CN113479274A - 一种具有被动柔性膝关节的液压足式机器人单腿机构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种具有被动柔性膝关节的液压足式机器人单腿机构，涉及机器人腿足结构技术领域，其中设置的柔性膝关节组件包括气缸与连接板，气缸中的两第一活塞杆分别铰接在大腿腿节端部、小腿腿节端部，连接板的一端与第一活塞杆铰接在小腿腿节上的同一位置，另一端铰接在大腿腿节的端部，且连接板的两铰接点的距离大于两第一活塞杆铰接点距离；本发明通过设置连接板及气缸取代了原有的机器人腿部设计中大腿腿节与小腿腿节的直接连接方式，使得机器人膝关节部位具备了一定的被动柔顺能力，可有效减小机器人腿部结构运动过程中足底与地面的接触冲击。

Description

一种具有被动柔性膝关节的液压足式机器人单腿机构
技术领域
本发明涉及机器人腿足结构技术领域，特别是涉及一种具有被动柔性膝关节的液压足式机器人单腿机构。
背景技术
在重型液压驱动足式机器人的设计与应用过程中，足与地面之间冲击大的问题仍然难以有效解决。主要原因是液压足式机器人作所处环境的不确定性在一定程度上加剧了机器人各关节作动器的负载变化，导致机载液压伺服驱动系统能量供应与机器人需求之间平衡的恶化，动力与驱动系统的不稳定会进一步引起控制系统力控精度的降低，进而使得机器人足与地面之间的交互冲击变大。
现有的针对以上问题的解决方案主要分为两种：一种是在机器人足底包裹厚厚的耐磨橡胶或采用碳纤维等高韧性复合材料加工机器人肢体部件，虽然此措施容易实现，且对足地交互过程的改善效果明显，但野外环境的复杂多变仍然会加剧非金属材料的磨损速度，需要频繁更换足部构件；另一种方法是将金属弹簧串接于腿部组件或作动器与被驱动杆件之间，如申请号为“202010751681.0”，名称为“轮腿机器人腿部结构及移动机器人”的发明专利，及申请号为“201510021471.5”，名称为“轮腿混合式四足机器人”的发明专利；但是弹簧刚性较低，会牺牲机器人对环境的适应性，同时对所需弹簧刚度特性的精确设计存在较大的难度，这也使得该方法难以在液压驱动腿足式机器人上得到广泛推广。
因此，如何有效缓解机器人足底与地面之间接触冲击是本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有被动柔性膝关节的液压足式机器人单腿机构，以解决上述现有技术存在的问题，使得机器人膝关节部位具备了一定的被动柔顺能力，可有效减小机器人腿部结构运动过程中足底与地面的接触冲击。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种具有被动柔性膝关节的液压足式机器人单腿机构，包括大腿腿节、小腿腿节小腿俯仰液压作动器及柔性膝关节组件；所述柔性膝关节组件包括气缸与连接板，所述气缸包括缸体及设置在所述缸体内的两活塞，两所述活塞与所述缸体的端面之间均设置有用于容纳气体的空腔，所述空腔的壁面上具有进气通道，两所述活塞的第一活塞杆分别铰接在所述大腿腿节端部、所述小腿腿节端部；所述小腿俯仰液压作动器的缸筒铰接在所述大腿腿节端部，所述小腿俯仰液压作动器中的第二活塞杆铰接在所述小腿腿节上，且所述第二活塞杆在所述小腿腿节上的铰接位置低于所述第一活塞杆在所述小腿腿节的铰接位置，所述连接板的一端与所述第一活塞杆铰接在所述小腿腿节上的同一位置，另一端铰接在所述大腿腿节的端部，且所述连接板的两铰接点的距离大于两所述第一活塞杆铰接点距离。
优选的，所述气缸设置有两个，且对称设置在所述大腿腿节两侧。
优选的，两所述气缸内部的空腔均相互联通。
优选的，所述充气口处还设置有用于测量所述缸体内气压的压力传感器。
优选的，还包括髋部腿节，所述髋部腿节的端部与所述大腿腿节的顶端铰接，且所述髋部腿节与所述大腿腿节之间还铰接有大腿俯仰液压作动器。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
1、本发明通过设置连接板及气缸取代了原有的机器人腿部设计中大腿腿节与小腿腿节的直接连接方式，使得机器人膝关节部位具备了一定的被动柔顺能力，可有效减小机器人腿部结构运动过程中足底与地面的接触冲击，并且本发明中的气缸相比于弹簧具有明显的刚度优势，能够保证机器人的稳定性及对环境的适应能力；
2、本发明中还设置有用于测量缸体内气压的压力传感器，不仅可以控制充气时空腔中的气压，以调节对足底冲击的缓冲程度，还能够在空腔内气压降低时进行及时补气。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明单腿结构的示意图；
图2为气缸的结构示意图；
图3为图2的剖视图；
其中，1、大腿腿节；2、小腿腿节；3、气缸；4、小腿俯仰液压作动器；5、连接板；6、缸体；7、活塞；8、第一活塞杆；9、空腔；10、进气通道；11、第二活塞杆；12、压力传感器；13、髋部关节。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
本发明的目的是提供一种具有被动柔性膝关节的液压足式机器人单腿机构，以解决上述现有技术存在的问题，使得机器人膝关节部位具备了一定的被动柔顺能力，可有效减小机器人腿部结构运动过程中足底与地面的接触冲击。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本实施例提供一种具有被动柔性膝关节的液压足式机器人单腿机构，包括大腿腿节1、小腿腿节2、小腿俯仰液压作动器4及柔性膝关节组件；柔性膝关节组件包括气缸3与连接板5，气缸3包括缸体6及设置在缸体6内的两活塞7，两活塞7与缸体6的端面之间均设置有用于容纳气体的空腔9，空腔9的壁面上具有进气通道10，两活塞7的第一活塞杆8分别铰接在大腿腿节1端部、小腿腿节2端部；小腿俯仰液压作动器4的缸筒铰接在大腿腿节1端部，小腿俯仰液压作动器4中的第二活塞杆11铰接在小腿腿节2上，且第二活塞杆11在小腿腿节2上的铰接位置低于第一活塞杆8在小腿腿节2的铰接位置，连接板5的一端与第一活塞杆8铰接在小腿腿节2上的同一位置，另一端铰接在大腿腿节1的端部，且连接板5的两铰接点的距离大于两第一活塞杆8铰接点距离。
在使用前，先通过气泵向空腔9中通入气体，使得两活塞7紧贴，当机器人在行进过程中由摆动相切换至支撑相时，地面对小腿腿节2足部位置施加向上的负载力，此时小腿俯仰液压作动器4始终处于受压状态，在小腿腿节2与所配合的气缸3的连接点处会产生与小腿俯仰液压作动器4输出力相平衡的作用力，该作用力会导致小腿腿节2产生绕足地接触点顺时针旋转的趋势；同时，在大腿腿节1与所配合的气缸3的连接处也会产生与上述作用力大小相等方向相反的力，这两处铰接点的力会传递到对应的第一活塞杆8上，从而克服空腔9内的气压使两第一活塞杆8受拉伸长，从而本实施例通过设置连接板及气缸取代了原有的机器人腿部设计中大腿腿节与小腿腿节的直接连接方式，使得机器人膝关节部位具备了一定的被动柔顺能力，可有效减小机器人腿部结构运动过程中足底与地面的接触冲击，并且本实施中的气缸3相比于传统弹簧具有明显的刚度优势，能够保证机器人的稳定性及对环境的适应能力；当机器人在行进过程中由支撑相切换至摆动相时，第一活塞杆8在气压的作用下缩短。
为了提高大腿腿节1与小腿腿节2之间连接的稳定性，本实施中的气缸3设置有两个，两个气缸3对称设置在大腿腿节1两侧，且两个气缸3内部的四个活塞7对应的空腔9相互连通，保证其内部压力一致。
为了对空腔9内的气压进行控制，本实施例中充气口处还设置有用于测量缸体6内气压的压力传感器12，不仅可以控制充气时空腔9中的气压，以调节对足底冲击的缓冲程度，还能够在空腔9内气压降低时进行及时补气。
还包括髋部腿节13，髋部腿节的端部与大腿腿节1的顶端铰接，且髋部腿节与大腿腿节1之间还铰接有大腿俯仰液压作动器。
根据实际需求而进行的适应性改变均在本发明的保护范围内。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种具有被动柔性膝关节的液压足式机器人单腿机构，其特征在于，包括大腿腿节、小腿腿节小腿俯仰液压作动器及柔性膝关节组件；所述柔性膝关节组件包括气缸与连接板，所述气缸包括缸体及设置在所述缸体内的两活塞，两所述活塞与所述缸体的端面之间均设置有用于容纳气体的空腔，所述空腔的壁面上具有进气通道，两所述活塞的第一活塞杆分别铰接在所述大腿腿节端部、所述小腿腿节端部；所述小腿俯仰液压作动器的缸筒铰接在所述大腿腿节端部，所述小腿俯仰液压作动器中的第二活塞杆铰接在所述小腿腿节上，且所述第二活塞杆在所述小腿腿节上的铰接位置低于所述第一活塞杆在所述小腿腿节的铰接位置，所述连接板的一端与所述第一活塞杆铰接在所述小腿腿节上的同一位置，另一端铰接在所述大腿腿节的端部，且所述连接板的两铰接点的距离大于两所述第一活塞杆铰接点距离。
2.根据权利要求1所述的液压足式机器人单腿机构，其特征在于，所述气缸设置有两个，且对称设置在所述大腿腿节两侧。
3.根据权利要求2所述的液压足式机器人单腿机构，其特征在于，两所述气缸内部的空腔均相互联通。
4.根据权利要求3所述的液压足式机器人单腿机构置，其特征在于，所述充气口处还设置有用于测量所述缸体内气压的压力传感器。
5.根据权利要求1所述的液压足式机器人单腿机构，其特征在于，还包括髋部腿节，所述髋部腿节的端部与所述大腿腿节的顶端铰接，且所述髋部腿节与所述大腿腿节之间还铰接有大腿俯仰液压作动器。
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