足部浮动支撑的四足步行机器人的脚结构.pdf

一种用于机器人领域的足部浮动支撑的四足步行机器人的脚结构，包括：小腿，球面副盖板，关节，脚背座，上垫片，压板、带保持架的滚珠，下垫片，脚掌座，接近传感器，脚垫，触觉传感器，缓冲垫片，外套，压簧。关节、脚背座和上垫片固定连接成构件脚背，下垫片和脚掌座固定连接成构件脚掌，脚背通过球面副连接在小腿上，球面副盖板连接在脚背上，脚掌通过平面移动副连接在脚背上，带保持架的滚珠连接在移动副的两接触面之间，压簧两端分别压在脚背四周外圆柱面上和脚掌内圆柱面上，压板连接在脚掌上，接近传感器、脚垫、外套连接在脚掌上，触觉传感器、缓冲垫片连接在脚垫上。本发明轻而坚固，可浮动且具有弹性补偿能力，并具有感知环境的能力。

1、  一种足部浮动支撑的四足步行机器人的脚结构，包括：小腿(1)、球面副盖板(2)、关节(3)、脚背座(4)、上垫片(5)、压板(6)、带保持架的滚珠(7)、下垫片(8)、脚掌座(9)、接近传感器(10)、脚垫(11)、触觉传感器(12)、缓冲垫片(13)、外套(14)、压簧(15)，其特征在于，关节(3)、脚背座(4)和上垫片(5)固定连接成构件脚背，下垫片(8)和脚掌座(9)固定连接成构件脚掌，脚背通过球面副连接在小腿(1)上，球面副盖板(2)连接在脚背上，构成球面副的一部分，脚背和脚掌之间具有弹性补偿机构的平面移动副连接，脚掌通过径向的平面移动副连接在脚背上，带保持架的滚珠(7)连接在移动副的两接触面之间，压簧(15)的两端分别压在脚背四周的外圆柱面上和脚掌的内圆柱面上，压板(6)连接在脚掌上，构成径向移动副的纵向约束，在脚掌圆周设有6个接近传感器(10)，脚垫(11)上设有4个触觉传感器(12)，脚垫(11)、外套(14)连接在脚掌上，缓冲垫片(13)连接在脚垫(11)上。

2、  根据权利要求1所述的足部浮动支撑的四足步行机器人的脚结构，其特征是，所述的小腿(1)和脚背之间为球面副连接，球面副的接触面为耐磨材料，小腿和脚背之间的相对运动为任意角度的转动，形成被动自由度。

3、  根据权利要求1所述的足部浮动支撑的四足步行机器人的脚结构，其特征是，所述的脚背和脚掌之间的平面移动副连接中，脚背的下平面和脚掌的上平面通过带保持架的滚珠(7)而相互接触，平面移动副为滚动摩擦，或者为摩擦系数较小的滑动摩擦。

4、  根据权利要求1所述的足部浮动支撑的四足步行机器人的脚结构，其特征是，所述的平面移动副径向弹性补偿机构是由圆周分布的6个压在脚背四周外圆柱面上的压簧(15)形成，压簧(15)的另一端通过调节螺钉压在脚掌的内圆柱面上，当脚背在脚掌的上平面上径向浮动时，压簧(15)变形并产生恢复力。

5、  根据权利要求1所述的足部浮动支撑的四足步行机器人的脚结构，其特征是，所述的关节(3)和上垫片(5)为接触副的摩擦表面，用耐磨材料，脚背座(4)用材质较轻的材料。

6、  根据权利要求1所述的足部浮动支撑的四足步行机器人的脚结构，其特征是，所述的下垫片(8)为接触副的摩擦表面，用耐磨材料，脚掌座(9)采用材质较轻的材料。

7、  根据权利要求1所述的足部浮动支撑的四足步行机器人的脚结构，其特征是，所述的脚掌为空心圆环状结构。

8、  根据权利要求1所述的足部浮动支撑的四足步行机器人的脚结构，其特征是，所述的接近传感器(10)为接近开关，设置在脚掌的圆周。

9、  根据权利要求1所述的足部浮动支撑的四足步行机器人的脚结构，其特征是，脚垫(11)和外套(14)用材质较轻的材料，缓冲垫片(13)采用弹性材料。

足部浮动支撑的四足步行机器人的脚结构
技术领域
本发明涉及的是一种机器人的脚结构，具体是一种足部浮动支撑的四足步行机器人的脚结构，用于机器人领域。
背景技术
步行机器人在跨越障碍、通过崎岖地形及松软地面和运动灵活性方面具有明显的优越性，而四足步行机器人是机器人的一个重要分支。四足步行机器人比二足步行机器人承载能力强、稳定性好，同时又比六足、八足步行机器人的结构简单。
经文献检索发现，中国专利公开号为：1407922，专利名称为：腿式移动机器人、控制机器人的方法、机器人的脚部结构、和机器人的可移动腿部单元，申请日为：2001年11月16日，该专利所述的脚部结构由脚座、脚垫、脚踝连接单元三部分组成，脚垫由至少两种布置在脚座底板上的预定位置上的缓冲材料构成，缓冲材料的高度不同，且位于脚座底板的内侧和外侧，该专利中没有给出脚座和脚踝连接单元的特征，但是在腿式移动机器人中，四足步行机器人和两足步行机器人的脚在结构形状、脚踝连接单元及传感器的使用方面是不同的，所以该专利中的脚结构并不能直接应用在四足步行机器人上，且该脚结构在四足步行机器人的实际使用中存在的缺陷是：1.四足步行机器人在静态步行时，传动链误差和驱动误差会产生支撑腿之间的运动干涉和卡死现象，会使步行机运行失败，造成电机堵转或烧毁，该脚部结构不能补偿传动链误差和驱动误差。2.当四足步行机器人以对角小跑步态动态步行时，机器人移动较快时，四条腿有同时为摆动相时刻，四条腿同在空中，此交替过程要求机器人机构具有弹性和消振功能，该脚部结构不满足此运动对弹性机构的要求。3.步行机器人在行走时与行走表面不断地接触，来自行走表面的反作用力变成很大的冲力，成为一种干扰，导致机器人不稳定，该脚部结构不能有效的吸收这种冲力。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种足部浮动支撑的四足步行机器人的脚结构，使其可以直接用于四足步行机器人，能够补偿运动的不协调，避免运动干涉和卡死现象，此结构在水平方向内具有弹性，可大大地缓冲来自行走表面的水平方向的冲击力，并满足机器人动态步行时对弹性结构的要求，可简化机器人的机构及控制。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：小腿，球面副盖板，关节，脚背座，上垫片，压板，带保持架的滚珠，下垫片，脚掌座，接近传感器，脚垫，触觉传感器，缓冲垫片，外套，压簧。其连接关系为：关节、脚背座和上垫片由销和螺纹固定连接成构件脚背，下垫片和脚掌座由螺纹固定连接成构件脚掌，脚背通过球面副连接在小腿上，球面副盖板连接在脚背上，构成球面副的一部分；脚背和脚掌之间由具有弹性补偿机构的平面移动副连接，脚掌通过径向的平面移动副连接在脚背上，带保持架的滚珠连接在移动副的两接触面之间，压簧的两端分别压在脚背四周的外圆柱面上和脚掌的内圆柱面上，压板连接在脚掌上，构成径向移动副的纵向约束，在脚掌圆周设有6个接近传感器，脚垫上设有4个触觉传感器；脚垫、外套连接在脚掌上，缓冲垫片连接在脚垫上。
脚背通过球面副连接在小腿上，与小腿固联的球的表面和脚背上的凹球面结合，球面副由连接在脚背上的球面副盖板定位，形成只能转动的球面副，小腿相对于脚背的运动为任意角度的转动，形成被动自由度，球面副的接触面为耐磨材料。
脚背和脚掌之间为径向具有弹性补偿机构的平面移动副连接：脚背的下平面和脚掌的上平面通过带保持架的滚珠而相互接触，从而形成径向的平面移动副，使得脚背可以在脚掌的上平面上任意的滑动，此径向的平面移动副的纵向是由螺纹连接在脚掌上的压板压住脚背而定位，它使得脚背只能在脚掌的上平面上作水平移动，该平面移动副的径向弹性补偿机构是由圆周分布的6个压在脚背四周外圆柱面上的压簧形成，压簧地另一端通过调节螺钉压在脚掌的内圆柱面上，当脚背在脚掌的上平面上径向浮动时，压簧变形并产生恢复力。
在脚掌的圆周设有螺纹连接的六个接近传感器，可以感知周围的环境，最外层是起保护作用的外套；脚掌的底板上装有脚垫、缓冲垫片，在脚垫上设置四个触觉传感器，可以检测脚与地面的接触情况。
所述的组成脚背的关节和上垫片为接触副的摩擦表面，取用耐磨材料，脚背座采用材质较轻的材料。所述的组成脚掌的下垫片为接触副的摩擦表面，取用耐磨材料，脚掌座采用材质较轻的材料。所述的脚掌采用空心圆环状，可方便的安装和调整传感器。所述的接近传感器为接近开关，设置在脚掌的圆周。所述的脚垫和外套采用材质较轻的材料。所述的缓冲垫片采用弹性材料。
本发明在使用时，压簧的移动量按各关节间隙的积累误差值确定。当足抬起时，压簧使脚掌归位到中心平衡位置，当足触地时，如传动链误差和驱动误差引起的各足之间的运动不协调有可能破坏步行机行走或使电机堵转时，脚背四周的压簧将产生变形，从而起到补偿运动不协调作用。当脚部受到水平方向的冲击力时，压簧同样产生变形起到缓冲作用。小腿和脚背之间的球面副连接，构成了被动自由度以适应复杂地面。脚掌上的传感器可以判别地面状态以及和地面的接触情况。缓冲垫片可以增大摩擦力并减轻冲击力。
本发明由于在脚部结构中设计了具有弹性补偿能力的平面移动副连接，使之具有以下的优点：1.四足步行机器人在静态步行时，当传动链误差和驱动误差产生支撑腿之间的运动干涉和卡死现象时，脚背四周的压簧将产生变形，脚背相对于脚掌发生移动，运动的不协调得以补偿，步行机可以正常行走，电机不会堵转或烧毁。2.当四足步行机器人以对角小跑步态动态步行时，本发明脚结构的被动自由度增加了脚与地面的接触时间，起缓冲作用，当冲击发生时脚背四周的压簧产生变形，同样起缓冲作用，该脚结构使步行机具有弹性，使得机器人的腿部设计更合理，简化了控制方案。3.步行机器人在行走时，来自行走表面的冲力通过脚背四周的压簧变形得到缓冲。
由于本发明具有以上优点，使其特别适用于四足步行机器人的结构设计，同样适用于五足、六足、八足等多足步行机器人。
附图说明
图1本发明结构俯视图
图2为图1所示的A-A剖视图
图3为图2所示的B-B剖视图
图4本发明带保持架的滚珠的俯视图
具体实施方式
如图1-4所示，本发明包括：小腿1，球面副盖板2，关节3，脚背座4，上垫片5，压板6，带保持架的滚珠7，下垫片8，脚掌座9，接近传感器10，脚垫11，触觉传感器12，缓冲垫片13，外套14，压簧15。
关节3、脚背座4和上垫片5由销和螺纹固定连接成构件脚背，下垫片8和脚掌座9由螺纹固定连接成构件脚掌，脚背通过球面副连接在小腿1上，球面副盖板2连接在脚背上，构成球面副的一部分，脚掌通过径向的移动副连接在脚背上，带保持架的滚珠7连接在移动副的两接触面之间，压簧15的两端分别压在脚背四周的外圆柱面上和脚掌的内圆柱面上，压板6连接在脚掌上，构成径向移动副的纵向约束，在脚掌圆周设有6个接近传感器10，脚垫11上设有4个触觉传感器12，脚垫11、外套14连接在脚掌上，缓冲垫片13连接在脚垫11上。
小腿1和脚背通过球面副连接，与小腿固联的凸球面和脚背上的凹球面结合，并用球面副盖板2通过螺钉压住形成只能转动的球面副，小腿相对于脚背的运动为任意角度的转动，形成被动自由度，地面适应能力强，球面副的接触面为滑动摩擦，所以球、关节3和球面副盖板2为耐磨材料，本例中分别取为GCr15、SFL-4和SFL-4。
脚背和脚掌之间通过具有弹性结构的平面移动副连接，脚背的上垫片5和脚掌的下垫片8通过带保持架的滚珠7而相互接触，构成径向的移动副，此移动副的纵向是由安装在脚掌上的压板6压住脚背定位，它使得脚背能且只能在脚掌的上平面上作水平移动，为保证移动副的接触面耐磨，本例中上垫片5、滚珠7、下垫片8取材为薄钢板、GCr15、薄钢板，脚背座4、脚掌座9取材质较轻的材料，本例中为LY12。脚背和脚掌的平面移动副的径向弹性补偿机构是由圆周分布的6个压在脚背四周外圆柱面上的压簧15形成，压簧另一端通过调节螺钉压在脚掌的内圆柱面上，调节螺钉可以调整压簧的预紧力，此处的压簧起弹性元件的作用，当脚背在脚掌的上平面上径向浮动时，压簧变形并产生恢复力。
在脚掌的圆周还装有通过螺纹连接的6个接近传感器10，可以感知周围的环境，本例中采用接近开关PST17-5DCU；最外层为通过螺纹连接或粘接的外套14，材料为LY12；在脚掌的底板是螺纹连接的材料为LY12的脚垫11；缓冲垫片13安装在脚垫上，可以吸收冲击力，本例中用橡胶材料；4个触觉传感器12用螺纹连接在脚垫上。
本实施例在使用时，压簧15的移动量按各关节间隙的积累误差值确定，当足抬起时，压簧15使脚掌归位到中心平衡位置，当足触地时，如传动链误差和驱动误差引起的各足之间的运动不协调有可能破坏步行机行走或使电机堵转时，脚背四周的压簧将产生变形而起到补偿运动不协调作用；当脚部受到水平方向的冲击力时，压簧15同样产生变形起到缓冲作用；小腿1和脚背之间的球面副连接，构成了被动自由度，地面适应性增强；脚上安装的接近传感器10、触觉传感器12可以判别地面状态以及和地面的接触情况；缓冲垫片14可以增大摩擦力并减轻冲击力。
综上所述，本发明的步行机器人的脚结构，轻而坚固，可以浮动且具有弹性补偿能力，并具有感知环境的能力，是一种较优的实行方案。