CN113525549A - 机器人足部和具有其的机器人 - Google Patents

Abstract

本发明一种机器人足部和具有其的机器人，包括：脚踝单元、安装单元和脚垫，脚踝单元与安装单元固定连接，安装单元上设有多个传感器和多个过孔，传感器可选择性的设置在对应的过孔位置处，用于检测足部的受力数据。脚垫为中空结构且包括：固定部和接触部，脚垫通过固定部连接于安装单元和/或脚踝单元，接触部为弹性件，接触部的内侧和安装单元的支撑件的外侧正对设置并保持一定间隙。通过使用传感器对应的设置在安装单元的过孔处，可对机器人足部的受力数据进行检测，从而机器人可对接触面的情况进行实时检测判断，可为机器人步态精准、姿态预判、预警、避障和路径规划等提供优化，从而可提升机器人在复杂环境的接触面上的运动能力。

Description

机器人足部和具有其的机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其是涉及一种机器人足部和具有其的机器人。

背景技术

机器人被用于在复杂地形行走以完成巡航、运送物资等任务，非结构化的地面环境使机器人足部与地面的接触情况比较复杂，现有的机器人足底触地感知机构只能定性提供足底是否触地的信息，但是对于复杂地面环境的分析还不能做到，不能实时监测反馈足底着力点位置以及足底姿态，触地力的大小和方向，机器人不能适应复杂地面环境。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种机器人足部，该机器人足部可实时监测足底姿态，从而分析接触力的大小和方向，判断地形情况，可适用于复杂地面环境。

本发明的另一个目的还在于提出一种机器人。

根据本发明实施例的机器人足部，包括：脚踝单元、安装单元及脚垫；所述脚踝单元与所述安装单元固定连接，所述安装单元上设有多个传感器和多个过孔，所述传感器可选择性的设置在对应的所述过孔位置处，用于检测足部的受力数据；所述脚垫为中空结构且包括：固定部和接触部，所述脚垫通过所述固定部连接于所述安装单元和/或所述脚踝单元，所述接触部为弹性件，所述接触部的内侧和所述安装单元的支撑件的外侧正对设置并保持一定间隙。

根据本发明实施例的机器人足部，通过使用传感器对应的设置在安装单元的过孔处，可对机器人足部的受力数据进行检测，从而机器人可对接触面的情况进行实时检测判断，机器人即可获知接触面的环境情况，可为机器人步态精准、姿态预判、预警、避障和路径规划等提供优化，从而可提升机器人在复杂环境的接触面上的运动能力。

具体地，所述安装单元包括底座和支撑座，所述传感器固定于所述底座上，所述支撑座内设置有收容空间，用于放置所述底座以及多个所述传感器。

在一些实施例中，所述传感器为力传感器，每个所述力传感器的探头穿过所述安装单元的所述支撑件上对应的所述过孔并伸出所述安装单元，当所述接触部受力并发生足够的形变时，所述接触部的内侧会触碰所述支撑件的外侧和/或所述至少一个力传感器。

可选地，所述支撑座包括结构为局部球面且中空的支撑件，所述局部球面的凸起方向为远离所述脚踝单元的方向，所述支撑件的局部球面上的任意一点所在的切面和所述安装单元的连接面所在平面的夹角小于等于90度。

具体地，所述支撑座还包括环状固定件，所述脚踝单元通过紧固件连接所述环状固定件，将所述脚踝单元和所述安装单元固定连接。

在一些实施例中，所述传感器为红外传感器，每个所述红外传感器均设于所述支撑座内，红外传感器的红外线发射端选择性的设于所述过孔位置处，红外传感器发送和接收的红外线可穿过所述过孔。

具体地，所述足部的受力数据包括受力的大小、方向以及力作用在所述接触部的时间。

在一些实施例中，所述脚垫的固定部上设置有卡扣，所述安装单元和/或所述脚踝单元上设置有卡槽，所述卡扣与所述卡槽配合以将所述固定部扣接在所述安装单元和/或所述脚踝单元上。

在一些实施例中，所述脚踝单元还设置有用于将所述传感器的线束引出的过线孔。

根据本发明实施例的机器人，包括上述任一项所述的机器人足部。

根据本发明实施例的机器人，通过设置上述机器人足部，可对机器人足部实时发来的检测数据进行分析，判断出机器人足部的足底姿态，判断机器人足部与接触面的接触位置，接触时间，接触力大小和接触力的方向。从而可对机器人步态精准、姿态预判、预警、避障和路径规划等提供优化，提升机器人在复杂环境的接触面上进行运动的能力。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的机器人足部的轴测图；

图2是是根据本发明实施例的另一个角度的机器人足部的轴测图；

图3是根据本发明实施例的机器人足部的零件爆炸图；

图4是根据本发明实施例的另一个角度的机器人足部的零件爆炸图；

图5是根据本发明实施例的机器人足部的截面图；

图6是根据本发明实施例的机器人足部的脚踝的轴测图；

图7是根据本发明实施例的另一个角度的机器人足部的脚踝的轴测图；

图8是根据本发明实施例的机器人足部的脚垫的轴测图；

图9是根据本发明实施例的机器人足部的上安装座的轴测图；

图10是根据本发明实施例的另一个角度的机器人足部的上安装座的轴测图；

图11是根据本发明实施例的机器人足部的下安装座的轴测图；

图12是根据本发明实施例的另一个角度的机器人足部的下安装座的轴测图；

图13是根据本发明实施例的机器人足部的隐藏脚垫后的轴测图；

图14是根据本发明实施例的另一个角度的机器人足部的隐藏脚垫后的轴测图；

图15是根据本发明实施例的机器人足部的传感器的检测范围示意图；

图16是根据本发明实施例的机器人足部的传感器的检测状态示意图；

图17是根据本发明实施例的机器人足部的传感器的另一个检测状态示意图；

图18是根据本发明实施例的机器人足部的传感器的又一个检测状态示意图。

附图标记：

机器人足部100、

脚踝单元1、容纳槽11、支柱12、过线孔13、

脚垫2、固定部21、卡扣211、接触部22、

安装单元3、底座31、安装脚311、支耳312、支撑座32、支撑件321、过孔322、环状固定件323、透气孔324、支耳限位槽325、卡槽326、

传感器4、力传感器40、探头401、

紧固件5、

接触面200、

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合图1-图18描述根据本发明实施例的机器人足部100。

根据本发明实施例的机器人足部100，包括：脚踝单元1、安装单元3和脚垫2，脚踝单元1与安装单元3固定连接，安装单元3上设有多个传感器4和多个过孔322，传感器4可选择性的设置在对应的过孔322位置处，用于检测足部的受力数据。脚垫2为中空结构且包括：固定部21和接触部22，脚垫3通过固定部21连接于安装单元3和/ 或脚踝单元1，接触部22为弹性件，接触部22的内侧和安装单元3的支撑件321的外侧正对设置并保持一定间隙。

本发明的机器人足部100用于在接触面200上运动，从而带动机器人在非结构化的接触面200上移动。脚踝单元1为连接机器人和机器人足部100的连接件，脚踝单元1 与安装单元3固定连接，提升机器人与机器人足部100的连接强度，并且可起到传动作用，除此之外，脚踝单元1还可以接收来自机器人的信息控制机器人足部100，也可将机器人足部100的信息传递给机器人或控制中心等。

脚垫2为机器人足部100与接触面200的接触部22件，脚垫2包括固定部21和接触部22，固定部21将脚垫2与安装单元3固定连接，或者固定部21也可将脚垫2与脚踝单元1固定连接，提升机器人足部100的连接性，如图1和图2所示，脚垫2、脚踝以及部分安装单元3组成本发明实施例的机器人足部100的整体外观。接触部22用于与接触面200接触，接触部22构造为弹性件可适应多种复杂接触面200情况，提升机器人足部100的功能性，并且弹性构造可在机器人足部100与接触面200接触时，受力形变，增加接触面积，从而提升摩擦力，提升机器人足部100的稳定性。

在安装单元3上设有多个传感器4和多个过孔322，安装单元3对传感器4起到固定和保护作用，传感器4对应设置在过孔322处，传感器4检测机器人足部100的受力数据，安装单元3的支撑件321外侧与接触部22的内侧正对设置，并且具有间隙，安装在安装单元3的传感器4也与脚垫2的接触部22间隔开，传感器4用于检测脚垫2 的接触部22的受力数据。

根据本发明实施例的机器人足部100，通过使用传感器4对应的设置在安装单元3的过孔处322，可对机器人足部100的受力数据进行检测，从而机器人可对接触面200 的情况进行实时检测判断，机器人即可获知接触面200的环境情况，可为机器人步态精准、姿态预判、预警、避障和路径规划等提供优化，从而可提升机器人在复杂环境的接触面200上的运动能力。

在本申请的一些具体实施例中，多个传感器4适于感应接触部22的形变量以来检测足部的受力数据。当接触部22未产生形变时，传感器4与接触部22的间距固定，而如图16-图18所示，当机器人足部100在接触面200上运动时，接触部22受力产生形变，传感器4与接触部22之间的间距也改变，传感器4可通过感应传感器4与接触部 22之间的间距改变情况，也就是通过感应接触部22的形变量来检测足部的受力数据。机器人可根据机器人足部100的受力数据进行分析，从而可对接触面200的情况进行实时检测判断，机器人即可获知接触面200的环境情况，可为机器人步态精准、姿态预判、预警、避障和路径规划等提供优化，从而可提升机器人在复杂环境的接触面200上进行运动能力。

在本申请的一些具体实施例中，如图15所示，每个传感器4在脚垫2上具有对应的检测区域，通过将传感器4均布，传感器4的检测范围基本覆盖脚垫2的全部面积，提高传感器4的检测准确性。相比于采用多个传感器4均布的检测方式，本申请实施例的传感器4对应的检测区域较大，可在不降低检测灵敏度的情况下，减少传感器4的布置数量，降低制造成本。

具体地，如图3和图4所示，安装单元3包括底座31和支撑座32，传感器4固定于底座31上，支撑座32内设置有收容空间，用于放置底座31以及多个传感器4。传感器4与底座固定连接，并且传感器4位于支撑座32的收容空间内，底座31设置在支撑座32上时可对传感器4起到保护作用，传感器4安全性提升。

在一些具体实施例中，如图3和图9所示，支撑座32上设置有由多个过孔322，底座31设置在支撑座32上，底座31上设置有多个安装脚311，传感器4对应固定设置在安装脚311上，底座31放置在支撑座32上时，设置在安装脚311上的传感器4穿过支撑座32上的过孔322。

在本发明的一些具体实施例中，如图10和图12所示，底座31上设置有支耳312，支撑座32上设置有与支耳312对应的支耳限位槽325，支耳312与支耳限位槽325可提升支撑座32和底座31的稳定性，并且可对安装方向进行限位，避免安装错位，除此之外，支耳312和支耳限位槽325还可限制底座31和支撑座32的安装间距，提升位于收容空间的传感器4的安全性。

在一些实施例中，如图5所示，传感器4为力传感器40，每个力传感器40的探头 401穿过安装单元3的支撑件321上对应的过孔322并伸出安装单元3，当接触部22受力并发生足够的形变时，接触部22的内侧会触碰支撑件321的外侧和/或至少一个力传感器40。

如图16-图18所示，传感器4为力传感器40，用于感应接触力的大小，力传感器 40的探头穿过过孔322，当机器人足部100在接触面200上运动时，接触部22受力产生形变，当接触部22产生的形变量足够时，会接触到一个或多个力传感器40，接触部 22会传递给力传感器40一个接触力，一个或多个力传感器40即可感应到不同大小、方向的接触力，从而可检测足部的受力数据。

可选地，支撑座32包括结构为局部球面且中空的支撑件321，局部球面的凸起方向为远离脚踝单元的方向，支撑件321的局部球面上的任意一点所在的切面和安装单元3 的连接面所在平面的夹角小于等于90度。

如图3所示，可以理解的是，接触部22为中空的球面，接触部22球面的凸起方向为远离脚踝单元1的方向，相比于其他构造的脚垫2，具有球面接触部22的脚垫2在产生形变时变化均匀，便于传感器4检测。而将支撑件321布置为局部球面结构，传感器 4与接触部22的间距较为均匀，这种设计方式可提升传感器4的检测准确性，提升数据精度。

具体地，如图4所示，支撑座32还包括环状固定件323，脚踝单元1通过紧固件5 连接环状固定件323，将脚踝单元1和安装单元3固定连接。

可选地，如图3所示，脚踝单元1上设置有用于容纳紧固件5的至少部分的容纳槽11。

具体地，紧固件5为螺钉，容纳槽11位于脚踝单元1的外侧，螺钉穿过容纳槽11 内的安装孔，将环状固定件323连接，从而将脚踝单元1和安装单元3固定连接，提升机器人足部100的安装稳定性。

在本发明的一些具体实施例中，如图6和图7所示，脚踝单元1内部设置有支柱12，支柱12为特殊排布，支柱12与底座31上的支耳312相互配合，提升脚踝与安装单元3 的连接稳固性，还可对安装方向进行限位，避免脚踝与安装单元3的安装方向错误。

在一些实施例中，传感器4为红外传感器，每个红外传感器均设于支撑座32内，红外传感器的红外线发射端选择性的设于过孔位置处，红外传感器发送和接收的红外线可穿过过孔。

传感器4为红外传感器，用于感应接触部22的形变量，红外传感器均设于支撑座32内，红外传感器的红外线发射端不必穿过过孔，可提高红外传感器的安全性，当机器人足部100在接触面200上运动时，接触部22受力产生形变，红外传感器发送的红外线从过孔穿过，触碰到接触部后反射通过过孔被红外传感器接受，红外传感器即可感应到接触部22的形变量，从而可检测足部的受力数据。

具体地，足部的受力数据包括受力的大小、方向以及力作用在接触部的时间。

当机器人足部100在接触面200上运动时，接触部22受力产生形变，传感器4与接触部22之间的间距也改变，多个传感器4适于感应接触部22的形变量以来检测足部的受力数据。由于接触面200的结构不同，接触面200与脚垫2接触的作用方向也不同，脚垫2会在不同位置产生不同程度的形变，足部数据包括受力的大小、方向以及力作用在接触部的时间，也就是说传感器4可检测出机器人足部100与接触面的的接触位置，接触力大小、接触力的方向和力作用在接触部的时间，而当机器人足部100移动，接触面200对脚垫2产生的形变改变，传感器4也实时感应形变量变化，从而可对接触面200 的情况进行实时检测判断，机器人即可获知接触面200的环境情况，可为机器人步态精准、姿态预判、预警、避障和路径规划等提供优化，从而可提升机器人在复杂环境的接触面200上进行运动能力。

在一些实施例中，脚垫2的固定部21上设置有卡扣211，安装单元3和/或脚踝单元1上设置有卡槽326，卡扣211与卡槽326配合以将固定部21扣接在安装单元3和/ 或脚踝单元1上。

在本发明的一些具体实施例中，如图8和图11所示，脚垫2为中空的球面，接触部22球面的凸起方向为远离脚踝单元1的方向，固定部21上设置有卡扣211，在安装单元3的支撑座32上设置有卡槽326，卡扣211与卡槽326配合，从而将脚垫2与安装单元3扣接固定。

可以理解的是，在另一些实施例中，在脚踝单元1上设置有卡槽326，卡扣211与卡槽326配合，从而将脚垫2与脚踝单元1扣接固定。

在一些实施例中，如图6所示，脚踝单元1还设置有用于将传感器4的线束引出的过线孔13。

传感器4在检测足部的受力数据后，将数据通过线束发送给机器人的控制中心，控制中心通过数据分析即可判断出机器人足部100的足底姿态，可检测出机器人足部100 的接触位置，接触时间，接触力大小和接触力的方向，过线孔用于将线束引出。

在本发明的一些具体实施例中，如图6和图7所示，脚踝单元1内部设置有支柱12，支柱12为特殊排布，支柱12与底座31上的支耳312相互配合，提升脚踝与安装单元3 的连接稳固性，还可对安装方向进行限位，避免脚踝与安装单元3的安装方向错误。

在一些具体实施例中，如图16-图18所示，支撑座32与接触部22的至少部分间隔开以形成间隙，支撑座32上还设置有与间隙连通的透气孔324。这种设计方式便于脚垫 2在与接触面200接触受力时产生形变，避免支撑座32对脚垫2产生限位，脚垫2有足够的形变空间可提升机器人足部100的运动稳定性，并且可提升传感器4对脚垫2的检测精度，从而提升传感器4的检测准确性，提升数据精度。在一些具体实施例中，透气孔324在支撑座32上周向均匀且间隔分布，且位于过孔322的相对内侧。

下面描述根据本发明实施例的机器人。

根据本发明实施例的机器人，包括上述任一项所述的机器人足部100。

根据本发明实施例的机器人，通过设置上述机器人足部100，可对机器人足部100实时发来的检测数据进行分析，判断出机器人足部100的足底姿态，判断机器人足部100 与接触面200的接触位置，接触时间，接触力大小和接触力的方向。从而可对机器人步态精准、姿态预判、预警、避障和路径规划等提供优化，提升机器人在复杂环境的接触面200上进行运动的能力。

下面详细描述本发明的机器人足部100的一个具体实施例。

机器人足部100，包括：脚踝单元1、脚垫2、安装单元3和力传感器40，脚踝单元1外侧设置有容纳槽11，螺钉穿过容纳槽11内的安装孔与安装单元3连接固定，脚垫2为中空结构，脚垫2包括：固定部21和接触部22，固定部21上设置有卡扣211，在安装单元3的支撑座32上设置有卡槽326，卡扣211与卡槽326配合，从而将脚垫2 与安装单元3扣接固定，接触部22为中空的球面，接触部22球面的凸起方向为远离脚踝单元1的方向。

安装单元3包括：底座31和支撑座32，底座31放置在支撑座32上，底座31上设置有多个安装脚311，支撑座32包括结构为局部球面且中空的支撑件321，支撑件321 上设置有多个过孔322，局部球面的凸起方向为远离脚踝单元1的方向，多个力传感器 40对应设置在安装脚311上，底座31放置在支撑座32上时，设置在安装脚311上的力传感器40的探头401穿过支撑座32上的过孔322，支撑座32还包括环状固定件323，脚踝单元1通过螺钉连接环状固定件323，将脚踝单元1和安装单元3固定连接。

脚垫2的接触部22构造为弹性件，接触部22与支撑座32正对设置，当脚垫2与接触面200接触时，接触部22会受力产生形变，力传感器40构造为多个且多个力传感器40设置在安装单元3上力传感器40的探头401穿过支撑座32上的过孔322，多个力传感器40正对脚垫2设置均匀且间隔布置，每个力传感器40在脚垫2上都设置有对应的检测区域，通过将力传感器40均布，力传感器40的检测范围基本覆盖脚垫2的全部面积，当机器人足部100在接触面200上运动时，脚垫2受力产生形变，当接触部22 产生的形变量足够时，会接触到一个或多个力传感器40，接触部22会传递给力传感器 40一个接触力，一个或多个力传感器40即可感应到不同大小、方向的接触力，从而可判断出接触部22的形变量为判断机器人足部100的足底姿态提供数据。

而当机器人足部100移动，接触面200对脚垫2产生的形变改变，力传感器40也实时感应检测区域的形变量变化，从而可对接触面200的情况进行实时检测判断，机器人即可获知接触面200的环境情况，可为机器人步态精准、姿态预判、预警、避障和路径规划等提供优化，从而可提升机器人在复杂环境的接触面200上进行运动能力。

底座31上设置有支耳312，支撑座32上设置有与支耳312对应的支耳限位槽325，支耳312与支耳限位槽325可提升支撑座32和底座31的稳定性，并且可对安装方向进行限位，避免安装错位，限制底座31和支撑座32的安装间距，提升位于安装空间的力传感器40的安全性。脚踝单元1内部还设置有支柱12，支柱12与安装单元3上的支耳 312相互配合，提升脚踝单元1与安装单元3的连接稳固性。支撑座32与脚垫2的至少部分间隔开以形成间隙，支撑座32上还设置有与间隙连通的透气孔324。

根据本发明实施例的机器人足部100的其他构成例如脚踝1和控制中心等以及操作对于本领域普通技术人员而言都是已知的，这里不再详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“周向”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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种机器人足部，其特征在于，包括：

脚踝单元、安装单元及脚垫；

所述脚踝单元与所述安装单元固定连接，所述安装单元上设有多个传感器和多个过孔，所述传感器可选择性的设置在对应的所述过孔位置处，用于检测足部的受力数据；

所述脚垫为中空结构且包括：固定部和接触部，所述脚垫通过所述固定部连接于所述安装单元和/或所述脚踝单元，所述接触部为弹性件，所述接触部的内侧和所述安装单元的支撑件的外侧正对设置并保持一定间隙。

2.根据权利要求1所述的机器人足部，其特征在于，所述安装单元包括底座和支撑座，所述传感器固定于所述底座上，所述支撑座内设置有收容空间，用于放置所述底座以及多个所述传感器。

3.根据权利要求1所述的机器人足部，其特征在于，所述传感器为力传感器，每个所述力传感器的探头穿过所述安装单元的所述支撑件上对应的所述过孔并伸出所述安装单元，当所述接触部受力并发生足够的形变时，所述接触部的内侧会触碰所述支撑件的外侧和/或所述至少一个力传感器。

4.根据权利要求2所述的机器人足部，其特征在于，所述支撑座包括结构为局部球面且中空的支撑件，所述局部球面的凸起方向为远离所述脚踝单元的方向，所述支撑件的局部球面上的任意一点所在的切面和所述安装单元的连接面所在平面的夹角小于等于90度。

5.根据权利要求2所述的机器人足部，其特征在于，所述支撑座还包括环状固定件，所述脚踝单元通过紧固件连接所述环状固定件，将所述脚踝单元和所述安装单元固定连接。

6.根据权利要求1所述的机器人足部，其特征在于，所述传感器为红外传感器，每个所述红外传感器均设于所述支撑座内，红外传感器的红外线发射端选择性的设于所述过孔位置处，红外传感器发送和接收的红外线可穿过所述过孔。

7.根据权利要求1中任一项所述的机器人足部，其特征在于，所述足部的受力数据包括受力的大小、方向以及力作用在所述接触部的时间。

8.根据权利要求1所述的机器人足部，其特征在于，所述脚垫的固定部上设置有卡扣，所述安装单元和/或所述脚踝单元上设置有卡槽，所述卡扣与所述卡槽配合以将所述固定部扣接在所述安装单元和/或所述脚踝单元上。

9.根据权利要求2所述的机器人足部，其特征在于，所述脚踝单元还设置有用于将所述传感器的线束引出的过线孔。

10.一种机器人，其特征在于，包括权利要求1-9中任意一项所述的机器人足部。

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