CN1966338A - 具有力感知能力的仿人足底机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有足趾关节的仿人足底，既可以检测足底的垂直压力、又具有运动方式明确、结构简单等特点的具有力感知能力的仿人足底机构。它包括前足、后足、具有力感知的检测部件和连接前足、后足的转动轴及相关传动部件，所述的每个力感知检测部件包括一个悬臂梁、两个应变片、两个螺栓、一个调整螺母、一个套筒、一个引导块、一块抗冲击聚氨酯橡胶块；所述的连接前足和后足的转动轴及相关传动部件包括转动轴、轴承、轴承端座、轴支撑座、电机座、齿轮、同步齿形带、紧钉螺钉、直流电机及减速器、编码器。本发明能够实现模拟人的足趾关节转动，具有力感知能力、体积小、重量轻、结构紧凑、经济可行，适应仿人机器人足底机构设计要求。

Description

具有力感知能力的仿人足底机构

(一)技术领域

本发明属于机器人和机械制造领域，具体涉及一种具有力感知能力的仿人足底机构。

(二)背景技术

近些年来，仿人机器人已经引起了国内外学者的广泛兴趣，并取得了令人赞叹的伟大成果，特别在模拟人各种动作、与人协作、语言交流等方面取得了重大突破。国内外较为成功且具有较高影响力的仿人机器人有日本本田的阿西姆机器人、日本索尼公司的QRIO机器人、德国墨尼黑技术大学应用力学实验室的Johnnie双足机器人以及北京理工大学的“汇童”机器人，但在这些设计中普遍将机器人足底简化设计成刚性平板结构，忽略了人正常行走中足趾关节在行走中的运动功能。

近几年，一些学者对具有足趾关节的机器人进行研究，仅日本东京大学的H7机器人较成功的利用足趾关节运动，完成了机器人上楼梯步态及平地拟人步态行走，H7机器人表明：有足趾关节运动的步态下，比相同状况下无足趾运动时上楼梯的高度更高，机器人的膝关节转速有所降低，在平地步行速度上有可能得到提高。还有些研究学者基于足趾关节的步态测量研究，它通过人穿有压力传感器的实验鞋来实验行走，观察有无足趾关节对人的步态影响，研究表明，在步行速度上，有足趾关节的运动比无足趾关节运动更有可以提高步行速度。可见，人的足趾关节在步行过程中起着非常重要的作用。

在仿人机器人步态控制中，首先最重要的一点是能够检测机器人的零力矩点位置，通常采用六维力/力矩传感器来检测地面的反力及反力矩大小，进而得到零力矩点的位置，为仿人机器人的步态控制提供重要的依据，是实现稳定步态的前提和重要保证。而从国内的技术水平及经济费用的考虑，如果采用六维力/力矩传感器后，机器人的足底体积及重量大大增加，费用也大大增加，而且针对具有足趾关节的仿人足底机构来说，实现的困难更大，为此采用了贴有应变片的应变梁简单结构实现具有足趾关节的仿人足底机构的力感知效应。

综上所述，用来实现双足机器人的拟人稳定步态是仿人机器人行走的重要目标。为此设计了带有足趾关节且具有力感知能力的仿人足底机构，本机构体积小、重量轻、成本低，用于仿人机器人的足底机构设计，可实现仿人机器人的拟人步态规划控制及仿生学研究，具有重要的长远的意义，为仿人机器人模拟人的复杂步态提供重要的技术保障，具有较强的实用化价值。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种带有足趾关节的仿人足底并能够模拟人的足部结构，既可以检测足底的垂直压力、又具有重量轻、体积小、精度高、运动方式明确、结构简单等特点的具有力感知能力的仿人足底机构。

本发明的目的是这样实现的：它包括前足、后足、力感知检测部件和连接前足、后足的传动部件，其中前足上设置有对称分布于支撑面的最外侧边缘的四个力感知检测部件，后足上设置有对称分布于后侧边缘的两个力感知检测部件和与足上踝关节连接的连接端座，连接端座与踝关节环抱并固连。

本发明还有这样一些结构特征：

1、所述的力感知检测部件包括一个悬臂梁、两个应变片、两个螺栓、一个调整螺母、一个套筒、一个引导块、抗冲击聚氨酯橡胶块，悬臂梁一端与后足通过螺栓固定，另一端与螺栓螺纹连接，调整螺母设置在悬臂梁上端，引导块下端与抗冲击聚氨酯橡胶块固连并与螺栓末端接触；

2、所述的引导块上端设置有圆形凹槽；

3、所述的连接前足和后足的传动部件包括转动轴、轴承、轴承端座、轴支撑座、电机座、齿轮、同步齿形带、紧钉螺钉、直流电机及减速器、编码器，所述的轴承端座与前足、后足分别通过螺栓固连，电机座与后足通过螺栓固连，电机座上端与直流电机及减速器前端通过螺钉固连，直流电机及减速器的前端电机轴与所述轴一端通过紧钉螺钉紧钉固连，直流电机及减速器尾部与所述的编码器固连，电机转动与关节轴转动通过同步齿形带传动；

4、所述的电机转动与关节轴转动通过齿轮传动。

本发明的工作原理为：在仿人机器人足底与地面接触时，通过安装在足底的六个力感知检测部件检测足底的反力，具体依据应变片阻值的变化大小来判断；在前足和后足之间，具有一个转动轴，通过直流电机转动，带动同步齿形带完成对该轴的传动，实现仿人机器人足趾关节参与拟人步态运动，同时在足趾关节翻转时后足跟抬起，通过前足的四个力感知能力的检测部件检测足底的反力，实时分析足底零力矩点的位置，为仿人机器人的拟人步态控制提供重要的数据支持，是成功实现仿人机器人拟人步态的关键。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、本发明的可以实现主动驱动的足趾关节转动，可模拟人的足趾关节转动。

2、本发明的力感知能力部件结构简单、原理清晰、经济可行。

3、本发明的体积小、重量轻、结构紧凑，适应仿人机器人足底机构设计要求。

4、本发明实现足趾关节转动可由多种传动方式实现，包括带传动、齿轮传动和链传动。

5、本发明的对电机的尺寸大小要求比电机轴与转动轴同轴的结构下的要求低，在仿人机器人足底设计中将会得到广泛应用。

(四)附图说明

图1是本发明第一种实施方案的机构俯视图；

图2是本发明第一种实施方案的机构正视图；

图3是本发明第一种实施方案的机构左视图；

图4是本发明第二种实施方案的机构俯视图；

图5是本发明第二种实施方案的机构正视图；

图6是本发明第二种实施方案的机构左视图；

图7是脚趾部分的电路框图。

图8是图7脚趾部分电路框图的一种实现电路。

(五)具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

结合图1-3，本实施例包括前足1、后足7、六个力感知检测部件以及连接前足和后足的转动轴及相关传动部件，所述的前足1上具有四个力感知检测部件c、d、e、f，四个力感知检测部件对称分布于支撑面的最外侧边缘；所述的后足7具有两个力感知检测部件a、b和与踝关节连接的连接端座36，其中，两个力感知检测部件a、b对称分布于后足7的后侧边缘，所述的连接端座36与踝关节加紧环30通过螺栓31抱紧固连；所述的六个力感知检测部件结构都相同，为避免不必要的重复，针对一个力感知检测部件a进行说明，所述的力感知检测部件a包括一个悬臂梁9a、两个应变片10a和16a、两个螺栓8a和11a、一个调整螺母13a、一个套筒15a、一个引导块12a和抗冲击聚氨酯橡胶块14a；所述的悬臂梁9a一端与后足7通过螺栓8a固定，所述的悬臂梁9a另一端与螺栓8b螺纹连接，调整螺母13a在悬臂梁上端，所述的调整螺母13a可以调整悬臂梁的初始位置，所述的套筒15a与后足7过盈配合，所述的引导块12a与套筒15a间隙配合，所述的引导块12a下端与抗冲击聚氨酯橡胶块14a固连且上端圆形凹槽与螺栓8b末端接触；所述的其他五个力感知检测部件b、c、d、e、f的具体结构不一一说明，与所述的第一个力感知检测部件a相同。

所述的连接前足1和后足7的转动轴及相关传动部件，包括转动轴20、26和28、轴承35a、35b和35c、轴承端座21、24和27、轴支撑座19和25、电机座29、齿轮23a和23b、同步齿形带22、紧定螺钉34、直流电机及减速器32和编码器2；所述的轴承35a内圈与轴20过盈配合且外圈与轴承端座21过盈配合，所述的轴承35b内圈与轴28过盈配合且外圈与轴承端座27过盈配合，所述的轴承35c内圈与轴26过盈配合且外圈与轴承端座24过盈配合，所述的轴端座19与前足1通过四个螺栓17a、17b、17c和17d固连，所述的轴端座19与轴20一端过盈配合，所述的轴端座25与前足1通过四个螺栓5a、5b、5c和5d固连，所述的轴端座25与轴26一端过盈配合。

所述的轴承端座21与后足7通过四个螺栓18a、18b、18c和18d固连，所述的轴承端座24与后足7通过四个螺栓6a、6b、6c和6d固连，所述的轴承端座27与后足7通过四个螺栓4a、4b、4c和4d固连，所述的齿轮23a与轴26的另一端过盈配合，所述的齿轮23b与轴28的一端过盈配合，所述的电机座29与后足7通过四个螺栓3a、3b、3c和3d固连，所述的齿轮23a和23b通过同步齿形带22传动，所述的电机座29上端与直流电机及减速器32前端通过四个均布的螺钉33a、33b、33c和33d固连，所述的直流电机及减速器32的前端电机轴与所述轴28另一端的孔间隙配合，通过紧钉螺钉34紧钉固连，所述的直流电机及减速器32尾部与所述的编码器2固连。

结合图7-8，测力传感器采用全桥电路，由应变片R61、R62、R63、R64等四个应变片组成，在输入电压V1的作用下，应变产生的输出输到放大器A1、A2的输入端。

放大电路采用差动放大形式，由三个放大器及相应的电阻构成。其中放大器A1、A2为第一级放大，A3为第二级放大，电阻RP1用于增益调节。放大电路出来的电压信号，由PMAC1进行信号处理(A/D转换)。图8中仅画出通道1中放大电路电压信号与PMAC1的PIN21相连，另外11路信号，依次连接PIN22——PIN32。A/D转换后的信号经PCI总线与控制计算机进行交换，控制计算机产生相应的控制信息，经PMAC1以及其扩展板ACC-8D来控制脚趾关节电机MG1，MG2。电机MG1、MG2的码盘信号由端子J1、J2输入，经ACC-8D及PMAC1处理输入控制计算机，从而实现计算机对电机的臂环控制。

实施例2：

结合图4、5和6，本实施例是在实施例1的基础上作一定的改动，具体是将实施例1中连接齿轮23a和23b的同步齿形带22去掉，将所述的齿轮23a和23b换成齿轮37a和37b，将原先实施例1的同步齿形带传动换成所述齿轮37a和37b啮合的齿轮传动，其他同实施例1。

Claims (5)

1、一种具有力感知能力的仿人足底机构，它包括前足、后足、力感知检测部件和连接前足、后足的传动部件，其特征是：所述的前足上设置有四个力感知检测部件，且对称分布于支撑面的最外侧边缘；所述的后足上设置有两个力感知检测部件和与踝关节的连接端座，其中两个力感知检测部件对称分布于后足的后侧边缘，连接端座与踝关节环抱并固连。

2、根据权利要求1所述的具有力感知能力的仿人足底机构，其特征是：所述的力感知检测部件包括一个悬臂梁、两个应变片、两个螺栓、一个调整螺母、一个套筒、一个引导块、抗冲击聚氨酯橡胶块，悬臂梁一端与后足通过螺栓固定，另一端与螺栓螺纹连接，调整螺母设置在悬臂梁上端，引导块下端与抗冲击聚氨酯橡胶块固连并与螺栓末端接触。

3、根据权利要求2所述的具有力感知能力的仿人足底机构，其特征是：所述的引导块上端设置有圆形凹槽。

4、根据权利要求1或2或3所述的具有力感知能力的仿人足底机构，其特征是：所述的连接前足和后足的传动部件包括转动轴、轴承、轴承端座、轴支撑座、电机座、齿轮、同步齿形带、紧钉螺钉、直流电机及减速器、编码器，所述的轴承端座与前足、后足分别通过螺栓固连，电机座与后足通过螺栓固连，电机座上端与直流电机及减速器前端通过螺钉固连，直流电机及减速器的前端电机轴与所述轴一端通过紧钉螺钉紧钉固连，直流电机及减速器尾部与所述的编码器固连，电机转动与关节轴转动通过同步齿形带传动。

5、根据权利要求4所述的具有力感知能力的仿人足底机构，其特征是：所述的电机转动与关节轴转动通过齿轮传动。

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