CN117141613A - 触地感知变阻尼缓冲足部装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了触地感知变阻尼缓冲足部装置，包括主体支撑件和柔性足底，主体支撑件的两端分别设有滑道，每个滑道内可滑动装有滑块部件，滑道的顶部固定连接弹簧盖；滑块部件包括外滑块，外滑块可滑动套装在滑道内，外滑块的上部外壁与滑道内壁接触，且在外滑块接触处的外壁上沿周向设有励磁线圈和磁流变液；在外滑块中间位置沿轴向开有通孔，该通孔内自下往上依次可滑动装有内滑块、磁铁和内弹簧，内滑块的底部延伸出外滑块，通孔外部的绝缘盖与外大滑块的上表面固定连接，在绝缘盖的上部装有检测线圈，且检测线圈与内弹簧顶部相接触；柔性足底设于主体支撑件底部；本申请利用双行程结构实现触地信号的检测与缓冲结构的融合。
Description
技术领域
本发明涉及双足仿人机器人领域，尤其涉及一种触地感知变阻尼缓冲足部装置。
背景技术
仿人机器人是具有人类外形，如双手、双足、躯干和头部等特征的智能机器人，也成为人们想象中代表机器人的具体形式，它可以实现类人的灵巧行走动作，使用人类的工具，对未知环境的适应能力强，大大减少专用机器人需要对环境改造的成本，同时代替人工劳动完成更加复杂工作任务等。仿人机器人是集多门基础学科技术于一体，配合仿生学、控制理论及人工智能等学科发展的综合性应用平台系统，高级创新性密集的机电一体化平台可以评价国家科技发展水平。近年来，仿人机器人在结构、驱动和控制的研究更加依赖人类仿生学基础理论，而反过来仿人机器人的研究也同时展示出人类运动的一般规律，相互之间的促进对特殊人群的服务和提高人类生活水平具有极其重要的作用。所以，仿人机器人具有重要的研究意义与应用价值。
早期，仿人机器人的运动控制是采用离线轨迹规划与在线稳定调节实现准静态行走，即每一时刻机器人的压力中心点(Center of Pressure)都处于支撑平面内(支撑脚底形成的支撑多边形区域)，这样的运动轨迹中支撑腿与摆动腿的切换早已设定好，所以鲁棒性不强并且运动速度不快。为实现高速强稳定性运动，仿人机器人的控制必须从高动态运动出发考虑，此时脚与地面的接触状态的判断显得尤为重要。
仿人机器人在动态行走过程中，需要实时检测双腿与地面的接触状态，从而根据当前机器人状态参数控制下一周期的运动规划。例如机器人腿在空中摆动时，脚与地面无接触，当检测到脚末端与地面发生接触时，算法会使摆动腿执行支撑腿功能的特定轨迹，而上一时刻的支撑腿即在此刻变为摆动腿。所以摆动腿的接触检测决定着机器人运动决策算法的执行。
在实现脚接触检测方法中，主要可以分为基于多维力传感器、或基于触底开关两种。如中国发明专利CN201780029305.7提供一种接触检测装置，该接触装置有形成为特定形状的基材和由发泡合成树脂削出特定的形状的发泡合成树脂体构成，在所述基材与发泡合成树脂体之间的单侧或两侧形成容积空间，根据该容积空间的空气变化由称作气流传感器的传感器对向特定的面施加了外力的情况进行检测，特别时涉及二维、三维的接触检测装置；但是构型复杂，需要更复杂的传感器检测，涉及额外的电路设计。在国际期刊论文《Dynamic Locomotion For Passive-Ankle Biped Robots And Humanoids Using Whole-Body Locomotion Control》(DOI:10.1177/ToBeAssigned)中作者为机器人设计了一种异形开关实现接触检测，其可以实现较大范围的接触检测，但局限了脚底的形状并且随着支撑腿的摆动会发生不接触的情况，所以使用范围局限；国外博士论文《ExploitingInherent Robustness and Natural Dynamics in the Control of Bipedal WalkingRobots》中机器人的脚部设计引入了更复杂的机械结构；博士论文《Humanoid RobotDynamic Synchronization via Whole-Body Teleoperation with Bilateral Feedback》中也有针对点足机器人设计的接触检测装置，将四个一维力传感器阵列外面使用橡胶半球体保护，电路的设计与程序上的传感器数据处理增加了装置的复杂性。
然而现有技术的缺点主要为：多采取传感器与电路形式造价昂贵；传感集成度低，无法与缓冲性兼顾；无法提前在碰撞前进行感知；缓冲参数不可调控等。
发明内容
为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了一种触地感知变阻尼缓冲足部装置，利用双行程结构，实现触地信号的检测与缓冲结构相融合；在第一行程利用法拉第效应进行检测，第二行程通过大弹簧进行缓冲，并通过磁流变效应实现阻尼力调节，并将该双行程机构布置于前足与后足，行程整个足底的触底检测与缓冲的集成。
本发明所采用的技术方案如下：
触地感知变阻尼缓冲足部装置，包括：
主体支撑件，所述主体支撑件的中部用于与仿人机器人的踝部关节连接；所述主体支撑件的两端分别设有1个滑道，每个所述滑道内可滑动装有滑块部件，所述滑道的顶部固定连接弹簧盖；所述滑块部件包括外滑块，所述外滑块可滑动套装在滑道内，所述外滑块的上部外壁与滑道内壁接触，且在外滑块接触处的外壁上沿周向设有励磁线圈和磁流变液；在所述外滑块中间位置沿轴向开有通孔，该通孔内自下往上依次可滑动装有内滑块、磁铁和内弹簧，所述内滑块的底部延伸出外滑块，在该通孔外部设有绝缘盖，绝缘盖与外大滑块的上表面固定连接，在绝缘盖的上部装有检测线圈，且检测线圈与内弹簧顶部相接触；所述检测线圈和励磁线圈信号连接控制单元；
设于主体支撑件底部的柔性足底，所述柔性足底与滑道相对处设有滑块部件安装凹槽，所述滑块部件安装凹槽向外部突出，内滑块的底部、外滑块的底部自下往上依次与滑块部件安装凹槽接触。
进一步，所述滑块部件与滑道底部内壁接触处沿周向设有3层环形槽，中间环形槽内装有励磁线圈并填充磁流变液；两侧环形槽内分别装有密封圈。
进一步，所述密封圈采用丁腈橡胶。
进一步，所述外弹簧刚度大于内弹簧。
进一步，所述柔性足底采用橡胶材料制成，底部还设有防滑纹理。
进一步，主体支撑件的顶部设有外壳，所述外壳采用硬质橡胶或塑料材质。
进一步，所述外滑块、内滑块、绝缘盖均采用绝缘材料制成。
进一步，所述主体支撑件和弹簧盖均采用铝合金材料制成。
进一步，所述励磁线圈为多圈绕组的漆包线，且在励磁线圈的外圈设有线圈套。
进一步，所述检测线圈采用铜质材料制成。
本发明的有益效果：
(1)本发明所设计的触地感知变阻尼缓冲足部装置具有两级行程，在第一级行程中，通过法拉第效应进行触地检测，在第二级行程中通过磁流变效应调节阻尼力，进行缓冲以及柔性支撑；故实现仿人机器人足部检测与缓冲有机结合。
(2)本发明提出的双足结构前后对称布置，保证了一定支撑性的同时，提高了足部的柔顺缓冲能力与触地检测性能。
(3)本发明所设计的触地感知变阻尼缓冲足部装置能够克服传统缓冲装置的运动不灵活、结构不够紧凑等问题。该装置能够在撞击之前检测足部触地信息，并具备一定的变阻尼缓冲性能，吸收机器人行走奔跑过程中与地面的冲击力，提高了机器人在复杂环境下运动时的感知与适应能力。
附图说明
图1是本发明触地感知变阻尼缓冲足部装置爆炸图；
图2是本发明触地感知变阻尼缓冲足部装置剖视图；
图3是本发明触地感知变阻尼缓冲足部装置中主体支撑件结构示意图；
图4是本发明触地感知变阻尼缓冲足部装置中滑块部件结构示意图；
图5中，a、b均是本发明触地感知变阻尼缓冲足部装置中检测线圈结构示意图；
图6是本发明触地感知变阻尼缓冲足部装置中柔性足底结构示意图；
图7是本发明触地感知变阻尼缓冲足部装置中内滑块结构示意图；
图中，1、外壳，2、弹簧盖，3、滑块部件，4、主体支撑件，5、柔性足底，6、踝足固定法兰，7、弹簧盖法兰，8、导向台，9、外壳安装孔，10、滑道，11、导向槽，3a、外弹簧，3b、检测线圈，3c、密封圈，3d、线圈套，3e、励磁线圈，3f、绝缘盖，3g、内弹簧，3h、磁铁，3i、外滑块，3j、内滑块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本申请所设计的触地感知变阻尼缓冲足部装置其结构如图1所示，包括自下往上依次布置的外壳1、主体支撑件4和柔性足底5；外壳1通过连接件(如螺栓等)与主体支撑件4上的外壳安装孔9连接，实现外壳1与主体支撑件4之间的固定连接。主体支撑件4和柔性足底5之间通过相应的结构设计相互卡合，或采用粘合剂直接粘连或其他连接方法。主体支撑件4的中部设有踝足固定法兰6，用于与仿人机器人足部力传感器连接。
如图3所示，主体支撑件4的两端分别设有一个滑道10，每个滑道10内设有一组滑块部件3，滑块部件3在滑道10内可沿轴向上下移动。更具体地，滑道10呈筒状，且在滑道10的顶部端面沿周向设置弹簧盖法兰7，弹簧盖法兰7与弹簧盖2之间通过螺钉固定连接，故弹簧盖2将滑块部件3限制在相应的滑道10内。
如图2、4、5、7所示，滑块部件3包括内滑块3j、外滑块3i、磁铁3h、内弹簧3g、绝缘盖3f、励磁线圈3e、线圈套3d、检测线圈3b、外弹簧3a；更具体地，外滑块3i中间位置沿轴向开有通孔，该通孔内自下往上依次装有内滑块3j、磁铁3h和内弹簧3g，并在该通孔外部设有绝缘盖3f，绝缘盖3f通过螺钉与外大滑块3i的上表面固定连接。在绝缘盖3f的上部装有检测线圈3b，检测线圈3b同样可以利用螺钉一并与绝缘盖3f、外滑块3i之间固定连接，检测线圈3b与内弹簧3g的顶部相互接触。励磁线圈3e和检测线圈3b均通过信号线与控制单元连接，用于监测信号与控制信号的传输。
滑块部件3上部外壁与滑道10底部的部分内壁之间相互接触，故在滑块部件3该处外壁的周向设有3层环形槽，中间环形槽内装有励磁线圈3e并填充磁流变液；两侧环形槽内分别装有密封圈3c。
在外滑块3i与滑道10之间的腔体内，即检测线圈3b的上部设有外弹簧3a，外弹簧3a的顶部与弹簧盖2接触，外弹簧3a刚度大于内弹簧3g。
柔性足底5采用回弹性好、耐磨性高的橡胶材料，在脚触底是快速发生形变，并将变化传递到内部的滑块部件3。柔性足底5与滑道10相对处设有滑块部件安装凹槽，滑块部件安装凹槽向外部突出，内滑块3j的底部、外滑块3i的底部自下往上依次与滑块部件安装凹槽接触，作为滑块部件3的活动空间。
柔性足底5的中部设有防滑纹理。
在本实施例中，内弹簧3g、外弹簧3a的材质均为合金钢弹簧，能够提供较好的弹性效果和较高的弹性寿命。
外滑块3i、内滑块3j、绝缘盖3f均为塑料类绝缘材料需要具有较高的机械强度也需要一定的耐磨性，包括但不限于尼龙、pom、ABS等。
检测线圈3b为铜质，通过螺钉固定于绝缘盖3f上。
密封圈3c采用丁腈橡胶。
主体支撑件4以及弹簧盖2为铝合金材料，具有较好机械强度和隔磁性能。
励磁线圈3e为多圈绕组的漆包线，为了避免线圈磨损，在励磁线圈3e的外圈设有线圈套3d，线圈套3d为导体材质。
外壳1采用硬质橡胶或塑料材质，用于绝缘、防尘、防水。
以下结合触地感知变阻尼缓冲足部装置的工作过程，作进一步说明：
当足部刚着地时，柔性足底5先推动内滑块3j、磁铁3h向上移动，同时内弹簧3g先被压缩；在这一阶段，由于接触力较小，且外弹簧3a刚度大于内弹簧3g，故此时外弹簧3a未被压缩。在该阶段，磁铁3h随着内滑块3j向上移动时，磁铁3h移动产生变化的磁场，检测线圈3b通过感应电流检测到磁场变化，形成触地检测信号。
随着接触力的不断增大，内滑块3j被压缩至最深处时，其底部与外滑块3i的底部齐平，此时外滑块3i的底部成为与柔性足底5接触的主要部位；随着外滑块3i继续内缩，使得外弹簧3a被压缩，形成冲击力的吸收，同时，位于外滑块3i外围的励磁线圈3e通过控制器产生励磁电流，励磁线圈3e能够形成垂直于滑道10内圆柱面的放射状磁场，因此能产生磁流变效应，即使得线圈套3d与滑道10内表面的磁流变液屈服，进而通过控制屈服强度，进而能够控制线圈套3d与滑道10的阻尼力作用，形成可控的冲击吸收耗散能力，由此实现足部的接触检测与冲击缓冲。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.触地感知变阻尼缓冲足部装置，其特征在于，包括：
主体支撑件(4)，所述主体支撑件(4)的中部用于与仿人机器人的踝部关节连接；所述主体支撑件(4)的两端分别设有1个滑道(10)，每个所述滑道(10)内可滑动装有滑块部件(3)，所述滑道(10)的顶部固定连接弹簧盖(2)；所述滑块部件(3)包括外滑块(3i)，所述外滑块(3i)可滑动套装在滑道(10)内，所述外滑块(3i)的上部外壁与滑道(10)内壁接触，且在外滑块(3i)接触处的外壁上沿周向设有励磁线圈(3e)和磁流变液；在所述外滑块(3i)中间位置沿轴向开有通孔，该通孔内自下往上依次可滑动装有内滑块(3j)、磁铁(3h)和内弹簧(3g)，所述内滑块(3j)的底部延伸出外滑块(3i)，在该通孔外部设有绝缘盖(3f)，绝缘盖(3f)与外大滑块(3i)的上表面固定连接，在绝缘盖(3f)的上部装有检测线圈(3b)，且检测线圈(3b)与内弹簧(3g)顶部相接触；所述检测线圈(3b)和励磁线圈(3e)信号连接控制单元；
设于主体支撑件(4)底部的柔性足底(5)，所述柔性足底(5)与滑道(10)相对处设有滑块部件安装凹槽，所述滑块部件安装凹槽向外部突出，内滑块(3j)的底部、外滑块(3i)的底部自下往上依次与滑块部件安装凹槽接触。
2.根据权利要求1所述的触地感知变阻尼缓冲足部装置，其特征在于，所述滑块部件(3)与滑道(10)底部内壁接触处沿周向设有3层环形槽，中间环形槽内装有励磁线圈(3e)并填充磁流变液；两侧环形槽内分别装有密封圈(3c)。
3.根据权利要求2所述的触地感知变阻尼缓冲足部装置，其特征在于，所述密封圈(3c)采用丁腈橡胶。
4.根据权利要求1所述的触地感知变阻尼缓冲足部装置，其特征在于，所述外弹簧(3a)刚度大于内弹簧(3g)。
5.根据权利要求1所述的触地感知变阻尼缓冲足部装置，其特征在于，所述柔性足底(5)采用橡胶材料制成，底部还设有防滑纹理。
6.根据权利要求1所述的触地感知变阻尼缓冲足部装置，其特征在于，主体支撑件(4)的顶部设有外壳(1)，所述外壳(1)采用硬质橡胶或塑料材质。
7.根据权利要求1所述的触地感知变阻尼缓冲足部装置，其特征在于，所述外滑块(3i)、内滑块(3j)、绝缘盖(3f)均采用绝缘材料制成。
8.根据权利要求1所述的触地感知变阻尼缓冲足部装置，其特征在于，所述主体支撑件(4)和弹簧盖(2)均采用铝合金材料制成。
9.根据权利要求1所述的触地感知变阻尼缓冲足部装置，其特征在于，所述励磁线圈(3e)为多圈绕组的漆包线，且在励磁线圈(3e)的外圈设有线圈套(3d)。
10.根据权利要求1所述的触地感知变阻尼缓冲足部装置，其特征在于，所述检测线圈(3b)采用铜质材料制成。
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2023
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