CN203946189U - 一种用于步行机器人的足部模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于步行机器人的足部模块。该足部模块具有水平和竖直两个方向的冲击吸收机构共3个被动自由度。水平方向脚跟和脚尖具有相同的冲击吸收机构，该机构是一个四杆传动机构，其中铰链固定在脚掌上，四连杆将地面对脚跟（尖）的冲击传递到减震器，从而降低了传递到踝关节的力与力矩，在脚跟（尖）与脚掌间设置了制动装置，当脚跟（尖）抬起后，脚跟（尖）回复到与脚掌平行的位置；竖直方向上也设计了压缩弹簧沿轨道运动的冲击吸收机构。该实用新型不但能够有效的减弱甚至消除步行机器人足底落地时对踝关节的冲击，同能能够把冲击时的动能转化为弹簧的弹性势能，为下一步态行走时机器人重心的抬升提供一部分能量。

Description

一种用于步行机器人的足部模块

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，涉及一种用于步行机器人的足部模块。

背景技术

机器人技术是一门综合了机械学、力学、电子学、生物学、控制理论、计算机、人工智能、人机工程和系统工程等多学科领域的高技术，是21世纪具有代表性的高技术。仿人机器人是当今机器人技术发展的最高级和最尖端的体现，他们具有类似人类的外形，在结构方面和步行方式上也模仿人类。仿人机器人的结构复杂，往往由上身和下肢组成，除了腿部的行走功能外，还包括手、腰和头的功能，其自由度的数目相比双足步行机器人有成倍的增加，与此同时，也带来了控制规划、动力学和运动学等研究领域更为复杂的问题。仿人机器人的核心技术和最具挑战的难点是双足步行时动态平衡的实现。

自从机器人技术发展的初期，双足步行就被认为是一项最高难度的挑战。早在著名的仿人机器人ASIMO、QRIO和HRP-2出现之前的三十年中，双足步行一直是步行机器人发展的焦点和难点。最早的研究暨平台开发可以追溯到早稻田大学的加藤一郎在1966年和牛津大学的D.C.Witt在1968年开始的工作。加藤一郎等人在1973年创建了世界上第一台具有双腿和双臂并受计算机控制的仿人机器人WABOT-1。虽然是一项标志性成果，WAB0T-1只能做静态步行运动。在1980年前后，一个重大的研究趋势是实现双足动态步行，很多国内外研究人员开始积极从事理论研究和机器人平台的开发。到1986年，已开发出许多能作动态步行运动的双足机器人。即便是仿人机器人已成功开发(以1996年本田推出仿人机器人P2为标志)了十多年的今天，双足步态规划和控制仍然是一个研究热点，国内外还有很多研究机构开发和研究各种双足步行机器人。

国内外大多数双足步行机器人在结构上都较复杂，由两条腿构成，关节都是主动型的，自由度较多，双足的自由度有8个、10个、往往多达12个，行走方式模仿人类的步行，控制较复杂。另有一类步行机器人通过其它方式实现动态步行，包括让机器人在势能的作用下沿小斜面步行而下的被动步行机器人。通过非线性振摆实现跨步的高跷型双足机器人BIPMAN2、通过学习和进化算法实现双足步行的由三个连杆构成的简单步行机器人以及麻省理工学院开发过一个装备四个驱动器的三维半被动步行机等等。这些双足机器人结构较简单，自由度较少，关节多为被动或半被动的。由于全部或部分关节是非主动的，机器人往往借助外界环境的特点(例如斜坡)实现歩行。因此其活动范围和场所很小，步行能力很有限。

中国专利号CN101143606A发明了一种利用前底减震块、后底减震块与中间减震块对步行机器人脚底具有双层串联式缓冲减震作用的机构。该发明机构比较复杂，不能避免对中央减震块受拉影响，同时只有竖直方向的减震作用，将严重影响其使用的寿命。

中国专利号CN101108146A发明了一种人形机器人脚，包括橡胶脚底层、脚板、六维力传感器、上法兰、下法兰、倾角传感器、触觉传感器、信号处理系统和脚面。该发明中采用了倾角传感器、触角传感器及其信号处理系统，通过计算机器人行走时ZMP轨迹、判断脚的状态和推测机器人的行走路面情，为步态规划提供了依据。但是仅仅采用脚底的橡胶层，减震作用不明显，且该机构不能引导对垂直于足底方向的减震，使得控制变得复杂。

中国专利号CN101402380A发明了一种仿人机器人足部冲击吸收机构，包括脚底板，所述的脚底板上面设有减震柱，所述的减震柱上表面设有压力板，所述的上压板上面设有力传感器和上盖板，所述的上盖板通过四个上盖板安装孔与脚底板相连，在上盖板与脚底板之间设有四组调节垫圈，所述的力传感器与机器人腿部相连。所述的减震柱为四个，所述的四个减震柱通过位于脚底板的前段设有脚底前缘斜面，其后端设有脚底后缘斜面，所述的脚底板下面设有防滑减震垫，可实现冲击吸收机构柔性的连续可调。该机构虽然保证了在垂直方向上的减震，但是在水平方向上不能起到减震作用，并且易产生脚底圆筒与上压板之间卡死。

实用新型内容

本实用新型的目的，就是为了解决上述问题而提供一种用于步行机器人的足部模块。该双足步行机器人很真实地模拟了人体下肢结构和运动机理，可以为医疗机构研究人在行走所遇到的问题提供相关数据和分析方法，有利于协助病人恢复行走，提供一套能够服务于伤残病人的类人行走机构。

本实用新型解决上述问题主要是通过下述技术方案得以实现的：

一种用于步行机器人的足部模块，其特征在于，包括足部减震上托盘、足部减震下托盘、竖直方向减震弹簧、带有螺纹的减震弹簧限位销、带孔的定位螺母、足部脚掌、足部脚尖、足部脚跟、脚尖脚跟和脚掌之间的阻尼模块和足底阵列式压力传感器；

其中，足部减震上托盘与足部减震下托盘通过带螺纹的定位销进行间隙配合可相对滑动；足部减震下托盘与脚掌通过竖直方向的螺钉螺母固定；足部脚尖脚跟与脚掌通过铰接可相对转动；阻尼模块通过螺钉螺母分别固定在脚尖凸台脚掌凸台和脚跟凸台脚掌凸台之间；足部分布式压力传感器通过螺钉螺母与脚掌连接；上下托盘分别有4个圆孔对齐插入4个带有螺纹的销钉，每个销钉上都有一根减震压缩弹簧，销钉就是压缩弹簧运动的轨道；上下托盘和是被压缩弹簧的预紧力支撑起来，同时由于带孔螺母的限位，两个托盘的竖直最大距离是一定的；本实用新型中，阻尼模块采用外置弹簧油压缓冲器。

本实用新型公开的双足步行机器人的柔性足部机构，具有以下优点：1.整体结构简单紧凑，没有连带多余的结构，节省了空间；2.足部具有水平和竖直两个方向吸收冲击的功能，能够很好地减小地面对踝关节的冲击，增加了机器人在行走过程中的稳定性；3.安装方便，安装精度和可靠性容易得到保证。

附图说明

图1是本实用新型的双足步行机器人的外观图。

图2是本实用新型的双足步行机器人的足部模块外观图。

图3是本实用新型的双足步行机器人的足部脚跟或脚尖冲击吸收机构简图。

图4是本实用新型的双足步行机器人的足部水平面机构简图。

图5是本实用新型的双足步行机器人的足部模块侧向剖面图。

图6是本实用新型的双足步行机器人的足部模块正向剖面图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

首先介绍一下本实用新型的整体机械结构：

如图1所示，A1、A2为本实用新型用于步行机器人的足部模块示意图。

2.下面介绍一下本实用新型涉及的用于步行机器人的足部模块机械结构：

如图2、图3、图4、图4、图5、图6所示，是该步行机器人的足部模块。每一个足部模块都具有3个被动自由度，3个被动自由度均为冲击吸收机构，分为水平面和竖直面两部分冲击吸收机构。首先是水平面的冲击吸收机构，脚跟和脚尖具有相同的冲击吸收机构，该机构是一个四杆传动机构，机构简图如图3、图4所示，其中A、B、C出的铰链固定在脚掌上，脚跟(尖)着地收到地面的冲击力时，用过四连杆机构将地面的冲击力传递到减震器，减震器将动能一部分转换成热能，另一部分转换成势能，从而降低了传递到踝关节的力与力矩。在脚跟(尖)与脚掌间设置了制动装置，当脚跟(尖)抬起后，脚跟(尖)回复到与脚掌平行的位置。然后是在竖直方向的冲击吸收机构，如图5、图6所示，减震下托盘27与足部脚掌31相连接，减震上托盘26与踝关节门形壳体36相连接，上下托盘分别有4个圆孔对齐插入4个带有螺纹的销钉29，每个销钉29上都有一根减震压缩弹簧28，销钉29就是压缩弹簧28运动的轨道；上下托盘26和27是被压缩弹簧28的预紧力支撑起来，同时由于带孔螺母30的限位，两个托盘的竖直最大距离是一定的。在足部模块的底部阵列了压力传感器35，不但能够测得各个区域的压力分布值，同时也能够起到一定的竖直方向吸收冲击的作用。该套机构不但能够有效的减弱甚至消除步行机器人足底落地时对踝关节的冲击，同能能够把冲击时的动能转化为弹簧的弹性势能，为下一步态行走时机器人重心的抬升提供一部分能量。

在整个步行过程中，只要足底接触地面，缓冲弹簧就处于被压缩的状态，所以在这里选取圆柱螺旋压缩弹簧，弹簧的节距p＝4mm，弹簧丝直径d＝2.0mm，在自由状态下，各圈之间应有适当的间距δ＝2.2mm，以便弹簧受压时，有产生相应变形的可能。为了使弹簧在压缩后仍能保持一定的弹性，设计时还应考虑在最大载荷作用下，各圈之间仍需保留一定的间距δ₁。δ₁的大小一般推荐为

δ₁＝0.1d≥0.2mm

式中，d为弹簧丝直径。弹簧的两个端面圈应与临圈并紧(无间隙)，只起支撑作用，不参与变形，故称为死圈。因为此时的弹簧圈数为7圈，所以选择的死圈约为0.75圈；由于d＝2.0mm>0.5mm，两支承端面需要磨平。

圆柱螺旋压缩弹簧受载后的轴向变形量Δx可根据材料力学关于圆柱螺旋弹簧变形量的公式求得，即

$\mathrm{\Δx}=\frac{{8\mathrm{FD}}^{3}n}{{\mathrm{Gd}}^4}=\frac{{8\mathrm{FC}}^{3}n}{\mathrm{Gd}}$

式中：n—弹簧的有效圈数；

G—弹簧材料的切变模量，如以Fmax代替F，则最大轴向变形为

(1)对于无预应力的压缩弹簧

$\mathrm{\Δ}{x}_{\max }=\frac{{8F}_{\max }{C}^{3}n}{\mathrm{Gd}}$

(2)对于有预应力的压缩弹簧

${\mathrm{\Δx}}_{\max }=\frac{8(F_{\max }-F_0)C^{3}n}{\mathrm{Gd}}$

使弹簧产生单位变形所需要的载荷k称为弹簧刚度，即

$k=\frac{F}{\mathrm{\Δx}}=\frac{\mathrm{Gd}}{{8C}^{3}n}=\frac{{\mathrm{Gd}}^4}{{8D}^{3}n}$

下面进行弹簧最主要的参数弹簧刚度k的选择：

考虑到步行机器人总体质量为m_总＝22kg，假设单脚支撑着地瞬间全身质量集中在单脚，与地面产生的冲击力为

F＝2m_总g＝2×22×10＝440N

根据设计的需要，控制单脚足部4个弹簧的形变量Δx≤5mm，此时弹簧的每一圈的压缩量为

${\mathrm{\Δx}}_1=\frac{5}{7}\mathrm{mm}=0.71\mathrm{mm}$

此时弹簧各圈之间的间距为

δ₁＝p-d-Δx₁＝(4-1.8-0.71)mm＝1.49mm≥0.2mm

当Δx＝5mm时，弹簧的刚度为

$k=\frac{F}{4\·\mathrm{\Δx}}=\frac{440}{4\×5}N/\mathrm{mm}=22N/\mathrm{mm}=2.2\×{10}^{4}N/m$

弹簧刚度是表征弹簧性能的主要参数之一。它表示使弹簧产生单位变形时所需要的力，刚度越大需要的力越大，则弹簧的弹力就越大。影响弹簧刚度的因素有很多，从式中可知，k与C的三次方成反比，即C值对k的影响很大。所以，合理的选择C值就能控制弹簧的弹力。另外，k还和G、d、n有关。在调整弹簧刚度时，应综合考虑这些因素的影响。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (1)

1.一种用于步行机器人的足部模块，其特征在于，包括：足部减震上托盘（26）、足部减震下托盘（27）、竖直方向减震弹簧（28）、带有螺纹的减震弹簧限位销（29）、带孔的定位螺母（30）、足部脚掌（31）、足部脚尖（32）、足部脚跟（33）、脚尖脚跟和脚掌之间的阻尼模块（34）和足底阵列式压力传感器（35）；

其中，足部减震上托盘（26）与足部减震下托盘（27）通过带螺纹的定位销进行间隙配合可相对滑动；足部减震下托盘（27）与脚掌（31）通过竖直方向的螺钉螺母固定；足部脚尖（32）脚跟（33）与脚掌（31）通过铰接可相对转动；阻尼模块（34）通过螺钉螺母分别固定在脚尖（32）凸台脚掌（31）凸台和脚跟（33）凸台脚掌（31）凸台之间；足部分布式压力传感器（35）通过螺钉螺母与脚掌（31）连接；上下托盘分别有4个圆孔对齐插入4个带有螺纹的销钉（29），每个销钉（29）上都有一根减震压缩弹簧（28），销钉（29）就是压缩弹簧（28）运动的轨道；上下托盘是被压缩弹簧（28）的预紧力支撑起来，同时由于带孔螺母（30）的限位，两个托盘的竖直最大距离是一定的。