CN109533078B - 一种基于磁流变技术的机器人足部结构及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于磁流变技术的机器人足部结构，所述机器人足部结构用于安装在机器人腿部末端，所述机器人足部结构包括足部组件，足部组件包括用于接触地面提供支撑的下足部主体，下足部主体底部与地面的接触面设置有磁流变弹性体，且足部组件上安装有电磁线圈，所述电磁线圈具有电流输入端，当电磁线圈通电时，磁流变弹性体位于电磁线圈产生的电磁场中。本发明还公开了安装有所述机器人足部结构的机器人。本发明公开的机器人足部结构能够使机器人足部与地面贴合更好，提高抓地力，使行进更加稳定，并且有效降低腿足式机器人行进过程中受到的冲击。

Description

一种基于磁流变技术的机器人足部结构及机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种基于磁流变技术的机器人足部结构及机器人。

背景技术

对于需要进行全面深入的探索却又不适合人类直接进入复杂的地形环境。比如在一些工程建设或矿产资源开采中，常会遇到各种不同的复杂地形，使得项目的安全和质量受到极大地影响，所以必需对其地形环境进行探测；又比如在考古科研方面，有时需要了解墓穴的内部的具体情况，人类不适合直接进入，需要用机器人先进行探索，方便科研人员随后的考古发掘工作等。

长期以来，轮式和履带式机器人由于移动速度快，运动效率高及控制方便等优点，一直是探索机器人的首选类型。然而，轮式机器人及履带机器人对于通行的表面的要求较高，若需要通过凹凸不平的表面，轮式机器人需要安装有大自由度的车轮传动系统，这种传动系统结构复杂且容易损坏，而对于倾斜或高低落差较大的表面，轮式机器人及履带机器人都无法良好的通过。因此，对于凹凸不平、倾斜或高低落差较大的表面，更适合采用腿足式机器人，然而，现有的腿足式机器人在行进过程中，其足部与行进表面通常采用硬性接触，容易出现接触不稳从而打滑、侧翻等现象，并且冲击力较大，对机器人结构损伤较大。

因此，如何提高腿足式机器人足部的抓地力与行进的稳定性，并减少机器人在行进过程中受到的冲击，成为了本领域技术人员急需解决的问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提高腿足式机器人足部的抓地力与行进的稳定性，并减少机器人在行进过程中受到的冲击。

为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种基于磁流变技术的机器人足部结构，所述机器人足部结构用于安装在机器人腿部末端，所述机器人足部结构包括足部组件，足部组件包括用于接触地面提供支撑的下足部主体，下足部主体底部与地面的接触面设置有磁流变弹性体，且足部组件上安装有电磁线圈，所述电磁线圈具有电流输入端，当电磁线圈通电时，磁流变弹性体位于电磁线圈产生的电磁场中。

优选地，所述足部组件还包括用于连接机器人腿部末端及下足部主体的上足部主体，下足部主体整体呈柱状，下足部主体外侧面上有水平环绕下足部主体的安装槽，电磁线圈缠绕安装在安装槽内，磁流变弹性体套设在下足部主体外侧且包裹下足部主体的底面。

优选地，下足部主体外侧面上安装槽上方的位置设有水平环绕下足部主体的定位台阶，磁流变弹性体与下足部主体外侧面接触的内侧面上设有与所述定位台阶对应的定位凹槽，所述定位台阶嵌入所述定位凹槽内，下足部主体外侧面上安装槽下方的位置设有第一螺栓孔，磁流变弹性体对应第一螺栓孔的位置上设有与第一螺栓孔对应的第二螺栓孔，螺栓穿入第一螺栓孔及第二螺栓孔将磁流变弹性体固定安装在下足部主体上。

优选地，下足部主体底面上设有第一传感器安装槽，磁流变弹性体内侧面对应第一传感器安装槽的位置设有第二传感器安装槽，压力传感器竖向安装在第一传感器安装槽及第二传感器安装槽内。

优选地，所述上足部主体包括上安装坐，上安装座与下足部主体上端面固定连接，上安装座上端设有上连接组件，上连接组件下端为球形，通过关节轴承与上安装座铰接，上连接组件上端与机器人腿部末端固定连接。

优选地，磁流变弹性体外侧面套设有防护外壳。

优选地，所述磁流变弹性体包括弹性基体及呈柱状或链状结构分布在弹性基体内的高导磁低磁滞材料颗粒。

一种基于磁流变技术的机器人，包括机身及机身上安装的多个机械腿，每个机械腿末端安装有如上述的基于磁流变技术的机器人足部结构，所述机器人还包括底层控制单元、接触监测装置及电源，接触监测装置用于监测所述机器人足部结构是否与地面接触，底层控制单元的信号输入端与接触监测装置的信号输出端相连，底层控制单元的信号输出端与电源的控制端相连，电源的电流输出端与电磁线圈的电流输入端相连。

优选地，所述足部组件还包括用于连接机器人腿部末端及下足部主体的上足部主体，下足部主体整体呈柱状，下足部主体外侧面上有水平环绕下足部主体的安装槽，电磁线圈缠绕安装在安装槽内，磁流变弹性体套设在下足部主体外侧且包裹下足部主体的底面，所述接触监测装置包括压力传感器，下足部主体底面上设有第一传感器安装槽，磁流变弹性体内侧面对应第一传感器安装槽的位置设有第二传感器安装槽，所述压力传感器竖向安装在第一传感器安装槽及第二传感器安装槽内。

优选地，所述机器人还包括与底层控制单元电连接的陀螺仪；所述机器人还包括上层控制单元及分别与上层控制单元电连接的激光雷达、摄像头、GPS定位芯片、通信单元。

综上所述，本发明公开了一种基于磁流变技术的机器人足部结构，所述机器人足部结构用于安装在机器人腿部末端，所述机器人足部结构包括足部组件，足部组件包括用于接触地面提供支撑的下足部主体，下足部主体底部与地面的接触面设置有磁流变弹性体，且足部组件上安装有电磁线圈，所述电磁线圈具有电流输入端，当电磁线圈通电时，磁流变弹性体位于电磁线圈产生的电磁场中。本发明还公开了安装有所述机器人足部结构的机器人。本发明公开的机器人足部结构能够使机器人足部与地面贴合更好，提高抓地力，使行进更加稳定，并且有效降低腿足式机器人行进过程中受到的冲击。

附图说明

为了使发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明公开的一种基于磁流变技术的机器人足部结构的一种具体实施方式的剖视图；

图2为本发明公开的种基于磁流变技术的机器人的一种具体实施方式的结构示意图。

附图标记说明：足部结构100、电磁线圈1、磁流变弹性体2、上足部主体3、下足部主体4、定位台阶5、第一螺栓孔6、第二螺栓孔7、压力传感器8、上安装座9、上连接组件10、防护外壳11、激光雷达12、摄像头13、旋转平台14、上层控制单元15、底层控制单元16、电源17、髋部关节18、膝部关节19、踝部关节20。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，本发明公开了一种基于磁流变技术的机器人足部结构，所述机器人足部结构用于安装在机器人腿部末端，所述机器人足部结构包括足部组件，足部组件包括用于接触地面提供支撑的下足部主体，下足部主体底部与地面的接触面设置有磁流变弹性体，且足部组件上安装有电磁线圈，所述电磁线圈具有电流输入端，当电磁线圈通电时，磁流变弹性体位于电磁线圈产生的电磁场中。

本发明公开的机器人足部结构安装在腿足式机器人的腿部末端，腿足式机器人包括机身及机身上安装的多个机械腿，每个机械腿末端安装有如上述的基于磁流变技术的机器人足部结构，所述机器人还包括底层控制单元、接触监测装置及电源，接触监测装置用于监测所述机器人足部结构是否与地面接触，底层控制单元的信号输入端与接触监测装置的信号输出端相连，底层控制单元的信号输出端与电源的控制端相连，电源的电流输出端与电磁线圈的电流输入端相连。

在本发明中，底层控制单元可以采用单片机，接触监测装置可以采用图像采集装置或安装在足部结构上的压力传感器，底层控制单元及电源可以安装在机身上。

本发明公开的机器人足部结构的工作原理如下：足部结构与地面接触之前，电磁线圈不通电，此时磁流变弹性体的工作状态为屈服前状态，抗剪切屈服应力较小，容易发生形变，当足部结构与地面接触时，能够减小接触产生的冲击，然后，磁流变弹性体受力发生形变，与地形相契合，底层控制单元通过接触监控装置判断足部结构已与地面接触，此时底层控制单元控制电源向电磁线圈通电，电磁线圈产生的电磁场使磁流变弹性体才产生较大的剪切屈服应力，使磁流变弹性体的形状不再变化。

本发明公开的机器人足部结构能够使机器人足部与地面贴合更好，提高抓地力，使行进更加稳定，并且有效降低腿足式机器人行进过程中受到的冲击。

具体实施时，所述足部组件还包括用于连接机器人腿部末端及下足部主体的上足部主体，下足部主体整体呈柱状，下足部主体外侧面上有水平环绕下足部主体的安装槽，电磁线圈缠绕安装在安装槽内，磁流变弹性体套设在下足部主体外侧且包裹下足部主体的底面。

这样，下足部主体及电磁线圈都位于磁流变弹性体的内部，使磁流变弹性体处于电磁线圈的磁场范围内，且避免了电磁线圈及下足部主体与外界的直接接触，防止电磁线圈及下足部主体受外界环境侵蚀，延长了足部结构的使用寿命，并且合理的利用了空间，减小了足部结构的体积。本领域技术人员应当知晓的是，可通过在足部结构上合理设计走线孔，使电磁线圈与电源相连。

本发明中，下足部主体能够采用硅铁软磁合金片制造。下足部主体能够通过螺栓或其他连接方式与上足部主体固定连接。

具体实施时，下足部主体外侧面上安装槽上方的位置设有水平环绕下足部主体的定位台阶，磁流变弹性体与下足部主体外侧面接触的内侧面上设有与所述定位台阶对应的定位凹槽，所述定位台阶嵌入所述定位凹槽内，下足部主体外侧面上安装槽下方的位置设有第一螺栓孔，磁流变弹性体对应第一螺栓孔的位置上设有与第一螺栓孔对应的第二螺栓孔，螺栓穿入第一螺栓孔及第二螺栓孔将磁流变弹性体固定安装在下足部主体上。

磁流变弹性体下端通过螺栓固定安装在下足部主体上，上端通过定位凹槽实现与下足部主体外侧面的定位，螺栓和定位凹槽分别位于电磁线圈的安装槽的上下两侧，使磁流变弹性体与下足部主体的连接更加稳固。

具体实施时，下足部主体底面上设有第一传感器安装槽，磁流变弹性体内侧面对应第一传感器安装槽的位置设有第二传感器安装槽，压力传感器竖向安装在第一传感器安装槽及第二传感器安装槽内。

本领域技术人员应当知晓的是，压力传感器可以通过有线或无线的方式与底层控制单元通信连接，当压力传感器采用有线连接的方式与底层控制单元通信连接，足部结构上可根据需要设置走线孔。当压力传感器传送给底层控制单元的压力满足一定阈值时，底层控制单元即判断足部结构与地面接触，从而使电磁线圈通电。

具体实施时，所述上足部主体包括上安装坐，上安装座与下足部主体上端面固定连接，上安装座上端设有上连接组件，上连接组件下端为球形，通过关节轴承与上安装座铰接，上连接组件上端与机器人腿部末端固定连接。

虽然磁流变弹性体能够产生形变与地面贴合从而使足部能够稳定的与地面接触，然而，当地面倾斜角度较大时，单靠磁流变弹性体的形变，仍不能良好的与地面贴合。因此，上连接组件的下端设计为球形，通过关节轴承与上安装座铰接，这样使得足部结构能够在一定范围内绕机器人腿部的末端摆动，增强了机器人对倾斜路面的适应性。

具体实施时，磁流变弹性体外侧面套设有防护外壳。

为了进一步延长整个足部结构的使用寿命，还可以在磁流变弹性体的外侧面设置防护外壳，避免磁流变弹性体的外侧面碰上损坏。

具体实施时，所述磁流变弹性体包括弹性基体及呈柱状或链状结构分布在弹性基体内的高导磁低磁滞材料颗粒。

本发明中，将相对磁导率μr大于或等于15000视为高导磁，将矫顽力Hc小于或等于800A/m视为低磁滞，本发明中优选使用羰基铁粉颗粒。

磁流变弹性体是将微米尺度的高导磁低磁滞的铁磁性颗粒掺入到高分子聚合物中，在磁场环境下固化，从而基体内的颗粒具有链或柱状结构，磁流变弹性体可以使用橡胶材料作为了基体，其最大的特性是其刚度和阻尼可以在外加磁场的作用下实现实时且可逆的控制。

如图2所示，本发明还公开了一种基于磁流变技术的机器人，包括机身及机身上安装的多个机械腿，每个机械腿末端安装有如上述的基于磁流变技术的机器人足部结构，所述机器人还包括底层控制单元、接触监测装置及电源，接触监测装置用于监测所述机器人足部结构是否与地面接触，底层控制单元的信号输入端与接触监测装置的信号输出端相连，底层控制单元的信号输出端与电源的控制端相连，电源的电流输出端与电磁线圈的电流输入端相连。

具体实施时，所述足部组件还包括用于连接机器人腿部末端及下足部主体的上足部主体，下足部主体整体呈柱状，下足部主体外侧面上有水平环绕下足部主体的安装槽，电磁线圈缠绕安装在安装槽内，磁流变弹性体套设在下足部主体外侧且包裹下足部主体的底面，所述接触监测装置包括压力传感器，下足部主体底面上设有第一传感器安装槽，磁流变弹性体内侧面对应第一传感器安装槽的位置设有第二传感器安装槽，所述压力传感器竖向安装在第一传感器安装槽及第二传感器安装槽内。

当压力传感器传送给底层控制单元的压力满足一定阈值时，底层控制单元即判断足部结构与地面接触，从而使电磁线圈通电。

具体实施时，所述机器人还包括与底层控制单元电连接的陀螺仪；所述机器人还包括上层控制单元及分别与上层控制单元电连接的激光雷达、摄像头、GPS定位芯片、通信单元。

图2为本发明公开的基于磁流变技术的机器人的一种具体实施方式，包括四条机械腿、基于磁流变技术的机器人足部结构和机身。

机械腿每条腿部上有3个关节，其中包括髋部1个关节、膝部的1个关节(膝部向前关节)和踝部的1个关节（即上连接件与上足部主体铰接形成的关节）。

机身上固定有四条机械腿、电源、上层控制单元（可使用单片机）及底层控制单元。

上层控制单元分别与激光雷达、摄像头、GPS 定位芯片、通信单元、电源和底层控制单元相连。

上层控制单元根据指定的探索目标坐标，及 GPS 定为芯片建立初步的运动路线，实现向目标方向前进。上层控制单元通过通信单元与工作人员通信，以实现远程查看图像数据与远程手动控制机器人；

激光雷达固定在可旋转平台基座上，激光雷达用于监测机器人运动方向上的障碍物与机器人的相对距离，摄像头固定在可旋转平台上，可现实左右上下旋转，用于采集所需的图像，上层控制单元基于激光雷达与摄像机采集的图像获得的相对距离控制底层控制单元从而控制探索机器人运动，并通过GPS 定位芯片记录运动路线，

底层控制单元分别与电机、陀螺仪、电源、压力传感器连接。

底层控制单元基于陀螺仪采集的机器人的机身角度与加速度信息，调整控制机身稳定。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于磁流变技术的机器人足部结构，其特征在于，所述机器人足部结构用于安装在机器人腿部末端，所述机器人足部结构包括足部组件，足部组件包括用于接触地面提供支撑的下足部主体，下足部主体底部与地面的接触面设置有磁流变弹性体，且足部组件上安装有电磁线圈，所述电磁线圈具有电流输入端，当电磁线圈通电时，磁流变弹性体位于电磁线圈产生的电磁场中；

足部结构安装在腿足式机器人的腿部末端，腿足式机器人包括机身及机身上安装的多个机械腿，每个机械腿末端安装有如上述的基于磁流变技术的机器人足部结构，所述机器人还包括底层控制单元、接触监测装置及电源，接触监测装置用于监测所述机器人足部结构是否与地面接触，底层控制单元的信号输入端与接触监测装置的信号输出端相连，底层控制单元的信号输出端与电源的控制端相连，电源的电流输出端与电磁线圈的电流输入端相连；

足部结构与地面接触之前，电磁线圈不通电，此时磁流变弹性体的工作状态为屈服前状态，当足部结构与地面接触时，能够减小接触产生的冲击，然后，磁流变弹性体受力发生形变，与地形相契合，底层控制单元通过接触监控装置判断足部结构已与地面接触，此时底层控制单元控制电源向电磁线圈通电，使磁流变弹性体的形状不再变化。

2.如权利要求1所述的基于磁流变技术的机器人足部结构，其特征在于，所述足部组件还包括用于连接机器人腿部末端及下足部主体的上足部主体，下足部主体整体呈柱状，下足部主体外侧面上有水平环绕下足部主体的安装槽，电磁线圈缠绕安装在安装槽内，磁流变弹性体套设在下足部主体外侧且包裹下足部主体的底面。

3.如权利要求2所述的基于磁流变技术的机器人足部结构，其特征在于，下足部主体外侧面上安装槽上方的位置设有水平环绕下足部主体的定位台阶，磁流变弹性体与下足部主体外侧面接触的内侧面上设有与所述定位台阶对应的定位凹槽，所述定位台阶嵌入所述定位凹槽内，下足部主体外侧面上安装槽下方的位置设有第一螺栓孔，磁流变弹性体对应第一螺栓孔的位置上设有与第一螺栓孔对应的第二螺栓孔，螺栓穿入第一螺栓孔及第二螺栓孔将磁流变弹性体固定安装在下足部主体上。

4.如权利要求2所述的基于磁流变技术的机器人足部结构，其特征在于，下足部主体底面上设有第一传感器安装槽，磁流变弹性体内侧面对应第一传感器安装槽的位置设有第二传感器安装槽，压力传感器竖向安装在第一传感器安装槽及第二传感器安装槽内。

5.如权利要求2所述的基于磁流变技术的机器人足部结构，其特征在于，所述上足部主体包括上安装座，上安装座与下足部主体上端面固定连接，上安装座上端设有上连接组件，上连接组件下端为球形，通过关节轴承与上安装座铰接，上连接组件上端与机器人腿部末端固定连接。

6.如权利要求2所述的基于磁流变技术的机器人足部结构，其特征在于，磁流变弹性体外侧面套设有防护外壳。

7.如权利要求1所述的基于磁流变技术的机器人足部结构，其特征在于，所述磁流变弹性体包括弹性基体及呈柱状或链状结构分布在弹性基体内的高导磁低磁滞材料颗粒。

8.一种基于磁流变技术的机器人，包括机身及机身上安装的多个机械腿，其特征在于，每个机械腿末端安装有如权利要求1所述的基于磁流变技术的机器人足部结构，所述机器人还包括底层控制单元、接触监测装置及电源，接触监测装置用于监测所述机器人足部结构是否与地面接触，底层控制单元的信号输入端与接触监测装置的信号输出端相连，底层控制单元的信号输出端与电源的控制端相连，电源的电流输出端与电磁线圈的电流输入端相连。

9.如权利要求8所述的基于磁流变技术的机器人，其特征在于，所述足部组件还包括用于连接机器人腿部末端及下足部主体的上足部主体，下足部主体整体呈柱状，下足部主体外侧面上有水平环绕下足部主体的安装槽，电磁线圈缠绕安装在安装槽内，磁流变弹性体套设在下足部主体外侧且包裹下足部主体的底面，所述接触监测装置包括压力传感器，下足部主体底面上设有第一传感器安装槽，磁流变弹性体内侧面对应第一传感器安装槽的位置设有第二传感器安装槽，所述压力传感器竖向安装在第一传感器安装槽及第二传感器安装槽内。

10.如权利要求8所述的基于磁流变技术的机器人，其特征在于，所述机器人还包括与底层控制单元电连接的陀螺仪；所述机器人还包括上层控制单元及分别与上层控制单元电连接的激光雷达、摄像头、GPS定位芯片、通信单元。

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