CN113443043B - 一种可适应不平整路面的双足机器人足部结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可适应不平整路面的双足机器人足部结构，该结构由具有空间多自由度滚珠球形铰链体、足底薄板、姿态传感器、扭簧组成件和集成连接块等组成。整个足部结构模块化分解设计，通过扭簧连接各足底薄板，中间通过集成连接块整合，并引出气流通道。该足部结构遇到凹凸不平整地面时，可通过扭簧的扭转作用实现被动式自适应调整。当扭簧作用效果不明显时，需启用气压控制模块，调节气压舱内压缩气体的压力，在橡胶空气弹簧作用下完成对足底薄板的姿态控制，实现机器人足部对地面的主动式自适应调整。本发明利用扭簧特性，结合气压控制技术，实现了机器人足部对地面的主、被动式自适应，可提升机器人足部对环境的适应能力。

Description

一种可适应不平整路面的双足机器人足部结构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种可适应不平整路面的双足机器人足部结构。

背景技术

近年来，机器人研究领域得到了飞速发展，集机械学、电子学、材料学、控制技术等多学科交叉理论，机器人的研究也进一步推进，成为目前最热门的研究方向之一。双足机器人同轮式机器人相比，行走具有更好的灵活性。由于其特殊的步行方式，可在复杂环境下进行作业，实现一定程度上的人机协同工作，具备优越的环境适应能力，避免对工作环境的大范围改造。双足机器人应用前景广阔，其相关研究理论及实践研究一直是智能机器人领域的热门研究方向。

在目前对双足机器人的研究中，主要着重于相关步态规划理论及步行稳定性控制方法研究方面，并取得了一定成果。在对于双足机器人的机械结构方面，缺乏创新设计。机器人足部作为行走过程唯一与地面接触的零部件，将对其行走状态产生直接影响。目前对机器人足部结构的设计方面，通常简化为简单平板结构，机器人在行走过程中，由于足部结构的限制，其落脚方式通常被强制约束，导致机器人在复杂的行走环境下，由于行走路面的不确定性，容易发生摔倒的现象。因此，机器人的足部结构将直接影响机器人的步行稳定性，对其优化设计将提高其行走能力。

公开号为CN105523098A的中国发明专利公开了一种刚度可调的仿人机器人足部结构。该发明专利通过对机器人脚掌底部安装可充放气的弹性气囊，通过弹性气囊的充放气过程来实现对不平整路面的自适应调整，基于脚掌前端扭簧连接实现足部结构的柔性化改变，最终实现机器人足部结构对不平整路面的自适应。但其弹性气囊设计要求较高，一方面需要抵抗来自复杂地面的影响，当地面出现尖端障碍物如小石子等，会导致对弹性气囊结构的破坏，发生漏气等现象，最终机器人脚掌结构不平，无法实现对复杂环境的自适应；另一方面，其扭簧连接的部位为脚前掌与中后部分，其扭簧的转轴平行于前进方向，故机器人运动过程中，扭簧的作用可抵抗前进方向的倾斜倒地问题，但机器人行走过程是全方位的，且更容易发生侧向摔倒现象，扭簧的设计忽略了机器人侧向摔倒问题，该设计不具有普适性。

发明内容

为解决现有双足机器人足部结构无法适应不平整路面的问题，本发明提供一种可适应不平整路面的双足机器人足部结构，通过扭簧将机器人足部四个薄板连接起来，借助扭簧特性，实现足部结构对地面的被动式自适应，基于多自由度滚珠球形铰链体实现对薄板与集成连接块的连接，通过控制气室气体的压力，实现对足部脚底板姿态的主动式自适应调整。基于主、被动式自适应调整方式的组合，机器人脚掌可适应全方位、多突变的复杂路面，提高机器人的步行稳定性。

本发明为解决上述问题，提供的技术路线如下：一种可适应不平整路面的双足机器人足部结构，包括多个足底薄板、用于连接足底薄板的扭簧组成件、获取足底薄板姿态信息的姿态传感器、和足底薄板同数量的多自由度滚珠球形铰链体以及一个集成连接块；

所述多自由度滚珠球形铰链体包括第一法兰、第二法兰、第一铰链体和第二铰链体，所述第一法兰和第二法兰均具有若干对称的具有一定壁厚的瓣形结构，瓣形结构内部具有一定深度的凹槽轨道；所述第一铰链体和第二铰链体均包括球形头和滚珠，所述球形头为具有凹槽轨道的球形加工体，第一法兰和第二法兰的瓣形结构中均安装有球形头，所述滚珠位于球形头的凹槽轨道和瓣形结构的凹槽轨道之间；

所述第一铰链体具有第一铰链体导杆；所述第二铰链体具有第二铰链体导杆，所述第一铰链体导杆和第二铰链体导杆均为阶梯状，第二铰链体导杆一端与第二法兰瓣形结构中的球形头固定连接，另一端为中空部分；第一铰链体导杆一端与第一法兰瓣形结构中的球形头固定连接，另一端插入第二铰链体导杆的中空部分，形成滑动连接；所述第一铰链体导杆和第二铰链体导杆的阶梯端面之间固定安装有沿圆周均匀布局的四根弹簧导杆，所述弹簧导杆上套有压缩弹簧。

所述集成连接块四周布局台阶圆柱法兰面，通过第二法兰连接多自由度滚珠球形铰链体，第一法兰固定连接在足底薄板上。

进一步地，所述姿态传感器采用贴片的形式固定在每个足底薄板的上表面处，姿态传感器基于蓝牙传输模式将每个足底薄板姿态数据传输到机器人的主控上位机进行分析。

进一步地，所述扭簧组成件包括中心轴销、第一安装底座、扭簧和第二安装底座；所述中心轴销设置为阶段式台阶圆柱面，依次穿过第一安装底座、扭簧和第二安装底座，使三者同轴，扭簧的径向扭转作用使足部结构实现被动式自适应调整。

进一步地，足底薄板采用阵列分布式布局，数量应保证为四个，且各足底薄板之间应至少采用两组扭簧组成件进行安装连接，两组扭簧组成件通过一个第二安装底座连接在一起，扭簧组成件的安装需满足同轴度要求。

进一步地，所述集成连接块为方形，内部包括四个独立气室，外部包括上边台阶面以四个侧边台阶面；所述上边台阶面上具有四个气体输入孔，分别和四个独立气室连通，每个侧边台阶面均具有凸出侧边台阶面的压缩气体输出孔，分别和对应的独立气室连通。

进一步地，所述多自由度滚珠球形铰链体一端通过第一法兰与足底薄板固定连接，另一端通过第二法兰与集成连接块的侧边台阶面固定连接，且第二法兰内部为通孔结构，与压缩气体输出孔形成间隙配合。

进一步地，第二法兰内部的通孔中安装有橡胶空气弹簧，所述橡胶空气弹簧一端抵在球形头上，另一端抵在压缩气体输出孔的边缘上。

进一步地，球形头的凹槽轨道与滚珠之间为间隙配合形式，以保证滚珠可在球形头的凹槽轨道和瓣形结构内部的凹槽轨道之间相对滚动，且球形头、滚珠和底座均采用耐磨材料加工。

进一步地，所述弹簧导杆固定在第一铰链体上，第二铰链体与弹簧导杆的连接主要采用螺纹螺母连接结构，螺纹结构布局在弹簧导杆顶端处，螺母采用双螺母设计，起到防松作用，并加入弹性垫片，减少冲击影响。在弹簧导杆和压缩弹簧的作用下，可实现机器人足部吸收来自地面的振动冲击，并对导杆相对运动起到缓冲作用。

进一步地，压缩气体的输入由外界气压泵提供，并通过压缩气体输入孔输入到集成连接块的气室，各气室由气室分界面隔开，相互独立，互不影响。为保证压缩气体不发生漏气、泄气现象，整个集成连接块的结构为一体化成型设计，需采用先进的增材制造工艺获得。

本发明的有益效果如下：

本发明中铰链体的优化设计布局，使得机器人足部可以承受来自全方位的地面反作用力，基于滚珠轨道的相对运动模式，使得各组成零部件避免发生扭转、折弯等变形形式。

第一铰链体上布局的弹簧导杆和弹簧的配合使用，使得足部结构可抵抗来自地面的冲击作用，使得机器人行走稳定性大大提升，提高机器人各关节驱动电机的使用寿命。

本设计中的双足机器人足部结构根据不同的地形变化，提出了基于扭簧-足底薄板的被动式自适应调整和基于气压控制的主动式自适应调整方式，设计的足部结构具有一定的通用性，对于不同的行走环境均可取得较好的适应效果。

附图说明

图1为本发明实施例中双足机器人足部结构的轴测图；

图2为本发明实施例中用于连接足底薄板的扭簧组成件示意图；

图3为本发明实施例中多自由度滚珠球形铰链体的结构示意图；

图4为本发明实施例中集成连接块的外形示意图；

图5为本发明实施例中集成连接块的纵向剖视图；

图6为本发明实施例中集成连接块的横向剖视图；

图7为本发明实施例中双足机器人足部结构的正视图；

图8为本发明实施例中双足机器人足部结构的俯视图。

具体实施方式

为了使本发明技术路线更加清楚明白，下面结合实施例及附图，对本发明内容进一步详细说明。需要注意的是，以下所述的实施例仅仅作为解释本发明的内容，而非用来限制本发明。

本发明提供了一种可适应不平整路面的双足机器人足部结构，包括足底薄板1、姿态传感器2、扭簧组成件3、多自由度滚珠球形铰链体4和集成连接块5等。其中，足底薄板1、姿态传感器2、扭簧组成件3、多自由度滚珠球形铰链体4均为阵列式布局，最终通过与集成连接块5的连接与装配，基于集成连接块5顶端配备的螺纹孔结构，实现与机器人腿部的相连。扭簧组成件3和多自由度滚珠球形铰链体4由多部分零部件组成，对安装零件的装配精度提出较高要求，集成连接块5内部结构较为复杂，需采取特殊加工工艺获得。

如图1和图2所示，一种可适应不平整路面的双足机器人足部结构，通过四个规格不同的扭簧组成件的综合作用，将机器人的四块足底薄板1连接起来，足底薄板尺寸参数相同，且具有与多自由度滚珠球形铰链体底座连接的螺纹孔，为获得薄板的姿态信息，需在每个薄板上搭载姿态传感器，姿态传感器2采用贴片的形式固定在每个足底薄板1的上表面处，姿态传感器2基于蓝牙传输模式将每个足底薄板1姿态数据传输到机器人的主控上位机进行分析，足底薄板1主要实现机器人足部结构与地面的接触，扭簧两端伸出部分作用于薄板处，用于实现对足底薄板倾斜角度的被动式自适应调整。对于足底薄板1和扭簧33之间的连接，将两块第一安装底座32通过螺钉连接在足底薄板处，第二安装底座34安装在另一块足底薄板处，安装底座32和34的穿孔直径不同，主要实现对中心轴销31的定位，中心轴销31设置为阶段式台阶圆柱面，依次穿过第一安装底座32、扭簧33和第二安装底座34，使三者同轴，扭簧33需设置两种规格长度，根据足底薄板的尺寸设计其长度参数，通过中心轴销和安装底座作为为扭簧与薄板之间安装定位的零件，将四个足底薄板组合成为整体，且具备一定的柔性结构；在机器人足部的某一块薄板踩到凹凸面时，扭簧的径向扭转作用使足部结构实现被动式自适应调整，足部离地时，在扭簧33的作用下，恢复原始状态，对后续行走过程不产生影响。在整个机器人足部结构布局多个扭簧组成件，足底薄板之间采取对称式布局，可使机器人适应来自不同方向的不平整路面扰动，借助扭簧扭转特性，通过其储能、放能过程，保障机器人行走稳定。

基于以上足底薄板的空间布置，在脚掌接触到来自正向或侧向的凹凸面时，薄板之间的扭簧会根据脚掌状态做出被动式自适应调整，暂且定义四块薄板分别命名为第一、第二、第三、第四薄板。特别的，以脚掌前脚跟踩到来自地面的凸面为例，此时若脚掌为一整块刚性平板结构，此时机器人会由于脚掌的倾斜导致重心的偏移，机器人将发生摔倒；在利用本发明设计的足部结构，机器人前脚掌踩到凸面时，会触发第一、第四以及第二、第三薄板之间的扭簧装置，在扭簧的作用下，第一、第二薄板会被动自适应绕扭簧轴向中心旋转一定角度，第三、第四薄板保持与地面的水平接触，机器人的重心偏移量变小，防止机器人发生摔倒事故。同理，在机器人后脚掌踩到凹凸面等步行条件下，在扭簧装置的作用下，依然可保证运动的稳定性。

除了需实现结构对步行路面的被动式自适应，还需实现主动式自适应。因行走路面复杂性未知，完全靠机械结构的被动式自适应调整，可能无法完全克服地面带来的影响，因此需额外加入主动式自适应结构装置。自适应结构装置主要由和足底薄板1同数量的多自由度滚珠球形铰链体4和集成连接块5组成。如图3所示，用于连接足底薄板1和集成连接块5的多自由度滚珠球形铰链体4，主要实现足底薄板连接处的多自由度自适应，足底薄板1受到来自地面多个方向的力时，通过铰链体结构，可降低零件受力变形的影响，将整个铰链体装配结构分为第一法兰41、第二法兰410、第一铰链体和第二铰链体。第一法兰41配备多个通孔，采用螺钉与足底薄板1连接，所述第一法兰41和第二法兰410均具有若干对称的具有一定壁厚的瓣形结构，瓣形结构内部具有一定深度的凹槽轨道；所述第一铰链体和第二铰链体均包括球形头43和滚珠42，所述球形头43为具有凹槽轨道的球形加工体，第一法兰41和第二法兰410的瓣形结构中均安装有球形头43，所述滚珠42位于球形头43的凹槽轨道和瓣形结构的凹槽轨道之间；球形头43借助滚珠42的轨道运动，与球形头43实现在多个自由度条件下的相对转动，可保证机器人足底薄板1抵抗来自不同方向的不平整路面带来的作用力，机器人的各组成结构零件不会受到扭转力的影响，有利于提高零件寿命及性能。

进一步的，第一铰链体的第一铰链体导杆44和第二铰链体的第二铰链体导杆49均设置为阶梯状，第二铰链体导杆49一端与第二法兰410瓣形结构中的球形头43固定连接，另一端为中空部分；第一铰链体导杆44一端与第一法兰41瓣形结构中的球形头43固定连接，另一端插入第二铰链体导杆49的中空部分，形成滑动连接；在第一铰链体导杆44沿圆周均匀布局四根弹簧导杆45，所述弹簧导杆45上套有压缩弹簧46。第一铰链体导杆44的阶梯状设计，可实现对第二铰链体导杆49的限位功能，控制压缩弹簧46保证在弹性限度范围以内。同时，为了便于对弹簧导杆45的圆周布局，第一铰链体和第二铰链体的连接主要采用螺纹螺母连接结构，螺纹结构布局在弹簧导杆45顶端处，螺母则采用双螺母48设计，起到防松作用。为减小第二铰链体导杆在导向运动过程的冲击，在螺母处加入弹性垫片47，减少冲击影响。在弹簧导杆45和压缩弹簧46的作用下，一方面可以保证机器人足部结构吸收来自地面的振动冲击，另一方面可对第一、第二铰链体导杆相对运动实现缓冲。

更进一步的，在第二铰链体的结构中，其第二法兰410内部为通孔结构，以便通过集成连接块压缩气体输出孔54，压缩气体输入至橡胶空气弹簧处，这里采用的橡胶空气弹簧为囊式结构，囊式结构可避免中间部分的径向扩张，通过控制压缩气体的压力，使其内腔充满压缩空气并形成气柱，整个橡胶空气弹簧的刚度则取决于气柱的压力和体积，通过对压缩气体气压大小的控制，实现对空气弹簧刚度的改变，以此来控制第二铰链体导杆49轴向运动，基于第一、第二铰链体的相互作用，实现对机器人足部薄板姿态的主动式自适应调整，进一步提高机器人的环境适应能力。

如图4所示，集成连接块5的结构主要包括压缩气体输入孔51，主要将压缩气体输入到气室；上边台阶面52，实现将所设计的足部结构通过螺钉连接到腿部；侧边台阶面53，用于实现对四个多自由度滚珠球形铰链体4的连接；压缩气体输出孔54，输出孔的端口连接至橡胶空气弹簧处，通过控制压缩气体的气压实现对橡胶空气弹簧的控制。为保证压缩气体不发生漏气、泄气现象，整个集成连接块的结构为一体化成型设计，此设计方式较为激进，无法采用传统的机械加工工艺得到，故应采用先进的增材制造工艺获得。

更进一步的，为详细描述集成连接块5的内部结构构造，对其进行剖视分析，如图5为集成连接块俯视图的剖视图，图6为正视图的剖视图，各气室由气室分界面55隔开，相互独立，由其内部结构可知，集成连接块的四个气室相互独立，互不干扰，分别配备气体输入口和输出口，输入口连接外界气压泵，输出口连接橡胶空气弹簧，通过对足底薄板处安装的姿态传感器2进行数据分析，建立气压压力与姿态数据的数学函数关系，可分别控制不同气室的气压压力，完成对足底薄板姿态的精确控制，实现机器人足部结构的主动式自适应调整。

根据以上实施例的说明，如图7和图8为机器人足部结构的正视图和俯视图，通过被动式自适应调整与主动式自适应调整方式的相互配合，机器人可克服来自不同方向不平整路面带来的影响，显著提高机器人的行走能力，对机器人开展实验具有重要意义。

总之，以上所述过程仅为本发明的一种实施例，并不能用来限制本发明的应用范围。本文采用的零件命名方式是为了更好说明结构本体，并不排除使用其他术语的可能性，可以这样理解，凡在本发明的设计原则及结构设计范围内所做的任何修改、替换等操作，均属于本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可适应不平整路面的双足机器人足部结构，其特征在于：包括多个足底薄板(1)、用于连接足底薄板(1)的扭簧组成件(3)、获取足底薄板(1)姿态信息的姿态传感器(2)、和足底薄板(1)同数量的多自由度滚珠球形铰链体(4)以及一个集成连接块(5)；

所述扭簧组成件(3)包括中心轴销(31)、第一安装底座(32)、扭簧(33)和第二安装底座(34)；所述中心轴销(31)设置为阶段式台阶圆柱面，依次穿过第一安装底座(32)、扭簧(33)和第二安装底座(34)，使三者同轴，扭簧(33)的径向扭转作用使足部结构实现被动式自适应调整；

所述足底薄板(1)采用阵列分布式布局，数量应保证为四个，且各足底薄板(1)之间应至少采用两组扭簧组成件(3)进行安装连接，两组扭簧组成件(3)通过一个第二安装底座(34)连接在一起，扭簧组成件(3)的安装需满足同轴度要求；

所述多自由度滚珠球形铰链体(4)包括第一法兰(41)、第二法兰(410)、第一铰链体和第二铰链体，所述第一法兰(41)和第二法兰(410)均具有若干对称的具有一定壁厚的瓣形结构，瓣形结构内部具有一定深度的凹槽轨道；所述第一铰链体和第二铰链体均包括球形头(43)和滚珠(42)，所述球形头(43)为具有凹槽轨道的球形加工体，第一法兰(41)和第二法兰(410)的瓣形结构中均安装有球形头(43)，所述滚珠(42)位于球形头(43)的凹槽轨道和瓣形结构的凹槽轨道之间；

所述第一铰链体具有第一铰链体导杆(44)；所述第二铰链体具有第二铰链体导杆(49)，所述第一铰链体导杆(44)和第二铰链体导杆(49)均为阶梯状，第二铰链体导杆(49)一端与第二法兰(410)瓣形结构中的球形头(43)固定连接，另一端为中空部分；第一铰链体导杆(44)一端与第一法兰(41)瓣形结构中的球形头(43)固定连接，另一端插入第二铰链体导杆(49)的中空部分，形成滑动连接；所述第一铰链体导杆(44)和第二铰链体导杆(49)的阶梯端面之间固定安装有沿圆周均匀布局的四根弹簧导杆(45)，所述弹簧导杆(45)上套有压缩弹簧(46)；

所述集成连接块(5)四周布局台阶圆柱法兰面，通过第二法兰(410)连接多自由度滚珠球形铰链体(4)，第一法兰(41)固定连接在足底薄板(1)上。

2.根据权利要求1所述的一种可适应不平整路面的双足机器人足部结构，其特征在于：所述姿态传感器(2)采用贴片的形式固定在每个足底薄板(1)的上表面处，姿态传感器(2)基于蓝牙传输模式将每个足底薄板(1)姿态数据传输到机器人的主控上位机进行分析。

3.根据权利要求1所述的一种可适应不平整路面的双足机器人足部结构，其特征在于：所述集成连接块(5)为方形，内部包括四个独立气室，外部包括上边台阶面(52)以及四个侧边台阶面(53)；所述上边台阶面(52)上具有四个气体输入孔(51)，分别和四个独立气室连通，每个侧边台阶面(53)均具有凸出侧边台阶面(53)的压缩气体输出孔(54)，分别和对应的独立气室连通。

4.根据权利要求3所述的一种可适应不平整路面的双足机器人足部结构，其特征在于：所述多自由度滚珠球形铰链体(4)一端通过第一法兰(41)与足底薄板(1)固定连接，另一端通过第二法兰(410)与集成连接块(5)的侧边台阶面(53)固定连接，且第二法兰(410)内部为通孔结构，与压缩气体输出孔(54)形成间隙配合。

5.根据权利要求1所述的一种可适应不平整路面的双足机器人足部结构，其特征在于：第二法兰(410)内部的通孔中安装有橡胶空气弹簧，所述橡胶空气弹簧一端抵在球形头(43)上，另一端抵在压缩气体输出孔(54)的边缘上。

6.根据权利要求1所述的一种可适应不平整路面的双足机器人足部结构，其特征在于：球形头(43)的凹槽轨道与滚珠(42)之间为间隙配合形式，以保证滚珠(42)可在球形头(43)的凹槽轨道和瓣形结构内部的凹槽轨道之间相对滚动，且球形头(43)和滚珠(42)均采用耐磨材料加工。

7.根据权利要求1所述的一种可适应不平整路面的双足机器人足部结构，其特征在于：所述弹簧导杆(45)固定在第一铰链体上，第二铰链体与弹簧导杆(45)的连接主要采用螺纹螺母连接结构，螺纹结构布局在弹簧导杆(45)顶端处，螺母采用双螺母(48)设计，起到防松作用，并加入弹性垫片(47)，减少冲击影响；在弹簧导杆(45)和压缩弹簧(46)的作用下，可实现机器人足部吸收来自地面的振动冲击，并对导杆相对运动起到缓冲作用。

8.根据权利要求3所述的一种可适应不平整路面的双足机器人足部结构，其特征在于：压缩气体的输入由外界气压泵提供，并通过压缩气体输入孔(51)输入到集成连接块(5)的气室，各气室由气室分界面(55)隔开，相互独立，互不影响；为保证压缩气体不发生漏气、泄气现象，整个集成连接块(5)的结构为一体化成型设计，需采用先进的增材制造工艺获得。

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