专利名称：一种具有柔性关节的机器人脚部机构的制作方法
技术领域：
本发明属于机器人技术领域，涉及一种具有柔性关节的机器人脚部机构。
背景技术：
仿人机器人是与人类最接近的一种机器人，其最大的特征就是能像人类一样行走。具有人的外形，并且具有移动功能、操作功能、联想记忆、学习能力、情感交流、社交能力以及具有部分人类经验的最接近人的智能机器人。相对于轮式或履带式机器人，仿人机器人具有灵活的行走系统，能够双足行走，这就决定了其在工作中无可比拟的优越性灵活性好、工作空间广阔、移动“盲区”小、耗能小、方便上下台阶、障碍逾越能力较高、可以适应这种地面，因此，仿人机器人有更广阔的发展前景。仿人机器人的关键技术是行走机构，其行走的速度、稳定性、步态的灵活性直接影响其工作能力与效率。在行走过程中，当脚部与地面接触时产生冲击，冲击通过踝关节传送到仿人机器人的躯干，由于这种冲击，仿人机器人的动态平衡会受到干扰，导致步态的不稳定，并且会对内部的精密减速机构、伺服电机、精密传感器等部件造成损伤，限制了机器人的步行速度，行走步态的连贯性，导致机器人失去平衡，影响控制稳定性等，所以在设计仿人机器人的脚部机构时需要考虑吸收冲击的问题。为了解决上述问题，目前已经研制出多种在走路期间能够吸收冲击的机器人脚部机构。中国专利CN101108146A，一种人形机器人脚，该结构包括脚板，橡胶脚底层，六维力传感器，信号处理系统，触觉阵列垫，脚面，倾角传感器，上法兰，下法兰。此机器人脚看起来更接近人类的脚，橡胶脚底层有适当的弹性，且下表面有防滑槽，可以有效的吸收冲击力。在行走过程中，倾角传感器检测脚板的倾斜角度信息，六维力传感器检测地面反作用力信息，触觉阵列垫获取脚与路面的接触状态及接触位置的信息，信号处理系统实时采集这些传感器的信息并对其进行综合处理，计算ZMP轨迹，规划机器人行走的步态，提高步态的稳定性。本身只有较小的吸收冲击的能力，关键是通过步态规划改变行走状态这增加了控制的困难。该发明主要是依靠橡胶脚底层吸收脚着地时的冲击力，冲击吸收的效果十分有限。中国专利CN101402380A，一种仿人机器人足部冲击吸收机构，该方案包括脚底板， 减震柱，上压板，上盖板，调节垫圈，脚面外壳，六维力传感器，防滑垫，并且脚底板的前端和后端都设计成斜面，有利于实现脚跟着地、脚尖离地的行走方式。减震柱设置在脚底板和上压板中间，上盖板通过调节垫圈也脚底板相连，六维力传感器与仿人机器人的腿部相连。当仿人机器人行走时，防滑垫与地面接触，直接受到地面的反作用力，将力通过脚底板传递给减震柱，减震柱有效的吸收此冲击力，而且可以通过调节调节垫圈的厚度来改变减震柱的压紧力。此种类型的冲击吸收装置有下述缺点，当振动施加在机器人的脚跟或者是脚趾处的时候，不能有效的减弱所产生的振动。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术中仿人机器人脚部机构的不足之处，提供一种具有柔性关节的机器人脚部机构。本发明解决技术问题所采取的技术方案如下
本发明包括前边沿向上弯曲的脚趾板、后边沿向上弯曲的脚跟板、设置在脚趾板与脚跟板之间的脚掌板、柔性铰链、弹簧板、脚跟减振装置、六维力力矩传感装置和踝支承座。所述的脚趾板与脚掌板通过柔性铰链连接，脚掌板与脚跟板通过弹簧板连接； 所述的脚趾板、脚掌板和脚跟板底面上还设置有橡胶层。所述的柔性铰链、弹簧板和减振装置均沿行进方向对称设置。所述的柔性铰链为由两个可柔性变形的矩形环并联组成，该柔性铰链由整体线切割加工形成，每个矩形环开有与行进方向垂直的凹槽，用于吸收变形。所述的弹簧板中间的厚度小于两端的厚度，材料为50Crva。所述的脚跟减震装置包括阻尼减震器支座、阻尼减震器、传动三角支座、传动三角和轴承。阻尼减震器支座位于脚掌板前端，阻尼减震器的一端与阻尼减震器支座固定连接， 另一端通过第一销轴与传动三角的一个角活动连接，位于脚掌板后端的弹簧板上的传动三角支座通过第二销轴与传动三角的另一个角活动连接，轴承通过第三销轴与传动三角的第三个角活动连接，所述的轴承与位于脚跟板上的弹簧板接触。减震装置安装在脚掌板上。所述的六维力力矩传感装置包括六维力力矩传感器、六维力力矩座、冲击吸收器、 缓冲器、缓冲垫圈和导向圈。六维力力矩传感装置安装在脚掌板上，六维力力矩传感器上面安装有踝支承座，六维力力矩传感器下面安装有六维力力矩座。六维力力矩座通过冲击吸收器和缓冲器与缓冲垫圈连接，所述的缓冲垫圈与脚掌板机械连接，所述的六维力力矩座与脚掌板之间设有导向圈。本发明相对于现有技术具有以下有益效果本发明通过增加被动脚趾自由度使仿人机器人的行走更加稳定，步态更加平稳和自然。脚趾采用弹性元件连接，制造方便，降低成本，提高性能，起步时，弹性元件(柔性铰链)在俯仰轴方向上发生弯曲，相当于弹簧，此时储存弹性势能，脚抬起的过程中，弹性元件可释放能量，起到节能的目的。脚跟采用弹性元件+阻尼器的方式，当脚跟着地时，通过阻尼减震器吸收消耗掉着地冲击产生的能量，是机器人着地更加平稳。
图1为本发明总体结构图； 图2为脚部结构剖视图3为脚部结构侧视图； 图4为柔性铰链结构图； 图5为弹簧板结构附图中1脚板、2橡胶脚底层、3导向圈、4缓冲垫圈、5柔性铰链、6冲击吸收器、7踝支承座、8六维力力矩座、9六维力力矩传感器、10缓冲器、11传动三角、12传动三角支座、13 轴承、14弹簧板、15阻尼减震器、16阻尼减震器支座、Ia脚跟板、Ib脚掌板、Ic脚趾板、加脚跟橡胶脚底层、2b脚掌橡胶脚底层、2c脚趾橡胶脚底层。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步说明。如图1所示，本发明包括前边沿向上弯曲的脚趾板lc、后边沿向上弯曲的脚跟板 la、设置在脚趾板Ic与脚跟板Ia之间的脚掌板lb、柔性铰链5、弹簧板14、脚跟减震装置 (13轴承、14弹簧板、15阻尼减震器)、六维力传感装置(8六维力力矩座、9六维力力矩传感器)和踝支承座7。所述的脚趾板Ic与脚掌板Ib通过柔性铰链5连接，脚掌板Ib与脚跟板Ia通过弹簧板14连接；
所述的六维力力矩装置安置在脚掌板Ib上，位于六维力力矩传感装置两侧的脚掌板 Ib上装有脚跟减振装置，六维力力矩传感装置的顶部装有踝支承座7。如图2所示，六维力力矩传感器9上面与踝支承座7连接，下面与六维力力矩座8 通过螺钉机械连接。六维力力矩座8与冲击吸收器6和缓冲器10连接，冲击吸收器6和缓冲器10通过螺钉与脚掌板Ib连接，且与脚掌板Ib之间安装有缓冲垫圈4，六维力力矩座8 与脚掌板Ib之间设有导向垫圈3。六维力力矩传感器9可以实时监测机器人脚与路面接触时的地面反作用力信息，此信息用来计算机器人行走时的ZMP位置，判断ZMP的位置是否在稳定的区域内，并为机器人下一步的步态规划提供依据。所述的柔性铰链5、弹簧板14和脚跟减震装置(13轴承、14弹簧板、15阻尼减震器)均沿行进方向对称设置。所述的减振装置如图3所示，包括阻尼减震器支座16、阻尼减震器15、传动三角支座12，传动三角11和轴承13。阻尼减震器支座16位于脚掌板Ib前端，阻尼减震器15的一端与阻尼减震器支座16固定连接，另一端通过第一销轴与传动三角架11的一个角活动连接，位于脚掌板Ib后端的弹簧板14上的传动三角支座12通过第二销轴与传动三角架11 的另一个角活动连接，轴承13通过第三销轴与传动三角架11的再一个角活动连接，所述的轴承13与位于脚跟板Ib上的弹簧板14接触。所述的柔性铰链5如图4所示，为由两个矩形环并联组成，该柔性铰链整体线切割加工形成，每个矩形环的顶面与底面对称开有与行进方向垂直的凹槽，用于吸收变形。柔性铰链5 —端与脚掌板Ib通过螺钉机械连接，一端与脚趾板Ic通过螺钉机械连接。在不平路面上行走时，脚趾板可以通过柔性铰链在俯仰方向上转动，也可以绕滚动方向发生转动。 针对目前仿人机器人脚板平着着地的行走方式，当地面不平或有小障碍时，对地面不敏感， 相对于主动脚趾自由度，可以简化机器人的控制来稳定机器人的步态。起步时，大变形柔性铰链相当于弹簧，可以储存弹性势能，脚抬起时，可以释放能量，起到节能的目的。所述的弹簧板14如图5所示，呈扁平H型，两端厚，中间薄，由线切割加工而成，中间的薄板在两端受力状态下产生大变形，从而达到脚后跟减震目的。弹簧板14相当于弹簧，可以发生弯曲，绕俯仰轴发生转动，在滚动轴方向上允许有少量的转动。当脚跟着地时，脚跟所受到的地面的冲击通过轴承13和传动三角11传递给阻尼器(阻尼减震器15)，阻尼器可以吸收消耗掉着地冲击产生的能量，是机器人着地更加平稳。所述的脚趾板lc、脚掌板Ib和脚跟板Ia底面上还设置有橡胶层。脚跟板Ia与脚跟橡胶脚底层h用胶水连接，脚掌板Ib与脚掌橡胶脚底层％用胶水连接，脚趾板Ic与脚趾橡胶脚底层2c用胶水连接，橡胶脚底层2的形状与脚板1的底面形状一致。橡胶脚底层 2具有很好的弹性，直接与地面接触，当机器人的脚着地时起到初步的缓冲减振作用。本发明中的脚板1是由脚跟la、脚掌板lb、脚趾板Ic三部分构成，橡胶脚底层2包括脚跟橡胶脚底层加、脚掌橡胶脚底层2b和脚趾橡胶脚底层2c。脚板1下面与橡胶脚底层 2用胶水连接，橡胶脚底层2的形状与脚板1的形状相同，橡胶脚底层2的材料采用的是美国 KELLETT 公司的 LP-13 Shake Absorber Vibration Isolation Pads，具有很好的吸收减震作用，可以将脚着地时产生的机械能一部分转换成热能，防止振动对接触点产生影响， 起到一定的缓冲作用。脚趾板Ic和脚跟Ia分别设置了相应的弧度，当脚着地或者离地，或者地面不平时，脚底可以与地面保持适当的接触并且降低了踝关节所受的冲击力。以上通过参考在附图中表示的示例性实施例对本发明做了特别的展示和说明，对本领域的技术人员来说，应该明白，在不背离本发明的思想和范围下作出在形式上和细节上的各种修改和改变。因此本发明要保护的真正思想和范围由所附的权利要求书来限定。
权利要求
1. 一种具有柔性关节的机器人脚部机构，包括前边沿向上弯曲的脚趾板、后边沿向上弯曲的脚跟板、设置在脚趾板与脚跟板之间的脚掌板、柔性铰链、弹簧板、脚跟减振装置、六维力力矩传感装置和踝支承座，其特征在于所述的脚趾板与脚掌板通过柔性铰链连接，脚掌板与脚跟板通过弹簧板连接； 所述的脚趾板、脚掌板和脚跟板底面上还设置有橡胶层； 所述的柔性铰链、弹簧板和减振装置均沿行进方向对称设置； 所述的柔性铰链为由两个可柔性变形的矩形环并联组成，该柔性铰链由整体线切割加工形成，每个矩形环开有与行进方向垂直的凹槽，用于吸收变形； 所述的弹簧板中间的厚度小于两端的厚度；所述的脚跟减震装置包括阻尼减震器支座、阻尼减震器、传动三角支座、传动三角和轴承；阻尼减震器支座位于脚掌板前端，阻尼减震器的一端与阻尼减震器支座固定连接，另一端通过第一销轴与传动三角的一个角活动连接，位于脚掌板后端的弹簧板上的传动三角支座通过第二销轴与传动三角的另一个角活动连接，轴承通过第三销轴与传动三角的第三个角活动连接，所述的轴承与位于脚跟板上的弹簧板接触，减震装置安装在脚掌板上；所述的六维力力矩传感装置包括六维力力矩传感器、六维力力矩座、冲击吸收器、缓冲器、缓冲垫圈和导向圈；六维力力矩传感装置安装在脚掌板上，六维力力矩传感器上面安装有踝支承座，六维力力矩传感器下面安装有六维力力矩座；六维力力矩座通过冲击吸收器和缓冲器与缓冲垫圈连接，所述的缓冲垫圈与脚掌板机械连接，所述的六维力力矩座与脚掌板之间设有导向圈。
全文摘要
本发明涉及一种具有柔性关节的机器人脚部机构。现有的机器人足部冲击吸收效果不好。本发明包括脚趾板、脚跟板、脚掌板、柔性铰链、弹簧板、脚跟减振装置、六维力力矩传感装置和踝支承座。脚趾板与脚掌板通过柔性铰链连接，脚掌板与脚跟板通过弹簧板连接；脚趾板、脚掌板和脚跟板底面上设置有橡胶层；柔性铰链、弹簧板和减振装置均沿行进方向对称设置；柔性铰链为由两个可柔性变形的矩形环并联组成，该柔性铰链由整体线切割加工形成，每个矩形环开有与行进方向垂直的凹槽，用于吸收变形；弹簧板中间的厚度小于两端的厚度。本发明通过增加被动脚趾自由度使仿人机器人的行走更加稳定，步态更加平稳和自然。
文档编号B62D57/032GK102180206SQ20111010235
公开日2011年9月14日 申请日期2011年4月24日 优先权日2011年4月24日
发明者周建军, 李秀梅, 陈骏 申请人:杭州电子科技大学