CN111267993B - 一种双足机器人的足部结构及其全地形路面适应方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双足机器人的足部结构及其全地形路面适应方法，采用该足部结构的双足机器人在非平整路面上行走时，可根据路面的实际地形进行主动适应，及时调整相应姿态，迅速有效地提升双足机器人的站立和行走稳定性，改善双足机器人在非平整路面上行走时足部触地面积小、整体平衡维持难等问题。该全地形路面适应足部结构将足底分为四个区域，独立受力和形变，使得机器人足部在非平整路面上保持良好触地的同时，通过分布于足部四个区域的测力传感器获知足底触地情况，以此为依据推测足底实际地形分布，驱动机器人相关关节进行调整，完成机器人足部和整体姿态对非平整路面的主动适应。

Description

一种双足机器人的足部结构及其全地形路面适应方法

技术领域

本发明涉及一种双足机器人的足部结构及其全地形路面适应方法，属于机器人技术领域。

背景技术

双足机器人是一种模仿人类身体结构和行走步态的机器人，其优势在于腿足式结构带来的优秀越障能力和强大运动能力。目前的双足机器人已具备在平整路面上稳定行走的能力，部分双足机器人已可以在一定程度上模仿人类的行走步态，在足部结构的设计上也多种多样，但大多数足部采用了整体式结构，在遇到非平整路面时多使用踝关节电机进行频繁调整，或是仅利用弹性变形足底材料和踝关节处的挠度抵抗路面不平度带来的冲击。前者对踝关节的控制要求高，机器人极有可能在踝关节完成调整之前就已经完成落足，无法进行有效的控制。后者完全采用被动式路面适应方式，对于较为复杂的非平整路面，该方式的效果有限，踝关节处若不加以控制极易导致机器人倾倒。目前对机器人踝关节的控制尚无法做到与人类相当的速度与准度，因此通过优化控制算法的方式带来的改善较小。而且，当前大多数双足机器人采用的足部垂直于地面运动的踏步式行走方式使得机器人足部对的非平整路面适应能力有更高的要求。

中国专利号CN103204191A公开的一种机器人的足端机构采用球形关节实现足部任意方向大角度的灵活摆动和竖直方向上的旋转，采用橡胶足垫进行防滑减震，采用三向测力传感器对足端实时受力情况进行测量。该机构可以实现多自由度大角度足部调节，但采用被动关节适应路面的方式容易造成机器人足部姿态的不可控，一旦机器人上身姿态控制无法适应姿态剧烈变化的足部，则极易造成机器人的倾倒。

中国专利号CN103204190A公开的一种机器人足部机构采用大角度关节轴承实现足部机构的大角度偏摆运动，采用凸轮状结构实现足部机构在前后方向偏摆时的限位，并采用两级旋转机构实现腿部足部的同时旋转。该机构可实现足部的灵活调节，但仅能保证机器人在具有纵向不平度路面上的行走稳定性，对侧向路面不平度等干扰无有效调节方式，且机构较为复杂，控制难度较高。

中国专利号CN104590417A公开的一种仿人机器人足部及其控制方法采用三点触地式足部，并添加大拇趾结构增强稳定性，采用柔性拉索方式控制足部三根杆件以完成足部姿态控制。该机构可以用较为简洁的方式实现足部的适应性控制，但仅采用三根杆件构成的足部使得足底触地面积较小，行走稳定性较差，且在无力传感器信号反馈的前提下，使用柔性拉索难以对足部进行准确姿态控制。

发明内容

为了解决现有双足机器人足部存在的上述问题，同时针对目前双足机器人大多数仅能在平坦地面稳定行走的现状，以及双足机器人在路面地形发生变化时难以保持平衡易发生倾倒的问题，本发明提供一种适用于现有双足机器人行走方式的具有有效全地形路面适应能力的足部结构及其路面适应方法，该足部结构通过分布式独立运动足部模块使得在非平整路面对落地时足部仍能良好触地，保护机器人各驱动关节的同时，维持机器人行走稳定性。同时，分布于足底的测力传感器信号反馈和二自由度踝关节对足部姿态的调整使得足部可以迅速适应路面地形，且该适应过程对机器人原有步态无影响。

本发明采用以下的技术方案：

一种双足机器人的足部结构，所述足部结构包括足弓部、固定在足弓部前端的足趾部、固定在足弓部后端的足根部、固定在足弓部顶端的踝关节，所述足弓部包含足弓部本体、弹性元件和连接机构，连接机构固定在足弓部本体的侧面，所述足趾部包含左足趾模块和右足趾模块，足跟部包含右足跟模块和左足跟模块；每个足趾模块、足跟模块均通过弹性元件与连接机构固定连接，足趾模块、足跟模块统称为足部模块。所述踝关节为二自由度主动驱动关节，包括俯仰自由度、滚转自由度和用于驱动自由度的驱动电机，自由度间串联连接，先后顺序不限。踝关节可对整个足部进行姿态控制。足部结构的整体形状与运动鞋外形相似。所述足弓部对所述足部模块起固定、导向和控制作用，使得所述足部模块在具备独立运动和变形能力的同时仍受足弓部的约束。足弓部对所有足部模块的运动进行约束，限制其最大位移行程，保证其姿态受足弓部控制，同时在足部不受力时通过弹性元件和导向机构将所述各足部模块回复至初始位置。所述足部结构整体形成的类似运动鞋外形特征可使机器人以足跟部落地、足趾部离地的方式行走，进一步提升行走稳定性，且布置于所述足部模块下层的减震材料可缓冲行走时的地面冲击。

进一步地，所述足部模块为双层结构，下层为柔性防滑减震材料，与地面接触，用以实时反馈足底压力信息并保证足部模块的良好抓地，上层为刚性安装固定材料，通过弹性元件和导向机构连接于足弓部，可与足弓部之间产生独立的相对运动，所述足部模块上层包含测力传感器安装座，用于安装测力传感器，测力传感器用于测量模块下层反馈的地面反作用力。

进一步地，所述足弓部还包括用于控制足部模块运动方向的导向机构和用于限制足部模块运动距离的限位块，导向机构位于足部模块与足弓部本体之间；限位块位于足部模块与连接机构之间。足部模块位于足底的四个不同区域，每个模块的受力和变形与其它模块无关。机器人在遇到非平整路面时，路面的高低不平度对所述各足部模块造成不同程度的位移，最大位移通过限位块进行限制。

进一步地，所述足部模块内布置有测力传感器，用于获知各足部模块底部的实际路面情况，测力传感器安装于足部模块上层传感器安装座内，与足弓部内安装的数据采集模块通讯并传输数据。

所述足部结构在非平整路面具有良好触地能力，主要表现为所述足部模块具有大变形能力，其大运动行程可改善机器人在非平整路面行走时仅有小部分足部触地，导致足部触地面积过小易发生倾倒的现象。同时根据路面不平度和机器人相关参数，进行参数设计和优选，使得所述足部结构在足部模块的变形行程内均满足良好触地和足底受力反馈的要求。

所述踝关节对路面不平度具有快速主动适应能力，主要实现方法为所述踝关节在收到路面不平度反馈后，迅速驱动相应关节自由度完成调整，完成机器人足部姿态对路面的主动适应。

所述机器人整体姿态控制对同一地形路面具有持续适应能力，主要实现方法为所述踝关节经过主动适应调整后，调整结果用于更新机器人整体姿态，在无需依照机器人整体动力学模型重新计算的条件下，生成新的机器人整体姿态和行走方式，以较低的计算资源完成路面适应过程。

本发明的技术构思在于：足部使用模块化设计，整个足部中心为起控制作用的二自由度踝关节和起安装导向作用的足弓部，四周安装包含测力传感器的足部模块，保证足部整体姿态可控的同时，各足部模块间互不关联独立运动。采用大变形足部模块设计，保证足部在一定路面不平度范围内的良好触地和受力反馈，易于实现机器人足部的适应性控制，提升行走平稳性，同时足部模块的大行程灵活运动能力使得机器人在站立和行走时抵抗纵向和侧向扰动(如人为作用力)的能力得以提升。具有良好的全地形适应能力，可以适应具有横向和纵向路面不平度的复杂地形，以及上下坡等常见路面，良好的适应性可以保证机器人足部始终以较优的方式触地和行走，踝关节的适应性控制则可迅速根据地形调整机器人足部姿态，提升行走稳定性，同时减小崎岖路面对机器人踝关节的冲击，保护踝关节各重要部件。

根据不同路面不平度和不同机器人对足部路面适应性的要求，所述足部结构设计同时考虑机器人和路面参数，以期获得较大的足部模块运动行程，满足机器人行走时足部良好触地和足底受力反馈的要求。同时机器人足跟落地、足趾离地的行走方式使得足跟部抵抗冲击能力要求较足趾部高，为此，所述足部结构的设计参数应满足：1)在具有一定路面不平度范围的路面行走时，各足部模块变形量应不小于最大路面不平度；2)以足跟落地、足趾离地方式行走的机器人足跟部刚度应大于足趾部刚度，同时踝关节位置更靠近足跟部。

基于上述要求，参照机器人和路面参数，所述足部结构设计如下所述：

在机器人正常行走步态中，所述足部结构设计参数应满足的条件为

其中，d_max为足部模块最大变形，M_R为机器人重量，k_B为与足跟部连接的弹性元件的弹性系数，k_F为与足趾部连接的弹性元件的弹性系数，l_F为踝关节至足趾部距离，l_B为踝关节至足跟部距离，l为机器人足部结构长度，H_f为弹性元件自由高度，H₂为弹性元件容许载荷高度，h_max为最大路面不平度，P₂为弹性元件容许载荷。

上述问题为参数优化问题，根据各设计参数应满足的条件和由所述足部结构决定的弹性元件选型条件即可完成上述参数的优选，当弹性元件选用弹簧时，上述参数对应为：与足跟部连接的弹簧弹性系数k_B，与足趾部连接的弹簧弹性系数k_F，踝关节至足趾部距离l_F，踝关节至足跟部距离l_B，弹簧自由高度H_f，弹簧容许载荷高度H₂，弹簧容许载荷P₂等参数的优选。

一种基于上述双足机器人的足部结构的全地形路面适应方法，机器人足部按照原有步态触地，各足部模块随路面实际地形单独产生不同程度的运动和受力反馈，机器人足部姿态调整系统则以反馈信号和被控足部实际位置为基础，计算得到踝关节各自由度应作出的调整量，驱动足部姿态进行相应的调整，直至所有足部模块均调整至既定目标。在具体路面不平度下的调整过程主要分为三步。

步骤一：机器人足跟部触地，此时若地面存在侧向不平度，则足跟部左右两模块测力传感器反馈的左右两侧受力不相等，此时踝关节滚转自由度应作出的调整为

其中，F_L为左侧足跟部的足部模块受力，F_R为右侧足跟部的足部模块受力，k_B为与足跟部连接的弹性元件的弹性系数，d_H为则侧向路面不平度高度差，w为足跟部侧向宽度，为足跟部两个足部模块宽加上足弓宽度，θ_H为踝关节滚转自由度调整角度。

步骤二：机器人足趾部触地，此时若地面存在纵向不平度，则足跟部和足趾部模块间测力传感器反馈的前后两侧受力关系不满足设计时既定的关系，即k_Fl_F≠k_Bl_B，此时踝关节俯仰自由度应作出的调整为

其中，F_F为足趾部的两个足部模块受力之和，F_B为足跟部的两个足部模块受力之和，k_F为与足趾部连接的弹性元件的弹性系数，l_F为踝关节至足趾部距离，l_B为踝关节至足跟部距离，d_L为纵向路面不平度高度差，θ_L为踝关节俯仰自由度调整角度。

步骤三：完成踝关节的适应性调整后，若机器人足部在行走过程中检测到地面存在相对固定的地形，例如机器人足部持续反馈相似路面不平度，此时机器人将使用踝关节对路面不平度的适应性调整结果，即滚转自由度调整角度θ_H和俯仰自由度调整角度θ_L作为参考量更新足部姿态，使得足部在落地之前即调整至正确姿态，同时对机器人腰部关节进行相应调整，避免因机器人足部姿态改变造成的倾倒。机器人腰部关节作出的调整依照足跟和足趾部的受力反馈情况决定，调整后的各参数间关系应满足

其中，F_F为足趾部的两个足部模块受力之和，F_B为足跟部的两个足部模块受力之和，l_F为踝关节至足趾部距离，l_B为踝关节至足跟部距离，T_R为足部受力对腰部关节形成的力矩，M_R为机器人重量，l_G为机器人质心至腰部关节距离，θ_G为腰部关节调整角度。

本发明的有益效果在于：(1)足部设计较为简洁，整体结构由起控制和安装作用的足部机构，以及具有大变形量和独立变形能力的足部模块构成，大变形量足部模块根据机器人和路面参数进行优化设计。设计时保证足部模块具有缓冲减震和受力反馈能力，且弹性元件参数满足机器人足部在所需路面不平度下的良好触地能力；(2)在非平整路面上行走时的足部姿态调整简单，机器人足部易实现主动快速姿态适应，行走稳定性较高不易发生倾倒，同时无需通过频繁控制各关节电机调整机器人的整体姿态以克服路面不平度造成的机器人纵向和侧向扰动，有效提高机器人及其各关节寿命，减小机器人姿态控制要求。

附图说明

图1是本发明实施例的立体结构示意图。

图2是本发明实施例的俯视图。

图3是基于本发明足部结构的双足机器人的全地形路面适应流程图。

附图标号：1-踝关节；2-测力传感器；3-右足跟模块；4-左足跟模块；5-左足趾模块；6-右足趾模块；7-连接机构；711-左连接机构；712-右连接机构；8-足弓部本体；9-弹性元件；10-限位块；11-导向机构。

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，双足机器人三维全地形路面适应的足部结构，包括足弓部、固定在足弓部前端的足趾部、固定在足弓部后端的足根部、固定在足弓部顶端的踝关节1，所述足弓部包含足弓部本体8、弹性元件9和连接机构7，连接机构7固定在足弓部本体8的侧面，其中左连接机构711固定在足弓部本体8的的左侧，右连接机构712固定在足弓部本体8的右侧；所述足趾部和足跟部分别包含两个足部模块；分别为右足跟模块3、左足跟模块4、左足趾模块5、右足趾模块6；右足趾模块6、右足跟模块3分别通过弹性元件9与右连接机构712前端、后端固定连接，左足跟模块4、左足趾模块5分别通过弹性元件9与左连接机构711前端、后端固定连接；此种结构使得每个足部模块的受力和变形与其它模块无关，整个足部结构具有大变形能力，在非平整路面具有良好触地能力，其中足弓部对所述足部模块起固定、导向和控制作用，使得所述足部模块在具备独立运动和变形能力的同时仍受足弓部的约束。所述踝关节1为二自由度主动驱动关节，包括俯仰自由度、滚转自由度和用于驱动自由度的驱动电机，自由度间通过关节连杆串联连接，先后顺序不限。当机器人遇到非平整路面时，路面的高低不平度对所述各足部模块造成不同程度的位移可通过调整踝关节1的两个自由度调整机器人的姿态，防止机器人倾倒；另外，足部结构的整体形状与运动鞋外形相似，可使机器人以足跟部落地、足趾部离地的方式行走，进一步提升行走稳定性。

作为优选，所述足部模块为双层结构，下层为柔性防滑减震材料，如橡胶等，与地面接触，以保证足部模块的良好抓地同时可缓冲行走时的地面冲击；上层为刚性安装固定材料，如铝材等；所述足部模块上层包含测力传感器安装座，用于安装测力传感器2用以实时反馈足底压力信息。

另外，足弓部还包括用于控制足部模块运动方向的导向机构11、用于限制足部模块运动距离的限位块10，导向机构11位于足部模块与足弓部本体8之间；限位块10位于足部模块与连接机构7之间。机器人在遇到非平整路面时，路面的高低不平度对所述各足部模块造成不同程度的位移，最大位移通过限位块10进行限制。限位块10可以固定在连接机构上或者足部模块上。所述足弓部对所有足部模块的运动进行约束，限制其最大位移行程，保证其姿态受足弓部控制，同时在足部不受力时通过弹性元件9和导向机构7将所述各足部模块回复至初始位置。

实际使用时，所述足部模块内有测力传感器2，用于获知各足部模块底部的实际路面情况，测力传感器2安装于足部模块上层测力传感器安装座内，与安装在足弓部本体8内的数据采集模块通讯并传输数据。在机器人正常行走步态中，所述足部结构设计参数应满足的条件为

其中，d_max为足部模块最大变形，M_R为机器人重量，k_B为与足跟部连接的弹性元件弹性系数，k_F为与足趾部连接的弹性元件弹性系数，l_F为踝关节至足趾部距离，l_B为踝关节至足跟部距离，l为机器人足部结构长度，H_f为弹性元件自由高度，H₂为弹性元件容许载荷高度，h_max为最大路面不平度，P₂为弹性元件容许载荷。

根据路面不平度和机器人相关参数，进行参数设计和优选，使得所述足部结构在足部模块的变形行程内均满足良好触地和足底受力反馈的要求。

所述踝关节1对路面不平度具有快速主动适应能力，主要实现方法流程如图3所示，所述踝关节1在收到路面不平度反馈后，迅速驱动相应关节自由度完成调整，完成机器人足部姿态对路面的主动适应。

所述机器人整体姿态对同一地形路面具有持续适应能力，主要实现方法为所述踝关节1经过主动适应调整后，调整结果用于更新机器人整体姿态，在无需依照机器人整体动力学模型重新计算的条件下，生成新的机器人整体姿态和行走方式，以较低的计算资源完成路面适应过程。

本实施例中的双足机器人足部对路面不平度的主动适应过程为：机器人足部模块按照原有控制指令触地后，随路面实际地形单独产生不同的运动和受力反馈，机器人足部控制系统则以反馈信号和被控足部实际位置为基础，计算得到踝关节1各自由度应作出的调整量，驱动足部姿态进行相应的调整，直至所有足部模块均调整至既定的控制目标。在具体路面不平度下的调整过程主要分为三步，其中，弹性元件9均采用弹簧，但不限于此。

步骤一：机器人足跟部触地，此时地面存在侧向不平度，足跟部测力传感器反馈的右足跟模块3受力F_L＝160，左足跟模块4受力F_R＝330，依照设计与右足跟模块3、左足跟模块4连接的弹簧弹性系数均为k_B＝49/，足跟部侧向宽度为w＝50，则由前述调整控制过程得到的侧向路面不平度高度差d_H＝6.9mm，踝关节1滚转自由度应向右作出的调整角度θ_H＝7.9°，。

步骤二：机器人足趾部触地，此时地面存在纵向不平度，右足跟模块3、左足跟模块4和左足趾模块5、右足趾模块6上的测力传感器2分别反馈的足趾部受力F_F＝360，足跟部受力F_B＝130，依照设计，与左足趾模块5、右足趾模块6连接的弹簧弹性系数为k_F＝27/，踝关节1至足趾部距离为l_F＝100，踝关节1至足跟部距离为l_B＝55，则由前述调整控制过程得到的纵向路面不平度高度差d_L＝8.4mm，踝关节1俯仰自由度应向后作出的调整角度θ_L＝3.9°。

步骤三：完成踝关节的适应性调整后，机器人足部在行走过程中检测到地面存在相对固定的地形，机器人足部持续反馈相似路面不平度，此时机器人整体姿态控制系统将使用踝关节1对路面不平度的适应性控制结果，即滚转自由度调整角度θ_H＝7.9°和俯仰自由度调整角度θ_L＝3.9°作为参考量更新足部姿态控制，使得足部在落地之前即调整至正确姿态，同时对机器人腰部关节进行相应调整，避免机器人姿态控制改变造成的倾倒。机器人腰部作出的调整为：机器人姿态系统收到右足跟模块3、左足跟模块4和左足趾模块5、右足趾模块6上测力传感器2反馈的足趾部和足跟部受力分别为F_F＝70和F_B＝420，足跟部受力过大，此时腰部应前倾。依照设计踝关节1至足趾部距离为l_F＝100，踝关节1至足跟部距离为l_B＝55，机器人相关参数为重量M_R＝50，机器人质心至腰部关节距离l_G＝240。由机器人腰部前倾θ_G＝7.3°调整后，得到的足趾部和足跟部受力分别为F_F＝270和F_B＝220，满足腰部调整关系式，从而使机器人可适应全地形路面，不会倾倒。

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 (7)

1.一种双足机器人的全地形路面适应方法，其特征在于，所述双足机器人的足部结构包括足弓部、固定在足弓部前端的足趾部、固定在足弓部后端的足根部和固定在足弓部顶端的踝关节(1)，所述足弓部包含足弓部本体(8)、弹性元件(9)和连接机构(7)，连接机构(7)固定在足弓部本体(8)的侧面，所述足趾部和足跟部分别包含两个足部模块，每个足部模块分别通过弹性元件(9)与连接机构(7)固定连接；所述踝关节(1)为二自由度主动驱动关节，包括俯仰自由度、滚转自由度和用于驱动自由度的驱动电机，自由度间串联连接；足部结构的整体形状与运动鞋外形相似；

所述双足机器人的全地形路面适应方法分为三个步骤：

步骤一，机器人足跟部触地，在收到侧向路面不平度反馈后，计算并驱动踝关节滚转自由度完成调整，完成机器人足部姿态对侧向路面不平度的主动适应；

步骤二，机器人足趾部触地，在收到纵向路面不平度反馈后，计算并驱动踝关节俯仰自由度完成调整，完成机器人足部姿态对纵向路面不平度的主动适应；

步骤三，所述踝关节经过主动适应调整后，调整结果用于更新机器人整体姿态。

2.根据权利要求1所述的全地形路面适应方法，其特征在于，所述足弓部还包括用于控制足部模块运动方向的导向机构(11)、用于限制足部模块运动距离的限位块(10)，导向机构(11)位于足部模块与足弓部本体(8)之间；限位块(10)位于足部模块与连接机构(7)之间。

3.根据权利要求1所述的全地形路面适应方法，其特征在于，所述足部模块为双层结构，下层为柔性防滑减震材料，上层为刚性安装固定材料；所述足部模块上层包含测力传感器安装座，用于安装测力传感器。

4.根据权利要求1所述的全地形路面适应方法，其特征在于，在机器人正常行走步态中，足部结构设计参数满足的条件为

其中，d_max为足部模块最大变形，M_R为机器人重量，k_B为与足跟部连接的弹性元件的弹性系数，k_F为与足趾部连接的弹性元件的弹性系数，l_F为踝关节至足趾部距离，l_B为踝关节至足跟部距离，l为机器人足部结构长度，H_f为弹性元件自由高度，H₂为弹性元件容许载荷高度，h_max为最大路面不平度，P₂为弹性元件容许载荷。

5.根据权利要求1所述的全地形路面适应方法，其特征在于，所述步骤一中，通过下式对机器人踝关节滚转自由度作出调整：踝关节滚转自由度作出的调整为：

其中，F_L为左侧足跟部的足部模块受力，F_R为右侧足跟部的足部模块受力，k_B为与足跟部连接的弹性元件的弹性系数，d_H为则侧向路面不平度高度差，w为足部侧向宽度，θ_H为踝关节滚转自由度调整角度。

6.根据权利要求1所述的全地形路面适应方法，其特征在于，所述步骤二具体为：若收到的足跟部和足趾部反馈的前后两侧受力关系不满足关系式k_Fl_F＝k_Bl_B时，踝关节俯仰自由度作出的调整为：

其中，F_F为足趾部的两个足部模块受力之和，F_B为足跟部的两个足部模块受力之和，k_F为与足趾部连接的弹性元件的弹性系数，l_F为踝关节至足趾部距离，l_B为踝关节至足跟部距离，d_L为纵向路面不平度高度差，θ_L为踝关节俯仰自由度调整角度。

7.根据权利要求1所述的全地形路面适应方法，其特征在于，该适应方法还包括对机器人腰部关节角度作出调整的步骤，该步骤具体为：通过下式对机器人腰部关节角度作出调整：

其中，F_F为足趾部的两个足部模块受力之和，F_B为足跟部的两个足部模块受力之和，l_F为踝关节至足趾部距离，l_B为踝关节至足跟部距离，T_R为足部受力对腰部关节形成的力矩，M_R为机器人重量，l_G为机器人质心至腰部关节距离，θ_G为腰部关节调整角度。

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