CN111891254B - 四足机器人及足式机器人的足部结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种四足机器人及足式机器人的足部结构，一种足式机器人的足部结构，包括：踝关节块，所述踝关节块设置在足式机器人的小腿的下端；足主体，所述足主体与所述踝关节块通过铰轴铰接，使所述足主体在受到地面压力时绕所述铰轴摆动；压块，所述压块设置于所述足主体的前侧；限位螺栓，所述限位螺栓穿过设置于所述压块上的通孔，而与所述踝关节块上设置有的螺孔螺接。本发明减小足部的摩擦和噪声，并提高足部的耐用性，保证足式机器人的工作可靠性及使用寿命。

Description

四足机器人及足式机器人的足部结构

技术领域

本发明属于足式机器人技术领域，具体涉及一种四足机器人及足式机器人的足部结构。

背景技术

现有的移动机器人主要分为轮式、履带式和足式等几种类型。轮式机器人在运动过程中需要连续平整的地面，难以适应未知的复杂路面。履带式机器人运动需要较大的转弯半径，导致灵活度较低。在行走过程中，足式机器人的腿与地面是间断接触的，使其可以灵活地跨过崎岖程度较高的障碍，具备较高的越障能力，满足在复杂非结构地形环境下运行的要求。足式机器人按照腿的数量从少到多可分为双足机器人、四足机器人和多足机器人等。双足机器人主要是仿照人类的身体结构设计的，其外观和运动形式都和人类较为接近，在速度、负载及稳定性的性能较差。多足机器人主要是仿照爬行类昆虫的身体设计的，其结构和运动特性都和爬行类昆虫较为接近，多足机器人在崎岖地形上的运动能力相比于双足机器人有一定的提高，但其结构复杂，速度较慢，体型庞大，在狭窄空间的越障灵活度较低。四足机器人主要是仿造自然界中的四足哺乳动物的身体结构如猎豹、狗和马等进行设计的，其在移动速度和环境适应性方面都有极佳的表现，四足机器人运动步态丰富，不仅能克服复杂地形对机器人稳定性的影响，而且能在动态的情况下实现高速运动，非常适合在复杂非结构化地形环境下的工作。

授权公告号为CN102211627B，授权公告日为2012年10月17日的发明专利公开了一种基于仿生设计的四腿机器人结构，该四腿机器人的足部结构包括大圆筒、锥形弹簧、小圆筒和力传感器，小圆筒的一端套在大圆筒内，两者通过锥形弹簧连接，轴销插在大圆筒和小圆筒相互配合的槽内，小圆筒另一端安装有力传感器。在足底受到冲击时，小圆筒通过压缩锥形弹簧与大圆筒之间产生相对移动，减缓了冲力对身体运动的影响，以适用崎岖的路面。同时，足底的力传感器用于采集地面的作用力，便于实时感知外部环境以及对机器人进行平衡控制。

但是上述一种基于仿生设计的四腿机器人结构中，小圆筒的缓冲方向沿小圆筒的轴向，而小圆筒的受力方向与小圆筒的轴向呈一定角度，小圆筒的受力分解为沿小圆筒轴向的力和垂直于小圆筒轴线的力，垂直于小圆筒轴线的力无法被缓冲，导致小圆筒的外壁与大圆筒的内壁会产生剧烈摩擦、甚至小圆筒、大圆筒因应力集中而变形，影响四腿机器人的工作可靠性及使用寿命。

因此，需要提供一种针对上述现有技术不足的改进技术方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种四足机器人及足式机器人的足部结构，以克服上述现有技术中的足式机器人的足部结构，噪声大、耐用性较差，影响足式机器人的工作可靠性及使用寿命的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种足式机器人的足部结构，包括：

踝关节块，所述踝关节块设置在足式机器人的小腿的下端；

足主体，所述足主体与所述踝关节块通过铰轴铰接，使所述足主体在受到地面压力时绕所述铰轴摆动；

压块，所述压块设置于所述足主体的前侧；

限位螺栓，所述限位螺栓穿过设置于所述压块上的通孔，而与所述踝关节块上设置有的螺孔螺接。

进一步的，还包括：

压力传感器，所述压力传感器安装于所述踝关节块的前侧设置有的传感器容置腔内，

所述压力传感器位于所述踝关节块与所述压块之间，在所述足主体的摆动过程中，所述压块在跟随所述足主体摆动时会按压所述压力传感器，从而利用所述压力传感器检测所述足主体承受的地面压力。

进一步的，所述足主体包括接触部和连接部，

所述接触部为圆形结构，用于与地面接触，

所述连接部朝向所述踝关节块的一端设置有第一轴孔，

在所述踝关节块的后侧设有连接部容置腔，连接部容置腔的相对两侧的侧壁上设有第二轴孔，

所述铰轴穿过所述第一轴孔和所述第二轴孔，从而将所述足主体与所述踝关节块铰接在一起。

进一步的，所述压块安装在所述连接部上。

进一步的，所述通孔在与上下方向垂直的截面上的形状为腰型孔，

利用所述腰型孔的孔壁或者孔端部与所述限位螺栓的挡止配合来限定所述足主体的摆动范围。

进一步的，所述通孔在上下方向上分为三段，

最下面的第一段为沉孔，用于容置所述限位螺栓的头部，

最上面的第三段为沉孔，该沉孔开口于与所述踝关节块相对的面，

中间的第二段为连接第一段和第三段的通孔，所述第二段在所述截面上的尺寸小于第一段和所述第三段的尺寸。

进一步的，位于所述第三段的沉孔内的复位弹簧，

所述复位弹簧的一端与所述踝关节块相抵接，另一端与所述第三段的沉孔孔底相抵接；

所述限位螺栓穿过所述复位弹簧的芯部与所述踝关节块上的螺孔螺接，

在所述足主体未受到地面压力时，所述复位弹簧驱动所述压块远离所述踝关节块。

进一步的，所述接触部外侧包覆有弹性体，

所述接触部为圆环形结构。

进一步的，所述弹性体粘结或者螺接于所述接触部，

所述压块通过螺栓安装在所述连接部上。

一种四足机器人，包括机身和四个腿模块；

所述腿模块固定在所述机身上，所述腿模块包括大腿、小腿和足部结构；

足部结构包括：

踝关节块，所述踝关节块设置在足式机器人的小腿的下端；

足主体，所述足主体与所述踝关节块通过铰轴铰接，使所述足主体在受到地面压力时绕所述铰轴摆动；

压块，所述压块设置于所述足主体的前侧；

限位螺栓，所述限位螺栓穿过设置于所述压块上的通孔，而与所述踝关节块上设置有的螺孔螺接。

进一步的，还包括：

压力传感器，所述压力传感器安装于所述踝关节块的前侧设置有的传感器容置腔内，

所述压力传感器位于所述踝关节块与所述压块之间，在所述足主体的摆动过程中，所述压块在跟随所述足主体摆动时会按压所述压力传感器，从而利用所述压力传感器检测所述足主体承受的地面压力。

进一步的，所述足主体包括接触部和连接部，

所述接触部为圆形结构，用于与地面接触，

所述连接部朝向所述踝关节块的一端设置有第一轴孔，

在所述踝关节块的后侧设有连接部容置腔，连接部容置腔的相对两侧的侧壁上设有第二轴孔，

所述铰轴穿过所述第一轴孔和所述第二轴孔，从而将所述足主体与所述踝关节块铰接在一起。

进一步的，所述压块安装在所述连接部上。

进一步的，所述通孔在与上下方向垂直的截面上的形状为腰型孔，

利用所述腰型孔的孔壁或者孔端部与所述限位螺栓的挡止配合来限定所述足主体的摆动范围。

进一步的，所述通孔在上下方向上分为三段，

最下面的第一段为沉孔，用于容置所述限位螺栓的头部，

最上面的第三段为沉孔，该沉孔开口于与所述踝关节块相对的面，

中间的第二段为连接第一段和第三段的通孔，所述第二段在所述截面上的尺寸小于第一段和所述第三段的尺寸。

进一步的，位于所述第三段的沉孔内的复位弹簧，

所述复位弹簧的一端与所述踝关节块相抵接，另一端与所述第三段的沉孔孔底相抵接；

所述限位螺栓穿过所述复位弹簧的芯部与所述踝关节块上的螺孔螺接，

在所述足主体未受到地面压力时，所述复位弹簧驱动所述压块远离所述踝关节块。

进一步的，所述接触部外侧包覆有弹性体，

所述接触部为圆环形结构。

进一步的，所述弹性体粘结或者螺接于所述接触部，

所述压块通过螺栓安装在所述连接部上。

与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案至少具有如下有益效果：

1)限位结构的结构简单，使用可靠。

2)弹簧穿过限位螺栓，螺栓在对足的摆动行程进行限位时，还对弹簧进行定位，避免弹簧掉落，不需要设置弹簧的限位结构，简化了足部结构。

3)通过压力传感器判断足式机器人对应的足处于空中还是与地面接触，利于足式机器人的腿模块控制。

4)压力传感器设置在踝关节上，能够减轻绕铰接轴摆动的部分的重量，减小足的转动惯量，提高了腿部的控制特性和四足机器人的动态特性，并能够减小压力传感器误动作的可能，增加了压力传感器的检测精度。

5)将足分为足主体和传感器压块两部分并分别加工，减小了足的加工难度。

6)通过弹性体进一步对接触部进行缓冲，减少足式机器人在使用时的震动。

7)所述弹性体与接触部用过螺栓进行连接，连接可靠。

8)接触部为圆环形结构，能够减轻足的重量，进一步减小足的转动惯量，提高了腿部的控制特性和四足机器人的动态特性。

附图说明

图1为本发明的足式机器人的具体实施例1的三维视图；

图2为本发明的足式机器人的具体实施例1中机身的三维视图；

图3为本发明的足式机器人的具体实施例1中腿模块的部分结构的三维视图；

图4为本发明的足式机器人的具体实施例1中外展关节的三维视图；

图5为本发明的足式机器人的具体实施例1中髋关节的三维视图；

图6为本发明的足式机器人的具体实施例1中膝关节的三维视图；

图7为本发明的足式机器人的具体实施例1中小腿和足部结构的三维视图；

图8为本发明的足式机器人的具体实施例1中小腿和足部结构的爆炸图；

图9为本发明的足式机器人的具体实施例1中足部结构的爆炸图；

图10为用于显示限位螺栓与复位弹簧安装的截面示意图。

图中：1、水平主梁；2、水平副梁；201、凹槽；3、腿部支板；301、内侧腿部支板；302、外侧腿部支板；4、外展关节电机支撑；401、第一过线通道；5、外展关节电机；6、传感器电机转接件；7、第一力矩传感器；8、传感器轴承转接件；9、传动轴与轴承组件；10、髋关节电机支撑；11、支撑轴与轴承组件；12、髋关节电机；13、电机传感器转接件；14、第二力矩传感器；15、传感器大腿连接件；16、大腿；1601、第二过线通道；1602、薄壁圆环；1603、定位槽；1604、连接片；1605、定位块；1606、第一铰接轴；1607、避让通道；17、电机安装座；18、膝关节电机；19、传感器电机连接件；20、第三力矩传感器；21、传动曲柄；22、传动连杆；23、小腿；24、第二铰接轴；25、铰轴；26、传感器压块；2601、通孔；27、足主体；2701、接触部；2702、连接部；27021、第一轴孔；28、弹性体；29、复位弹簧；30、限位螺栓；31、压力传感器；32、踝关节；3201、传感器容置腔；3202、连接部容置腔；32021、第二轴孔。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明的足式机器人的具体实施例1：如图1所示，以四足机器人为例，四足机器人包括机身和连接在机身上的腿模块。腿模块具有四处，四处腿模块的机械结构和机构完全一致，目的是便于加工、组装和控制。机身在水平面内呈长方形结构，四处腿模块与机身的连接点位于长方形的四个角，长方形的长边所在的方向定义为四足机器人的前后方向，长方形的短边所在的方向定义为四足机器人的左右方向，纸面的上下方向为机器人的上下方向。

机身和腿模块在满足强度要求的前提下，均采用骨架式材料，以实现四足机器人的轻量化。为了满足装配顺序和装配工艺的需求，四足机器人的机身和腿模块均采取分块式加工，然后通过拼装和螺栓紧固的方式组合而成。

如图2所示，机身包含上部的水平主梁1、下部的水平副梁2和竖直布置的四个腿部支板3，垂直于水平主梁1所在平面的方向定义为上下方向。腿部支板3固定在水平主梁1上：腿部支板3的顶端设有上下延伸的螺纹孔，水平主梁1上与四个腿部支板3上的螺纹孔对应的位置设有光孔，通过螺栓连接腿部支板3和水平主梁1。四个腿部支板3沿前后方向分布，其中，位于中间的两块称为内侧腿部支板301，内侧腿部支板301的结构相同。剩余两块称为外侧腿部支板302，外侧腿部支板302的结构相同，四足机器人前后对称。相对来说，外侧腿部支板302的横截面积较小，内侧腿部支板301的横截面积较大，内侧腿部支板301供水平副梁2固定连接且供外展关节电机支撑4固定连接。

水平副梁2的前后两端均与内侧腿部支板301固定连接，且两块内侧腿部支板301夹紧水平副梁2：水平副梁2的两端设有光孔，内侧腿部支板301与光孔对应的位置设有螺纹孔，通过螺栓连接内侧腿部支板3和水平副梁2。水平副梁2具有开口向上的凹槽201，以便于安装控制系统和作为动力来源的锂电池。

四足机器人前部的内侧腿部支板301和外侧腿部支板302上，沿前后方向设置有光孔，该光孔在加工和装配时需要保证同轴，内侧腿部支板301上的光孔用于安装传动轴与轴承组件9，外侧腿部支板302上的光孔用于安装支撑轴与轴承组件11。支撑轴与轴承组件11、传动轴与轴承组件9均采用轴向螺纹的简易轴承座套装。

如图3所示，四处腿模块分别设置在机身的左右两侧，同一侧的腿模块沿前后方向排布；四处腿模块均采用“两段腿、后膝式”布置：每处腿模块由大腿16和小腿23两段，外展关节、髋关节和膝关节三个主动关节组成，大腿16和小腿23通过膝关节连接，因为存在外展关节、髋关节和膝关节三个主动关节，每处腿模块具有三个主动自由度，腿模块的各个关节中的一体化电机作为四足机器人的动力执行元件，一体化电机包含伺服电机、行星减速机、角度编码器和驱动器。

对腿模块进行介绍时以右前方的腿模块为例：大腿16的上端为薄壁圆环1602下端设置有连接片1604，并左右对称。大腿16上端的薄壁圆环1602的内腔主要是力矩传感器——第二力矩传感器14、力矩传感器——第三力矩传感器20走线、传动曲柄21内置和双侧传递动力使用：薄壁圆环1602的内腔的左侧安装髋关节，即薄壁圆环1602的内腔的左侧形成第二容纳腔，薄壁圆环1602的内腔的右侧安装膝关节，即上端圆环的右侧形成第三容纳腔。

大腿16包括大腿本体和连接片1604，连接片1604分片加工，再通过螺栓固定在大腿本体末端，螺栓与大腿本体末端设置的螺纹孔螺纹连接。连接片1604的上端与大腿本体固定连接，第一铰接轴1606设置在连接片1604的下端，连接片1604的两端之间的空间形成避让空间，避让空间用于避让小腿23的摆动行程，避免大腿16对小腿23的摆动产生干涉。

大腿本体上设有定位槽1603，连接片1604上设有定位块1605，定位块1605与定位槽1603的形状匹配。定位块1605插入定位槽1603中，以对连接片1604相对于大腿本体的位置进行定位，从而保证两片安装后的连接片1604上的第一铰接轴1606的安装孔的对中性。大腿16与小腿23之间的转动副由连接片1604、轴承、第一铰接轴1606组成。

以下内容主要是用于本申请的技术说明

小腿23的下端设有足部结构，如图7、图8、图9和图10所示，足部结构包括踝关节块32、足、限位结构、铰轴25、复位弹簧29。踝关节块32设置在足式机器人的小腿23的下端：踝关节块32后侧设有长方形腔体，小腿23插入腔体，并在两侧使用螺栓紧固。

作为紧固方式，可以是：在踝关节块32上长方形腔体的两侧设置有穿通腔体侧壁与踝关节侧壁的通孔，在小腿23的对应部位形成有螺纹孔，螺栓穿过通孔后与小腿上的螺纹孔螺接而将小腿23与踝关节块32紧固在一起；也可以是：在踝关节块32上长方形腔体的两侧设置有穿通腔体侧壁与踝关节侧壁的通孔，在小腿23的对应部位形成有穿通的通孔，螺栓从踝关节块的一侧穿过踝关节块上的通孔以及小腿上的通孔后，在另一侧伸出由相关的螺母与该螺栓加以螺接，由此而将小腿23与踝关节块32紧固在一起。

足包括足主体27和传感器压块26，足主体27与传感器压块26通过固定螺栓连接，传感器压块26设置于足主体27的前侧。

在传感器压块26与踝关节块32之间，设置有用来测量地面对于足部的地面压力的传感器31，足落地与地面接触的过程中，足会由于压力而顺时针转动，在转动过程中，传感器压块会接触到传感器31(准确地说，在压力传感器面向传感器压块26的面上形成有压力测试凸起，该凸起会受到传感器压块的挤压)，通过该传感器31测量出地面对于足部的地面压力。

足主体包括接触部2701和连接部2702，接触部2701为圆环形结构，用于与地面接触。其他实施例中，接触部为圆盘型结构。连接部2702朝向踝关节块32的一端通过铰轴25与踝关节块32铰接：连接部2702上设有第一轴孔27021，第一轴孔27021平行于接触部2701的轴线。踝关节块32的后侧设有连接部容置腔3202，连接部容置腔3202用于容纳连接部2702。连接部容置腔3202的相对两侧的侧壁上设有第二轴孔32021，铰轴25依次穿过第二轴孔32021、第一轴孔27021、第二轴孔32021，从而将足主体27与踝关节块32连接。

由此，足通过铰轴25与踝关节块32铰接，而且足能够绕铰轴25摆动，足与踝关节块32通过铰轴25连接形成转动副。足在受到地面压力时绕铰轴25摆动。

连接部2702上靠近接触部2701的一侧设置有径向孔，径向孔用于通过螺栓将传感器压块26固定在连接部2702上。其它实施例中，足一体成型，不分为足主体和传感器压块，足的形状能够满足在摆动终点时与压力传感器的接触要求。

足部结构还包括对足的摆动行程进行限位的限位结构，限位结构对足绕铰轴25摆动的摆动行程进行限定：限位结构包括通孔2601、螺纹孔、限位螺栓30，通孔2601设置在传感器压块26上，螺纹孔设置在踝关节块32上，限位螺栓30穿过通孔2601与螺纹孔螺接，限位螺栓30的头部尺寸大于通孔2601从而使得限位螺栓30与通孔2601的孔壁能够进行挡止配合。限位螺栓30与通孔2601共同作用对足的摆动幅度进行限制，并且防止足离开地面时，足会逆时针摆动。

图10所示的截面图显示了限位螺栓30、通孔2601以及弹簧之间的位置关系以及尺寸，通孔2601整体为两头大中间小的腰型孔，即通孔2601从下到上依次分为三段(足部方向为下方，小腿部为上方)，第一段为沉孔，用于容置螺栓的头部；第二段为中间部，其尺寸略大于螺栓的直径；第三段为沉孔，用于容置复位弹簧；第二段的尺寸比第一段和第三段都小，也比螺栓头部的尺寸与复位弹簧的尺寸小，以确保螺栓头部和复位弹簧都不会进入第二段。

第一段、第二段、第三段均为图10所示的腰型孔状，即垂直于上下方向的截面形状为中间方形两端弧形的孔。

作为限制足部的摆动范围的第一种限位模式，足在摆动过程中，传感器压块会随着足的摆动而摆动，当足抬起向前移动时，通孔2601的后端在遇到限位螺栓30后停止摆动，而当足落下时，通孔2601的前端会在遇到限位螺栓30后停止摆动。为了防止足出现在左右方向的大幅摆动，通孔2601的宽度(左右方向尺寸)比限位螺栓30的直径稍大一点即可，这样既提供了限位螺栓30的活动空间，也确保足在左右方向出现大幅的摆动。这种限制足部摆动范围的方式要求螺栓头部与第二段通孔之间留有较大的空隙(第一空隙)。

作为限制足部摆动范围的第二种限位模式，限位螺栓30的头部与通孔2601的第二段之间设置有一个直径大于通孔第二段尺寸的垫片，利用该垫片与第二段通孔之间的挡止配合来限定足部的摆动范围，即在螺栓的头部与第二段通孔的端部之间留出一定的间隙(第二空隙)来，垫片位于此空隙内并且能与第二段通孔的端部之间的挡止配合来限制足部的摆动范围。当然也可以不用垫片而是使用限位螺栓的头部与第二段通孔的端部之间的挡止配合来限制足部的摆动范围。其中第二空隙小于第一空隙(指上下方向的尺寸)，因此在第二种限位模式中足部的摆动范围要小于第一种。

在足的摆动过程中，足会与踝关节块32之间产生挤压，为了缓冲足与踝关节块32之间的挤压，有助于足的复位，在传感器压块26与踝关节块32之间设置了复位弹簧29，在传感器压块26面向踝关节块32的一面向着下方形成有容纳复位弹簧29的凹槽，复位弹簧29的一端与踝关节块32相抵，另一端与上述凹槽的槽底相抵，复位弹簧的大部分位于凹槽内。限位螺栓30在穿过通孔2601与踝关节块32上的螺纹孔螺接时，首先穿过复位弹簧29，复位弹簧29的作用是在足离开地面时，使传感器压块26离开传感器31，使足处于摆动行程中远离传感器31的位置，防止腿模块在空中摆动时传感器压块26与压力传感器31之间不断接触，造成压力传感器31的检测被干扰。

接触部2701外侧包覆有弹性体28：接触部2701上设有径向螺纹孔，弹性体28上设有径向沉孔，径向沉孔用于容纳径向螺丝的螺栓头，弹性体28与接触部2701通过径向螺丝连接，弹性体28为圆环形的橡胶足垫，橡胶足垫可以视为机器人的鞋子，增加摩擦力和减震特性。其他实施例中，接触部外侧不包覆弹性体，仅依靠缓冲间隔和复位弹簧的配合对足进行缓冲。

其他实施例中，弹性体粘接在接触部上，不通过径向螺丝连接。

压力传感器31在足部结构的安装时，足主体27、足主体27上的传感器压块26、压力传感器31和踝关节块32组成了联动的足部传感机械系统。踝关节块32与传感器压块26之间设有压力传感器31：踝关节块32前侧设有凹槽，凹槽形成用于安装压力传感器31的传感器容置腔3201，压力传感器31置入传感器容置腔3201中，并用螺栓固定在传感器容置腔3201。优选的，在压力传感器31上设置有螺纹孔，螺栓通过从踝关节块32的上方起穿通踝关节块32到容置腔3201的通孔，从而与该螺纹孔螺接而拉住压力传感器31，防止压力传感器31晃动和掉落，更优选由3个螺栓来完成压力传感器的固定。足部触地时，足主体会由于压力而产生顺时针旋转，传感器压块32会随着足主体的转动而克服复位弹簧29的弹力，进而触压到压力传感器31，这样就可以由压力传感器31测出地面压力。

在传感器容置腔3201的两侧，分别设置有螺纹孔，螺纹孔用于与穿过复位弹簧29的限位螺栓30螺接。优选的，连接部容置腔3202位于传感器容置腔3201的后方。压力传感器31用于判断足是否与地面接触以及足与地面接触时(即足受到地面压力时)感受到的底面压力。足与地面接触时，足会由于地面压力沿图8中的顺时针方向摆动，复位弹簧的29的弹力被克服，足在摆动至靠近踝关节块32的位置(即足摆动至摆动终点)时，压力传感器31与传感器压块26接触，压力传感器31感知到地面压力。足与地面离开时，压力传感器31与传感器压块26分开一小段距离(足复位至摆动起点)，产生缓冲间隔，在限位装置和复位弹簧29的限制下，足不会自由转动。

腿模块的控制算法是分相位的，一共分成摆动相和支撑相两个相位，如果该腿模块处于空中，那它就是处于摆动相，此时是比较简单的摆腿控制。如果足与地面接触，那该腿模块就处于支撑相，支撑相时，腿模块要根据机器人身体姿态信息来进行腿部发力的精确控制。足部结构中的压力传感器31就是用来区分对应腿模块处于哪个相位的，如果足触地了，那压力传感器31被接触，产生一个读数。如果足离地，压力传感器31的读数就等于0或近似等于0，按照压力传感器31的读数判断对应腿模块的相位。

如图4所示，外展关节包括支撑轴与轴承组件11、髋关节电机支撑10、传动轴与轴承组件9、外展关节电机支撑4、传感器轴承转接件8、第一力矩传感器7、传感器电机转接件6、外展关节电机5，外展关节采用外展关节电机5前端刚性串联第一力矩传感器7，再与大腿16、小腿23组成的整体固连的方式，对大腿16、小腿23组成的整体进行直驱。整个外展关节的轴系都在同一条直线上，为直接刚性传动，即外展关节的驱动组件(外展关节电机5)与被驱动的髋关节电机支撑10之间采用直接驱动的方式。外展关节的旋转轴沿前后方向的轴线，因此，可以实现大腿16、小腿23组成的整体的外伸和内收。外展关节转动副采用双轴承两端支撑的方式，以增加承载力和轴系刚性：前侧的支撑轴与轴承组件11为简易轴承座，使用螺栓从侧面安装在机身的外侧腿部支板302上，轴承中的支撑轴深入髋关节电机支撑10前侧的孔中，对髋关节电机支撑10进行支撑。后侧的传动轴与轴承组件9同样为简易支撑轴承座，采取侧面螺栓固定，与前侧的轴承不同的是，后侧的传动轴需要向后伸出来一段，用于连接力矩传感器第一力矩传感器7和外展关节电机5，传动轴仍然是采用台肩对轴承内圈进行轴向定位，传动轴通过台肩安装在轴承内圈里，传动轴的另一端也通过台肩与髋关节电机支撑10的圆孔、台肩配合使用，通过台肩定位，起到支撑髋关节电机支撑10和支撑整条腿的作用。相配合的传动轴和孔上都有键槽，通过平键与键槽的配合进行周向定位、传动转矩。

外展关节电机支撑4前端面与内侧腿部支板301固定连接，外展关节电机支撑4与整个外展关节主轴线同轴。传动轴与力矩传感器第一力矩传感器7之间采用传感器轴承转接件8连接。力矩传感器第一力矩传感器7为圆盘法兰安装，出线形式为侧面出线，避免对外展关节的安装和运动产生干涉：力矩传感器第一力矩传感器7与控制系统通过第一线缆实现信号传输；外展关节电机支撑4具有用于容纳力矩传感器第一力矩传感器7的第一容纳腔；外展关节电机支撑4上设有第一过线通道401，第一过线通道连通第一容纳腔和外界，第一过线通道供所述第一线缆穿过。力矩传感器第一力矩传感器7与外展关节电机5之间通过传感器电机转接件6刚性固连。

如图5所示，髋关节由髋关节电机12、髋关节电机支撑10、电机传感器转接件13、力矩传感器第二力矩传感器14、传感器大腿连接件15和大腿16组成。髋关节转轴与外展关节转轴在同一水平面内垂直，实现了大腿16、小腿23组成的整体绕机身左右向的前后摆动。外展关节电机5的输出轴与髋关节电机12固定连接：髋关节电机12的定子外圈固定在髋关节电机支撑10上。髋关节电机12的输出轴上固定的转动输出法兰通过电机传感器转接件13与第二力矩传感器14串联，第二力矩传感器14又通过传感器大腿连接件15与大腿16刚性直连，实现髋关节电机12的输出端与大腿16传动连接，以对大腿16进行直驱：髋关节电机12的输出轴通过电机传感器转接件13与第二力矩传感器14刚性直连。

传感器大腿连接件15左侧的外圆柱面不是定位面，它的外径小于与之对应的髋关节电机支撑10的内径，传感器大腿连接件15左侧的外圆柱面上设置径向螺纹孔，径向螺纹孔是为了安装限位螺栓使用。限位螺栓由传感器大腿连接件15的内部拧入，限位螺栓的螺栓杆向外伸出，与髋关节电机支撑10上的半圆卡口配合，当大腿16旋转超过180°时对大腿16进行机械限位，即将大腿16的摆动行程对应的圆心角限定在180°，以防止机械和电气元件损坏。半圆卡口构成挡止凸起，限位螺栓构成挡止配合凸起，挡止凸起和挡止配合凸起一同形成髋关节电机支撑10与大腿16之间的机械限位。

传感器大腿连接件15与大腿16之间采用圆柱面配合和径向螺栓连接的方式来实现刚性的机械连接：传感器大腿连接件15右侧的外圆柱面与大腿16左侧的内圆柱面配合，须同时满足圆柱面的定位要求、传感器大腿连接件15和大腿16的侧面接触的定位要求，由于安装顺序和装配工艺的要求，传感器大腿连接件15和大腿16之间采用径向螺栓连接，大腿16左侧的内圆柱面由第二容纳腔的腔壁形成，第二力矩传感器14采用中间出线的方式，传感器大腿连接件15上设有第一轴向通道；第二线缆穿过传感器大腿连接件15上的第一轴向通道；在第二容纳腔的腔壁上预设的第二过线通道1601(即第三过线通道)伸出。

如图6所示，膝关节由大腿16、传动曲柄21、传动连杆22、小腿23、第三力矩传感器20、传感器电机连接件19、电机安装座17、膝关节电机18组成，传动曲柄21和传动连杆22构成曲柄连杆机构。膝关节电机18设置在大腿16上，并与髋关节电机12同轴、对顶设置，膝关节电机18的转轴与髋关节电机12的转轴重合，也是绕着左右向转动，三个关节的联合运动，可以实现小腿23末端的足部在空间内的任何轨迹运动和全力矩控制的分解。

由于膝关节电机18的重量较大，直接把膝关节电机18设置在大腿16与小腿23的交界处，会增加腿部摆动部分的质量和整条腿回转的转动惯量，对于高速往复摆动、保持高动态特性和全身稳定非常不利，所以把膝关节电机18上移至于髋关节电机12同轴的位置，然后通过曲柄连杆机构将动力传递至小腿23。

膝关节电机18通过电机安装座17安装至大腿16的上端：电机安装座17采用圆柱面配合和螺栓径向布置的方式安装在大腿16的右侧的第三容纳腔中，然后通过曲柄连杆机构来驱动小腿23摆动：第三力矩传感器20通过传感器电机连接件19与膝关节电机18的输出端用螺钉进行刚性直接连接，以实时测试膝关节力矩。传动曲柄21与第三力矩传感器20之间采用螺钉进行刚性直接连接；传动连杆22远离传动曲柄21的一端与小腿23通过第二铰接轴24铰接，大腿16、传动曲柄21、传动连杆22、小腿23以及第一铰接轴1606、第二铰接轴24组成了膝关节的正平行四边形传动机构，传动曲柄21的轴线所在的位置构成曲柄连杆机构的第一端，传动连杆22远离传动曲柄21的一端构成曲柄连杆机构的第二端，第三容纳腔的腔壁上设有避让通道1607，避让通道1607供曲柄连杆结构的第二端穿出第三安装腔。第二铰接轴24依次穿过右侧连接片1604、小腿23、左侧连接片1604，最终通过螺母拧紧。

正平行四边形传动机构的驱动过程是：小腿23在膝关节的驱动下，绕第一铰接轴1606转动，其中主动件为膝关节电机18带动的传动曲柄21，传动曲柄21与膝关节电机18的输出端固连，构成正平行四边形传动机构的主动件。传动连杆22为正平行四边形传动机构的传动件，小腿23为正平行四边形传动机构的从动件和执行端。通过髋关节伸缩和膝关节伸缩形成所需要的腿部合成运动。

如图6所示，曲柄连杆装置位于髋关节电机12和膝关节电机18之间，大腿16上端的薄壁圆环1602中需开设避让通道1607，为了使传动连杆22从其中通过并且可以自由运动。

第三力矩传感器20与控制系统通过第三线缆实现信号传输；传动曲柄21上具有第二轴向通道；第三容纳腔的腔壁上设有第三过线通道(即第二过线通道1601)，第三过线通道连接第三容纳腔和外界；第二轴向通道和第三过线通道供第三线缆穿过。第二容纳腔与第三容纳腔连通，第二过线通道1601与第三过线通道重合。

四足机器人的控制逻辑如下：控制系统与外展关节电机5之间设有第一电流控制器，第一电流控制器用于控制外展关节电机5的输入电流；控制系统与髋关节电机12之间设有第二电流控制器，第二电流控制器用于控制髋关节电机12的输入电流；控制系统与膝关节电机18之间设有第三电流控制器，第三电流控制器用于控制膝关节电机18的输入电流。

外展关节电机5的输出端设有第一力矩传感器7，髋关节电机12的输出端设有第二力矩传感器14，膝关节电机18的输出端设有第三力矩传感器20。第一力矩传感器7、第二力矩传感器14、第三力矩传感器20，用于分别对外展关节、髋关节、膝关节的实际输出扭矩进行实时反馈控制，使力矩信号加入到电机控制的反馈循环中去，从而起到精确控制减速机输出端和负载之间力矩的目的。

综上所述，本发明采用的四足机器人，相比现有技术具有以下技术效果：

1)限位结构的结构简单，使用可靠。

2)复位弹簧穿过限位螺栓，螺栓在对足的摆动行程进行限位时，还对复位弹簧进行定位，避免复位弹簧掉落，不需要设置复位弹簧的限位结构，简化了足部结构。

3)通过压力传感器判断足式机器人对应的足处于空中还是与地面接触，利于足式机器人的腿模块控制。

4)压力传感器设置在踝关节上，能够减轻绕铰接轴摆动的部分的重量，减小足的转动惯量，提高了腿部的控制特性和四足机器人的动态特性，并能够减小压力传感器误动作的可能，增加了压力传感器的检测精度。

5)将足分为足主体和传感器压块两部分并分别加工，减小了足的加工难度。

6)通过弹性体进一步对接触部进行缓冲，减少足式机器人在使用时的震动。

7)所述弹性体与接触部用过螺栓进行连接，连接可靠。

8)接触部为圆环形结构，能够减轻足的重量，进一步减小足的转动惯量，提高了腿部的控制特性和四足机器人的动态特性。

本发明的足式机器人用的足部结构的具体实施例1与上述足式机器人的具体实施例1中的足部结构的结构相同，不再赘述。需要注意的是，足部结构还可以用于四足机器人以外的其他足式机器人。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均在本发明待批权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种足式机器人的足部结构，其特征在于：包括：

踝关节块，所述踝关节块设置在足式机器人的小腿的下端；

足主体，所述足主体与所述踝关节块通过铰轴铰接，使所述足主体在受到地面压力时绕所述铰轴摆动；

压块，所述压块设置于所述足主体的前侧；

限位螺栓，所述限位螺栓穿过设置于所述压块上的通孔，而与所述踝关节块上设置有的螺孔螺接；

压力传感器，所述压力传感器安装于所述踝关节块的前侧设置有的传感器容置腔内，

所述压力传感器位于所述踝关节块与所述压块之间，在所述足主体的摆动过程中，所述压块在跟随所述足主体摆动时会按压所述压力传感器，从而利用所述压力传感器检测所述足主体承受的地面压力；

所述通孔在与上下方向垂直的截面上的形状为腰型孔，

利用所述腰型孔的孔壁或者孔端部与所述限位螺栓的挡止配合来限定所述足主体的摆动范围；

所述通孔在上下方向上分为三段，

最下面的第一段为沉孔，用于容置所述限位螺栓的头部，

最上面的第三段为沉孔，该沉孔开口于与所述踝关节块相对的面，

中间的第二段为连接第一段和第三段的通孔，所述第二段在所述截面上的尺寸小于第一段和所述第三段的尺寸；

位于所述第三段的沉孔内的复位弹簧，

所述复位弹簧的一端与所述踝关节块相抵接，另一端与所述第三段的沉孔孔底相抵接；

所述限位螺栓穿过所述复位弹簧的芯部与所述踝关节块上的螺孔螺接，

在所述足主体未受到地面压力时，所述复位弹簧驱动所述压块远离所述踝关节块。

2.根据权利要求1所述的足式机器人的足部结构，其特征在于，

所述足主体包括接触部和连接部，

所述接触部为圆形结构，用于与地面接触，

所述连接部朝向所述踝关节块的一端设置有第一轴孔，

在所述踝关节块的后侧设有连接部容置腔，连接部容置腔的相对两侧的侧壁上设有第二轴孔，

所述铰轴穿过所述第一轴孔和所述第二轴孔，从而将所述足主体与所述踝关节块铰接在一起。

3.根据权利要求2所述的足式机器人的足部结构，其特征在于，

所述压块安装在所述连接部上。

4.根据权利要求2所述的足式机器人的足部结构，其特征在于，

所述接触部外侧包覆有弹性体，

所述接触部为圆环形结构。

5.根据权利要求4所述的足式机器人的足部结构，其特征在于：

所述弹性体粘结或者螺接于所述接触部，

所述压块通过螺栓安装在所述连接部上。

6.一种四足机器人，包括机身和四个腿模块；

所述腿模块固定在所述机身上，所述腿模块包括大腿、小腿和足部结构；

其特征在于：所述足部结构是权利要求1-5任一项所述的足式机器人的足部结构。