CN110871858B - 一种双足机器人踝关节缓冲装置及单腿结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双足机器人踝关节缓冲装置及机器人单腿结构，在机器人小腿和机器人足之间设有裸关节，在所述机器人小腿背面设置连接杆，所述连接杆末端通过弹簧与机器人足后跟连接；以踝关节作为杠杆的支点，弹簧的拉力和机器人重力分别位于杠杆两边，形成方向相反的力矩；通过弹簧的拉力力矩平衡机器人的重力力矩，使得机器人重心恢复到机器人平衡的位置。本发明通过设置弹簧能够缓冲因地面凹凸不平导致的机器人震动；通过弹簧的收缩，使得重心在可调节区域内时，机器人有一定的自动调节姿态至稳定站立状态的能力。
Description
技术领域
本公开涉及机器人行走技术领域，尤其涉及一种双足机器人踝关节缓冲装置及单腿结构。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
一般情况下，双足机器人使用能够控制的踝关节来稳定机器人的姿态，属于主动踝关节。通过调节机器人重心在脚掌平面以内的区域来保证机器人不会跌倒。
但是，由于地面不平坦或者机器人落脚不平稳，通过主动踝关节控制机器人姿态，传感器检测获得机器人脚掌接触情况来到踝关节做出反应需要一段时间，往往会由于控制频率不够快或者传感器感知自身姿态的精度不够高，机器人脚掌与地面形成刚性接触从而导致机器人的震动或者跌倒。
目前大部分腿足机器人通过控制电机的正反转来实现小腿的往复运动。这使得电机在加速到一定速度后又通过施加电机反向转动的力矩来制动，反转，也就是使用施加反向的力做功来先平衡之前做功产生的动能。如此频繁的加速减速过程中都有一个过程用电机力矩制动过程，随着机器人运动的次数越多浪费的能量也越多。
现有技术通过提高主动踝关节的控制频率和传感器的灵敏度，或者使用地形感知传感器提前感知落脚点的地形的方式来减缓机器人的震动，但是，这样会极大地增加开发生产成本，控制过程复杂。同时，机器人对地形的适应能力比较差。
现有技术通过在足底增加缓冲材料，在一定程度上能够减小震动，但是只能做到缓冲竖直方向上的震动，无法对机器人的前后倾斜行为做出缓冲的贡献。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了
一种双足机器人踝关节缓冲装置及单腿结构，能够使用弹簧缓冲因地面不平坦或者机器人落脚不平稳导致的震动。
在一些实施方式中，本发明采用如下技术方案：
一种双足机器人踝关节缓冲装置，在机器人小腿和机器人足之间设有裸关节，在所述机器人小腿背面设置连接杆，所述连接杆末端通过弹簧与机器人足后跟连接；以踝关节作为杠杆的支点，弹簧的拉力和机器人重力分别位于杠杆两边，形成方向相反的力矩；通过弹簧的拉力力矩平衡机器人的重力力矩，使得机器人重心恢复到机器人平衡的位置。
在另一些实施方式中，本发明采用如下技术方案：
一种机器人单腿结构，包括：大腿结构、膝关节结构、小腿结构和踝关节结构，其中，所述踝关节结构包括上述的双足机器人踝关节缓冲装置；所述膝关节结构采用曲柄摇杆四连杆机构实现动力传动。
在另一些实施方式中，本发明采用如下技术方案：
一种双足机器人，包括上述的双足机器人踝关节缓冲装置；或者，包括上述的机器人单腿结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.通过设置弹簧能够缓冲因地面凹凸不平导致的机器人震动；
2.通过弹簧的收缩，使得重心在可调节区域内时，机器人有一定的自动调节姿态至稳定站立状态的能力。
3.刚性绳的设置能够起到限位的作用，可通过调节刚性绳的长度调节机器人腿处于平衡状态的姿态。
4.机器人在行走过程中小腿的摆动幅度是在一定范围内的，使用曲柄摇杆机构作为传动机构完全可避免小腿运动角度过大导致行走失去稳定甚至误伤研发实验员。
5.通过变电机的单向运动为小腿的往复运动提供动力，不用频繁的切换电机转向来实现小腿的往复运动。单向运动可以节约能源，上一个运动周期储存于电机转子和减速器中的动能能过直接用于下一个周期的运动。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为实施例一中双足机器人踝关节缓冲装置结构示意图；
图2为实施例一中机器人重心前移后的状态；
图3为实施例一中双足机器人踝关节缓冲装置立体结构示意图；
图4为实施例一中机器人重心调节示意图；
图5(a)-(b)分别为实施例二中膝关节曲柄摇杆四连杆结构示意图；
图6(a)为实施例二中最小角度设计示意图；
图6(b)为实施例二中最大角度设计示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
在一个或多个实施方式中公开了一种双足机器人踝关节缓冲装置，如图1所示，在机器人小腿后面焊接一个连接杆，连接杆末端使用弹簧与机器人足后跟连接，弹簧拉紧，当机器人小腿跟着重心往前移动的时候弹簧被拉伸根据胡克定律弹簧拉力变大，如图2，使其有一定的回复能力，使用不同劲度系数的弹簧可以调节回复特性。足的前端使用刚性绳与机器人的小腿连接，刚性绳主要起的作用是限位，绳子与拉力弹簧形成一个杠杆。可通过调节刚性绳的长度调节机器人腿处于平衡状态的姿态，当重心前移的时候刚性绳将不再起作用。
参照图3，在站立的时候，机器人的足与地面接触，若重心所在垂线在机器人踝关节所在垂线的前面，弹簧受到拉伸拉力增大，促使机器人身体相对于踝关节向后转动，重心也在向后移动，最终恢复到平衡位置。在运动过程中，机器人腿提起来的时候踝关节以及足悬空，此时弹簧拉伸至最短，拉力最小；刚性绳拉伸，机器人的足与小腿的钝角最大。当机器人该悬空腿要着地的时候，足尖首先接触地面，这时由于重力足尖受到地面的支持力开始使足相对于踝关节连接点转动，拉伸弹簧，弹簧拉力随形变增大起到缓冲作用。
设置刚性绳是为了限位，防止机器人的足与小腿碰撞。同时，当机器人站立的时候调节刚性绳的长度可以设置机器人的重心落在踝关节连接点到脚后跟与地面接触点之间，这样机器人才能稳定的站立，绳的长度可变。
当重心往前偏离时，如图2所示，此时弹簧被拉伸，弹簧拉力增大，以踝关节为支点，机器人在重心的重力和弹簧拉力为杠杆两端的力形成一个杠杆。重心往前移动的幅度越大弹簧受拉伸的长度也越大，拉力也就越大，通过更换不同劲度系数的弹簧可以改变拉力的变化速度。当弹簧拉力乘以拉力力臂大于重力乘以其力臂时，能够拉动机器人重心回复到原来的位置，同时使用弹簧储存能量又释放的过程起到了缓冲的作用，并且整个足的底面仍旧与地面接触不动，保证接触面积。因此可以增加机器人在行走以及站立的时候的稳定性能。
双足机器人踝关节缓冲方法具体为：使用杆杆原理，以踝关节的接触点为支点，弹簧的拉力和重力两个相同方向的力位于杠杆两边形成两个相反的力矩从而达到力矩平衡。在运动过程中通过弹簧的拉伸(将震动的动能储存为弹簧势能)和收缩(释放弹簧势能)达到缓冲的作用。
机器人站立的时候重心在支点(踝关节接触点)前面时，弹簧处于拉伸状态拉力形成的力矩大于重力形成的力矩，机器人身体向后旋转恢复到平衡状态。
机器人运动时，足端着地的时候脚尖先着地，在重力作用下机器人的足将做逆时针运动，在杆杆的另外一段拉伸弹簧，此时发挥本设计的运动缓冲作用。
在机器人站立的时候应尽量使机器人重心在踝关节的接触点的竖直方向上，或者重心可以稍微往脚后跟偏一点，中心调节范围如图4所示，通过刚性绳限制机器人的重心落在踝关节连接点到脚后跟与地面接触点之间，可以通过调节刚性绳的长度来调节重心相对于足的偏移。
实施例二
在一个或多个实施方式中公开了一种机器人单腿结构，包括：大腿结构、膝关节结构、小腿结构和踝关节结构，其中，踝关节结构包括实施例一中的双足机器人踝关节缓冲装置；如图5(a)-(b)所示，使用曲柄摇杆四连杆机构进行膝关节的动力传动。
曲柄摇杆机构如图5(b)，AB为曲柄，长度d1，A点为曲柄固定点，也就是电机的动力输入点曲柄AB可绕A点转动。CD为摇杆长度为d2，可绕D点转动。下面的分析可以知道曲柄做圆周转动的时候摇杆做来回转动，DE与CD刚性连接代表机器人小腿的运动。
通过选定的机器人小腿与大腿之间的最小角度和最大角度确定曲柄摇杆机构的四根连杆尺寸：
首先根据实际情况选定四连杆机构的d2和d4连杆的长度；一般情况下，d2比d4稍大或者按照机器人的腿足的实际情况去定。需要说明的是，通常情况下，d2和d4通常会根据机器人的高度确定。同时由于电机作为动力的输入端安装在曲柄固定端，电机一般在机器人中占据比较大的质量，调节电机的安装高度可以调节重心的高度；d2的长度能直接决定电机距离膝关节的高度。
要让摇杆在一定的角度范围内运动，必须要根据最小行程角度和最大行程角度计算出d1和d3的数值。
下面通过选定的最小角度θmin与最大角度θmax使用作图法求出连杆d1和d3的尺寸。具体方法是，先选定最小行程角度θmin如图6(a)，画出d4连杆，连接曲柄d1的转动轴和连杆d4的末端，从图中测量得到这段距离d1'，得到第一个等式：
d1'＝d3-d1 (1)
然后选定最大的行程角度θmax如图6(b)，同样连接曲柄d1的转动轴和连杆d4的末端，从图中测量得到该段距离d2'，得到第二个等式：
d2'＝d1+d3 (2)
联立式(1.1)和式(1.2)可确定连杆d1、d3的尺寸：
给出了曲柄(组合电机输出轴的运动)运动角度与摇杆(机器人小腿)角度对应关系，曲柄做一周的圆周运动对应的摇杆角度变化，曲柄运动角度是曲柄相对于大腿的角度(假设大腿不运动)。
需要说明的是，由于曲柄摇杆机构的曲柄需要做圆周的整圈转动，有时候在机器人行走过程中希望控制机器人的高度，此时可以通过髋关节的调节来调节腿的高度。另外通过在实际需要高度后面走完曲柄行程会给机器人单腿长度带来变长的影响用于模拟人或其他双足行走动物的足端加速过程。
实施例三
在一个或多个实施方式中，公开了一种双足机器人，其包括了实施例一中所述的双足机器人踝关节缓冲装置；或者，包括实施例二中所述的机器人单腿结构。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (7)
1.一种双足机器人踝关节缓冲装置，在机器人小腿和机器人足之间设有踝关节，其特征在于，在所述机器人小腿背面设置连接杆，所述连接杆末端通过弹簧与机器人足后跟连接；以踝关节作为杠杆的支点，弹簧的拉力和机器人重力分别位于杠杆两边，形成方向相反的力矩；通过弹簧的拉力力矩平衡机器人的重力力矩，使得机器人重心恢复到机器人平衡的位置；
当机器人悬空腿要着地的时候，足尖首先接触地面，这时由于重力足尖受到地面的支持力开始使足相对于踝关节连接点转动，拉伸弹簧，弹簧拉力随形变增大起到缓冲作用；
机器人足的前端通过刚性绳与机器人小腿连接；在机器人站立的时候使机器人重心在踝关节的接触点的竖直方向上，通过刚性绳限制机器人的重心落在踝关节连接点到脚后跟与地面接触点之间，可以通过调节刚性绳的长度来调节重心相对于足的偏移。
2.如权利要求1所述的一种双足机器人踝关节缓冲装置，其特征在于，当机器人处于站立姿态时，调节刚性绳的长度使得机器人的重心在踝关节连接点到脚后跟与地面接触点之间的位置，保证机器人稳定的站立。
3.如权利要求1所述的一种双足机器人踝关节缓冲装置，其特征在于，机器人处于站立姿态，机器人重心在踝关节前面时，弹簧处于拉伸状态的拉力形成的力矩大于机器人重力形成的力矩，使得机器人重心向后移动恢复到平衡状态。
4.一种机器人单腿结构，其特征在于，包括：大腿结构、膝关节结构、小腿结构和踝关节结构，其中，所述踝关节结构包括权利要求1-3任一项所述的双足机器人踝关节缓冲装置；所述膝关节结构采用曲柄摇杆四连杆机构实现动力传动。
5.如权利要求4所述的一种机器人单腿结构，其特征在于，通过选定的机器人小腿结构与大腿结构之间的最小角度和最大角度确定曲柄摇杆四连杆机构的四根连杆的尺寸；具体为：
根据实际情况选定四连杆机构的d2和d4连杆的长度，设定小腿结构与大腿结构之间的最小行程角度θmin，以膝关节传动轴为起点，以与大腿结构夹角为θmin，画出d4连杆；则曲柄d1的转动轴与连杆d4的末端之间的距离为：d1'＝d3-d1；
设定小腿结构与大腿结构之间的最大行程角度θmax，以膝关节传动轴为起点，以与大腿结构夹角为θmin，画出d4连杆；则曲柄d1的转动轴与连杆d4的末端之间的距离为：d2'＝d1+d3；
通过测量得到d1'和d2'的值，进而求得连杆d1和d3的长度值。
6.一种双足机器人，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的双足机器人踝关节缓冲装置。
7.一种双足机器人，其特征在于，采用权利要求4-5任一项所述的机器人单腿结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20231228 Address after: Room 1810, building 2, No. 209, Zhuyuan Road, high tech Zone, Suzhou, Jiangsu 215000 Patentee after: Faoyiwei (Suzhou) Robot System Co.,Ltd. Address before: 250061, No. ten, No. 17923, Lixia District, Ji'nan City, Shandong Province Patentee before: SHANDONG University |
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| TR01 | Transfer of patent right |