CN113232612B - 一种足式机器人触地感应机构及足式机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域，具体公开了一种足式机器人触地感应机构及足式机器人，该足式机器人触地感应机构包括大腿组件、固定轴、感应组件和小腿组件，其中，固定轴设于大腿组件，且与大腿组件相对固定；感应组件设于固定轴的安装部，用于感应固定轴产生的应变；小腿组件转动设于固定轴，小腿组件能与地面接触并通过固定轴支撑大腿组件。本发明通过在大腿组件设置固定轴，将小腿组件转动设于固定轴，在固定轴设置感应组件以感应固定轴在传递小腿组件的支撑力时产生的形变，并通过此信息作为判断小腿组件的触地情况的依据。感应组件的线束及感应组件均相对于大腿组件固定不动，不存在线束与膝关节的相对运动，提高了感应机构的可靠性和耐久性。

Description

一种足式机器人触地感应机构及足式机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种足式机器人触地感应机构及足式机器人。

背景技术

目前，足式机器人足端触地检测的方式大概有四种：

1）在足底安装多组开关进行触地检测；

2）在机器人的足端安装六维、三维或者一维力传感器以检测触地状态；

3）在足端使用薄膜压力传感器；

4）在足端使用密闭柔性腔体将气压或者液压通过膝关节的旋转部件传导到上肢或者机身内。但上述四种方式均存在如下缺点：

使用多组开关用来做足式机器人足端的触地检测，需要在多个方向安放开关才能使不同的触地情况都被正确地触发，设计、组装繁琐；需要有信号线束经过膝关节处的旋转部件传导到机身内部的控制器上，容易磨损导致信号失效；只能产生两种状态，触地的阈值只能通过开关设计，无法动态调节触地的灵敏度。

在机器人的足端安装六维、三维或者一维力传感器以检测触地状态，六维或者三维力传感器成本很高，足端触地的冲量过大时容易导致其损坏；线束需要通过膝关节处的旋转部件传导到机身内部的控制器上，线束容易磨损使信号失效；一维力传感器虽然成本较低，但是线束仍然需要通过膝关节处的旋转部件传导到机身内部的控制器上，线束容易磨损使信号失效。

在足端使用薄膜压力传感器：薄膜压力传感器在周期性的踩踏下极其容易损坏，同时，因为传感器放置在足端依然存在线束磨损问题。

在足端使用密闭柔性腔体将气压或者液压通过膝关节的旋转部件传导到上肢或者机身内，在运动过程中容易产生漏气或漏液现象，由于足部的磨损需要经常更换足部的密闭腔体结构；虽然对比线束在膝关节处的磨损，气管的耐磨损程度更高，但是仍然存在磨损问题；并且需要比较大的形变才能产生稳定的触发信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种足式机器人触地感应机构及足式机器人，以解决现有技术中线束易磨损的问题。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种足式机器人触地感应机构，该足式机器人触地感应机构包括：

大腿组件；

固定轴，所述固定轴设于所述大腿组件的一端，且与所述大腿组件相对固定，所述固定轴的周向设有安装部；

感应组件，所述感应组件设于所述安装部，用于感应所述固定轴产生的应变；

小腿组件，所述小腿组件通过所述固定轴与所述大腿组件转动连接，所述小腿组件能与地面接触并通过所述固定轴支撑所述大腿组件。

作为一种足式机器人触地感应机构的优选方案，所述固定轴包括：

止转螺钉，所述止转螺钉的一端设有止转部；所述止转螺钉沿轴线方向设有通孔；所述止转螺钉靠近所述止转部的一端设有贯穿所述通孔侧壁的出线孔；所述止转螺钉于所述安装部处设有贯穿所述通孔侧壁的进线孔。

作为一种足式机器人触地感应机构的优选方案，所述固定轴还包括：

对锁螺钉，所述对锁螺钉和所述止转螺钉螺接；

所述止转部包括止转螺帽，所述止转螺帽的外轮廓为非圆形；

所述大腿组件设有第一沉头孔，所述第一沉头孔的较大孔的轮廓和所述止转螺帽的外轮廓一致。

作为一种足式机器人触地感应机构的优选方案，所述对锁螺钉包括对锁螺帽和设于所述对锁螺帽一端的对锁螺柱；所述止转螺钉远离所述止转螺帽的一端设有止转螺孔，所述对锁螺柱能旋入所述止转螺孔内。

作为一种足式机器人触地感应机构的优选方案，所述对锁螺钉包括对锁螺帽和设于所述对锁螺帽一端的对锁螺套，所述止转螺钉远离所述止转螺帽的一端设有固定螺柱，所述固定螺柱能旋入所述对锁螺套内。

作为一种足式机器人触地感应机构的优选方案，所述对锁螺帽设有十字槽或一字槽。

作为一种足式机器人触地感应机构的优选方案，所述第一沉头孔的较大孔处设有过线槽，所述过线槽连通于所述大腿组件的内部。

作为一种足式机器人触地感应机构的优选方案，所述大腿组件包括能够相互扣合的左扣件和右扣件，所述左扣件和所述右扣件二者中，其一设有第一沉头孔，所述第一沉头孔的较大孔的轮廓为非圆形；另一设有第二沉头孔；

所述小腿组件包括铰接孔；所述固定轴依次穿过所述第一沉头孔、所述铰接孔和所述第二沉头孔后将所述大腿组件和所述小腿组件铰接。

作为一种足式机器人触地感应机构的优选方案，所述安装部包括设于所述固定轴外周的平面，所述平面通过铣削加工制成；所述感应组件包括应变片或者PVDF，所述应变片或者所述PVDF贴设于所述平面。

另一方面，本发明提供一种足式机器人，包括上述任一方案中的足式机器人触地感应机构。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种足式机器人触地感应机构及足式机器人，该足式机器人触地感应机构通过在大腿组件设置固定轴，将小腿组件转动设于固定轴，在固定轴设置感应组件以感应固定轴在传递小腿组件的支撑力时产生的形变，并通过此信息作为判断小腿组件的触地情况的依据。感应组件的线束及感应组件均固定于大腿组件，不存在线束与膝关节的相对运动，提高了感应机构的可靠性和耐久性。小腿组件下端的足部以不同的角度触地时均可触发触地信号，根据足端触地力的大小产生不同的应变信号，可动态地调整阈值来设置触地检测的灵敏度；不降低系统的整体刚度，因此，不影响系统的整体力控带宽。另外，本发明与足端的设计解耦，不增加腿足系统的复杂度，使得腿足系统的结构设计更为简单，成本低廉。

附图说明

图1为本发明实施例一中足式机器人触地感应机构的结构示意图；

图2为本发明实施例一中固定轴的结构示意图；

图3为本发明实施例一中固定轴的受力示意图；

图4为本发明实施例二中固定轴的结构示意图；

图5为本发明实施例二中固定轴的受力示意图。

图中：

1、大腿组件；11、左扣件；111、第一沉头孔；12、右扣件；

2、固定轴；21、止转螺钉；211、安装部；212、通孔；213、进线孔；214、出线孔；215、止转螺孔；216、止转部；217、固定螺柱；22、对锁螺钉；221、对锁螺柱；222、对锁螺帽；223、对锁螺套；

3、小腿组件；31、铰接板；32、铰接孔；

4、控制器；

5、感应组件；

6、线束。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置，而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

实施例一

如图1-3所示，本实施例提供一种足式机器人触地感应机构，该足式机器人触地感应机构包括大腿组件1、固定轴2、感应组件5和小腿组件3，其中，固定轴2的周向设有安装部211，固定轴2设于大腿组件1的一端，且与大腿组件1相对固定；感应组件5设于安装部211，用于感应固定轴2产生的应变；小腿组件3通过固定轴2与大腿组件1转动连接，小腿组件3能与地面接触并通过固定轴2支撑大腿组件1。

本实施例中，足式机器人触地感应机构通过在大腿组件1设置固定轴2，将小腿组件3转动设于固定轴2，在固定轴2设置感应组件5以感应固定轴2在传递小腿组件3的支撑力时产生的形变，并通过此信息作为判断小腿组件3的触地情况的依据。感应组件5的线束6及感应组件5均相对于大腿组件1固定不动，不存在线束6与膝关节的相对运动，避免线束6受到磨损，提高了感应机构的可靠性和耐久性。另外，小腿组件3下端的足部以不同的角度触地时均可触发触地信号，根据足端触地力的大小产生不同的应变信号，可动态地调整阈值来设置触地检测的灵敏度，不降低系统的整体刚度，因此，不影响系统的整体力控带宽。最后，本发明与足端的设计解耦，不增加腿足系统的复杂度，使得腿足系统的结构设计更为简单，成本低廉。

可选地，本实施例中，足式机器人触地感应机构还包括控制器4，控制器4设于大腿组件1，控制器4和感应组件5通过线束6连接。需要说明的，控制器4的工作原理为本领域的常规设置，因此，其结构和工作原理在此不再赘述。

关于固定轴2的结构，本实施例中，可选地，固定轴2包括止转螺钉21，止转螺钉21的一端设有止转部216；止转螺钉21沿轴线方向设有通孔212；止转螺钉21靠近止转部216的一端设有贯穿通孔212侧壁的出线孔214；止转螺钉21于安装部211处设有贯穿通孔212侧壁的进线孔213。借助上述设置，线束6可以通过进线孔213伸入通孔212，然后从出线孔214穿出，不会对大腿组件1和小腿组件3的铰接产生影响。

可选地，固定轴2还包括对锁螺钉22，对锁螺钉22和止转螺钉21螺接；止转部216包括止转螺帽，止转螺帽的外轮廓为非圆形，优选为六边形。大腿组件1设有第一沉头孔111，第一沉头孔111的较大孔的轮廓和止转螺帽外轮廓一致。以上设置使得止转螺钉21能固定于大腿组件1，并且结构简单，易设计和加工，成本低。

关于对锁螺钉22的结构，本实施例中，可选地，对锁螺钉22包括对锁螺帽222和设于对锁螺帽222一端的对锁螺柱221；止转螺钉21远离止转螺帽的一端设有止转螺孔215，对锁螺柱221能旋入止转螺孔215内。该设置使得加工时，只需要对止转螺钉21加工，对锁螺钉22选用标准件即可，降低了固定轴2的加工难度和成本。

本实施例中，可选地，对锁螺帽222设有十字槽或一字槽。该设置使得使用一个螺丝刀即可完成止转螺钉21和对锁螺钉22的螺接，提高了组装效率。

作为优选，第一沉头孔111的较大孔处设有过线槽，过线槽连通于大腿组件1的内部。借助上述设置，线束6可以从出线孔214出来后经由过线槽进入大腿组件1的内部，进而使得线束6得到防护。

在本实施例中，可选地，大腿组件1包括能够相互扣合的左扣件11和右扣件12，左扣件11和右扣件12二者中，其一设有第一沉头孔111，第一沉头孔111的较大孔的轮廓为非圆形，另一设有第二沉头孔；优选地，左扣件11设有第一沉头孔111。小腿组件3包括铰接孔32；固定轴2依次穿过第一沉头孔111、铰接孔32和第二沉头孔后将大腿组件1和小腿组件3铰接。具体地，小腿组件3包括铰接板31，铰接孔32贯通铰接板31。在本实施例中，安装部211位于固定轴2的中间位置，即位于左扣件11和右扣件12之间。借助上述设置，使得小腿组件3向上传递的支撑力作用在大腿组件1向下传递的两个压力之间，固定轴2在中间位置的应变最大，因此，有利于提高感应组件5检测的精准度。

进一步地，铰接孔32两端分别设有一个安装槽，安装槽内设有轴承，固定轴2穿设于轴承内环。该设置提高了小腿组件3的转动的灵活度。

关于安装部211的结构，本实施例中，可选地，安装部211包括设于固定轴2外周的平面，平面通过铣削加工制成，可选地，平面设于止转螺钉21外周，感应组件5包括应变片，应变片贴设于平面。该设置使得应变片的安装位置为凹槽结构，使得应变片受到止转螺钉21的防护，不会受到摩擦，且结构简单，易加工。在其他实施例中，感应组件5可以包括PVDF（压电薄膜传感器）。需要说明的是，应变片或压电薄膜传感器的工作原理为本领域的常规设置，因此，其结构和工作原理在此不再赘述。

当小腿组件3下端的足部与地面接触产生作用力时，作用力通过小腿组件3中铰接孔32的侧壁传导到止转螺钉21上，产生向上的作用力F1，左扣件11和右扣件12分别对止转螺钉21产生F2和F3的作用力，导致止转螺钉21产生应变，与其粘接的应变片或者压电薄膜传感器将应变转化成电压信号，通过信号处理装置放大后转化成相应的触地作用力信号，该作用力传输到控制器4，控制器4根据设置的阈值或者信号跳变获得足端与地面的接触状态信息。

实施例二

结合图4-图5，本实施例还提供一种足式机器人触地感应机构，其结构和实施例一的结构大致相同，其不同之处在于对锁螺钉22和止转螺钉21的结构。本实施例中，可选地，对锁螺钉22包括对锁螺帽222和设于对锁螺帽222一端的对锁螺套223，止转螺钉21远离止转螺帽的一端设有固定螺柱217，固定螺柱217能旋入对锁螺套223内。借助上述设置使得小腿组件3的铰接孔32可以和对锁螺套223转动连接，小腿组件3的支撑力作用于对锁螺套223，降低了对对锁螺钉22的磨损，对锁螺套223受损后，更换成本更低。

本实施例还提供一种足式机器人，包括上述方案中的足式机器人触地感应机构。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种足式机器人触地感应机构，其特征在于，包括：

大腿组件（1）；

固定轴（2），所述固定轴（2）设于所述大腿组件（1）的一端，且与所述大腿组件（1）相对固定，所述固定轴（2）的周向设有安装部（211）；

感应组件（5），所述感应组件（5）设于所述安装部（211），用于感应所述固定轴（2）产生的应变并提供触地作用力信号；

小腿组件（3），所述小腿组件（3）通过所述固定轴（2）与所述大腿组件（1）转动连接，所述小腿组件（3）能与地面接触并对所述固定轴（2）产生向上的作用力F1，所述大腿组件（1）能对所述固定轴（2）产生与作用力 F1方向相反的作用力F2和作用力 F3，且作用力 F1位于作用力 F2和作用力 F3之间。

2.根据权利要求1所述的足式机器人触地感应机构，其特征在于，所述固定轴（2）包括：

止转螺钉（21），所述止转螺钉（21）的一端设有止转部（216）；所述止转螺钉（21）沿轴线方向设有通孔（212）；所述止转螺钉（21）靠近所述止转部（216）的一端设有贯穿所述通孔（212）侧壁的出线孔（214）；所述止转螺钉（21）于所述安装部（211）处设有贯穿所述通孔（212）侧壁的进线孔（213）。

3.根据权利要求2所述的足式机器人触地感应机构，其特征在于，所述固定轴（2）还包括：

对锁螺钉（22），所述对锁螺钉（22）和所述止转螺钉（21）螺接；

所述止转部（216）包括止转螺帽，所述止转螺帽的外轮廓为非圆形；

所述大腿组件（1）设有第一沉头孔（111），所述第一沉头孔（111）的较大孔的轮廓和所述止转螺帽的外轮廓一致。

4.根据权利要求3所述的足式机器人触地感应机构，其特征在于，所述对锁螺钉（22）包括对锁螺帽（222）和设于所述对锁螺帽（222）一端的对锁螺柱（221）；所述止转螺钉（21）远离所述止转螺帽的一端设有止转螺孔（215），所述对锁螺柱（221）能旋入所述止转螺孔（215）内。

5.根据权利要求3所述的足式机器人触地感应机构，其特征在于，所述对锁螺钉（22）包括对锁螺帽（222）和设于所述对锁螺帽（222）一端的对锁螺套（223），所述止转螺钉（21）远离所述止转螺帽的一端设有固定螺柱（217），所述固定螺柱（217）能旋入所述对锁螺套（223）内。

6.根据权利要求4或5所述的足式机器人触地感应机构，其特征在于，所述对锁螺帽（222）设有十字槽或一字槽。

7.根据权利要求3所述的足式机器人触地感应机构，其特征在于，所述第一沉头孔（111）的较大孔处设有过线槽，所述过线槽连通于所述大腿组件（1）的内部。

8.根据权利要求1所述的足式机器人触地感应机构，其特征在于，所述大腿组件（1）包括能够相互扣合的左扣件（11）和右扣件（12），所述左扣件（11）和所述右扣件（12）二者中，其一设有第一沉头孔（111），所述第一沉头孔（111）的较大孔的轮廓为非圆形；另一设有第二沉头孔；

所述小腿组件（3）包括铰接孔（32）；所述固定轴（2）依次穿过所述第一沉头孔（111）、所述铰接孔（32）和所述第二沉头孔后将所述大腿组件（1）和所述小腿组件（3）铰接。

9.根据权利要求1所述的足式机器人触地感应机构，其特征在于，所述安装部（211）包括设于所述固定轴（2）外周的平面，所述平面通过铣削加工制成；所述感应组件（5）包括应变片或者PVDF，所述应变片或者所述PVDF贴设于所述平面。

10.一种足式机器人，其特征在于，包括权利要求1-9任一项所述的足式机器人触地感应机构。

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