CN109606500A - 一种跑跳双足机器人踝足机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跑跳双足机器人踝足机构，它由踝关节传动机构和足底力检测机构两部分组成；其中，踝关节传动机构包括踝关节电机、曲柄、连杆、小腿、踝关节转轴、脚掌、连杆轴；足底力检测机构包括第一力传感器、第二力传感器、足底垫、后脚跟、前脚掌，导向柱套筒和五个导向柱；本发明通过四连杆机构的设计，实现了踝关节电机对脚踝关节的角度或角速度控制，这种传动机构使得脚踝或小腿的质心提到了更高的位置，不仅较大降低了小腿的转动惯量，还节省了脚踝的空间，使得足部的体积变得更小，重量变得更轻，有助于提高整个腿部的摆动过程中的动态响应特性，提升了机器人运动的灵活性。

Description

一种跑跳双足机器人踝足机构

技术领域

本发明涉及一种机器人机构，特别是一种跑跳双足机器人踝足机构。

背景技术

自然界中大部分的地面环境是山地、丘陵、沙漠、冰川、雪地等复杂地形，在正常的人居环境中，也存在着大量的类似于陡坡、台阶、楼梯等不平整地形。这些地形中，传统的轮式和履带式机构都难跨越这类障碍，严重限制了机器人的移动速度和移动范围。而自然界中大多数哺乳动物(如人、马、羊等)通过腿足实现快速灵活的运动，几乎可以到达陆地上的任何地方。同样的，在各类陆地移动机器人中，腿足式机器人在运动灵活性、环境适应性方面也具有显著优势，是非结构环境下进行野外探测侦察、崎岖山区物资运输、灾后救援等作业的移动机器人首选，因此具有广阔的应用前景。

双足机器人作为腿足机器人中的典型代表，由于其拟人化或拟动物化的结构特点，以及在敏捷运动能力上的潜力，受到了人们广泛的关注。当下，如何实现双足机器人快速灵活的运动，以及实现在室外不平整地形上的稳定成为了机器人技术中的研究难点和热点。其中，机构设计是双足机器人中的重要组成部分，优良的机构设计对提高机器人运动的快速性和稳定性具有重要帮助。研究人员在设计双足机器人时将根据不同的步态规划手段和稳定性要求开展机构设计，以满足相应的控制要求。比如，以ZMP为稳定性判据的步行运动规划方法，期望机器人ZMP在运动过程中落在足底支撑域内且距离足底边缘保持一定的距离，从而确保在遇到微不平整路面时在稳定性上仍然具有一定的裕度，为了让机器人具有更高的稳定性，研究人员往往会设计具有两个自由度的脚踝关节以及大支撑面积的足底平面。

双足或仿人机器人的足踝机构成果相对已经较多，目前主要分为以下几类：一类诸如CN101402380，CN101618549，CN101823517A，CN1027300095A，CN104802876A，CN103057620A，CN104627265A等，这类双足或仿人机器人的踝足设计是以满足机器人运动的稳定需求为主，脚踝关节设计采用两个主动驱动关节，脚掌设计成具有较大的支撑面积，脚踝与脚掌之间一般安装有力/力矩传感器，或足底安装有一定的力检测传感器，这类设计一般需要较大的足底支撑面积，踝足间安装的六维力/力矩传感器不仅价格昂贵，且重量较大，对于需要快速响应的腿部运动并非最佳选择；另一类诸如CN106005079A等，踝足之间只采用一个驱动关节，且两者之间安装有缓冲机构，使得机器人在着地阶段可以缓解冲击，存储冲击能量并在起跳阶段释放能量，有效利用了机器人在跳跃过程中的能量效率，足底安装的微动开关用于判断机器人是否着地的状态，但是该踝足机构相对比较复杂，无法获得准确的着地力的大小，且微动开关在腿部摆动过程中容易产生误触发；还有一类是如论文Spring-mass walking with ATRIAS in 3D:robust gait control spanning zero to4.3 kph on a heavily underactuated bipedal robot及其相关视频中都提到一种欠驱动双足机器人的踝足机构设计，该机器人脚踝采用被动机构与足底相连，足底是细长条形状的，且在前后两端各安装一个接触传感器，用于判断着地的状态，足底相对机器人本体几乎没有上述所谓的支撑域，但是这类机器人也存在无法获取准确的着地力的大小的问题，且无法实现自主站立，为了保持稳定需要始终处于一个动态的运动控制中。该机器人的商业化版本CASSIE在踝关节处新增加了一个主动驱动关节，从现有资料中观察该机器人足底没有安装着地检测传感器，尽管设计上相对比较简洁的，但是由于该机器人仍以行走运动为主，对于快速跑跳运动所需要的实时着地判断要求仍未进行验证。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种跑跳双足机器人踝足机构，本发明可用于双足或仿人机器人的快速灵巧运动，实现机器人的自主站立控制，以及快速跑步运动中的实时着地判断与控制，在整体机构设计上极大降低开发的成本，确保设计的简易性和实用性。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种跑跳双足机器人踝足机构，它由踝关节传动机构和足底力检测机构两部分组成；其中，所述踝关节传动机构包括踝关节电机、曲柄、连杆、小腿、踝关节转轴、脚掌、连杆轴；所述踝关节电机带有电机码盘，踝关节电机的输出轴与曲柄相连，曲柄、连杆、小腿、脚掌组成四连杆机构；连杆轴的一端插入脚掌后端的凹槽中并与连杆可转动连接，另一端通过紧配合与脚掌固接；小腿与踝关节转轴固接，踝关节转轴两端分别通过第一滑动轴承和第二滑动轴承与脚掌可转动连接；所述足底力检测机构包括第一力传感器、第二力传感器、足底垫、后脚跟、第一导向柱、前脚掌，导向柱套筒、第二导向柱、第三导向柱、第四导向柱、第五导向柱；前脚掌和后脚跟安装脚掌底部，第一力传感器安装在后脚跟与脚掌之间，第二力传感器安装在前脚掌与脚掌之间；前脚掌的底部开有三个孔，其内分别插入并固定第一导向柱、第四导向柱和第五导向柱，第一导向柱、第四导向柱和第五导向柱的另一端分别插入安装在脚掌底部的导向柱套筒内；后脚跟的底部开有两个孔，其内分别插入并固定第二导向柱和第三导向柱；第一导向柱、第二导向柱、第三导向柱、第四导向柱和第五导向柱的另一端分别插入安装在脚掌底部的五个导向柱套筒内；前脚掌和后脚跟的外部安装足底垫。

进一步地，在踝关节转轴和脚掌之间安装第一保护垫和第二保护垫。

进一步地，所述第二力传感器的一端通过螺纹与脚掌固接，另一端通过第二力传感器螺纹连接前脚掌；所述第一力传感器的一端通过螺纹与脚掌固接，另一端通过第一力传感器螺纹与后脚跟连接。

进一步地，所述第一导向柱、第四导向柱和第五导向柱通过螺丝固定在前脚掌的底部的孔内，第二导向柱和第三导向柱通过螺丝固定在后脚跟的底部的孔内。

本发明的有益效果是，本发明通过四连杆机构的设计，实现了踝关节电机对脚踝关节的角度或角速度控制，这种传动机构使得脚踝或小腿的质心提到了更高的位置，不仅较大降低了小腿的转动惯量，还节省了脚踝的空间，使得足部的体积变得更小，重量变得更轻，有助于提高整个腿部的摆动过程中的动态响应特性，提升了机器人运动的灵活性，且四连杆机构的刚性传动设计使得踝关节的运动传递过程是精确的，对于运动所需要的精确控制是有保证的。另外，机构设计中采用的滑动轴承设计不仅极大地缩小了踝关节的设计空间，也满足了机器人在着地瞬间所需承受的大冲击力。足部力的检测是采用了普通的一维力传感器，降低了机器人检测的成本，当机器人脚尖或脚跟着地时可以通过分离的两个模块单独进行检测，提高了应对不同环境下对着地力和状态的检测，各配合使用的导向轴确保了力传感器只会受到轴向力大小，避免了力传感器受到切向力而发生变形，从而造成检测精度不准确。另外，设计的足底垫满足机器人着地时刻与地面接触情况的相似性，足底垫的底面需要设计成圆弧形状，且地面的纹理也可以尽量减少机器人与地面之间发生打滑，对提高机器人适应不同路面具有重要帮助。

附图说明

图1是双足机器人踝足机构的立体图；

图2是踝关节连杆的剖面图；

图3是踝关节转轴的剖面图；

图4是足部力传感器的安装与导向图；

图5是足部力传感器与导向的分布图；

图6是足底橡胶垫与条纹示意图；

图中，踝关节电机1、电机码盘2、曲柄3、连杆4、小腿5、踝关节转轴6、脚掌7、第一保护垫8、第二保护垫9、第一力传感器10、第二力传感器11、足底垫12、螺丝13、连杆轴14、后脚跟15、第一力传感器螺纹16、第一滑动轴承17、第二滑动轴承18、第二力传感器螺纹19、第一导向柱20、前脚掌21，导向柱套筒22、第二导向柱23、第三导向柱24、第四导向柱25、第五导向柱26。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

如图1-6所示，本发明跑跳双足机器人踝足机构由踝关节传动机构和足底力检测机构两部分组成。

踝关节传动机构包括了踝关节电机1、电机码盘2、曲柄3、连杆4、小腿5、踝关节转轴6、脚掌7、第一保护垫8、第二保护垫9、连杆轴14、第一滑动轴承17、第二滑动轴承18。踝关节电机1带有电机码盘2，作为驱动组合安装在膝盖机构上，踝关节电机1的输出轴连接曲柄3，曲柄3、连杆4、小腿5和脚掌7组成四连杆机构，踝关节电机1将电机角度或角速度直接传递到曲柄3上，曲柄3经过连杆4将运动传递至脚掌7；脚掌7后端有个凹槽，与连杆4之间通过连杆轴14连接，连杆轴14的一端插入脚掌7中并与连杆4可转动连接，形成相对转动，另一端通过紧配合与脚掌7固接，当需要拆卸连杆轴14时，可借助连杆轴14一端的螺纹将其拆卸。另外，小腿5与踝关节转轴6也通过紧配合固接，踝关节转轴6两端分别通过第一滑动轴承17和第二滑动轴承18与脚掌7可转动连接，发生相对转动，在踝关节转轴6和脚掌7之间安装第一保护垫8和第二保护垫9，通过第一保护垫8和第二保护垫9缓冲小腿5与脚掌7之间的碰撞，避免踝关节角度超过角度限制后在小腿5和脚掌7之间发生直接碰撞，从而造成机械零件的损伤。

通过以上四连杆机构的设计，实现了踝关节电机1对脚踝关节的角度或角速度控制，也即踝关节电机1对脚掌7的俯仰角度或角速度的控制。这种传动机构使得脚踝或小腿的质心提到了更高的位置，不仅较大降低了小腿的转动惯量，还节省了脚踝的空间，使得足部的体积变得更小，重量变得更轻，有助于提高整个腿部的摆动过程中的动态响应特性，提升了机器人运动的灵活性，且四连杆机构的刚性传动设计使得踝关节的运动传递过程是精确的，对于运动所需要的精确控制是有保证的。另外，机构设计中采用的滑动轴承设计不仅极大地缩小了踝关节的设计空间，也满足了机器人在着地瞬间所需承受的大冲击力。

足底力检测机构包括了第一力传感器10、第二力传感器11、足底垫12、螺丝13、后脚跟15、第一导向柱20、前脚掌21，导向柱套筒22、第二导向柱23、第三导向柱24、第四导向柱25、第五导向柱26。脚掌7底部安装了前脚掌21和后脚跟15，前脚掌21与脚掌7之间安装有第二力传感器11，该第二力传感器11的一端通过螺纹与脚掌7固接，另一端通过第二力传感器螺纹19连接前脚掌21，与之配合使用的是第一导向柱20、第四导向柱25和第五导向柱26，以第一导向柱20为例，一端插入在前脚掌21的开孔内，通过螺钉夹紧开孔实现两者的固接，另一端套插入导向柱套筒22内，可实现两者之间的相互滑动，当前脚掌21着地受力后，前脚掌21和第一导向柱20将与导向柱套筒22发生微小的滑动，并通过第二力传感器11将所受到的力检测出来。同样地，后脚跟15与脚掌7之间安装有第一力传感器10，该第一力传感器10的一端通过螺纹与脚掌7固接，另一端通过第一力传感器螺纹16与后脚跟15连接，与之配合使用的是第二导向柱23和第三导向柱24，前脚掌21和后脚跟15的外部安装了足底垫12，机器人通过足底垫12与地面直接接触。

在该机构设计中，足部力的检测是采用了普通的一维力传感器，通过检测力传感器的轴向力大小获得机器人与地面之间的作用力大小，当机器人脚尖或脚跟着地时可以通过分离的两个模块单独进行检测，提高了应对不同环境下对着地力和状态的检测，各配合使用的导向轴确保了力传感器只会受到轴向力大小，避免了力传感器受到切向力而发生变形，从而造成检测精度不准确。另外，设计的足底垫12也考虑了机器人踝关节在缺少滚动自由度情况下很难保证足底平面与地面始终保持平行，为了满足着地时刻与地面接触情况的相似性，足底垫12的底面需要设计成圆弧形状，且地面的纹理也可以尽量减少机器人与地面之间发生打滑，对提高机器人适应不同路面具有重要帮助。本发明可应用于双足或仿人机器人的快速灵巧运动，实现机器人的自主站立控制，以及快速跑步运动中的实时着地判断与控制，在整体机构设计上极大降低开发的成本，确保设计的简易性和实用性。

Claims (4)

1.一种跑跳双足机器人踝足机构，其特征在于，它由踝关节传动机构和足底力检测机构两部分组成；其中，所述踝关节传动机构包括踝关节电机(1)、曲柄(3)、连杆(4)、小腿(5)、踝关节转轴(6)、脚掌(7)、连杆轴(14)等。所述踝关节电机(1)带有电机码盘(2)，踝关节电机(1)的输出轴与曲柄(3)相连，曲柄(3)、连杆(4)、小腿(5)、脚掌(7)组成四连杆机构；连杆轴(14)的一端插入脚掌(7)后端的凹槽中并与连杆(4)可转动连接，另一端通过紧配合与脚掌(7)固接；小腿(5)与踝关节转轴(6)固接，踝关节转轴(6)两端分别通过第一滑动轴承(17)和第二滑动轴承(18)与脚掌(7)可转动连接；所述足底力检测机构包括第一力传感器(10)、第二力传感器(11)、足底垫(12)、后脚跟(15)、第一导向柱(20)、前脚掌(21)，导向柱套筒(22)、第二导向柱(23)、第三导向柱(24)、第四导向柱(25)、第五导向柱(26)；前脚掌(21)和后脚跟(15)安装脚掌(7)底部，第一力传感器(10)安装在后脚跟(15)与脚掌(7)之间，第二力传感器(11)安装在前脚掌(21)与脚掌(7)之间；前脚掌(21)的底部开有三个孔，其内分别插入并固定第一导向柱(20)、第四导向柱(25)和第五导向柱(26)，第一导向柱(20)、第四导向柱(25)和第五导向柱(26)的另一端分别插入安装在脚掌(7)底部的导向柱套筒(22)内；后脚跟(15)的底部开有两个孔，其内分别插入并固定第二导向柱(23)和第三导向柱(24)；第一导向柱(20)、第二导向柱(23)、第三导向柱(24)、第四导向柱(25)和第五导向柱(26)的另一端分别插入安装在脚掌(7)底部的五个导向柱套筒(22)内；前脚掌(21)和后脚跟(15)的外部安装足底垫(12)。

2.根据权利要求1所述跑跳双足机器人踝足机构，其特征在于，在踝关节转轴(6)和脚掌(7)之间安装第一保护垫(8)和第二保护垫(9)。

3.根据权利要求1所述跑跳双足机器人踝足机构，其特征在于，所述第二力传感器(11)的一端通过螺纹与脚掌(7)固接，另一端通过第二力传感器螺纹(19)连接前脚掌(21)；所述第一力传感器(10)的一端通过螺纹与脚掌(7)固接，另一端通过第一力传感器螺纹(16)与后脚跟(15)连接。

4.根据权利要求1所述跑跳双足机器人踝足机构，其特征在于，所述第一导向柱(20)、第四导向柱(25)和第五导向柱(26)通过螺丝(13)固定在前脚掌(21)的底部的孔内，第二导向柱(23)和第三导向柱(24)通过螺丝(13)固定在后脚跟(15)的底部的孔内。