CN110395331B - 一种可主动切换形态的四足机器人足部 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可主动切换形态的四足机器人足部，包括足基座总成、动力传递装置、半球形足端总成，动力传递装置设置在足基座总成内，半球足端总成包括第一半足端总成和第二半足端总成，第一半足端总成与第二半足端总成相对设置形成半球形结构，动力传递装置的输出运动通过两个连杆传递到两个半足端总成上，两个半球形足端总成通过足背座与足基座总成连接。本发明克服了传统球面足在在沙地等松软地面容易下陷和打滑的缺点，提出了一种可以主动切换形态以适应不同地形条件的机器人足部结构，并且具有足端接触力检测能力，可以使四足机器人在硬质地面和松软地面自由运动。

Description

一种可主动切换形态的四足机器人足部

技术领域

本发明涉及一种机器人足部，尤其涉及一种可主动切换形态的四足机器人足部，属于机器人技术领域。

背景技术

足式机器人采用与地面非连续的接触方式，因此对于各种复杂地形环境具有很强的适应能力。四足机器人负载能力强，运动灵活，在外太空探索、农业生产、军事侦查、娱乐教育等领域有着广阔的应用前景。

四足机器人的足部是机器人直接与地面接触的部件，因此对于足部的设计有着特殊的要求。如足部要适应地面环境、吸收冲击力、提供牵引力、储存和释放能量。此外足端压力和碰撞感知能力对于机器人的控制也有着重要的意义。

现有的四足机器人足部结构主要包括球面足和被动平面足，球面足运动灵活，便于计算与地面接触状态，但是在松软地面，如泥地和沙地很容易下陷，而且容易打滑。被动平面足，采用了各种仿生设计，运动性能好，但是结构复杂，在凹凸不平的地面运动时，容易发生“绊脚”等状况。

发明内容

本发明针对传统球面足在在沙地等松软地面容易下陷和打滑的缺点，提出了一种可以主动切换形态以适应不同地形条件的机器人足部结构，并且具有足端接触力检测能力，可以使四足机器人在硬质地面和松软地面自由运动。

本发明的目的是这样实现的：包括足基座总成、动力传递装置、半球形足端总成，动力传递装置设置在足基座总成内，半球足端总成包括第一半足端总成和第二半足端总成，第一半足端总成与第二半足端总成相对设置形成半球形结构，动力传递装置的输出运动通过两个连杆传递到两个半足端总成上，两个半球形足端总成通过足背座与足基座总成连接。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述足基座总成包括两个竖架，在两个竖架上端间设置有电机固定座，在电机固定座下方的两个竖架间设置有丝杠支撑座，所述足背座设置在两个竖架下端间，在足背座与丝杠支撑座之间设置有丝杠，丝杠上设置有螺母，两个连杆对称铰接在螺母上，丝杠的上端与电机固定座上的电机的输出端连接。

2.第一半球足端总成和第二半球足端总成均包括：由足端下底座和设置在足端下底座上端的上盖板以及内壳组成的半球形结构、对称设置在半球形结构内的可产生变形的两个S形支撑架，每个S形支撑架上至少安装有两个应变片，上盖板上设置有与连杆铰接的铰接座，上盖板和足端下底座上的对应位置各设置有三个阶梯孔，且三个阶梯孔在周向上等间距设置，每个阶梯孔内安装有磁头柱-霍尔力检测装置，第一半球足端总成与第二半球足端总成的上盖板上设置有安装销轴的长孔，所述足背组下端设置有两个安装孔，两个销轴分别穿过安装孔和长孔实现第一半球足端总成和第二半球足端总成与足背座的连接。

3.在足端下底座下端设置有弹性的足垫。

4.在上盖板与足端下底座连接处设置有弹性密封套。

5.所述内壳和弹性密封套的材料为弹性材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)机器人足可以在半球形足和内凹平面足之间任意切换；在硬质地面采用半球形足，运动灵活，便于计算与地面接触状态；在松软地面采用内凹平面足，增大了与地面接触面积，压强小，不易下陷，并且内凹设计有抓土固土的作用，不易打滑。(2)机器人足的变形动力传递装置采用了丝杠螺母加连杆机构的设计，动力传递效率高，简洁灵活；充分利用了丝杠螺母机构的轴向自锁性能，可以保证两个半足在运动中位置保持的能力，并且连杆机构的设计使足端基座受力更加均匀，增强了负载能力。(3)在足端内部采用可产生较大变形的S形支撑架的设计，在每个半足内都有对称布置的两个S形支撑架；S形支撑架一方面可以起到弹簧的作用，有效减缓地面冲击力，另一方面连接足端上盖板和足端下底座，可以作为受力敏感部件，在S形支撑架上布置应变片，使测得的足端接触力更加准确。(4)在足端每个半足上都设计有三个均匀布置的磁头柱-霍尔力检测装置，提供了另一种足端力检测的方案，可方便测出足端在三维空间中的受力状态。

附图说明

图1为本发明的主体结构示意图；

图2为本发明的爆炸视图；

图3为本发明的足端局部爆炸视图；

图4为本发明的半足结构及局部剖视图；

图5(a)、(b)为本发明的足端两种状态图。

图中标号：1：足基座总成，1-1：第一竖架，1-2：第二竖架，1-3:电机固定座，1-4:丝杠支撑座，1-5：足背座，2：动力传递装置，2-1丝杠联轴器，2-2第一丝杠轴承，2-3：键，2-4：丝杠，2-5：第二丝杠轴承，2-6：活动套圈，2-7：第一连杆，2-8：第二连杆，2-9：螺母外轴承，2-10：螺母，3:第一半足端总成，4：第二半足端总成，4-1：上盖板，4-1-1：上盖板阶梯孔，4-1-2：方形凹槽，4-2：足端下底座，4-2-1：足端下底座阶梯孔，4-3：内壳，4-4：第一S形支撑架，4-5：第二S形支撑架，4-6：弹性密封套，4-7：足垫，4-8：霍尔传感器，4-9：磁头柱，4-9-1：磁铁，4-9-2：球铰座，4-9-3：球铰销，4-10：复位弹簧，4-11：第一组应变片，4-12：第二组应变片。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明提供了一种可以主动切换形态以适应不同地形条件并且具有足端力感知能力的机器人足部，下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

参见图1和图2，本发明基本组成包括足基座总成1、动力传递装置2、半球形足端总成。其中半球形足端总成分为第一半足端总成3和第二半足端总成4。所述足基座总成包括足背座、第一竖架、第二竖架、电机固定座、丝杠支撑座，所述第一竖架1-1和第二竖架1-2固定连接于足背座1-5上，电机固定座1-3和丝杠支撑座1-4固定连接于第一竖架和第二竖架。

所述动力传递装置包括丝杠螺母机构、丝杠轴承，螺母外轴承、活动套圈、第一连杆和第二连杆。所述动力传递装置2中，丝杠2-4通过轴承2-2、2-5安装于足背座1-5和丝杠支撑座1-4上，螺母2-10安装于丝杠上与其配合，活动套圈2-6通过螺母外轴承2-9安装于螺母上，所述活动套圈2-6上有安装孔，用于安装转轴。所述动力传递装置为一丝杠螺母和曲柄滑块复合机构，丝杠通过联轴器与电机相连作为动力源驱动螺母，活动套圈通过轴承安装在螺母上，活动套圈通过连杆传递运动至两个半足，带动足端形态的切换。所述动力传递装置中的连杆的一端为半圆形，避免运动中的干涉。

参见图3和图4，所述半球形足端总成包括完全相同的第一半足3和第二半足4。所述足背座下部有两个安装孔用于安装转轴，第一半足和第二半足的上盖板4-1上开有孔，通过转轴安装于足背座下部，使两半足可以绕足背座下轴孔自由转动。

所述第一连杆2-7和第二连杆2-8上端安装于活动套圈转轴上与活动套圈构成转动副，下端分别安装于第一半足和第二半足的的上盖板4-1外转轴上与两个半足构成转动副。所述丝杠2-4转动带动螺母2-10沿丝杠轴向位移，通过第一连杆和第二连杆将运动传递给第一半足3和第二半足4的相对转动，实现足端形态在球面足和内凹平面足间切换。如图5(a)为球面足状态，图5(b)为平面内凹足状态。

所述完全相同的第一半足和第二半足包括上盖板4-1、足端下底座4-2、可产生较大变形的第一S形支撑架4-4、第二S形支撑架4-5，两个S形支撑架对称布置。所述的S形支撑架上下端面平行，并且开有固定孔，通过螺栓连接将S形支撑架的上端与上盖板4-1固定，通过螺栓连接将S形支撑架的下端与足端下底座4-2固定。所述的每个S形支撑架上至少安装有两个感应变形的应变片4-11、4-12，所述可产生较大变形的S形支撑架在足端受到外力时产生的变形量，通过应变片转化为应变片电阻的变化量，从而实现对足端接触力的检测。足端可以在球面足和平面内凹足之间主动切换，所述球面足是一半球形结构，由两个四分之一球壳组成两个半足，两个半足可绕各自轴线旋转实现开合，两个半足的旋转轴线并未重合而是相互平行偏移一定距离。

所述第二半足4的上盖板4-1和足端下底座4-2上对应位置各开有三个阶梯孔，分别为4-1-1、4-2-1。所述每个阶梯孔内安装有起到缓冲和复位作用的弹簧4-10和末端固定有磁铁的磁头柱4-9。所述上盖板的每个阶梯孔的上方位置开有方形凹槽，方形凹槽内安装霍尔传感器。所述磁头柱下端固定于足端下底座的阶梯孔内，有磁铁的一端指向霍尔传感器，磁头柱采用了球铰连接的设计，使得磁铁一端可以在上盖板阶梯孔内滑动。当足端下底座受到外力而位置发生改变时，磁头柱相对于霍尔传感器的距离发生变化，霍尔传感器感应到磁场的变化，转化为电信号，从而实现对于足端接触力的检测。

所述的每个半足上布置有三个磁头柱-霍尔力检测装置，所述的磁头柱-霍尔力检测装置安装在上盖板和足端下底座之间的阶梯孔内。所述的磁头柱-霍尔力检测装置包括复位弹簧、磁头柱和霍尔传感器，磁头柱采用了球铰的设计，磁铁固定在球铰座上，球铰销采用过盈配合与足端下底座阶梯孔装配，球较座可以在所述的上盖板阶梯孔内滑动，将位移信息转化为磁场的变化。具体结构可参见图3和图4，磁铁4-9-1固定于球铰座4-9-2上方，球铰销4-9-3下端固定于足端下底座的阶梯孔4-2-1内，上端与球铰座构成球铰副。所述上盖板的每个阶梯孔的上方位置开有方形凹槽4-1-2，方形凹槽内安装霍尔传感器4-8。所述磁头柱下端固定于足端下底座的阶梯孔内，有磁铁的一端指向霍尔传感器，磁头柱采用了球铰连接的设计，使得磁铁可以在上盖板阶梯孔4-1-1内滑动。当足端下底座受到外力而位置发生改变时，磁铁相对于霍尔传感器的距离发生变化，霍尔传感器感应到磁场的变化，转化为电信号，从而实现对于足端接触力的检测。

所述可产生较大变形的S形支撑架4-4、4-5和阶梯孔内复位弹簧4-10，在足部受力时可以起到缓冲减震的作用。所述足端下底座上安装有足垫4-7，足垫采用弹性材料可以起到缓冲作用，足垫直接与地面接触将力传递至足端下底座。也即每个半足上布置有一块橡胶足垫，足垫形状由四分之一球壳切割而成，足垫通过螺钉连接和粘接的方式可紧密贴合在半足上。

所述上盖板4-1和足端下底座4-2间安装有弹性密封套4-6，可以防止杂质进入到足端内部。所述的半足内部安装有内壳4-3，内壳采用橡胶材料制成，通过螺钉连接和粘接的方式固定在半足上。内壳以一定的拔模角度内凹进半足内部，在平面内凹足状态下，内壳可以保护内部元器件不受损坏，且内壳构成的内凹空间，在松软地面上可以起到固土的作用，防止足端打滑。

所述弹性密封套4-6和内壳4-3采用橡胶等弹性材料，允许足端下底座4-2和上盖板4-1间产生相对位移。所述的S形支撑架4-4、4-5采用高屈服强度合金材料制成，允许其能够产生较大的弹性变形。所述足垫和弹性密封套通过螺钉加粘接或熔融方式与足端相应位置固定。

本发明提供了一种可以主动切换形态以适应不同地形条件并且具有足端力感知能力的机器人足，如图5(a)和(b)所示具有两种形态：球面足和平面内凹足。在实际工作场景中实施方式如下：

在硬质地面，采用如图5(a)所示的球面足状态，此时半足3和半足4闭合为一半球体，足垫4-7直接与地面接触将地面压力传递给足端下底座4-2，足端下底座通过S形支撑架4-5、4-6以及分布于足端下底座4-2和上盖板4-1间的复位弹簧4-10将压力传递给上盖板和足基座总成1。在此过程中S形支撑架发生弹性变形，布置在支撑架上的应变片4-11、4-12将变形量转化为电信号，传输给控制单元，由此可测量出接触力。另一种力检测装置是分布于足端下底座4-2和上盖板4-1间阶梯孔内的磁头柱-霍尔力检测装置，足端下底座相对于上盖板的位移反映为磁头柱上的磁铁相对于霍尔传感器的距离的变化，即磁场的变化，足端共布置有六个磁头柱-霍尔力检测装置，综合各个装置的信号变化，即可得到足端在三维空间中的受力状态。

在泥地和沙地等松软地面，采用如图5(b)所示的平面内凹足状态。由电机通过丝杠联轴器2-1带动丝杠2-4的转动，进而驱动螺母2-10以及安装于螺母上的活动套圈2-6沿着丝杠轴线向远离足端方向移动，通过连杆2-7和2-8带动半足3和半足4相对转动到指定位置，足端底面呈现平面状态。在足端与地面接触后足垫4-7直接接触地面，起到缓冲作用，由于内壳4-3内凹进足面构成了内凹结构，这一内凹结构在松软地面上可以起到抓土、固土的作用，可以有效防止足端打滑。并且内壳设计有一定的拔模角度，可方便内凹结构中的沙土脱落。硬质地面中的力检测装置在本实施方式中依然有效。

Claims (4)

1.一种可主动切换形态的四足机器人足部，其特征在于：包括足基座总成、动力传递装置、半球形足端总成，动力传递装置设置在足基座总成内，半球足端总成包括第一半足端总成和第二半足端总成，第一半足端总成与第二半足端总成相对设置形成半球形结构，动力传递装置的输出运动通过两个连杆传递到两个半足端总成上，两个半球形足端总成通过足背座与足基座总成连接；所述足基座总成包括两个竖架，在两个竖架上端间设置有电机固定座，在电机固定座下方的两个竖架间设置有丝杠支撑座，所述足背座设置在两个竖架下端间，在足背座与丝杠支撑座之间设置有丝杠，丝杠上设置有螺母，两个连杆对称铰接在螺母上，丝杠的上端与电机固定座上的电机的输出端连接；第一半球足端总成和第二半球足端总成均包括：由足端下底座和设置在足端下底座上端的上盖板以及内壳组成的半球形结构、对称设置在半球形结构内的可产生变形的两个S形支撑架，每个S形支撑架上至少安装有两个应变片，上盖板上设置有与连杆铰接的铰接座，上盖板和足端下底座上的对应位置各设置有三个阶梯孔，且三个阶梯孔在周向上等间距设置，每个阶梯孔内安装有磁头柱-霍尔力检测装置，第一半球足端总成与第二半球足端总成的上盖板上设置有安装销轴的长孔，所述足背座下端设置有两个安装孔，两个销轴分别穿过安装孔和长孔实现第一半球足端总成和第二半球足端总成与足背座的连接。

2.根据权利要求1所述的一种可主动切换形态的四足机器人足部，其特征在于：在足端下底座下端设置有弹性的足垫。

3.根据权利要求1或2所述的一种可主动切换形态的四足机器人足部，其特征在于：在上盖板与足端下底座连接处设置有弹性密封套。

4.根据权利要求3所述的一种可主动切换形态的四足机器人足部，其特征在于：所述内壳和弹性密封套的材料为弹性材料。

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