仿人机器人新型柔性足部系统.pdf

本发明公开了一种仿人机器人柔性足部系统，包括主要包括脚底板、支撑主轴、微电机驱动系统。所述的脚底板共四小块，其特征在于：每只新型柔性足部由四小片可独立上下俯仰的脚底板组成，通过转动副与支撑主轴相连并设有扭簧，使能足部保证一定的初始姿态和初始力；每个脚底板下面均带有一副弹簧阻尼系，通过柔索，由微型电机驱动，拉动与弹簧相连的前端触地滑块前后移动，以实现根据地面凹凸状态，适当调节接触位置；所设计柔性足有4个绕Y轴俯仰、4个沿X轴移动，共8个自由度，保证足部与凹凸地面的四点接触，成功解决了仿人机器人足

1.  一种仿人机器人新型柔性足部系统，主要包括脚底板、支撑主轴、微电机驱动系统。所述的脚底板共四小块，其特征在于：每只新型柔性足部由四小片可独立上下俯仰的脚底板组成，通过转动副与支撑主轴相连并设有扭簧，使能足部保证一定的初始姿态和初始力。所述的支撑主轴，其特征在于：前后分别与脚底板与踝关节相连，并设有六维力传感器检测机器人过程中足部与地面接触时的地面反作用力。所述的微电机驱动系统，主要包括微型电机，减速器，编码器，卷扬机，其特征在于：将微型电机的转动转化为柔索的位移。

2.  如权利要求1所述的一种仿人机器人新型柔性足部系统，其特征在于：每个脚底板下面均带有一副弹簧阻尼系，通过柔索，由微型电机驱动，拉动与弹簧相连的前端触地滑块前后移动，以实现根据地面凹凸状态，适当调节接触位置。

3.  如权利要求1所述的一种仿人机器人新型柔性足部系统，其特征在于：每个脚底板的前上及前下方均设有柔索扣，柔索经卷扬机绕若干圈后，固定于所述的柔索扣，当电机转动时，使足部上下俯仰运动。

4.  如权利要求1所述的一种仿人机器人新型柔性足部系统，其特征在于：微电机驱动系统采用“微型电机(带有减速器)+卷扬机+柔索”的驱动方式，并且所有的微电机驱动系统均装在小腿肿，以减轻足部本体的重量，降低足部机械复杂性。

5.  如权利要求1所述的一种仿人机器人新型柔性足部系统，其特征在于：所设计柔性足有4个绕Y轴俯仰、4个沿X轴移动，共8个自由度，保证脚底板都能与凹凸地面至少保证一个点的稳定接触。

6.  如权利要求1所述的一种仿人机器人新型柔性足部系统，其特征在于：足底的4个触地滑块互相配合，形成立体三维的空间四点地面接触，并遵循空间四点在水平面的投影面积尽可能大，以保证仿人机器人重心处于ZMP稳定区域之内。

7.  如权利要求1所述的一种仿人机器人新型柔性足部系统，其特征在于：每个自由度运动由一个微型电机独立驱动，避免了自由度之间的耦合关系，虽然电机数量增多，但是因为减少了机械传动部件，加上电机体积很小，总体上降低了机械和控制的复杂程度。

仿人机器人新型柔性足部系统
一.技术领域
本发明涉及仿人机器人技术领域，具体涉及一种仿人机器人新型柔性足部系统。
二.背景技术
仿人机器人是真正字面意义上或狭义的“机器人”，其研究和发展代表了机器人学的尖端水平。现代社会的环境及各种各样的工具都是为人类自身设计的，对于轮式移动机器人等非人形机器人的运动，障碍物需要清除、狭窄的走道需要扩宽等等，这些都需要额外的花销，因此只有当机器人具有人的形状并能像人一样活动时，就不需要为机器人而改变人类的环境。开发仿人机器人比修改整个环境和更改工具显得更经济合理。
仿人机器人在平整地面上的稳定行走已不是难题，但要实现仿人机器人随时走到需要的地方、能自主完成预先设置的工作，只有在任意三维不平整地面走稳走好，才能发挥其不可估量的作用。大范围三维不平整地面多为凹凸不平的不规则状态且不规则性未知，如人、车行道路，拟进行矿藏勘探的戈壁滩、山区，月球、火星表面等，要在这样的地面实现稳定快速行走，首先要克服的就是仿人机器人足部本体和地面环境未知模型之间的不匹配问题。
传统仿人机器人研究基于的脚部构型几乎均为平板刚性平面结构，不具有任何自动适应凹凸变化地表形貌的特性与功能。例如：
中国专利CN101143606A，步行机器人脚底支撑结构，具有双层缓冲减震特征，该发明主要是利用前底减震块、后底减震块与中央减震块起到缓冲减震的作用。结构比较复杂，并且冲击机构的柔性不易调节，无柔性、自动适应不平整地面的特性与功能。
中国专利CN101108146A，一种人形机器人脚，介绍了一种人形机器人脚的设计方法，包括橡胶脚底层、脚板、六维力传感器、上法兰、下法兰、倾角传感器、触觉阵列垫、信号处理系统和脚面。该发明主要是依靠橡胶脚底层吸收脚着地时的冲击力，无柔性、自动适应不平整地面的特性与功能。
三.发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术的缺陷，提供了一种更加有效的仿人机器人柔性足部系统，解决足部机构与不平整地面的匹配问题，实现自动适应凹凸变化地表形貌的特性与功能。
为了实现上述目的的本发明采取的技术方案：一种仿人机器人柔性足部系统，包括脚底板，支撑主轴，微电机驱动系统。
所述的脚底板为有四块，可以实现独立的上下俯仰运动。所述的脚底板前后间通过转动副与所述的支撑主轴连接，左右以对称形式出现。
所述的脚底板的上表面设有顶板，所述的脚底板的前侧面设有侧板。
所述的脚底板下面设有滑块，所述的滑块为四个，所述的四个滑块位于脚底板的滑槽内，并由顶板及侧板实现滑块的限位。
所述的滑块内设有力传感器，所述滑块的外侧设有柔索扣，所述的柔索扣内固结柔索的一端。所述的滑块下面设有防滑垫，所述的防滑垫为有四个，粘于滑块的下表面。
所述的脚底板的下面设有弹簧阻尼系统，所述的弹簧阻尼系统共四个，设有弹簧，并由所述弹簧挂钩固定于脚底板的下方。
所述的支撑主轴上面设有六维力传感器的下端盖，所述的下端盖上面设有减震柱，所述的减震柱上表面设有六维力传感器，所述的六维力传感器上面设有上端盖。所述的上端盖，通过位于踝关节上的固定孔与踝关节相连。
所述的微电机驱动系统为有八个，安装在仿人机器人小腿上。
所述的微电机驱动系统设有微型电机，所述的微型电机的转轴外接减速器，所述的减速器的转轴外接卷扬机。
所述微型电机接固定壳体，通过位于小腿十六个安装孔固定在小腿上。
所述的卷扬机设有中心孔，所述的柔索穿过中心孔，并在卷扬机上缠绕若干圈后，其末端分别由另外两个孔穿出。
所述的脚底板下面设有定滑轮及柔索入孔，所述的柔索绕过定滑轮，由脚底板的柔索入孔穿出，另一端与微电机驱动系统相连。
本发明的有益效果是：本发明设计了一种更加灵活、有效的柔性足部机构。新型柔性足部有4个绕Y轴俯仰、4个沿X轴移动，共8个自由度，保证每一脚底板都能与凹凸地面至少保证一个点的稳定接触。另外，每个脚底板下的前端触地滑块可前后移动，通过“移动+俯仰”运动实现支撑点调节，避免触地滑块与地面的干涉。脚底板根据其接触地面状况的俯仰、移动配合，保证每足部系统至少有四个点与地面成立体三维空间接触，且接触面尽可能大：对于凸包障碍，可构成如金字塔般的锥形包裹，且每个锥面的倾斜度不同；对于凹坑障碍，也可构成如漏斗状的接触，成功解决了人机器人足部本体和地面环境未知模型之间的不匹配问题。
四.附图说明
图1是本发明仿人机器人新型柔性足部系统的结构示意图；
图2是本发明中脚底板的前向结构示意图；
图3是本发明中脚底板的俯视结构示意图；
图4是本发明中支撑主轴的机构示意图；
图5是本发明中微电机驱动系统结构示意图；
图6是本发明中柔索结构示意图；
图中：1定滑轮，2力传感器，3滑块，4弹簧阻尼系，5脚底板，6扭簧，7脚底板，8支撑主轴，9微电机驱动系统，10柔索入孔，11柔索入孔，12脚底板，13脚底板，14柔索扣，15柔索扣，16柔索入孔，17固结滑块，18固定壳体，19微调螺钉，20顶板，21弹簧阻尼系，22转动副，23定滑轮，24侧板，25滑块，26柔索，27六维力传感上端盖，28六维力传感器，29吸震柱，30下端盖，31柔索出口，32柔索出口，33卷扬机中心孔，34卷扬机，35固定外壳，36微型电机(带有减速器)，37编码器，38柔索末端，39柔索末端
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说明，但不作为对本发明的限定。
参见图1，一种仿人机器人柔性足部系统，包括脚底板5，7，12，13，支撑主轴8，微电机驱动系统9。柔索由微电机驱动系统穿出，由孔10，11穿入，固结于脚底板上柔索扣14，15。脚底板5，7，12，13的前下方各设有一个滑块3，因柔索必须保持一定的张力，滑块3通过挂钩与弹簧阻尼系4直接相连，实现单根柔索驱动方式。另滑块3内腔内设有力传感器2，滑块3可实现前后移动，通过力传感器反馈地面信息，寻求最优的与地面接触点。参见图1A-A，柔索扣15由固定壳体18、固结滑块17组成。柔索末端39固结于滑块17后，将微调螺钉通过螺纹孔19，将固结滑块17与固定壳体18相连，微调螺钉可调节柔索的张力。
参见图2和图3，所述的脚底板5，7，12，13，上表面通过安装孔与顶盖20相连，侧面通过安装孔与侧板24相连，通过转动副23与支撑主轴8相连，左右以对称形式出现。柔性足部脚底板5，7，12，13，俯仰运动的范围是根据接触地面的当前凹凸形状实时调整的，需要能够在支撑期内保持不变。但是当柔索拉力过大时，将可能导致前后脚底板5，7，12，13，间的夹角发生突变，所以俯仰运动的限位成为机构设计的关键，本发明中在转动副间设有扭簧17，以产生与柔索相平衡的力，保持小片足静态平衡，从而实现触地点与地面牢固、稳定接触。
参加图4，所述的主轴支撑由六维力传感器28、上端盖27、下端盖30组成。下端盖30的上表面与六维力传感下表面通过安装孔固定，为保护六维力传感器不受足部与地面接触冲击的影响，在下端盖30与六维力传感器29间均布有三个吸震柱29。
参见图5，所述的微电机驱动系统，采用“微型电机+卷扬机+柔索”驱动模式，并通过改变卷扬机两端柔索的长度来实现脚底板的俯仰运动及滑块的前后移动，主要由微型电机(带有减速器)36，编码器37，卷扬机34组成，微型电机36通过安装孔固定于固定外壳35，固定外壳35通过安装孔与机器人小腿相连，以减轻足部本体的重量，降低足部机械的复杂性。
参见图6，所述的柔索由一定长度的柔索26的两端分别粘连在两个圆柱体上构成，为柔索末端38，39。
脚底板以对称形式出现，现以所述脚底板13为例，叙述脚底板俯仰运动的工作原理：
微型电机36的转轴外接卷扬机34，将柔索穿过卷扬机中心孔33，并在卷扬机34上缠绕若干圈后，其末端38、39分别由孔31、32穿出；
柔索末端38，从柔索扣14的孔16进入，由柔索滑块17及紧固螺钉固定在柔索扣14上。
柔索末端39，先穿过脚底板13孔10，经定滑轮23后，从柔索扣15的孔16进入，由柔索扣15及紧固螺钉固定在柔索扣15上。
以滑块3为例，叙述本发明中滑块前后运动的工作原理：
所述的脚底板5下面均设有一个滑块3，该滑块钉通过柔索与微电机驱动系统9相连。，且滑块3后端均串联一副弹簧阻尼系3，用来实时保持柔索处于拉伸状态，当柔索放松时能使橡皮钉迅速向脚底板的前端释放，并使柔索始终保持有预紧力存在。