專利名稱：具有柔性關(guān)節(jié)的機(jī)器人腳部機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有柔性關(guān)節(jié)的機(jī)器人腳部機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
仿人機(jī)器人是與人類最接近的一種機(jī)器人，其最大的特征就是能像人類一樣行走。具有人的外形，并且具有移動(dòng)功能、操作功能、聯(lián)想記憶、學(xué)習(xí)能力、情感交流、社交能力以及具有部分人類經(jīng)驗(yàn)的最接近人的智能機(jī)器人。相對(duì)于輪式或履帶式機(jī)器人，仿人機(jī)器人具有靈活的行走系統(tǒng)，能夠雙足行走，這就決定了其在工作中無可比擬的優(yōu)越性靈活性好、工作空間廣闊、移動(dòng)“盲區(qū)”小、耗能小、方便上下臺(tái)階、障礙逾越能力較高、可以適應(yīng)這種地面，因此，仿人機(jī)器人有更廣闊的發(fā)展前景。仿人機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)是行走機(jī)構(gòu)，其行走的速度、穩(wěn)定性、步態(tài)的靈活性直接影響其工作能力與效率。在行走過程中，當(dāng)腳部與地面接觸時(shí)產(chǎn)生沖擊，沖擊通過踝關(guān)節(jié)傳送到仿人機(jī)器人的軀干，由于這種沖擊，仿人機(jī)器人的動(dòng)態(tài)平衡會(huì)受到干擾，導(dǎo)致步態(tài)的不穩(wěn)定，并且會(huì)對(duì)內(nèi)部的精密減速機(jī)構(gòu)、伺服電機(jī)、精密傳感器等部件造成損傷，限制了機(jī)器人的步行速度，行走步態(tài)的連貫性，導(dǎo)致機(jī)器人失去平衡，影響控制穩(wěn)定性等，所以在設(shè)計(jì)仿人機(jī)器人的腳部機(jī)構(gòu)時(shí)需要考慮吸收沖擊的問題。為了解決上述問題，目前已經(jīng)研制出多種在走路期間能夠吸收沖擊的機(jī)器人腳部機(jī)構(gòu)。中國(guó)專利CN101108146A，一種人形機(jī)器人腳，該結(jié)構(gòu)包括腳板，橡膠腳底層，六維力傳感器，信號(hào)處理系統(tǒng)，觸覺陣列墊，腳面，傾角傳感器，上法蘭，下法蘭。此機(jī)器人腳看起來更接近人類的腳，橡膠腳底層有適當(dāng)?shù)膹椥?，且下表面有防滑槽，可以有效的吸收沖擊力。在行走過程中，傾角傳感器檢測(cè)腳板的傾斜角度信息，六維力傳感器檢測(cè)地面反作用力信息，觸覺陣列墊獲取腳與路面的接觸狀態(tài)及接觸位置的信息，信號(hào)處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集這些傳感器的信息并對(duì)其進(jìn)行綜合處理，計(jì)算ZMP軌跡，規(guī)劃?rùn)C(jī)器人行走的步態(tài)，提高步態(tài)的穩(wěn)定性。本身只有較小的吸收沖擊的能力，關(guān)鍵是通過步態(tài)規(guī)劃改變行走狀態(tài)這增加了控制的困難。該發(fā)明主要是依靠橡膠腳底層吸收腳著地時(shí)的沖擊力，沖擊吸收的效果十分有限。中國(guó)專利CN101402380A，一種仿人機(jī)器人足部沖擊吸收機(jī)構(gòu)，該方案包括腳底板， 減震柱，上壓板，上蓋板，調(diào)節(jié)墊圈，腳面外殼，六維力傳感器，防滑墊，并且腳底板的前端和后端都設(shè)計(jì)成斜面，有利于實(shí)現(xiàn)腳跟著地、腳尖離地的行走方式。減震柱設(shè)置在腳底板和上壓板中間，上蓋板通過調(diào)節(jié)墊圈也腳底板相連，六維力傳感器與仿人機(jī)器人的腿部相連。當(dāng)仿人機(jī)器人行走時(shí)，防滑墊與地面接觸，直接受到地面的反作用力，將力通過腳底板傳遞給減震柱，減震柱有效的吸收此沖擊力，而且可以通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)墊圈的厚度來改變減震柱的壓緊力。此種類型的沖擊吸收裝置有下述缺點(diǎn)，當(dāng)振動(dòng)施加在機(jī)器人的腳跟或者是腳趾處的時(shí)候，不能有效的減弱所產(chǎn)生的振動(dòng)。發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中仿人機(jī)器人腳部機(jī)構(gòu)的不足之處，提供一種具有柔性關(guān)節(jié)的機(jī)器人腳部機(jī)構(gòu)。本實(shí)用新型解決技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案如下本實(shí)用新型包括前邊沿向上彎曲的腳趾板、后邊沿向上彎曲的腳跟板、設(shè)置在腳趾板與腳跟板之間的腳掌板、柔性鉸鏈、彈簧板、腳跟減振裝置、六維力力矩傳感裝置和踝支承座。所述的腳趾板與腳掌板通過柔性鉸鏈連接，腳掌板與腳跟板通過彈簧板連接；所述的腳趾板、腳掌板和腳跟板底面上還設(shè)置有橡膠層。所述的柔性鉸鏈、彈簧板和減振裝置均沿行進(jìn)方向?qū)ΨQ設(shè)置。所述的柔性鉸鏈為由兩個(gè)可柔性變形的矩形環(huán)并聯(lián)組成，該柔性鉸鏈由整體線切割加工形成，每個(gè)矩形環(huán)開有與行進(jìn)方向垂直的凹槽，用于吸收變形。所述的彈簧板中間的厚度小于兩端的厚度，材料為50Crva。所述的腳跟減震裝置包括阻尼減震器支座、阻尼減震器、傳動(dòng)三角支座、傳動(dòng)三角和軸承。阻尼減震器支座位于腳掌板前端，阻尼減震器的一端與阻尼減震器支座固定連接， 另一端通過第一銷軸與傳動(dòng)三角的一個(gè)角活動(dòng)連接，位于腳掌板后端的彈簧板上的傳動(dòng)三角支座通過第二銷軸與傳動(dòng)三角的另一個(gè)角活動(dòng)連接，軸承通過第三銷軸與傳動(dòng)三角的第三個(gè)角活動(dòng)連接，所述的軸承與位于腳跟板上的彈簧板接觸。減震裝置安裝在腳掌板上。所述的六維力力矩傳感裝置包括六維力力矩傳感器、六維力力矩座、沖擊吸收器、 緩沖器、緩沖墊圈和導(dǎo)向圈。六維力力矩傳感裝置安裝在腳掌板上，六維力力矩傳感器上面安裝有踝支承座，六維力力矩傳感器下面安裝有六維力力矩座。六維力力矩座通過沖擊吸收器和緩沖器與緩沖墊圈連接，所述的緩沖墊圈與腳掌板機(jī)械連接，所述的六維力力矩座與腳掌板之間設(shè)有導(dǎo)向圈。本實(shí)用新型相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)具有以下有益效果本實(shí)用新型通過增加被動(dòng)腳趾自由度使仿人機(jī)器人的行走更加穩(wěn)定，步態(tài)更加平穩(wěn)和自然。腳趾采用彈性元件連接，制造方便，降低成本，提高性能，起步時(shí)，彈性元件(柔性鉸鏈)在俯仰軸方向上發(fā)生彎曲，相當(dāng)于彈簧，此時(shí)儲(chǔ)存彈性勢(shì)能，腳抬起的過程中，彈性元件可釋放能量，起到節(jié)能的目的。腳跟采用彈性元件+阻尼器的方式，當(dāng)腳跟著地時(shí)，通過阻尼減震器吸收消耗掉著地沖擊產(chǎn)生的能量，是機(jī)器人著地更加平穩(wěn)。

圖1為本實(shí)用新型總體結(jié)構(gòu)圖；圖2為腳部結(jié)構(gòu)剖視圖；圖3為腳部結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖4為柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)圖；圖5為彈簧板結(jié)構(gòu)圖；附圖中1腳板、2橡膠腳底層、3導(dǎo)向圈、4緩沖墊圈、5柔性鉸鏈、6沖擊吸收器、7 踝支承座、8六維力力矩座、9六維力力矩傳感器、10緩沖器、11傳動(dòng)三角、12傳動(dòng)三角支座、 13軸承、14彈簧板、15阻尼減震器、16阻尼減震器支座、Ia腳跟板、Ib腳掌板、Ic腳趾板、2a腳跟橡膠腳底層、％腳掌橡膠腳底層、2c腳趾橡膠腳底層。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。如圖1所示，本實(shí)用新型包括前邊沿向上彎曲的腳趾板lc、后邊沿向上彎曲的腳跟板la、設(shè)置在腳趾板Ic與腳跟板Ia之間的腳掌板lb、柔性鉸鏈5、彈簧板14、腳跟減震裝置(13軸承、14彈簧板、15阻尼減震器)、六維力傳感裝置(8六維力力矩座、9六維力力矩傳感器)和踝支承座7。所述的腳趾板Ic與腳掌板Ib通過柔性鉸鏈5連接，腳掌板Ib與腳跟板Ia通過彈簧板14連接；所述的六維力力矩裝置安置在腳掌板Ib上，位于六維力力矩傳感裝置兩側(cè)的腳掌板Ib上裝有腳跟減振裝置，六維力力矩傳感裝置的頂部裝有踝支承座7。如圖2所示，六維力力矩傳感器9上面與踝支承座7連接，下面與六維力力矩座8 通過螺釘機(jī)械連接。六維力力矩座8與沖擊吸收器6和緩沖器10連接，沖擊吸收器6和緩沖器10通過螺釘與腳掌板Ib連接，且與腳掌板Ib之間安裝有緩沖墊圈4，六維力力矩座8 與腳掌板Ib之間設(shè)有導(dǎo)向墊圈3。六維力力矩傳感器9可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人腳與路面接觸時(shí)的地面反作用力信息，此信息用來計(jì)算機(jī)器人行走時(shí)的ZMP位置，判斷ZMP的位置是否在穩(wěn)定的區(qū)域內(nèi)，并為機(jī)器人下一步的步態(tài)規(guī)劃提供依據(jù)。所述的柔性鉸鏈5、彈簧板14和腳跟減震裝置(13軸承、14彈簧板、15阻尼減震器)均沿行進(jìn)方向?qū)ΨQ設(shè)置。所述的減振裝置如圖3所示，包括阻尼減震器支座16、阻尼減震器15、傳動(dòng)三角支座12，傳動(dòng)三角11和軸承13。阻尼減震器支座16位于腳掌板Ib前端，阻尼減震器15的一端與阻尼減震器支座16固定連接，另一端通過第一銷軸與傳動(dòng)三角架11的一個(gè)角活動(dòng)連接，位于腳掌板Ib后端的彈簧板14上的傳動(dòng)三角支座12通過第二銷軸與傳動(dòng)三角架11 的另一個(gè)角活動(dòng)連接，軸承13通過第三銷軸與傳動(dòng)三角架11的再一個(gè)角活動(dòng)連接，所述的軸承13與位于腳跟板Ib上的彈簧板14接觸。 所述的柔性鉸鏈5如圖4所示，為由兩個(gè)矩形環(huán)并聯(lián)組成，該柔性鉸鏈整體線切割加工形成，每個(gè)矩形環(huán)的頂面與底面對(duì)稱開有與行進(jìn)方向垂直的凹槽，用于吸收變形。柔性鉸鏈5 —端與腳掌板Ib通過螺釘機(jī)械連接，一端與腳趾板Ic通過螺釘機(jī)械連接。在不平路面上行走時(shí)，腳趾板可以通過柔性鉸鏈在俯仰方向上轉(zhuǎn)動(dòng)，也可以繞滾動(dòng)方向發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。 針對(duì)目前仿人機(jī)器人腳板平著著地的行走方式，當(dāng)?shù)孛娌黄交蛴行≌系K時(shí)，對(duì)地面不敏感， 相對(duì)于主動(dòng)腳趾自由度，可以簡(jiǎn)化機(jī)器人的控制來穩(wěn)定機(jī)器人的步態(tài)。起步時(shí)，大變形柔性鉸鏈相當(dāng)于彈簧，可以儲(chǔ)存彈性勢(shì)能，腳抬起時(shí)，可以釋放能量，起到節(jié)能的目的。所述的彈簧板14如圖5所示，呈扁平H型，兩端厚，中間薄，由線切割加工而成，中間的薄板在兩端受力狀態(tài)下產(chǎn)生大變形，從而達(dá)到腳后跟減震目的。彈簧板14相當(dāng)于彈簧，可以發(fā)生彎曲，繞俯仰軸發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，在滾動(dòng)軸方向上允許有少量的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)腳跟著地時(shí)，腳跟所受到的地面的沖擊通過軸承13和傳動(dòng)三角11傳遞給阻尼器(阻尼減震器15)，阻尼器可以吸收消耗掉著地沖擊產(chǎn)生的能量，是機(jī)器人著地更加平穩(wěn)。[0034]所述的腳趾板lc、腳掌板Ib和腳跟板Ia底面上還設(shè)置有橡膠層。腳跟板Ia與腳跟橡膠腳底層h用膠水連接，腳掌板Ib與腳掌橡膠腳底層％用膠水連接，腳趾板Ic與腳趾橡膠腳底層2c用膠水連接，橡膠腳底層2的形狀與腳板1的底面形狀一致。橡膠腳底層 2具有很好的彈性，直接與地面接觸，當(dāng)機(jī)器人的腳著地時(shí)起到初步的緩沖減振作用。本實(shí)用新型中的腳板1是由腳跟la、腳掌板lb、腳趾板Ic三部分構(gòu)成，橡膠腳底層2包括腳跟橡膠腳底層加、腳掌橡膠腳底層2b和腳趾橡膠腳底層2c。腳板1下面與橡膠腳底層2用膠水連接，橡膠腳底層2的形狀與腳板1的形狀相同，橡膠腳底層2的材料采用的是美國(guó) KELLETT 公司的 LP-13 Shake Absorber Vibration Isolation Pads，具有很好的吸收減震作用，可以將腳著地時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能一部分轉(zhuǎn)換成熱能，防止振動(dòng)對(duì)接觸點(diǎn)產(chǎn)生影響，起到一定的緩沖作用。腳趾板Ic和腳跟Ia分別設(shè)置了相應(yīng)的弧度，當(dāng)腳著地或者離地，或者地面不平時(shí)，腳底可以與地面保持適當(dāng)?shù)慕佑|并且降低了踝關(guān)節(jié)所受的沖擊力。以上通過參考在附圖中表示的示例性實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型做了特別的展示和說明，對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，應(yīng)該明白，在不背離本實(shí)用新型的思想和范圍下作出在形式上和細(xì)節(jié)上的各種修改和改變。因此本實(shí)用新型要保護(hù)的真正思想和范圍由所附的權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求1.具有柔性關(guān)節(jié)的機(jī)器人腳部機(jī)構(gòu)，包括前邊沿向上彎曲的腳趾板、后邊沿向上彎曲的腳跟板、設(shè)置在腳趾板與腳跟板之間的腳掌板、柔性鉸鏈、彈簧板、腳跟減振裝置、六維力力矩傳感裝置和踝支承座，其特征在于所述的腳趾板與腳掌板通過柔性鉸鏈連接，腳掌板與腳跟板通過彈簧板連接； 所述的腳趾板、腳掌板和腳跟板底面上還設(shè)置有橡膠層； 所述的柔性鉸鏈、彈簧板和減振裝置均沿行進(jìn)方向?qū)ΨQ設(shè)置； 所述的柔性鉸鏈為由兩個(gè)可柔性變形的矩形環(huán)并聯(lián)組成，每個(gè)矩形環(huán)開有與行進(jìn)方向垂直的凹槽，用于吸收變形；所述的彈簧板中間的厚度小于兩端的厚度；所述的腳跟減震裝置包括阻尼減震器支座、阻尼減震器、傳動(dòng)三角支座、傳動(dòng)三角和軸承；阻尼減震器支座位于腳掌板前端，阻尼減震器的一端與阻尼減震器支座固定連接，另一端通過第一銷軸與傳動(dòng)三角的一個(gè)角活動(dòng)連接，位于腳掌板后端的彈簧板上的傳動(dòng)三角支座通過第二銷軸與傳動(dòng)三角的另一個(gè)角活動(dòng)連接，軸承通過第三銷軸與傳動(dòng)三角的第三個(gè)角活動(dòng)連接，所述的軸承與位于腳跟板上的彈簧板接觸，減震裝置安裝在腳掌板上；所述的六維力力矩傳感裝置包括六維力力矩傳感器、六維力力矩座、沖擊吸收器、緩沖器、緩沖墊圈和導(dǎo)向圈；六維力力矩傳感裝置安裝在腳掌板上，六維力力矩傳感器上面安裝有踝支承座，六維力力矩傳感器下面安裝有六維力力矩座；六維力力矩座通過沖擊吸收器和緩沖器與緩沖墊圈連接，所述的緩沖墊圈與腳掌板機(jī)械連接，所述的六維力力矩座與腳掌板之間設(shè)有導(dǎo)向圈。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種具有柔性關(guān)節(jié)的機(jī)器人腳部機(jī)構(gòu)?，F(xiàn)有的機(jī)器人足部沖擊吸收效果不好。本實(shí)用新型包括腳趾板、腳跟板、腳掌板、柔性鉸鏈、彈簧板、腳跟減振裝置、六維力力矩傳感裝置和踝支承座。腳趾板與腳掌板通過柔性鉸鏈連接，腳掌板與腳跟板通過彈簧板連接；腳趾板、腳掌板和腳跟板底面上設(shè)置有橡膠層；柔性鉸鏈、彈簧板和減振裝置均沿行進(jìn)方向?qū)ΨQ設(shè)置；柔性鉸鏈為由兩個(gè)可柔性變形的矩形環(huán)并聯(lián)組成，該柔性鉸鏈由整體線切割加工形成，每個(gè)矩形環(huán)開有與行進(jìn)方向垂直的凹槽，用于吸收變形；彈簧板中間的厚度小于兩端的厚度。本實(shí)用新型通過增加被動(dòng)腳趾自由度使仿人機(jī)器人的行走更加穩(wěn)定，步態(tài)更加平穩(wěn)和自然。
文檔編號(hào)B62D57/032GK201980318SQ20112012203
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2011年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月24日
發(fā)明者周建軍, 李秀梅, 陳駿 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)