CN111267992B - 一种具有快速减震和路面适应能力的双足机器人足底结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有快速减震和路面适应能力的双足机器人足底结构，该机构可有效改善仿人机器人足部减震缓冲能力，同时提高机器人对不平路面的适应能力。该足底机构包括用于安装和起支撑作用的保持架、与保持架连接的纵向足弓机构、横向足弓机构，以及与足弓机构连接的内侧前掌模块、外侧前掌模块、内侧后跟模块和外侧后跟模块。本发明所提供的一种用于仿人机器人平板足的快速减震和路面适应足底机构，适合于各类以平板足为主要足底结构的仿人机器人对快速减震和非平整路面适应性的需求。

Description

一种具有快速减震和路面适应能力的双足机器人足底结构

技术领域

本发明涉及一种具有快速减震和路面适应能力的双足机器人足底结构，属于机器人技术领域。

背景技术

仿人机器人是一种模仿人类身体结构和行走步态的双足式机器人，其优势在于对复杂环境的适应能力较强，且运动较为轻便灵活。目前的仿人机器人为了降低行走时的步态控制难度，减少行走过程中发生倾倒的可能性，在足底结构的设计上大多数采用了整体式平板足的方式，用一整块矩形平面作为足部触地行走，同时控制足部平面在行走时始终平行于地面。该足部机构受到路面冲击时缓冲减震能力差，路面冲击几乎完全传递至踝关节处，对关节驱动器造成冲击。另外，整体式平板足并无有效的路面适应能力，在非平整路面上触地面积急剧减小，在某一区域地面冲击急剧增大，易造成机器人失去平衡。由于对机器人踝关节的控制尚无法做到与人类相当的灵活度和准确度，因此通过给机器人穿鞋等简单方式也难以解决上述问题。而且，足部垂直于地面运动的踏步式行走方式使得机器人步点较为密集，对足部的快速减震性能有较高的要求。

中国专利号CN101143606A公开的一种机器人减震足部设计通过弯曲板连接前底减震块、后底减震块和中间减震块形成双层缓冲减震，通过六维力和力矩传感器测量足底受力。其中前后底减震块分布于脚掌前后，中间减震块位于脚掌中间足弓处。该发明通过两级减震的方式改善了路面冲击力对机器人的影响，但多级减震造成的机构复杂度使得足部与地面相接触的足底减震机构在机器人行走时的实际触地面积较小，影响机器人行走的平稳性，且在脚掌非平行于地面落地时，会在第二级减震处产生较大的应力，影响第二级减震的使用寿命。

中国专利号CN101402380A公开的一种机器人减震足部设计通过在脚底板和上压板间安装减震柱的方式缓冲减震，同时在脚底前后缘设置斜面用以增强机器人行走稳定性。该足底结构可以较好地吸收垂直于地面方向的震动冲击，但以减震柱为主的减震结构及其安装方式使得足部抵抗非平整路面冲击的能力较差，机器人在非平整路面行走时，踝关节处仍会产生较大的应力，对关节电机等重要零部件造成影响。

中国专利号CN101823517A公开的一种机器人柔性足部设计通过脚底板下方的全掌防滑减震垫，以及脚底板上方六维力传感器座的减震橡胶垫实现垂直足底方向的减震，同时提高传感器安装精度，但足底全掌减震垫的结构使得足部对于非平整路面的适应性较差，难以实现机器人在非平整路面上的稳定行走，且由于仿人机器人的行走特点，其足底与地面的减震缓冲时间很短，利用传感器安装座进行减震的方式难以使得机器人足部在短时间内对足底冲击力进行有效吸收。

发明内容

为解决现有机器人柔性减震足部存在的上述问题，同时针对现有仿人机器人多使用平板足式结构和踏步式短步长行走方式，使得机器人难以具备有效缓冲减震以及路面适应能力的问题，本发明提供一种适用于现有仿人机器人平板足式结构的具有快速减震和路面适应能力的足底机构，该机构通过一次性安装，即可使原有机器人平板足在受到路面冲击时在较短周期内完成有效减震，保护足部驱动关节。同时，足底减震模块的分布式独立减震布置方式还使得机器人对于非平整路面具备一定的路面适应能力，在上述路面行走时无需频繁调节踝关节输出角度，有效提高关节寿命，降低控制难度。

本发明采用以下的技术方案：

一种具有快速减震和路面适应能力的双足机器人足底结构，包括平板足、保持架、纵向足弓机构、横向足弓机构和四个足底模块；所述保持架通过安装卡扣与平板足固定连接，所述足底模块由与地面接触的耐磨防滑层和与平板足固定连接的缓冲减震层组成，四个足底模块固定在平板足四个角上，足底模块之间通过足弓机构连接，足弓机构分为纵向足弓机构、横向足弓机构，均为弹性弓形减震元件，纵向足弓机构、横向足弓机构的弓背与安装卡扣固定连接。

进一步地，所述足底模块的一角为圆弧状，四个足底模块分别固定在平板足的四端，圆弧状分别与平板足的四个角相对应，足底模块的厚度从中间向圆弧状角逐渐减小。

进一步地，所述保持架的厚度大于足底模块缓冲减震层的厚度。

进一步地，还包括测力传感器和用于采集数据的力传感器数据采集模块，测力传感器安装在足底模块与平板足之间，力传感器数据采集模块固定在保持架上。

进一步地，所述耐磨防滑层采用硬质耐磨防滑材料，所述缓冲减震层采用软质耐冲击减震材料

本发明的技术构思在于：由足底模块、足弓机构、中心保持架以及足底测力传感器形成的仿人机器人足底机构，通过连接至机器人原有的平板足结构可获得快速减震和路面适应能力。快速减震能力主要体现在足底机构能够在机器人行走方式决定的较短减震周期内显著减小地面冲击力，同时减震材料变形对机器人质心位置改变的影响较小。路面适应能力主要体现在分布于足底四个区域的足底模块可以进行独立形变减震，在机器人遇到具有纵向和横向路面不平度的路面时，使得足底仍能较好地贴合地面，保证机器人在上述路面行走时仍平稳可控。

在机器人行走过程中的快速减震过程为：机器人足部按照控制指令落地，分布于足底四个区域的足底模块中的1-4个模块受到地面冲击力，此时受力足底模块中的下层材料首先受力，传递冲击力的同时防止足部出现纵向和侧向滑移。若足部落地时未能完全平行于地面，或是未能完全与行走方向重合，则下层材料的弧面外形为上述情况提供补偿，使得足部以足够的触地面积落地。随后受力足底模块中的上层材料和足弓处的弹性材料受力形变，吸收下层材料传递的路面冲击力的同时，使得受力足底模块整体向上移动，进一步形变减震，直至整个足部落地周期结束。若在减震周期内足底模块所受冲击力过大而产生大量形变，则足底机构中心保持架将限制足弓弹性材料进一步形变，限制足底模块下层材料进一步向上运动，从而保证上层形变减震材料不会由于形变量过大而失效。

机器人在非平整路面上的路面适应过程为：机器人足部按照控制指令落地，但由于路面在沿行走方向或垂直于行走方向上的不平整，使得分布于足底四个区域的足底模块中仅有1-3个模块触地受到地面反作用力，此时若抬起另一侧足部将容易造成机器人失去平衡，因此分布于各足底模块的测力传感器在检测到路面不平度信息后反馈至控制系统，控制系统将驱动足部进一步向下运动，直至所有足底模块均完成触地。若在允许形变行程内仍未触地，则踝关节将驱动足部依据足底受力情况调整足部姿态帮助足部完成触地。

由于原有机器人重量和平板足尺寸等参数不尽相同，所述足底机构将针对具体机器人参数设计，以使得机器人在安装足底机构后，在较短落地周期内实现快速减震，显著减小传递至踝关节处的地面冲击能量，同时减震材料变形对机器人质心位置改变的影响较小，不增加机器人姿态控制难度。为此，所述足底机构的性能参数拟定为：1)在较短的足部落地周期内通过至少一个足底模块缓冲减震吸收不低于50％的地面冲击能量；2)因足底缓冲减震造成的机器人在地面冲击力方向上的位移量不超过3mm。

基于上述要求，参照原有机器人参数，所述足底机构的设计如下所述：

在机器人正常匀速行走的步态中(非跑跳等剧烈运动工况)，若机器人重量、原有机器人平板足足底面积、机器人足部落地的短缓冲周期内形成的地面冲击力系数、足底模块受力系数、足底模块的接地面积、缓冲减震材料在受到单位压强时的形变系数、缓冲效率系数、厚度等参数已知，则足底机构缓冲减震过程中各参数之间的关系式为

其中，F_T为足底所受地面总冲击力，n_T为机器人足部落地的短缓冲周期内形成的地面冲击力系数，缓冲周期是指从双脚支撑足部落地变到一侧足部离地单脚支撑之间的过程，M_R为机器人重量，F_BT为单个足底模块所受地面冲击力,k_BT为足底模块受力系数，S_BT为单个足底模块接地面积，P_BT为单个足底模块所受压强，c_BT为缓冲减震材料在受到单位压强时的形变系数，Δx_BT为足底在缓冲周期内缓冲减震过程中的总体形变，η_BT为缓冲材料效率系数，E_BT为缓冲减震材料吸收的能量，h_BT为缓冲材料厚度，μ_BT为缓冲减震材料对地面冲击能量的吸收率。

相关参数的约束条件为

其中，S_R为原有机器人平板足足底面积，Δx_BT的单位为mm。

上述问题为参数优化问题，根据参数之间的关系式和由所述足底机构性能拟定的各参数约束条件即可完成单个足底模块接地面积S_BT，缓冲减震材料在受到单位压强时的形变系数c_BT，缓冲效率系数η_BT，厚度h_BT等参数的优选。

本发明的有益效果在于：(1)安装方便，直接固定于原有机器人平板足底部即可形成本发明的足底结构。由于设计时已考虑机器人和足底机构的相关参数，平板足可迅速完成短落地周期内的有效减震，保护机器人踝关节，原有平板足无需进行结构更改、传感器无需重新布置，改善机器人整体行走性能的同时，总体成本较足部机构整体重新设计更换有显著降低；(2)在非平整路面上行走时的足部有效触地面积增加，机器人行走稳定性提高不易倾倒，同时无需频繁通过踝关节电机驱动调整足部姿态以适应路面，有效提高足部和踝关节寿命，降低足部控制难度。

附图说明

图1是本发明实施例的立体结构示意图。

图2是本发明实施例的剖视图。

附图标号：1-平板足；2-安装卡扣；3-足底模块1上层；4-足底模块1下层；5-横向足弓机构；6-足底模块2上层；7-足底模块2下层；8-保持架；9-纵向足弓机构；10-足底模块3上层；11-足底模块3下层；12-足底模块4上层；13-足底模块4下层；14-测力传感器；15-力传感器数据采集模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

参照图1-2：仿人机器人平板足的足底机构，包括与机器人原有的平板足1、保持架8、纵向足弓机构、横向足弓机构和四个足底模块；所述保持架8的四边通过安装卡扣2与平板足1固定连接，所述足底模块由与地面接触的耐磨防滑层和与平板足1固定连接的缓冲减震层固定连接组成，四个足底模块固定在平板足1四个角上，足底模块之间通过足弓机构连接，按照模块在足底的位置分为内侧前掌模块上层3、内侧前掌模块下层4、外侧前掌模块上层6、外侧前掌模块下层7、内侧后跟模块上层10、内侧后跟模块下层11、外侧后跟模块上层12和外侧后跟模块下层13，所述各足底模块独立变形，模块之间无刚性连接，所述各足底模块在形状尺寸、总体结构和材料构成上均相同。纵向足弓机构、横向足弓机构均为弹性弓形减震元件，纵向足弓机构、横向足弓机构的弓背与安装卡扣2固定连接。所述保持架8的厚度大于足底模块缓冲减震层的厚度，当足底模块所受冲击力过大而产生大量形变时，足底机构中心的保持架8将限制足弓弹性材料进一步形变，限制足底模块下层材料进一步向上运动，从而保证上层形变减震材料不会由于形变量过大而失效。

所述足底模块和平板足1之间还布置有测力传感器14，所述测力传感器14通过导线连接至用于采集数据的力传感器数据采集模块15，力传感器数据采集模块固定在保持架8上。

所述足底模块使用双层足底缓冲减震材料，其中，内侧前掌模块下层4、外侧前掌模块下层7、内侧后跟模块下层11、外侧后跟模块下层13为硬质耐磨防滑材料，如硬质橡胶，内侧前掌模块上层3、外侧前掌模块上层6、内侧后跟模块上层10、外侧后跟模块上层12为软质耐冲击减震材料，如EVA，可在由机器人密集步点式行走造成的较短落地周期内实现快速减震，显著减小地面冲击力，同时因减震材料变形对机器人质心位置改变的影响较小，不增加机器人姿态控制难度。

所述足底模块3和4、6和7、10和11、12和13分布式布置于足底受力的四个区域，独立产生受力变形，每个模块在受到不同的地面反作用力时由于单独形变使得足底仍能较好地贴合地面，因此在机器人遇到具有纵向和横向路面不平度的路面时，由于独立形变能力可以较好地适应路面，保证机器人在上述路面行走时仍平稳可控。

所述足底模块3和4、6和7、10和11、12和13通过弓形弹性元件5和9连接，模拟人类足弓受力，优化足底受力情况，受地面冲击时足弓处的减震效果与足底处相当。同时足底不受地面反作用力时将足底模块回复至初始位置。

本实施例中，足底模块的一角为圆弧状，四个足底模块分别固定在平板足1的四端，圆弧状分别与平板足1的四个角相对应，足底模块的厚度从中间向圆弧状角逐渐减小，在纵向和侧向方向上的弧度设计使得机器人可以由平板足点地式的垂直落地行走方式，迅速获得与人类相似的后跟落地、前掌离地的行走方式，提供大步长行走的可行性，且在足部朝向未能与行走方向完全重合时，具有一定的侧向补偿能力，有效改善足部触地面积。

所述足底机构中心保持架8与平板足1的连接方式主要为柔性连接，以适应平板足1的不同尺寸，保持架同时对各足底模块兼具导向作用，即保持架8对足底模块在非路面冲击力方向上的运动有一定约束作用。所述足底模块3和4、6和7、10和11、12和13按照平板足1尺寸结构和机器人质量进行针对性设计，以保证足部触地面积和减震效果，对平板足1结构无影响。所述平板足1与各足底模块间布置有测力传感器14，用于反馈足底受力信号，如平板足1已有测力传感器方案，则沿用原有方案不作改变。

本实施例中的仿人机器人在行走过程中的快速减震过程为：机器人足部1按照控制指令落地，分布于足底四个区域的足底模块3和4、6和7、10和11、12和13中的四个模块受到地面冲击力，此时受力模块中的下层材料4、7、11、13首先受力，传递冲击力的同时防止足部出现纵向和侧向滑移。若足部落地时未能完全平行于地面，或是未能完全与行走方向重合，则下层材料4、7、11、13的弧面外形为上述情况提供补偿，使得足部以足够的触地面积落地。随后受力模块中的上层材料3、6、10、12和足弓5、9处的弹性材料受力形变，吸收下层材料4、7、11、13传递的路面冲击力的同时，使得受力足底模块整体向上移动，进一步形变减震，直至整个足部落地周期结束。若在减震周期内足底模块所受冲击力过大而产生大量形变，则足底机构中心保持架8将限制足弓5、9进一步形变，限制足底模块下层材料4、7、11、13进一步向上运动，从而保证上层形变减震材料3、6、10、12不会由于形变量过大而失效。

本实施例中的仿人机器人在非平整路面上的路面适应过程为：机器人足部按照控制指令落地，但由于路面在沿行走方向或垂直于行走方向上的不平整，使得分布于足底四个区域的足底模块3和4、6和7、10和11、12和13中仅有1-3个模块触地受到地面反作用力，此时若抬起另一侧足部将容易造成机器人失去平衡，因此分布于各足底模块的测力传感器14在检测到路面不平度信息后送至信号采集模块15，控制系统将依据信号驱动足部进一步向下运动，直至所有足底模块均完成触地。若在允许形变行程内仍未触地，则踝关节将驱动足部依据足底受力情况调整足部姿态帮助足部完成触地。

本实施例中的仿人机器人和足底机构的相关参数为：机器人质量M_R＝50kg，原有机器人平板足1的足底面积为S_R＝20000mm²，机器人足部落地的缓冲周期内形成的地面冲击力系数为n_T＝2.8，足底模块的受力系数k_BT＝0.88，优选设计得到单个足底模块的接地面积S_BT＝1520mm²，缓冲减震材料在受到单位压强时的形变系数c_BT＝0.69MPa^-1，材料缓冲效率系数η_BT＝0.35，材料厚度h_BT＝4mm。计算可知足底在缓冲减震过程中的总体形变Δx_BT＝2.19mm＜3mm，缓冲减震材料对地面冲击能量的吸收率μ_BT＝0.56＞0.5，因此本实施例中的足底机构及其设计满足拟定的性能，即在足部短落地周期内通过减震吸收不低于50％的地面冲击能量，且因缓冲减震造成的机器人在地面冲击力方向上的位移量不超过3mm。

上述实施例仅仅是本发明技术构思实现形式的列举，本发明的保护范围不仅限于上述实施例，本发明的保护范围可延伸至本领域技术人员根据本发明的技术构思所能想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种具有快速减震和路面适应能力的双足机器人足底结构，其特征在于，包括平板足(1)、保持架(8)、纵向足弓机构、横向足弓机构和四个足底模块；所述保持架(8)通过安装卡扣(2)与平板足(1)固定连接，所述足底模块由与地面接触的耐磨防滑层和与平板足(1)固定连接的缓冲减震层固定连接组成，四个足底模块固定在平板足(1)四个角上，足底模块之间通过足弓机构连接，所述足弓机构为弹性弓形减震元件，足弓机构的弓背与安装卡扣(2)固定连接。

2.根据权利要求1所述具有快速减震和路面适应能力的双足机器人足底结构，其特征在于，所述足底模块的一角为圆弧状，四个足底模块分别固定在平板足(1)四个角上，圆弧状分别与平板足(1)的四个角相对应，足底模块的厚度从中间向圆弧状角逐渐减小。

3.根据权利要求1所述具有快速减震和路面适应能力的双足机器人足底结构，其特征在于，所述保持架(8)的厚度大于足底模块缓冲减震层的厚度。

4.根据权利要求1所述具有快速减震和路面适应能力的双足机器人足底结构，其特征在于，还包括测力传感器(14)和用于采集数据的力传感器数据采集模块(15)，测力传感器(14)安装在足底模块与平板足(1)之间，力传感器数据采集模块固定在保持架(8)上。

5.根据权利要求1所述具有快速减震和路面适应能力的双足机器人足底结构，其特征在于，所述耐磨防滑层采用硬质耐磨防滑材料，所述缓冲减震层采用软质耐冲击减震材料。

6.根据权利要求1所述具有快速减震和路面适应能力的双足机器人足底结构，其特征在于，所述双足机器人足底结构的参数设计如下：

其中，F_T为足底所受地面总冲击力，n_T为机器人足部落地的缓冲周期内形成的地面冲击力系数，缓冲周期是指从双脚支撑足部落地变到一侧足部离地单脚支撑之间的过程，M_R为机器人重量，F_BT为单个足底模块所受地面冲击力，k_BT为足底模块受力系数，S_BT为单个足底模块接地面积，P_BT为单个足底模块所受压强，c_BT为缓冲减震层材料在受到单位压强时的形变系数，Δx_BT为足底结构在缓冲周期内缓冲减震的总体形变，η_BT为缓冲减震层材料效率系数，E_BT为缓冲减震层材料吸收的能量，h_BT为缓冲减震层材料厚度，μ_BT为缓冲减震层材料对地面冲击能量的吸收率；

相关参数的约束条件为：

其中，S_R为平板足(1)足底面积，Δx_BT的单位为mm。

Images