一种具有主动地形感知能力的双足机器人仿生足部系统的制作方法

文档序号:24657820发布日期:2021-04-13 21:24阅读:来源:国知局

技术特征:
1.一种具有主动地形感知能力的双足机器人仿生足部系统,其特征在于,所述双足机器人足部具有仿生学特征,可帮助双足机器人在行走时进行有效的缓冲减震、吸能储能,保证足部行走时具有足够的稳定性和路面适应性。同时该特征还可支撑机器人进行仿人步态行走,进一步提升行走步长和速度。该双足机器人足部包含一套智能传感系统,通过分布于足部各处的各类传感器,实现对路面地形的主动感知和初步处理。利用该仿生学特征和主动感知系统,双足机器人可在非平整路面进行一定的自适应行走。2.根据权利要求1所述的具有主动地形感知能力的双足机器人仿生足部系统,其特征在于,所述双足机器人足部结构为仿人类足部结构设计,并具有人类足部的部分特点。其结构特征主要包含上足面、足前掌、足后跟、前掌弧、后跟弧、纵向足弓、侧向足弓和足踝部等。3.根据权利要求2所述的具有主动地形感知能力的双足机器人仿生足部系统,其特征在于,所述双足机器人足部可进行仿人步态行走,在足部落地时采取足后跟先落地的方式,在足部离地时采取足前掌后离地的方式。根据机器人实际步态,足后跟和足前掌需为圆弧形以支撑仿人步态行走,该前掌弧和后跟弧设计参数可表示为其中,r
b
为后跟弧部分半径,s
b
为后跟弧部分长度,r
f
为前掌弧部分半径,s
f
为前掌弧部分长度,d为机器人行走步长,l为机器人腿足部分长度,θ
b
为足后跟落地时足踝部运动角度,θ
f
为足前掌离地时足踝部运动角度。4.根据权利要求2所述的具有主动地形感知能力的双足机器人仿生足部系统,其特征在于,所述双足机器人足部模拟人类足部特性,通过设置纵向足弓和侧向足弓实现一定的纵向和侧向弹性,对地面冲击能量进行吸收和释放,可配合仿人步态实现机器人高能效行走。根据机器人所受实际地面冲击力,该足弓部的设计参数可表示为其中,k为足弓部弹性系数,c
s
为足弓部对地面冲击能量的吸收率,f为地面冲击力,δ为足部变形量,e为足弓弹性模量,i为足弓横截面惯性矩,r为足弓弯曲半径,β为足弓弯曲弧度余角。5.根据权利要求2所述的具有主动地形感知能力的双足机器人仿生足部系统,其特征在于,所述双足机器人足部可实现对地面冲击的缓冲减震,保护足踝部关节。在上足面具有一定刚度以确保足踝部关节对足部姿态控制的同时,在足前掌、足后跟等与地面直接接触部位采用柔性材料,通过柔性材料的变形,结合足弓部的弹性吸收地面冲击能量。根据机器人所受实际地面冲击力,以及前述足弓部相关参数,该柔性材料的设计参数可表示为
其中,η为柔性材料的效率系数,h为柔性材料的厚度,c
k
为足底柔性材料对地面冲击能量的吸收率,f为地面冲击力,δ为足部变形量,k为足弓部弹性系数。6.根据权利要求2所述的具有主动地形感知能力的双足机器人仿生足部系统,其特征在于,所述双足机器人足部通过合理设计足踝部位置,可进一步提升机器人行走平稳性,增大足部支撑平面,同时尽量减小足部受力,保护足后跟等受冲击部位。该足踝部位置的设计参数可表示为其中,l
k
为足部落地时足后跟受地面冲击力的力臂,l
b
为足后跟与足踝部在平行于足部平面方向上的距离,l
a
为足踝部与足部在垂直于足部平面方向上的距离,θ
b
为足后跟落地时足部平面与地面间的夹角,m
r
为机器人总重量,d
m
为机器人重心投影与足踝部的距离,f
b
为足后跟受到的地面冲击力,l
m
为机器人重心投影与足后跟的距离,t
a
为足踝部驱动电机最大输出转矩。7.根据权利要求1所述的具有主动地形感知能力的双足机器人仿生足部系统,其特征在于,所述双足机器人足部具备多种信息的感知能力,可有效提升对路面地形感知的准确性。该足部装有视觉传感器用于图像感知、装有超声波传感器用于距离感知、装有力传感器用于足底压力感知。8.根据权利要求7所述的具有主动地形感知能力的双足机器人仿生足部系统,其特征在于,所述双足机器人足部可在机器人行走时对路面地形进行主动感知,该感知过程充分利用足部配备的各类传感器分阶段进行:步骤一,摆动腿的足踝部关节调整足部姿态,足部视觉传感器在远距离获取下一步落脚点地面的图像信息。若根据视觉信息反馈发现无法通过的地面障碍,则将结果传至机器人上层进行决策,否则足部继续运动,进行下一步感知。步骤二,足部运动至规划落脚点上方,足部超声波距离传感器在近距离获取该落脚点位置的地面不平度初步信息。若根据距离信息反馈发现无法落足的地面地形,则同样将结果传至机器人上层进行决策,否则足部继续运动,进行下一步感知。步骤三,在上述两类传感器均未反馈问题的情况下,足部将运动直至落地。若仍存在一定的地面不平度,则足底压力传感器实时反馈实际受力情况,并推测地面实际地形,据此对足部姿态进行相应的调整。9.根据权利要求7所述的具有主动地形感知能力的双足机器人仿生足部系统,其特征在于,所述双足机器人足部具备一定的数据处理和学习能力,足部信息预处理模块可基于传感器信号初步处理得到路面地形信息反馈至上层系统,并具备对路面感知和足部姿态控制结果数据进行主动收集和学习的能力,增强系统对未知地形的感知能力,并提升数据处
理效率。
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