CN1676187A

CN1676187A - 人形机器人

Info

Publication number: CN1676187A
Application number: CNA2005100697276A
Authority: CN
Inventors: 利奥尼德·马斯洛夫; 孙荣; 郭朱泳
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: KR20050096603A; JP2005288690A; CN100551473C; US20050230159A1; KR100571839B1; US7303031B2; JP4580265B2

Abstract

本发明提出了一种具有双腿并能直立行走的人形机器人。每条腿均包括一只脚，该脚包括在其上面安装有踝关节且与人脚类似的上板以及下板，下板结合于上板的下表面上并具有多个接触地面并彼此分离的接触部。

Description

人形机器人

技术领域

本发明涉及机器人，特别是涉及一种具有双腿并能直立行走的人形机器人。

背景技术

在机器人领域，机器人脚必须具备的一个重要条件就是在其与地面接触时应与地面产生有效的交互作用。当机器人脚的跟部接触地面时会产生冲击，该冲击通过机器人的脚踝传递到机器人的躯体。这种冲击可能破坏机器人的动平衡，使机器人的行走变得不稳定。同时，机器人脚跟接触地面所产生的冲击也可能造成机器人脚步的摆动，这种摆动传递到机器人的躯体，会使机器人的控制变得困难。

另一个涉及到机器人行走的问题就是地面上存在的一些小障碍物以及真实环境中的活动区域不如二维平面那样平坦，这些信息不能够被机器人的视觉系统识别，没有包含在机器人的控制中。

因此，由于这些障碍物和不平坦区域的存在，机器人脚蹬在一个不同于初始计算的位置上(初始计算时是没有考虑上面这些因素的)。结果，机器人行走变得不稳定，运动不连续。

大家都熟悉的人形机器人，比如P2、HRP或者WABIAN，它们都具有一个由弹性接合器连接的两块金属板构成的脚。这些人形机器人脚的缓冲件由四个插入导轨的橡胶衬套构成，当力从基板传递到四个橡胶衬套时，四个橡胶衬套在垂直方向上产生弹性变形。此外，四个橡胶衬套起着机械低通滤波的作用，这样可防止在对机器人腿的顺应性控制中脚所产生的摆动。

然而，由于上面提到的传统机器人脚具有固定的刚度，因此当其蹬在地面上或离开地面时非常困难。而且，机器人脚对存在于地面上的小障碍物或不平区域非常敏感，换句话说，机器人对地面上存在的小障碍物或不平区域的适应能力很差。

发明内容

为了解决上述的或其它的问题，本发明提出了一种人形机器人脚，其可使机器人行走更平稳，同时通过提高机器人的静平衡和动平衡从而确保了机器人的静平衡和动平衡并提高了机器人的稳定性。

根据本发明的一个方面，本发明提出了一种具有双腿并能直立行走的人形机器人，其中每条腿均包括一个脚，该脚包括：上板，在其上面安装有踝关节，且该上板与人脚类似；以及下板，其固定于上板的下表面上并具有多个接触地面并彼此分离的接触部。

上板可以是具有一定硬度的金属板或非金属板。

下板可包括：具有第一弹性的弹性板，其整个上表面接触上板的下表面；以及具有第二弹性的第一到第三接触部，这些接触部从弹性板的下表面突出并接触地面。

第一和第二弹性可以彼此相同也可以彼此不同。

弹性板和第一到第三接触部可为单一体。

根据本发明的另一方面，下板可包括：弹性板，其整个上表面接触上板的下表面；以及具有预定弹性的第一到第三接触部，这些接触部从弹性板的下表面突出并接触地面。其中，弹性板可由多个独立体构成。有些独立体的弹性不同于其它独立体的弹性。

弹性板可包括：第一片，其下表面结合于第一接触部；第二片，其下表面结合于第二接触部；第四片，其下表面结合于第三接触部；以及第三片，其位于第一片、第二片及第三片之间。

第一接触部和第一片、第二接触部和第二片、以及第三接触部和第四片都可为单一体。

第一片、第二片及第四片的弹性不同于第三片。

根据本发明的又一方面，下板可包括：第一片，其上表面结合于上板的下表面，其下表面接触地面；第二片，其上表面结合于上板的下表面，其下表面接触地面，并与第一片分开；以及第三片，其上表面结合于上板的下表面，其下表面接触地面，并与第一片、第二片分开。其中第一到第三片都是由多种具有不同弹性的材料层依次层叠在一起。

此外，第一片可包括第一接触部和第一结合部，其中第一接触部接触地面，第一结合部结合于上板的下表面；第二片包括第二接触部和第二结合部，其中第二接触部接触地面，第二结合部结合于上板的下表面；第三片包括第三接触部和第三结合部，其中第三接触部接触地面，第三结合部结合于上板的下表面。

此外，第一到第三结合部可分别只位于第一到第三接触部的预定区域上，这样在上板和第一到第三结合部之间存在有空间。

弹性板可以是热塑性橡胶板。

第一到第三结合部可以是热塑性橡胶板。

附图说明

通过结合附图详细描述优选实施例，本发明上面及其它的特点和优点将变得显而易见，其中：

图1是本发明一个实施例中能直立行走的人形机器人的下肢前视图；

图2是图1所示机器人脚的透视图；

图3是图2所示机器人脚从上侧看时的分解透视图；

图4是图2所示机器人脚从底部看时的分解透视图；

图5是构成图3所示机器人脚的元件之一的底板的侧视图；

图6是本发明第二实施例的机器人脚的下板的平面图；

图7是图6所示机器人脚的透视图，其中图3所示上板安装在图6所示下板上；

图8是本发明第三实施例的机器人脚的下板的透视图；

图9是图8所示机器人脚的透视图，其中图3所示上板安装在图8所示下板上；

图10是本发明第四实施例的机器人脚的下板的透视图；

图11是图10所示机器人脚的透视图，其中图3所示上板安装在图10所示下板上；

图12和13是图1所示人形机器人在移动一步时所测量的零转矩点(ZMP)的轨迹曲线图，其中零转矩点是指人形机器人转矩为零的那一点；

图14是图1所示人形机器人在移动一步过程中安装在机器人左腿上的六个致动器的运动变化曲线图；

图15是图1所示人形机器人在移动一步过程中安装在机器人右腿上的六个致动器的运动变化曲线图；

图16是图1所示人形机器人在行走过程(即机器人向前移动一步)中的机器人左右脚质心、机器人腰部质心、以及机器人质心沿Z轴方向的轨迹变化曲线图；

图17是图1所示人形机器人在向前移动一步过程中其左右脚质心沿垂直地面的方向(也就是垂直于Z-X平面的Y轴方向)的轨迹变化曲线图；

图18是图1所示人形机器人在向前移动一步过程中其腰部质心和机器人质心沿X轴方向的轨迹变化曲线图，该图显示了当机器人向前移动一步时其在左右方向移动了多少；

图19是图1所示人形机器人当其从离地面预定高度(比如离地面10mm高度)蹬向地面时，左脚质心沿Y轴方向的垂直位移曲线图；

图20是当机器人行走时施加于图1所示人形机器人脚部的应力的曲线图，该机器人具有图6所示机器人脚的下板。

具体实施方式

参考图1，本发明第一实施例的人形机器人其下部躯体10包括双腿12和14以及腰部11。双腿12和14分别包括大腿16和18、小腿20和22、脚踝24和26、以及脚30和31。由于腿12和14以及脚30和31都是完全一样并且对称形成的，因此下面只描述机器人一侧的腿或脚。

参考图2，本发明第一实施例的人形机器人脚30包括上板32和下板34。上板32安装在下板34上。上板32上安装有一个6-轴力传感器。机器人的脚踝26固定在上板32上。上板32可以使用与形成机器人框架相同的材料或不同的材料形成。

例如，上板32可以是金属扳，比如铝合金板，或具有一定硬度的非金属扳，比如塑料板。下板34包括一个可以缓减冲击的特殊热塑性橡胶板。橡胶板作为缓冲件起作用，其可以吸收机器人脚30蹬在地面时产生的冲击。例如，当组成下板34的热塑性橡胶的弹性模量大约为2MPa时，机器人脚30的平均硬度可达到大约5,000N/mm。

下板34包括：具有预定厚度的橡胶板34a，其结合于上板32的下表面；以及第一到第三接触部34b、34c、34d，它们位于橡胶板34a的底面并与地面实际接触(参考图4)。第一到第三接触部34b、34c、34d从橡胶板34a的下底面向下突出一预定厚度，如图4所示。由于在第一到第三接触部34b、34c、34d之间有间隔，从而进一步提高了机器人的稳定性。也就是说，因为第一到第三接触部34b、34c、34d之间存在间隔，因而即使机器人在路上行走碰到小障碍物或小的不平区域，也能保证机器人的稳定性。

这里，尽管橡胶板34a和第一到第三接触部34b、34c、34d在描述中是彼此独立的，但可以把它们结合成一个独立的元件，下板34也可以成形为一体。也就是说，橡胶板34a和第一到第三接触部34b、34c、34d可以加工成单一体。

上板32和下板34的橡胶板34a可以参照人脚被分隔成多个区域。

参见图2，上板32的第一和第二部分U1、U2以及下板34的橡胶板34a的第一和第二部分L1、L2均对应于人脚的前部(包括脚趾)。上板32的第四部分U4和下板34的橡胶板34a的第四部分L4均对应于人脚的跟部。上板32的第三部分U3和下板34的橡胶板34a的第三部分L3均对应于人脚前部与跟部之间的弓形部分。下板34的橡胶板34a的第一部分L1由左区L1L、中区L1C以及右区L1R组成。第二部分L2由左区L2L、中区L2C以及右区L2R组成。第一部分L1的中区L1C对应于上板32的第一部分U1的中区U1C。第二部分L2的中区L2C对应于上板32的第二部分U2的中区U2C。下板34的第一接触部分34b位于第一部分L1的右区L1R和第二部分L2的右区L2R的下底面。下板34的第二接触部分34c位于第四部分L4的下底面。下板34的第三接触部分34d位于第一部分L1的左区L1L和第二部分L2的左区L2L的下底面。第一和第三接触部分34b、34d彼此分隔开同第一部分L1的中区L1C或第二部分L2的中区L2C大小的距离。同样，第一和第三接触部分34b、34d与第二接触部分34c彼此分隔开同第三部分L3大小的距离。第二接触部34c的中部被削尖到一定程度朝向橡胶板34a的前部。

图5显示了机器人脚的侧面，具体地说是本发明第一实施例的下板34的侧面。参见图5，对应于人脚跟部的下板34的后部34e，也就是第二接触部34c的后部，被加工成圆形。对应于人脚脚趾的第一和第三接触部34b、34d的前部也被加工成圆形。通过将第二接触部34c的后部以及第一和第三接触部34b、34d的前部加工成圆形，当机器人脚30蹬在地面上时，就可减小对机器人脚30的冲击，机器人脚30可以平稳地蹬在地面上。

机器人脚30的上板32大约230mm长(lf)、150mm宽(wf)，机器人脚30的下板34的长度235mm、宽度150mm、厚度12mm。长度lf、宽度wf或者厚度可以根据机器人的重量或尺寸以及脚30的形状而不同，特别是当机器人站着不动或行走时脚30的尺寸是不同的。例如，如上所述，当下板34的第一和第三接触部34b、34d的前部和第二接触部34c的后部被加工成圆形时，第二接触部34c的圆形部在机器人行走中可被用作机器人脚30的一部分。因此，机器人脚30的尺寸可由195mm×150mm(静止)变化到235mm×150mm(行走)。机器人行走时脚30尺寸的增长(不同于静止时脚的尺寸)意味着在机器人行走时脚30与地面之间的接触面积增大了。结果，可以使机器人脚30(也就是机器人)避免所不希望的绕接触区域的移动或转动。机器人脚30和脚踝26可以彼此结合在一起，这样机器人脚踝26的中心可以与机器人脚30的后端部隔开60mm。机器人脚踝26和脚30结合的位置根据机器人脚30的尺寸可以大于或小于60mm。

方程式1表示本发明第一实施例的机器人脚30的长度lf与机器人腿14的长度L的比率C1(以后称之为第一比率)。方程式2表示机器人脚30的宽度wf与腰部上连接双腿的两点间距离A的比率C2(以后称之为第二比率)。方程式3表示机器人脚30的宽度wf与机器人脚30的长度lf的比率C3(以后称之为第三比率)。

C1＝(lf/L)×100％ [方程式1]

C2＝(wf/A)×100％ [方程式2]

C3＝(wf/lf)×100％ [方程式3]

对于本发明第一实施例的机器人脚30，第一到第三比率C1、C2、C3分别为0.36-0.4、0.67、0.64-0.77。

<第二实施例>

在构成本发明第二实施例的机器人脚(以后称之为第二机器人脚)的元件中，与第一实施例的机器人脚(以后称之为第一机器人脚)相同的元件采用与第一机器人脚中相同的参考标记(或符号)。第二机器人脚的上板与第一机器人脚相同。因此，下面只描述第二机器人脚的下板。同样的假设也适用于后面描述的第三、第四实施例。

参见图6，第二机器人脚的下板40包括第一片到第四片L11、L22、L33、L44。第一片L11与图3所示第一机器人脚的下板34中第一部分L1的右区L1R及第二部分L2的右区L2R相结合的元件相同并具有相同的功能，也就是说，第一接触部34b位于第一片L11的下表面上。第一片L11和第一接触部34b也可以做成一体。

第二片L22与图3所示第一机器人脚的下板34中第一部分L1的左区L1L及第二部分L2的左区L2L相结合的元件相同。第三接触部34d位于第二片L22的下表面上。第二片L22和第三接触部34d也可以做成一体。

第三片L33与第一机器人脚的下板34中第一部分L1的中区L1C、第二部分L2的中区L2C及第三部分L3相结合的元件相同。

第四片L44与第一机器人脚的下板34的第四部分L4相同。第二接触部34c位于第四片L44的下表面上。第四片L44和第二接触部34c也可以做成一体。

与第一机器人脚的下板34不同，第一到第四片L11、L22、L33、L44均是独立的片，这些片都结合于上板32上。然而整个形状同图中所示的第一机器人脚的下板34的形状一样。第一到第四片L11、L22、L33、L44也可由弹性不同的橡胶形成。例如，第一、第二及第四片L11、L22、L44均可由具有第一弹性的第一热塑性橡胶形成，而第三片L33可由具有第二弹性的第二热塑性橡胶形成。在此，第一弹性和第二弹性彼此不同。第一、第二片L11、L22的弹性、第三片L33的弹性以及第四片L44的弹性也可以彼此不同。图7显示了第二机器人脚，其中上板32结合于包含第一到第四片L11、L22、L33、L44的下板40上。

对于具有第二机器人脚的机器人，控制机器人脚的粘滞性和弹性的可能性就进一步提高了。具体地说，当机器人直立时，第二机器人脚的上板32可通过适当匹配第一到第四片L11、L22、L33、L44的弹性模量而处于水平面上。同样，第二机器人脚的关节角度也可以更精确地被测量。

<第三实施例>

参见图8，本发明第三实施例中结合于上板32的机器人脚(以后称之为第三机器人脚)的下板50包括第五到第七片52、54及56。第五到第七片52、54及56彼此分隔开。

第五片52对应于图6所示第二机器人脚中下板40的第一片L11。第六片54对应于第二机器人脚中下板40的第二片L22。第七片56对应于第二机器人脚中下板40的第四片L44。

第五片52包括第一结合部52a和第一接触部52b，这两部分依次叠放。第一结合部52a与图3所示上板32的预定区域结合(第二片L22结合于此)。第一接触部52b直接接触地面。

第六片54包括第二结合部54a和第二接触部54b，这两部分依次叠放。第二结合部54a与上板32的预定区域结合(第一片L11结合于此)。第二接触部54b直接接触地面。

第七片56包括第三结合部56a和第三接触部56b，这两部分依次叠放。第三结合部56a与上板32的预定区域结合(第四片L44结合于此)。第三接触部56b直接接触地面。

在第五到第七片52、54、56中，第一到第三结合部52a、54a、56a均由具有第三弹性的橡胶形成，例如热塑性橡胶。第一到第三接触部52b、54b、56b均由具有第四弹性的橡胶形成，例如热塑性橡胶。虽然当第三弹性和第四弹性相同时没有任何问题，此时第五到第七片52、54、56中的每一片都是一个单独元件，然而在这里，优选第三、第四弹性为不同。如图9所示，第三机器人脚包括具有第五到第七片52、54、56的下板50和结合于下板50上的上板32。

同具有第二机器人脚的机器人一样，具有第三机器人脚的机器人，其控制机器人的粘滞性和弹性的可能性就进一步提高了。特别地，当第一到第三结合部52a、54a、56a的弹性小于第一到第三接触部52b、54b、56b的弹性时，就可以防止第三机器人脚蹬在地面上时所产生的摆动。由于第三机器人脚的下板50的硬度小于整个第三机器人脚的硬度，因此可以减小在第三机器人脚下板50下的小障碍物对第三机器人脚的影响。

<第四实施例>

参见图10，本发明第四实施例中机器人脚(以后称之为第四机器人脚)的下板60包括第八到第十片62、64、66，这些片彼此分隔开。第八片62包括第一结合部62a和第一接触部62b，这两部分依次叠放。第一结合部62a结合于上板32的下表面，并且位于第一接触部62b的上表面的部分区域中，该第一接触部62b接触地面。第一接触部62b与图3所示第一机器人脚30的下板34的第三接触部34d在尺寸和功能上都相同。因为第一结合部62a只位于第一接触部62b的部分区域中，所以第一结合部62a和上板32的接触面积小于第三实施例中第五片52的第一结合部52a与上板32的接触面积。

在第一结合部62a和环绕第一结合部62a的第一接触部62b之间有一台阶，其对应于第一结合部62a的厚度。如图11所示，由于该台阶，在环绕第一结合部62a的上板32与第一接触部62b之间就形成有间隙。在下面描述的第九片64和第十片66中也存在这样的台阶和间隙。第八片62的第一结合部62a和第一接触部62b是由具有不同物理特性的相同材料形成。例如，第一结合部62a是由具有第五弹性的热塑性橡胶形成的第一橡胶板，第一接触部62b是由具有第六弹性的热塑性橡胶形成的第二橡胶板，该第六弹性不同于第五弹性。

第九片64包括第二结合部64a和第二接触部64b，这两部分依次叠放，其中第二结合部64a结合于上板32的下表面，而第二接触部64b同第一接触部62b一起接触地面。第二结合部64a位于第二接触部64b的上表面的部分区域中。因此，同第一结合部62a一样，在第二结合部64a的周围形成有台阶和间隙。第二接触部64b的尺寸、位置及功能与第一机器人脚30的下板34的第一接触部34b相同。第二结合部64a可由具有与第一结合部62a相同物理特性的材料形成，第二接触部64b可由具有与第一接触部62b相同物理特性的材料形成。

第十片66包括第三接触部66b和第三结合部66a，第三接触部66b接触地面，第三结合部66a位于第三接触部66b的上表面的部分区域中，并结合于上板32的下表面上。同第一结合部62a和第二结合部64a一样，在第三结合部66a的周围形成有台阶和间隔。第三接触部66b的尺寸、位置及功能与第一机器人脚30的下板34的第二接触部34c相同。第三结合部66a可由具有与第一结合部62a相同物理特性的材料形成，第三接触部66b可由具有与第一接触部62b相同物理特性的材料形成。图11显示了第四机器人脚，其中图10所示的下板60与上板32依次叠放。参见图11，可以看到，在上板32与第一到第三接触部62a、64a、66a之间存在间隙G。对于具有第四机器人脚的机器人，由于台阶而使上板32和下板60之间存在间隙G，因此，与第一到第三机器人脚相比，第四机器人脚相对于俯仰轴和翻滚轴的转动刚度可以被减小。这样，第四机器人脚的下板60绕俯仰轴和翻滚轴可以提供小角度的变形。因此当第四机器人脚蹬在地面上时，脚的跟部可以与地面平稳接触，从而可以减小小障碍物或不平表面的影响。

<典型实例>

本发明人制造了具有第二机器人脚、双腿以及腰部的人形机器人，该人形机器人只有实际尺寸的80％。在该人形机器人的脚部安装有6-轴力传感器，用于测量在机器人静止或行走时脚部对地面的反应力和力矩。在每条腿部安装有六个致动器。在这种状态下，机器人从一静止状态移动左脚，然后移动右脚到左脚的上述位置(即，右脚的脚跟蹬在地面上)，这一时间段作为机器人行走的一步。

图12和13表示图1所示人形机器人在移动一步时所测量的零转矩点(ZMP)的轨迹，其中零转矩点(ZMP)是指人形机器人转矩为零的点。

两足机器人的整体稳定性由ZMP决定。图12所示第一条曲线G1表示人形机器人在6.5秒(sec)内(即人形机器人移动一步的时间段内)，ZMP在Z轴方向(即人形机器人向前移动的方向)的变化。图13所示第二条曲线G2表示在上述时间段内ZMP在X轴方向的变化。ZMP在X-Z平面内的坐标(X_ZMP，Z_ZMP)由方程式4和5给出。

x_{zmp} &cong; \frac{Σ_{e = 1}^{n} [m_{e} x_{e} ({\overset{\cdot \cdot}{y}}_{e} + g) - m_{e} y_{e} {\overset{\cdot \cdot}{x}}_{e}]}{Σ_{e = 1}^{n} m_{e} ({\overset{\cdot \cdot}{y}}_{e} + g)}

[方程式4]

z_{zmp} &cong; \frac{Σ_{e = 1}^{n} [m_{e} z_{e} ({\overset{\cdot \cdot}{y}}_{e} + g) - m_{e} y_{e} {\overset{\cdot \cdot}{z}}_{e}]}{Σ_{e = 1}^{n} m_{e} ({\overset{\cdot \cdot}{y}}_{e} + g)}

[方程式5]

在方程式4和5中，m_e表示当e＝1，2，...，n时的质量。(x_e，y_e，z_e)表示当e＝1，2，...，n时质心的坐标。

表示当e＝1，2，...，n时质心的加速度。参见图12所示的第一条曲线G1，可以看出，ZMP在Z轴方向的总位移大约为425mm。参见图13所示的第二条曲线G2，可以看出，当人形机器人行走一步时，ZMP在X轴方向的最大偏移量大约为65mm。为了保持人形机器人行走时的稳定姿态，ZMP必须落在由人形机器人脚的尺寸所限定的稳定区域内。

图14表示当人形机器人行走一步时安装在人形机器人左腿上的六个致动器的运动变化。在图14中，第三条和第四条曲线G3、G4分别表示安装在机器人左腿左、右侧的控制踝关节绕翻滚轴和俯仰轴转动的致动器的运动变化。第五条和第六条曲线G5、G6分别表示安装在机器人左腿左、右侧的控制腰关节绕翻滚轴和俯仰轴转动的致动器的运动变化。第七条曲线G7表示安装在机器人左腿上的控制腰关节绕摆动轴转动的致动器的运动变化。第八条曲线G8表示安装在机器人左腿上的控制膝关节绕俯仰轴转动的中心致动器的运动变化。

图15表示当人形机器人行走一步时，安装在人形机器人右腿上的六个致动器的运动变化。在图15中，第九条和第十条曲线G9、G10分别表示安装在机器人右腿左、右侧的控制踝关节绕翻滚轴和俯仰轴转动的致动器的运动变化。第十一条和第十二条曲线G11、G12分别表示安装在机器人右腿左、右侧的控制腰关节绕翻滚轴和俯仰轴转动的致动器的运动变化。第十三条曲线G13表示安装在机器人右腿上的控制膝关节绕俯仰轴转动的中心致动器的运动变化。第十四条曲线G14表示安装在机器人右腿上的控制腰关节绕摆动轴转动的致动器的运动变化。

图16表示当人形机器人向前移动一步时机器人左右脚质心、机器人腰部质心以及机器人质心在Z轴方向(即机器人前进的方向)轨迹的变化。在图16中，第十五条曲线G15表示机器人左脚质心轨迹的变化，第十六条曲线G16表示机器人右脚质心轨迹的变化，第十七条曲线G17表示机器人腰部质心轨迹的变化，第十八条曲线G18表示机器人质心轨迹的变化。

图17表示当人形机器人向前移动一步时机器人左右脚质心在垂直地面的方向上(即垂直Z-X平面的Y轴方向)轨迹的变化。在图17中，第十九条曲线G19表示机器人右脚质心轨迹的变化，第二十条曲线G20表示机器人左脚质心轨迹的变化。

图18表示人形机器人腰部质心和机器人质心沿X轴方向轨迹的变化，该变化显示了当机器人向前移动一步时其在左右方向移动了多少。这里，从机器人前侧看去，当机器人腰部质心和机器人质心移向左边时，每个质心的移动量是负值，而当各质心移向右边时，这些值变成正值。

在图18中，第二十一条曲线G21表示机器人腰部的质心，而第二十二条曲线G22表示整个机器人的质心。参见第二十一条曲线G21和第二十二条曲线G22，可以看出，当机器人向前移动一步时，机器人腰部质心比整个机器人质心要更向左右移动。结果表明，当机器人行走时，机器人质心向左右方向的移动量不是很大，也就是说，机器人的行走更加平稳。图19所示第二十三条曲线G23表示当人形机器人从离地面预定高度(比如离地面10mm高度)蹬向地面时，其左脚质心沿Y轴方向的垂直位移；由于机器人的初始位置离地10mm高，因此Y轴的零点(0)向上移动了10mm。

参见第二十三条曲线G23，机器人左脚从离地面10mm的高度蹬向地面0.2sec之后，机器人左脚在垂直方向(也就是Y轴方向)的移动没有消失。这说明蹬在地面上之后，机器人左脚达到了0.2sec的短暂静平衡。图20所示为当机器人行走时施加到对应于人形机器人脚的跟部和脚趾部上的应力，即施加到下板40的第四片L44及第一和第二片L11、L22上的应力，此时机器人脚的下板采用图6所示第二机器人脚的下板40。图20所示应力是在机器人移动一步时所测量的。施加到下板40的第四片L44及第一、第二片L11、L22上的应力是一种指标，其决定了当机器人行走时，由地面传来的冲击力以及与该力相关的机器人稳定性。

在图20中，第二十四条曲线G24表示当机器人移动一步时，施加到机器人脚的下板40的第一片L11和第二片L22上应力的变化。第二十五条曲线G25表示施加到机器人脚的跟部(即下板40的第四片L44)上应力的变化。

虽然第二十四条曲线G24表示施加于下板40的两个区域(即第一片L11和第二片L22)上应力的变化，但结果却似乎是施加于单一区域上应力的变化，这是因为下板40的第一片L11和第二片L22在几何外形上几乎非常对称。也就是说，施加于下板40的第一片L11上的应力与施加于下板40的第二片L22上的应力相同，因而表示第一片L11和第二片L22上应力的变化的上述曲线就相同了。

参见第二十四条和第二十五条曲线G24、G25，可以看出在机器人脚蹬在地面上0.3sec之后，由机器人脚蹬在地面上时产生的冲击力所引起的振动几乎消失了。虽然以上描述了很多，但这些描述只可解释为本发明的特定实施例，并不构成对本发明权利要求保护范围的限制。例如，在不破坏机器人行走的稳定性的范围内，本领域技术人员可以在构成机器人脚下板的接触地面的部件上形成更多的孔，穿过这些孔可看到与上板接触的那些部件。例如，在图4中所示第一到第三接触部34b、34c、34d上形成一些孔，橡胶板34a通过这些孔连接到上板32的下表面上。因此，尽管参照本发明的优选实施例对本发明进行了特别的图示和描述，但本领域技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行形式和细节上的各种修改。

如上述，根据本发明，位于机器人脚的下板且接触地面的部分是分隔开的。因此，使用该机器人脚可以减小地面上的一些小障碍物和不平地面对机器人的影响。结果，简化了机器人的控制系统且使机器人行走更加稳定。

本发明的机器人脚还包括具有预定弹性的缓冲件或者是由具有不同弹性的部份构成的缓冲件，该缓冲件位于下板上。因此，当机器人行走时，来自地面的冲击被缓冲件吸收，这样冲击就不会传递到机器人的躯体上。此外，还可以减小机器人脚蹬在地面时所产生的振动。因此可以获得机器人的动平衡，从而使机器人的行走更加稳定和平滑。

Claims

1、一种具有双腿并能直立行走的人形机器人，其中每条腿均包括一只脚，该脚包括：

一上板，在其上面安装有一踝关节，并且该上板与人类的脚类似；以及

一下板，其连接到上板的一下表面上，并具有多个接触地面并彼此分离的接触部。

2、根据权利要求1所述人形机器人，其中所述上板是具有一定硬度的金属板或非金属板。

3、根据权利要求1所述人形机器人，其中所述下板包括：

具有第一弹性的一弹性板，其整个上表面接触所述上板的下表面；以及

具有第二弹性的第一到第三接触部，这些接触部从所述弹性板的下表面突出并接触地面。

4、根据权利要求3所述人形机器人，其中所述第一和第二弹性彼此相同。

5、根据权利要求3所述人形机器人，其中所述第一和第二弹性彼此不同。

6、根据权利要求3所述人形机器人，其中所述弹性板和所述第一到第三接触部为单一体。

7、根据权利要求1所述人形机器人，其中所述下板包括：

一弹性板，其整个上表面接触所述上板的下表面；以及

具有预定弹性的第一到第三接触部，这些接触部从所述弹性板的下表面突出以接触地面。

8、根据权利要求7所述人形机器人，其中所述弹性板由多个独立体构成。

9、根据权利要求8所述人形机器人，其中有些独立体的所述弹性不同于其它独立体。

10、根据权利要求8所述人形机器人，其中所述弹性板包括：

一第一片，其下表面连接到所述第一接触部；

一第二片，其下表面连接到所述第二接触部；

一第四片，其下表面连接到所述第三接触部；以及

一第三片，其位于所述第一片、所述第二片及所述第四片之间。

11、根据权利要求10所述人形机器人，其中所述第一接触部和第一片、所述第二接触部和第二片、以及所述第三接触部和第四片都是单一体。

12、根据权利要求10所述人形机器人，其中所述第一片、第二片及第四片的弹性不同于所述第三片。

13、根据权利要求1所述人形机器人，其中所述下板包括：

一第一片，其上表面连接到上板的下表面，其下表面接触地面；

一第二片，其上表面连接到上板的下表面，其下表面接触地面，并与所述第一片分开；以及

一第三片，其上表面连接到上板的下表面，其下表面接触地面，并与所述第一片、所述第二片分开。

14、根据权利要求13所述人形机器人，其中所述第一到第三片都是由多种具有不同弹性的材料层依次层叠在一起。

15、根据权利要求14所述人形机器人，其中：

所述第一片包括一第一接触部和一第一结合部，该第一接触部接触地面，该第一结合部连接到所述上板的下表面；

所述第二片包括一第二接触部和一第二结合部，该第二接触部接触地面，该第二结合部连接到所述上板的下表面；以及

所述第三片包括一第三接触部和一第三结合部，该第三接触部接触地面，该第三结合部连接到所述上板的下表面。

16、根据权利要求15所述人形机器人，其中所述第一到第三结合部分别只位于所述第一到第三接触部的预定区域上，因此所述上板和所述第一到第三结合部之间存在空间。

17、根据权利要求3所述人形机器人，其中所述弹性板是热塑性橡胶板。

18、根据权利要求15所述人形机器人，其中所述第一到第三结合部都是热塑性橡胶板。

19、根据权利要求7所述人形机器人，其中所述弹性板是热塑性橡胶板。