CN210761039U - 一种单驱动力的可自适应地形的多自由度脚部装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种单驱动力的可自适应地形的多自由度脚部装置，包括脚部驱动器和脚掌四连杆机构，脚掌四连杆机构上还连接有前脚掌和后脚掌，脚掌四连杆机构包括中足，中足两侧通过中足关节分别铰接有前掌缓冲器和后掌缓冲器，脚部驱动器通过连杆与中足铰接有后掌缓冲器的一侧铰接；后掌缓冲器通过后足关节和后脚掌铰接，前掌缓冲器和前脚掌通过前足关节铰接，中足和前脚掌之间还铰接有前掌连杆，前掌连杆的中部和后足关节之间铰接有固定连杆。本实用新型的方案与普通多足机器人的足部结构相比，脚部具有多个独立自由度，重要关节具备柔顺性，从而提高脚部的快速运动能力、平衡能力、对多种地形的适应能力，并加大其完成复杂动作的可能性。

Description

一种单驱动力的可自适应地形的多自由度脚部装置

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种单驱动力的可自适应地形的多自由度脚部装置。

背景技术

多足机器人在行走过程中通过各脚掌触地进行支撑，其落脚点是离散的，这种离散不仅局限于平面内，也可存在于三维空间内，所以较之轮式及履带式机器人，步足机器人对各类地形的适应性较强，可在非结构化的环境下行走、工作。然而，目前多足机器人的脚部结构多为半球形、水滴形和圆形等简单结构直接包裹小腿杆顶端，限制了机体运动的灵活性与适应性。此外，已有的机器人脚部结构很多是至少二个电机驱动的运动机构，运动控制较为复杂，难以快速响应多变的地形状态。

多足步行式机器人目前在实际的运动过程中，其脚部机构的灵活性与适应性仍需进一步增强。当前的机器人脚部运动机构中的可动关节大多采用刚性关节，固然能带来更高的定位控制精度，但由于在运动过程中，脚部是最先受到冲击，也是承受最大冲击力的部位，所以脚部的刚性关节比其他部位更容易受到破坏。

为了使机器人提升运动时的功能利用率和抗冲击能力，采用弹性+刚性构件设计柔性关节，实现脚部关节处的缓冲吸振的效果。然而，目前在机器人脚部的踝关节及以下部位的应用柔性关节的实例甚少。为了使腿足式机器人能够适应更广泛的地形、更灵敏的机器人与环境的交互能力，亟需对具有柔性关节的脚部机构进行结构设计，改善脚部机构的控制方式，提高机器人在复杂地形环境下行走稳定性和控制精度。

发明内容

针对上述现有技术不足与缺陷，本实用新型的目的在于，提供一种单驱动力的可自适应地形的多自由度脚部装置，解决现有技术中传统的足式机器人脚部运动机构的机动性能差、适应多样地形的能力弱、承载能力小、控制精度低的技术问题。

为了达到上述目的，本申请采用如下技术方案予以实现：

一种单驱动力的可自适应地形的多自由度脚部装置，包括脚部驱动器和与脚部驱动器铰接的脚掌四连杆机构，所述的脚掌四连杆机构上还连接有前脚掌和后脚掌，所述的脚掌四连杆机构包括中足，所述的中足两侧通过中足关节分别铰接有前掌缓冲器和后掌缓冲器，所述的脚部驱动器通过连杆与中足铰接有后掌缓冲器的一侧铰接；

所述的后掌缓冲器通过后足关节和后脚掌铰接，所述的前掌缓冲器和前脚掌通过前足关节铰接，所述的中足和前脚掌之间还铰接有前掌连杆，所述的前掌连杆的中部和后足关节之间铰接有固定连杆。

本实用新型还具有如下技术特征：

所述的前掌连杆的中部铰接有弹性元件，弹性元件的另一端与中足铰接，所述的前掌连杆的中部还铰接有拉伸弹簧，所述的拉伸弹簧的另一端与前脚掌铰接。

所述的脚部驱动器包括壳体和固定在壳体内部的驱动装置。

所述的驱动装置包括电机组件、主动齿轮和从动齿轮；所述的电机组件包括电机、电机支架和主动齿轮，电机通过电机支架固定在壳体上，驱动主动齿轮运动；所述的主动齿轮，与从动齿轮啮合传动；所述的从动齿轮与滚珠螺母连接；

滚珠螺母与丝杠上端的一段螺纹形成螺旋副，所述的滚珠螺母安装到上套筒中，所述的上套筒通过轴承安装到壳体上；

所述的丝杠的下端为直杆并伸出壳体，丝杠下端直杆部分与连杆铰接。

所述的壳体上安装有直线轴承支架；所述直线轴承支架内安装有滚动直线球轴承；所述的壳体上还设置有固定架，所述的固定架与直线轴承支架连接，所述的滚动直线球轴承套接在丝杠下端的直杆上。

所述的前掌缓冲器包括与中足关节铰接的第一上连接件，所述的第一上连接件通过橡胶弹簧与第一下连接件连接，所述的第一下连接件上还套接有直线球轴承，直线球轴承上还套接有轴承支架。

所述的后掌缓冲器包括与中足关节铰接的第二上连接件，所述的第二上连接件通过橡胶弹簧与第二下连接件连接，所述的第二下连接件与直线球轴承套接，直线球轴承内还套接有套筒。

本实用新型与现有技术相比，有益的技术效果是：

(Ⅰ)本实用新型的方案与普通多足机器人的足部结构相比，脚部具有多个独立自由度，重要关节具备柔顺性，从而提高脚部的快速运动能力、平衡能力、对多种地形的适应能力，并加大其完成复杂动作的可能性。

(Ⅱ)本实用新型设计单驱脚的多向运动机构，可实现简单的脚部控制和自适应多样地形。

(Ⅲ)本实用新型采用的橡胶弹簧缓冲构件，能快速吸收突然冲击和高频振动，并且，随外力的大小不同，可以实现理想的弹性变形和复位效果。

附图说明

图1是本实用新型整体结构示意图；

图2是脚掌四连杆机构结构示意图；

图3是脚部驱动器的的内部结构示意图；

图4是前掌橡胶弹簧缓冲器结构示意图；

图5是后掌橡胶弹簧缓冲器结构示意图；

图6是前脚掌结构示意图；

图7是后脚掌结构示意图；

图中各个标号的含义为：1-脚部驱动器，2-脚掌四连杆机构，3-前脚掌，4-后脚掌，5-中足，6-中足关节，7-前掌缓冲器，8-后掌缓冲器，9-连杆，10-后足关节，11-前足关节，12-前掌连杆，13-固定连杆，14-弹性元件，15-拉伸弹簧，16-壳体，17-驱动装置，18-电机组件，19-主动齿轮，20-从动齿轮，21-电机，22-电机支架，23-滚珠螺母，24-丝杠，25-上套筒，26-轴承，27-直线轴承支架，28-滚动直线球轴承，29-固定架，30-第一上连接件，31-橡胶弹簧，32-第一下连接件，33-直线球轴承，34-轴承支架，35-第二上连接件，36-第二下连接件，37-套筒，38-轴承端盖。

以下结合附图和实施例对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

本实用新型目标是使腿足机器人脚部以单驱动电机作用下，实现脚部具有多向运动适应多样地形的能力，即利用单驱动实现具有多自由度的脚部运动，并且设计缓冲吸振构件，为重要关节赋予运动柔顺性，从而提高腿足机器人的快速运动能力、保持平衡能力、以及对多种地形的适应能力。

实施例1：

一种单驱动力的可自适应地形的多自由度脚部装置，包括脚部驱动器1和与脚部驱动器1铰接的脚掌四连杆机构2，脚掌四连杆机构2上还连接有前脚掌3和后脚掌4，脚掌四连杆机构2包括中足5，中足5两侧通过中足关节6分别铰接有前掌缓冲器7和后掌缓冲器8，脚部驱动器1通过连杆9与中足5铰接有后掌缓冲器8的一侧铰接；可以实现与地面的充分接触，防止打滑，同时通过具有缓冲吸振设计的缓冲器与弹性构件，可以多向自适应调节脚掌的与地面的接触角度，使得脚掌可以适应复杂的地形情况。为满足机器人在行走过程中对稳定性的要求，须提高脚掌底面的防滑性能，在本设计中在前后脚掌的脚底板上采用骨性花纹，用以实现良好的防滑性。

由于空间比较有限，大部分空间用于布置机械结构，因此采用力敏电阻式传感器(FSR)。且其具有成本低廉，体积小方便布置，在控制系统内不需要另外的信号放大器。在一个步态周期内有两个阶段是前、后脚掌单独支撑的，因此需要在前后脚掌四角均匀的布置FSR传感器，这样简化了脚掌ZMP作用点的测量，也为机器人的动态平衡控制与步态规划提供了硬件基础。

后掌缓冲器8通过后足关节10和后脚掌4铰接，前掌缓冲器7和前脚掌3通过前足关节11铰接，中足5和前脚掌3之间还铰接有前掌连杆12，前掌连杆12的中部和后足关节10之间铰接有固定连杆13。

中足5连接脚部驱动器1与脚掌四连杆机构2，其运动直接决定了机器人脚部相对于机体的位置，可以实现俯仰和翻滚两个自由度。俯仰自由度是实现脚掌在垂直平面内的上下摆动，运动范围为-50°～31°；翻滚自由度是实现脚掌沿前进方向上的左右摆动。

作为本实施例的一种优选，前掌连杆12的中部铰接有弹性元件14，弹性元件14的另一端与中足5铰接，前掌连杆12的中部还铰接有拉伸弹簧15，拉伸弹簧15的另一端与前脚掌3铰接。为了使中足5具有一定的柔顺功能，在结构上用一个弹性元件14与中足5和前掌连杆12分别相连，提高了机器人于各种地形环境中的行走能力。

作为本实施例的一种优选，脚部驱动器1包括壳体16和固定在壳体16内部的驱动装置17。

作为本实施例的一种优选，驱动装置17包括电机组件18、主动齿轮19和从动齿轮20；电机组件18包括电机21、电机支架22和主动齿轮19，电机通过电机支架固定在壳体16上，驱动主动齿轮19运动；主动齿轮19，与从动齿轮20啮合传动；从动齿轮20与滚珠螺母23连接；实现电机驱动滚珠螺母23转动；

滚珠螺母23与丝杠24上端的一段螺纹形成螺旋副，滚珠螺母23安装到上套筒25中，上套筒25通过轴承26安装到壳体16上；

丝杠24的下端为直杆并伸出壳体16，丝杠24下端直杆部分与连杆9铰接。

丝杠24的下端为直杆伸出壳体16，丝杠下端直杆部分与连杆9铰接。电机21带动主动齿轮19旋转，主动齿轮19旋转带动从动齿轮20旋转，从动齿轮20带动滚珠螺母23旋转，滚珠螺母23将动力传递给丝杠24，并同时将旋转运动方式变为直线运动，而后丝杠24带动连杆9运动，连杆9再带动中足5转动，实现脚掌四连杆机构2俯仰姿态的调整。丝杠下端直杆部分通过轴承和外壳连接。轴承外侧应布置有轴承端盖38。

作为本实施例的一种优选，壳体16上安装有直线轴承支架27；所述直线轴承支架27内安装有滚动直线球轴承28；壳体16上还设置有固定架29，固定架29与直线轴承支架27连接，滚动直线球轴承28套接在丝杠24下端的直杆上。

滚珠丝杠螺母副承受径向载荷的能力较差，而丝杠24向连杆9传力过程中势必会受到径向的载荷，这是由结构形式决定的，所以在丝杠24的运动路线上布置了一个滚动直线球轴承28，以使滚珠丝杠副连接处免受径向载荷的影响，滚动直线球轴承通过一个直线轴承支架27固定在壳体16上。

作为本实施例的一种优选，前掌缓冲器7包括与中足关节6铰接的第一上连接件30，第一上连接件30通过橡胶弹簧31与第一下连接件32连接，第一下连接件32上还套接有直线球轴承33，直线球轴承33上还套接有轴承支架34。

作为本实施例的一种优选，后掌缓冲器8包括与中足关节6铰接的第二上连接件35，第二上连接件35通过橡胶弹簧31与第二下连接件36连接，第二下连接件36与直线球轴承33套接，直线球轴承33内还套接有套筒37。

所述前掌缓冲器和后掌缓冲器中布置的直线球轴承的作用是调节前掌和后掌的三自由度转动：当脚触地行走时，从脚底会自下而上传递地面接触力，因地面不够平整还会有坑坑洼洼，这就使得由地面传递上来的外力方向是多变的，为了能够让脚部自适应地面接触外力，同时还要让机器人脚底完全贴附于地面，以增加接触摩擦力，这就需要调节小腿与脚掌之间的姿态，以控制机器人的落足点位置来提升其平衡能力。

本实用新型设计橡胶弹簧缓冲构件，其具有结构较小型化、能平顺且反复地吸收冲击能量的优点。同一橡胶弹簧缓冲构件能同时承受多向载荷，从而使脚部机械系统的结构简化；因为橡胶弹簧具有较高的内阻，能快速吸收突然冲击和高频振动，并且，随外力的大小不同，可以实现理想的弹性变形和复位效果。其工作原理为：第一下连接件或第二下连接件受到冲击力后将向内收缩，挤压橡胶弹簧，在压力作用下橡胶弹簧收缩变形，在压力阻力的作用下，将冲击能量转化为弹性势能，达到缓冲的效果。第一下连接件或第二下连接件不受外力作用时将在缓冲器内部橡胶弹簧回复力的作用下立即回到初始位置。

在机器人的行走中，一般把一只脚触地的那一刻到它下一次触地的那一刻之间的这段时间划分为一个步态周期。对于脚部带有前后脚掌的机器人来说，这个周期内又可划分为后脚掌触地、全掌触地、前脚掌单独触地以及空中摆动这四个阶段，在此将其依次命名为冲击期、支撑期、前支期和摆动期。

冲击期脚部开始接触地面，后脚掌触地，缓冲地面冲击力；支撑期前后脚掌皆触地，共同支撑集机体的重量；前支期后脚掌抬起，前脚掌单独支撑；摆动期脚部整体抬起，跟随小腿向前摆动，准备下一次触地。

传动器与小腿设计为一个整体，构成脚部驱动器1。电机输出轴带动一对圆柱齿轮旋转，其传动比为1：1，从动齿轮与滚珠螺母相连，且通过一对角接触球轴承支撑在壳体上。在滚珠丝杠副的输出构件丝杠与脚掌机构之间增设一个支杆和连杆，电机带动滚珠螺母旋转，滚珠螺母将动力传递给丝杠，并同时将旋转运动方式变为直线运动，而后丝杠带动连杆运动，连杆再带动中足转动，实现脚部俯仰姿态的调整。

为了实现前脚掌的柔顺性，前脚掌连接一个前掌缓冲器，前掌缓冲器缓冲器另一端与中足相连。前掌缓冲器主要作用时期为前支期，当前足关节有所偏转时，缓冲器便受到力的作用，将冲击能量转化为热能，达到缓冲的效果。为避免前掌缓冲器与前脚掌的连接阻碍前脚掌的翻滚运动，在连接处使用球铰连接。利用两个拉伸弹簧来实现前脚掌俯仰与翻滚运动的复位。

为了实现后脚掌的柔顺性，后足关节与中足之间并联布置了两个后掌缓冲器，用一对圆柱副将后掌缓冲器与后足关节轴相连，通过两个缓冲器不同的压缩行程来实现后脚掌一定角度的翻转。

Claims (7)

1.一种单驱动力的可自适应地形的多自由度脚部装置，包括脚部驱动器(1)和与脚部驱动器(1)铰接的脚掌四连杆机构(2)，所述的脚掌四连杆机构(2)上还连接有前脚掌(3)和后脚掌(4)，其特征在于，所述的脚掌四连杆机构(2)包括中足(5)，所述的中足(5)两侧通过中足关节(6)分别铰接有前掌缓冲器(7)和后掌缓冲器(8)，所述的脚部驱动器(1)通过连杆(9)与中足(5)铰接有后掌缓冲器(8)的一侧铰接；

所述的后掌缓冲器(8)通过后足关节(10)和后脚掌(4)铰接，所述的前掌缓冲器(7)和前脚掌(3)通过前足关节(11)铰接，所述的中足(5)和前脚掌(3)之间还铰接有前掌连杆(12)，所述的前掌连杆(12)的中部和后足关节(10)之间铰接有固定连杆(13)。

2.如权利要求1所述的单驱动力的可自适应地形的多自由度脚部装置，其特征在于，所述的前掌连杆(12)的中部铰接有弹性元件(14)，弹性元件(14)的另一端与中足(5)铰接，所述的前掌连杆(12)的中部还铰接有拉伸弹簧(15)，所述的拉伸弹簧(15)的另一端与前脚掌(3)铰接。

3.如权利要求1所述的单驱动力的可自适应地形的多自由度脚部装置，其特征在于，所述的脚部驱动器(1)包括壳体(16)和固定在壳体(16)内部的驱动装置(17)。

4.如权利要求3所述的单驱动力的可自适应地形的多自由度脚部装置，其特征在于，所述的驱动装置(17)包括电机组件(18)、主动齿轮(19)和从动齿轮(20)；所述的电机组件(18)包括电机(21)、电机支架(22)和主动齿轮(19)，电机通过电机支架固定在壳体(16)上，驱动主动齿轮(19) 运动；所述的主动齿轮(19)，与从动齿轮(20)啮合传动；所述的从动齿轮(20)与滚珠螺母(23)连接；

滚珠螺母(23)与丝杠(24)上端的一段螺纹形成螺旋副，所述的滚珠螺母(23)安装到上套筒(25)中，所述的上套筒(25)通过轴承(26)安装到壳体(16)上；

所述的丝杠(24)的下端为直杆并伸出壳体(16)，丝杠(24)下端直杆部分与连杆(9)铰接。

5.如权利要求4所述的单驱动力的可自适应地形的多自由度脚部装置，其特征在于，所述的壳体(16)上安装有直线轴承支架(27)；所述直线轴承支架(27)内安装有滚动直线球轴承(28)；所述的壳体(16)上还设置有固定架(29)，所述的固定架(29)与直线轴承支架(27)连接，所述的滚动直线球轴承(28)套接在丝杠(24)下端的直杆上。

6.如权利要求1所述的单驱动力的可自适应地形的多自由度脚部装置，其特征在于，所述的前掌缓冲器(7)包括与中足关节(6)铰接的第一上连接件(30)；所述的第一上连接件(30)通过橡胶弹簧(31)与第一下连接件(32)连接，所述的第一下连接件(32)上还套接有直线球轴承(33)，直线球轴承(33)上还套接有轴承支架(34)。

7.如权利要求1所述的单驱动力的可自适应地形的多自由度脚部装置，其特征在于，所述的后掌缓冲器(8)包括与中足关节(6)铰接的第二上连接件(35)，所述的第二上连接件(35)通过橡胶弹簧(31)与第二下连接件(36)连接，所述的第二下连接件(36)与直线球轴承(33)套接，直线球轴承(33)内还套接有套筒(37)。

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