CN108674519A - 一种主动变刚度的柔性机械足 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动变刚度的柔性机械足，包括脚踝机构、脚掌机构和主动变刚度机构。脚踝机构主要通过两个铰链串联组成，这样的设计能够节省空间，减小连接处的磨损，延长机械的使用寿命，在保证灵活性的要求的同时还提供了较大的承载能力。主动变刚度机构包含两根弹簧，能够同时承受拉力和压力，缓冲踝关节运动时产生的拉力和压力，贮存能量，提高能量的利用效率。主动变刚度机构能够通过电机主动调节弹簧的刚度，改变机械足的柔性，更快速的适应变化的复杂环境，提高机械足在崎岖地形运动时的稳定性，同时满足机械在不同速度下对机械足柔性的需求。缓解机械足着地时对机体的冲击，避免造成对机器人本体的损伤。

Description

一种主动变刚度的柔性机械足

技术领域

本发明涉及机器人技术，具体为一种主动变刚度的柔性机械足。

背景技术

传统的移动机器人主要指多足类移动机器人和轮式机器人，其中轮式机器人包括履带式移动机器人和轮腿复合式移动机器人。地球上大约有一半的地面是轮式或履带车无法行走的，但是人类和动物可以步行到任何地方。足式机器人能穿越自然界中崎岖不平的山丘或沼泽等地形。在占地球陆地总面积90％以上的各种非结构环境中，多足机器人在军事运输、矿山开采、水下建筑、核工业、星球探测、农业及森林采伐、教育、艺术及娱乐等行业有着非常广阔的应用前景。其中最为常见的多足机器人是四足机器人。随着四足类机器人研究的不断深入，对四足类机器人腿部柔性的要求越来越受到重视，具有优异腿部柔性的四足类机器人在行走过程当中可以有效减弱机器人足端与接触地面之间的接触力，缓和冲击，延长机器人零部件的寿命，增强机器人零部件的可靠性；同时，具有柔性腿结构的机器人能量利用率更高，行走过程当中的倾覆稳定性能更加良好。四足机器人机械足的设计是四足机器人单腿设计的重要一环，传统的四足机器人机械足的结构较为简单，一般情况下为平面结构、球面结构或者仿生足弓结构，这些类型的机械足结构简单，功能单一，无法提供给多足类机器人单腿足够的柔性，已经越来越不适应多足类机器人的发展需要。

事实上，大自然中动物与人的运动关节就表现出了非常出色的运动特性，不仅具有快速响应、大力矩输出能力，还体现出优秀的柔顺特性。关节柔顺特性不仅仅保护动物机体组织在外力作用时免受损伤，而且能够保证精准的力输出。同时，为适应不同情况，动物能够调整肌肉-肌腱组织的刚度，提高运动稳定性及能量优化特性。在国内外，很多机械足的柔性通过弹簧来实现，例如文献《张彻，陈浩，张群.一种仿骆驼足的设计与仿真分析，北京航空航天大学机械工程与自动化学院，2012》中通过弹簧和连杆机构组合，当脚掌与地面接触时，连杆转动增大与地面的接触面积，同时弹簧压缩减小机械所受到的地面冲击，展现出机械足的柔性，提高机械的稳定性。但是这种结构也存在着一定的不足。机械足能够做到外翻、内翻、俯仰和旋转，但却无法控制运动幅度，缺乏柔性。当机械足抬起的时候，脚掌依靠重力来复位，反应较慢且精确度较低。这容易使机械足在下一次着地时以脚尖率先触地，而不是整个脚掌同时触底，造成机械稳定性的降低，这种情况在机器人快速移动时尤为明显。

美国专利US20170027716，其结构整体结构紧凑，多个弹簧形成耦合单元，形成柔性，帮助机器足实现俯仰等动作。但是这种结构缺乏关节，完全依靠弹簧的弹性形变来完成各种动作，内翻和外翻很难实现，不具有旋转功能。另外，这种结构不能主动变刚度，适用于平整路面，不适合在复杂环境中使用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种主动变刚度的柔性机械足。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种主动变刚度的柔性机械足，其特征在于该机械足包括脚踝机构、脚掌机构和主动变刚度机构；

所述脚踝机构包括小腿连接件、圆柱销一、中间支撑件、圆柱销二、圆柱套筒件、弹簧限位件、圆柱支撑件、限位销、弹簧固定件和踝弹簧；所述小腿连接件的一端与外部机器人的机械小腿连接，另一端通过圆柱销一与中间支撑件的一端连接；所述中间支撑件的另一端通过圆柱销二和圆柱筒套件连接；所述弹簧限位件安装在圆柱筒套件上；所述圆柱支撑件伸入圆柱筒套件内部；圆柱筒套件的两侧开有限位孔，限位销穿过限位孔和圆柱支撑件将圆柱支撑件和圆柱筒套件连接起来；所述限位销的两端分别连接一个弹簧固定件；两根踝弹簧的一端分别连接各自的弹簧固定件，另一端均连接在弹簧限位件上；

所述主动变刚度机构有四个，分别安装于脚踝机构的前后左右；每个主动变刚度机构均包括套筒连接端、电机外壳、电机、联轴器、丝杠、弹簧一、变刚度件、弹簧二、丝杠固定端、万向节、万向节连接端和万向球；所述套筒连接端的一端与电机外壳连接，另一端安装有万向球；电机外壳内部有电机；电机的输出轴通过联轴器与丝杠的一端连接；所述丝杠的另一端穿过变刚度件与丝杠固定端螺纹连接；所述变刚度件嵌套在丝杠固定端外部，能够相对丝杠固定端移动；所述弹簧一的两端分别固定在电机外壳和变刚度件上；所述弹簧二的两端分别与变刚度件和丝杠固定端端部的挡板接触；所述变刚度件通过万向节与万向节连接端连接；万向节连接端固定在小腿连接件或中间支撑件上；

所述脚掌机构包括上脚掌件、三维力传感器、下脚掌件、足端和万向球套筒；所述上脚掌件的上表面与圆柱支撑件连接，上表面开孔安装有万向球套筒，下表面与下脚掌件连接；所述万向球安装在万向球套筒中；所述下脚掌件内部具有凹槽和走线槽，凹槽用于固定三维力传感器，走线槽用于布置线路和承受载荷；所述三维力传感器与足端连接。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1、脚踝机构主要通过两个铰链串联组成，这样的设计能够节省空间，减小连接处的磨损，延长机械的使用寿命，在保证灵活性的要求的同时还提供了较大的承载能力。

2、主动变刚度机构能够通过电机主动调节弹簧的刚度，改变机械足的柔性，更快速的适应变化的复杂环境，提高机械足在崎岖地形运动时的稳定性，同时满足机械在不同速度下对机械足柔性的需求。缓解机械足着地时对机体的冲击，避免造成对机器人本体的损伤。主动变刚度机构包含两根弹簧，能够同时承受拉力和压力，缓冲踝关节运动时产生的拉力和压力，贮存能量，提高能量的利用效率。

3、主动变刚度机构下端与万向球套筒连接，上端与万向节与脚踝机构铰链连接，能够实现扭转动作，具有高度的灵活性和广阔的适用范围。

4、不同的外部环境需要不同的刚度，硬度较高的路面需要较小的刚度，硬度较低的路面需要较大的刚度。不同的移动速度也需要不同的刚度，移动速度和较高时需要较大的刚度，移动速度较小时需要较小的刚度。主动变刚度机构通过控制电机转动丝杠进入丝杠固定端的多少来改变机构的刚度。这种主动变刚度机构能够适用于各种不同的外部环境，各种不同的移动速度，使机械拥有了较大的适应性和灵活性。

5、每一个主动变刚度机构都是相对独立工作的，不同的电机可以产生不同的压缩量，进而可以扩大机械足刚度的变化范围，使机械足更加灵活；且当某一个主动变刚度机构发生故障时，其余三个仍然能够正常工作，把机器人的灵活度和柔性维持在一个较高的水平。

6、三维力传感器与足端连接，足端是半球体，所以机械足的脚掌底面并不是简单地平面，而是复杂的不规则曲面，这种结构设计使得机械擅长在复杂崎岖的路面移动，提高机械的抓地力和稳定性。

7、当足端与地面接触面积较小且不稳定时，脚掌转动一定角度，来增大与地面的接触面积。脚踝机构中限位销连接着两个弹簧，能够使脚掌在转动时具有柔性，提高机械的稳定性。当机械足腾空时，脚掌在两个弹簧的作用下回到初始位置，为下一次着地做准备。

8、本发明的大部分机构均安装在外部，这样便于机构的拆卸与维修，没有附加额外的外壳，能够减轻整机的重量，减小负载。

9、该机械足不仅能够实现柔性驱动输出，又能降低关节驱动受到的外力冲击，减少能量消耗，降低控制精度，延长机器人使用寿命，提高机器人安全性。同时能够实现关节刚度随关节柔性变形角度增大而增大，提高机器人鲁棒性及运行稳定性。在结构上布置紧凑，在最小体积的情况下为机器人提供了能够主动变刚度的能力，还使机械足在俯仰和翻转运动时都具有柔性。在驱动上采用电力驱动，快速响应，精准度高，安全环保。在材料上大部分采用7075铝合金，强度高，抗腐蚀，重量小，有着良好的机械性能，能能够延长机器人的使用寿命。

附图说明

图1为本发明主动变刚度的柔性机械足一种实施例的整体结构轴测示意图；

图2为本发明主动变刚度的柔性机械足一种实施例的脚踝机构轴测示意图；

图3为本发明主动变刚度的柔性机械足一种实施例的主动变刚度机构爆炸示意图；

图4为本发明主动变刚度的柔性机械足一种实施例的脚掌结构爆炸示意图；

图5为本发明主动变刚度的柔性机械足一种实施例的脚掌机构仰视示意图；

(图中：1、小腿连接件，2、圆柱销一，3、中间支撑件，4、圆柱销二，5、圆柱套筒件，6、弹簧限位件，7、圆柱支撑件，8、限位销，9、弹簧固定件，10、踝弹簧，11、套筒连接端，12、电机外壳，13、电机，14、联轴器，15、丝杠，16、弹簧一，17、变刚度件，18、弹簧二，19、丝杠固定端，20、万向节，21、万向节连接端，22、上脚掌件，23、三维力传感器，24、下脚掌件，25、足端，26、万向球套筒；27、万向球)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种主动变刚度的柔性机械足(参见图1-5，简称机械足)，其特征在于该机械足包括脚踝机构、脚掌机构和主动变刚度机构；所述脚踝机构的一端连接外部机器人的机械小腿，另一端连接脚掌机构；所述主动变刚度机构能够主动改变弹簧刚度，赋予机械足柔性，两端分别连接于脚踝机构和脚掌机构；所述脚掌机构用于与地面接触，支撑机械的行走；

所述脚踝机构包括小腿连接件1、圆柱销一2、中间支撑件3、圆柱销二4、圆柱套筒件5、弹簧限位件6、圆柱支撑件7、限位销8、弹簧固定件9和踝弹簧10；所述小腿连接件1的一端与外部机器人的机械小腿连接，另一端通过圆柱销一2与中间支撑件3的一端连接；小腿连接件1上开有螺纹孔，用于固定万向节连接端21；所述中间支撑件3的另一端通过圆柱销二4和圆柱筒套件5连接，两个铰链机构串联连接，能够实现机械足的外翻、内翻和俯仰，同时还能够节省空间，减小连接处的磨损，延长机械的使用寿命；所述中间支撑件3上开有螺纹孔，用于固定万向节连接端21；所述弹簧限位件6通过螺纹安装在圆柱筒套件5上；所述圆柱支撑件7伸入圆柱筒套件5内部；圆柱筒套件5的两侧开有限位孔，限位销8穿过限位孔和圆柱支撑件7将圆柱支撑件7和圆柱筒套件5连接起来，使得圆柱筒套件5和圆柱支撑件7转动连接，由此脚掌机构和圆柱支撑件7均可以相对圆柱筒套件5在水平面发生转动，同时限位孔能够起到限制转动角度的作用；所述限位销8的两端分别连接一个弹簧固定件9；两根弯曲的踝弹簧10的一端分别连接各自的弹簧固定件9，另一端均连接在弹簧限位件6上，这种结构使脚掌机构进行转动时具有一定的柔性，还能在机械足腾空时使得脚掌机构自动复位；

所述主动变刚度机构有四个，分别安装于脚踝机构的前后左右，前后主动变刚度机构尺寸相同，但是与脚踝机构的连接夹角不同；左右主动变刚度机构尺寸相对较小(小于前后主动变刚度机构)，但是与脚踝机构的连接夹角相同；每个主动变刚度机构均包括套筒连接端11、电机外壳12、电机13、联轴器14、丝杠15、弹簧一16、变刚度件17、弹簧二18、丝杠固定端19、万向节20、万向节连接端21和万向球27；所述套筒连接端11的一端与电机外壳12连接，另一端安装有万向球27；电机外壳12内部有电机13；电机13的输出轴通过联轴器14与丝杠15的一端连接；所述丝杠15的另一端穿过变刚度件17与丝杠固定端19螺纹连接；所述变刚度件17通过其矩形通孔嵌套在丝杠固定端19外部，能够相对丝杠固定端19移动；所述弹簧一16位于电机外壳12和变刚度件17之间，两端分别固定在电机外壳12的凹槽和变刚度件17的凹槽上；所述丝杠固定端19的端部具有挡板，弹簧二18位于变刚度件17和丝杠固定端19之间，两端分别与变刚度件17和丝杠固定端19接触；所述变刚度件17通过万向节20与万向节连接端21连接；万向节连接端21固定在小腿连接件1或中间支撑件3上，本实施例是前后主动变刚度机构上的万向节连接端21固定在小腿连接件1上，左右主动变刚度机构上的万向节连接端21固定在中间支撑件3上；当主动变刚度机构受到压力时，变刚度件17向下移动，压缩弹簧一16；当主动变刚度机构收到拉力时，变刚度件17向上移动，压缩弹簧二18。这种结构使得主动变刚度机构能够承受拉力和压力。主动变刚度机构通过控制电机13转动丝杠15进入丝杠固定端19的多少来改变机构的刚度；

所述脚掌机构包括上脚掌件22、三维力传感器23、下脚掌件24、足端25和万向球套筒26；所述上脚掌件22的上表面与圆柱支撑件7连接，上表面开孔安装有万向球套筒26，下表面与下脚掌件24连接；所述万向球27安装在万向球套筒26中；所述下脚掌件24内部具有凹槽和走线槽，凹槽用于固定三维力传感器23，走线槽用于布置线路和承受载荷；所述三维力传感器23与足端25通过螺丝连接，接收足端25与地面接触时的步态信息，并根据步态信息控制电机13的转动来控制主动变刚度机构。

所述足端25是半球体，所以机械足的脚掌底面并不是简单地平面，而是复杂的不规则曲面，这种结构设计使得机械擅长在复杂崎岖的路面移动，提高机械的抓地力和稳定性。

所述三维力传感器23共有五个，脚掌机构前部两个，呈一字排列；脚掌机构后部三个，呈三角形排列。

本发明主动变刚度的柔性机械足的工作原理和工作流程是：

当机械足处于腾空状态时，电机13转动，通过联轴器14带动丝杠15旋转，压缩弹簧一16，从而主动改变机械足的刚度，做好着地的准备。当机械足的足端25接触地面时，与足端25连接的三维力传感器23开始采集受力信息和步态信息，并根据信息控制电机13转动。

在复杂路面的情况下，机械足的足端25几乎不会同时着地。当某一足端25接触地面时，小腿连接件1、中间支撑件3和圆柱筒套件5三者之间的两个铰链连接在圆柱销2、圆柱销4的作用下发生相对转动，改变脚掌与接触地面的夹角，使其他的足端25也能够与地面接触。在这个过程中，主动变刚度机构能够带给机械足柔性，使之着地相对平稳，提高机器人运动的稳定性。

在有些情况下，足端25可能与地面的尖锐物体进行点接触，随着受力的增加，点接触无法支撑机器人的重量，足端25就会与地面的尖锐物体发生相对移动，把点接触变为面接触，这个相对移动会使脚掌旋转，被弹簧固定件9和限位销8固定的踝弹簧10被压缩，产生柔性，保护机械足不会因为旋转过快而受损。

足端25全部与地面进行稳定接触后，机械人向前运动，机械足踝关节的两个铰链连接再次发生相对转动，弹簧一16、弹簧二18发生弹性形变，在保证机器人平稳运行的同时还贮存了能量，提高了机器人的能量利用率。之后机械足开始从着地状态转换为腾空状态。与机械足着地的情况相似，由于路面环境复杂，机械足腾空时足端25也是不会同时腾空的。当部分足端25腾空时，弹簧一16、弹簧二18释放贮存的能量，提高机械足的腾空速度和机器人的前进速度。当全部足端25腾空时，弹簧一16、弹簧二18恢复原长，踝弹簧10也恢复原长，此时机械足恢复到落地前的状态。三维力传感器23采集受力信息和步态信息，分析地面状况，控制电机13转动，调整机械足的刚度系数，为下一次着地做准备。如此往复循环，机械人向前运动。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种主动变刚度的柔性机械足，其特征在于该机械足包括脚踝机构、脚掌机构和主动变刚度机构；

所述脚踝机构包括小腿连接件、圆柱销一、中间支撑件、圆柱销二、圆柱套筒件、弹簧限位件、圆柱支撑件、限位销、弹簧固定件和踝弹簧；所述小腿连接件的一端与外部机器人的机械小腿连接，另一端通过圆柱销一与中间支撑件的一端连接；所述中间支撑件的另一端通过圆柱销二和圆柱筒套件连接；所述弹簧限位件安装在圆柱筒套件上；所述圆柱支撑件伸入圆柱筒套件内部；圆柱筒套件的两侧开有限位孔，限位销穿过限位孔和圆柱支撑件将圆柱支撑件和圆柱筒套件连接起来；所述限位销的两端分别连接一个弹簧固定件；两根踝弹簧的一端分别连接各自的弹簧固定件，另一端均连接在弹簧限位件上；

所述主动变刚度机构有四个，分别安装于脚踝机构的前后左右；每个主动变刚度机构均包括套筒连接端、电机外壳、电机、联轴器、丝杠、弹簧一、变刚度件、弹簧二、丝杠固定端、万向节、万向节连接端和万向球；所述套筒连接端的一端与电机外壳连接，另一端安装有万向球；电机外壳内部有电机；电机的输出轴通过联轴器与丝杠的一端连接；所述丝杠的另一端穿过变刚度件与丝杠固定端螺纹连接；所述变刚度件嵌套在丝杠固定端外部，能够相对丝杠固定端移动；所述弹簧一的两端分别固定在电机外壳和变刚度件上；所述弹簧二的两端分别与变刚度件和丝杠固定端端部的挡板接触；所述变刚度件通过万向节与万向节连接端连接；万向节连接端固定在小腿连接件或中间支撑件上；

所述脚掌机构包括上脚掌件、三维力传感器、下脚掌件、足端和万向球套筒；所述上脚掌件的上表面与圆柱支撑件连接，上表面开孔安装有万向球套筒，下表面与下脚掌件连接；所述万向球安装在万向球套筒中；所述下脚掌件内部具有凹槽和走线槽，凹槽用于固定三维力传感器，走线槽用于布置线路和承受载荷；所述三维力传感器与足端连接。

2.根据权利要求1所述的主动变刚度的柔性机械足，其特征在于前后主动变刚度机构尺寸相同，与脚踝机构的连接夹角不同；左右主动变刚度机构的尺寸小于前后主动变刚度机构，与脚踝机构的连接夹角相同。

3.根据权利要求1所述的主动变刚度的柔性机械足，其特征在于前后主动变刚度机构上的万向节连接端固定在小腿连接件上，左右主动变刚度机构上的万向节连接端固定在中间支撑件上。

4.根据权利要求1所述的主动变刚度的柔性机械足，其特征在于所述足端是半球体。

5.根据权利要求1所述的主动变刚度的柔性机械足，其特征在于所述三维力传感器共有五个；脚掌机构前部两个，呈一字排列；脚掌机构后部三个，呈三角形排列。