器的另一端通过第二铰轴铰接在所述后脚掌上；

所述中足支撑架的另一侧通过第三铰轴铰接所述弹性元件的一端，所述弹性元件的另一端通过第四铰轴铰接在所述前脚掌上；

所述前脚掌通过所述第四铰轴铰接第一中间连杆的一端，所述第一中间连杆的另一端通过第五铰轴铰接在所述中足支撑架上；

所述第一中间连杆通过第六铰轴铰接第二中间连杆的一端，所述第二中间连杆的另一端通过所述第二铰轴铰接在所述后脚掌上；

所述前脚掌和后脚掌均位于所述中足支撑架的下方，并且所述第一铰轴～第六铰轴均水平设置。

优选地，所述第一铰轴上安装有带轮机构，所述带轮机构的其中一个带轮上安装有绝对角度传感器。

优选地，所述第一阻尼器的数量为两个。

优选地，还包括第二阻尼器，所述第二阻尼器的一端通过所述第四铰轴铰接在所述前脚掌上而另一端通过第七铰轴铰接在所述中足支撑架上。

优选地，所述第二阻尼器为可调阻尼器，其包括阻尼器本体及安装在所述阻尼器本体上的舵机。

优选地，所述前脚掌上还设置有直线位移传感器，并且该直线位移传感器与所述第二阻尼器平行，以用于测量所述第二阻尼器的移动杆的位移。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明为踝关节添加弹性元件，增加抗冲击能力；添加翻滚自由度，增加机器人对不同步态的适应能力；为踝关节设计具有变刚度功能的类跟腱结构，提高步行中的能量利用率；利用拓扑优化方法对小腿结构进行优化设计，减轻整个结构的重量；仿照人类的脚掌结构，为机器人设计了更加接近人类脚部结构的带前后脚掌的机器人脚部结构，并根据关节运动特点为不同关节加入主被动柔顺结构，实现不同的柔顺功能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中液压阀块安装在小腿板上的示意图；

图3是本发明中前脚掌和后脚掌的示意图；

图4是本发明中前脚掌的结构示意图；

图5是本发明中后脚掌的结构示意图；

图6是各零件通过铰轴连接的示意简图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图6，一种具有主被动柔顺功能的双足机器人脚部机构，包括小腿板1、液压缸2、中足支撑架3、十字旋转轴4、第一阻尼器5、弹性元件6、前脚掌7和后脚掌10，其中，

所述液压缸2为两个并且它们分别竖直安装在所述小腿板1上，每个所述液压缸2的活塞杆均朝下设置并且分别连接在所述中足支撑架3上；

所述十字旋转轴4水平设置，其包括相互垂直的第一转轴和第二转轴，所述第一转轴的两端分别连接在所述小腿板1上，所述第二转轴的两端分别连接在所述中足支撑架3上；

所述中足支撑架3的一侧通过第一铰轴15铰接所述第一阻尼器5的一端，所述第一阻尼器5的另一端通过第二铰轴16铰接在所述后脚掌10上；

所述中足支撑架3的另一侧通过第三铰轴17铰接所述弹性元件6的一端，所述弹性元件6的另一端通过第四铰轴18铰接在所述前脚掌7上；

所述前脚掌7通过所述第四铰轴18铰接第一中间连杆8的一端，所述第一中间连杆8的另一端通过第五铰轴19铰接在所述中足支撑架3上；

所述第一中间连杆8通过第六铰轴20铰接第二中间连杆9的一端，所述第二中间连杆9的另一端通过所述第二铰轴16铰接在所述后脚掌10上；

所述前脚掌7和后脚掌10均位于所述中足支撑架3的下方，并且所述第一铰轴15～第六铰轴20均水平设置。

进一步，所述第一铰轴15上安装有带轮机构11，所述带轮机构11的其中一个带轮上安装有绝对角度传感器12。

进一步，所述第一阻尼器5的数量为两个。

进一步，还包括第二阻尼器13，所述第二阻尼器13的一端通过所述第四铰轴18铰接在所述前脚掌7上而另一端通过第七铰轴21铰接在所述中足支撑架3上。

进一步，所述第二阻尼器13为可调阻尼器，其包括阻尼器本体及安装在所述阻尼器本体上的舵机23。

进一步，所述前脚掌7上还设置有直线位移传感器14，并且该直线位移传感器14与所述第二阻尼器13平行，以用于测量所述第二阻尼器13的移动杆的位移，第二阻尼器13的移动杆安装在直线轴承24上，而直线轴承24安装在直线位移传感器14的外壳上。

本发明主要由三个重要部分组成，分别为：并联液压伺服模块；中足支撑架3和串联弹性驱动器模块。本发明的驱动系统为两个液压缸2并联而成，并由两个微型伺服阀分别驱动，驱动系统还包括一个液压阀块22，此模块相比传统的电机减速器驱动系统，具有更高的功重比，并且更适合该二自由度踝关节的驱动。中足支撑架3是连接脚掌与小腿的关键零部件，前脚掌7的冲击力、后脚掌10的冲击力、脚踝的驱动力，均会反映到中足支撑架3上。由于空间有限，在中足支撑架3的设计过程中，先确定各个铰轴的相对位置，从而确定中足支撑架3的大致尺寸，然后对其外形进行设计，最后使用拓扑优化方法进行有限元分析，确保满足强度条件。

工作时，模块将前脚掌7的转动转化为直线运动，弹性元件6被压缩从而对系统施加阻力，弹性元件6用于脚掌的小角度平衡或者大角度复位与缓冲。前脚掌7支撑结构件的外形尺寸根据与仿人机器人等高的成年人的脚部尺寸设计，这样能使比例更协调。

后脚掌10使用并联的两个第一阻尼器5作缓冲，可以手动调节第一阻尼器5的阻尼，选择适合机器人行走的阻尼系数，同时也可在后脚掌10的第二铰轴16上加入扭簧，使后脚掌10有一定的复位能力。

当前脚掌7着地时，由于地面对前脚掌7产生一个向上的反力，前脚掌7有向上运动的趋势，前脚掌7向上的作用力会被弹性元件6和各阻尼器缓冲吸收，减少整体震动。当后脚掌10着地时，由于地面对后脚掌10产生一个向上的反力，后脚掌10有向上运动的趋势，其作用力会被弹性元件6和各阻尼器缓冲吸收，减少整体震动。中足支撑架3通过十字旋转轴4与小腿板1连接，可以在两个液压缸2的带动下做两个自由度的旋转。

本发明能解决机器人踝关节刚性、单自由度、脚部承受较大冲击力且运动能力不足等问题，本发明为踝关节添加弹性元件6，增加抗冲击能力；添加翻滚自由度，增加机器人对不同步态的适应能力；为踝关节设计具有变刚度功能的类跟腱结构，提高步行中的能量利用率；利用拓扑优化方法对小腿结构进行优化设计，减轻整个结构的重量；仿照人类的脚掌结构，为机器人设计了更加接近人类脚部结构的带前后脚掌10的机器人脚部结构，并根据关节运动特点为不同关节加入主被动柔顺结构，实现不同的柔顺功能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具有主被动柔顺功能的双足机器人脚部机构，其特征在于，包括小腿板、液压缸、中足支撑架、十字旋转轴、第一阻尼器、弹性元件、前脚掌和后脚掌，其中，

所述液压缸为两个并且它们分别竖直安装在所述小腿板上，每个所述液压缸的活塞杆均朝下设置并且分别连接在所述中足支撑架上；

所述十字旋转轴水平设置，其包括相互垂直的第一转轴和第二转轴，所述第一转轴的两端分别连接在所述小腿板上，所述第二转轴的两端分别连接在所述中足支撑架上；

所述中足支撑架的一侧通过第一铰轴铰接所述第一阻尼器的一端，所述第一阻尼器的另一端通过第二铰轴铰接在所述后脚掌上；

所述中足支撑架的另一侧通过第三铰轴铰接所述弹性元件的一端，所述弹性元件的另一端通过第四铰轴铰接在所述前脚掌上；

所述前脚掌通过所述第四铰轴铰接第一中间连杆的一端，所述第一中间连杆的另一端通过第五铰轴铰接在所述中足支撑架上；

所述第一中间连杆通过第六铰轴铰接第二中间连杆的一端，所述第二中间连杆的另一端通过所述第二铰轴铰接在所述后脚掌上；

所述前脚掌和后脚掌均位于所述中足支撑架的下方，并且所述第一铰轴～第六铰轴均水平设置。

2.根据权利要求1所述的一种具有主被动柔顺功能的双足机器人脚部机构，其特征在于，所述第一铰轴上安装有带轮机构，所述带轮机构的其中一个带轮上安装有绝对角度传感器。

3.根据权利要求1所述的一种具有主被动柔顺功能的双足机器人脚部机构，其特征在于，所述第一阻尼器的数量为两个。

4.根据权利要求1所述的一种具有主被动柔顺功能的双足机器人脚部机构，其特征在于，还包括第二阻尼器，所述第二阻尼器的一端通过所述第四铰轴铰接在所述前脚掌上而另一端通过第七铰轴铰接在所述中足支撑架上。

5.根据权利要求1所述的一种具有主被动柔顺功能的双足机器人脚部机构，其特征在于，所述第二阻尼器为可调阻尼器，其包括阻尼器本体及安装在所述阻尼器本体上的舵机。

6.根据权利要求1所述的一种具有主被动柔顺功能的双足机器人脚部机构，其特征在于，所述前脚掌上还设置有直线位移传感器，并且该直线位移传感器与所述第二阻尼器平行，以用于测量所述第二阻尼器的移动杆的位移。