[發(fā)明專利]四足機器人全方位自適應(yīng)彈性腳

有效

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• 申請日: 2013-07-08
• 公開（公告）號: CN103303388A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 羅慶生;高劍鋒;張博希;劉芳政;周晨陽;黃焱崧;柯志芳
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: B62D57/028
• 分類號: B62D57/028
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于仿生四足機器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及跑跳四足機器人的自適應(yīng)性腳部。

背景技術(shù)

機器人腳部設(shè)計已經(jīng)成為足式機器人設(shè)計的一項重要任務(wù)，其結(jié)構(gòu)和功能影響機器人的運動穩(wěn)定性和靈活性，以及對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。傳統(tǒng)做法通常是將其設(shè)計為剛體，機器人不經(jīng)過任何緩沖裝置而直接與地面沖擊。這種設(shè)計將會減少機器人構(gòu)件的壽命，不規(guī)則的震動也會損傷機器人的控制器件。此外，由于剛性腳部不具有姿態(tài)調(diào)整的機構(gòu)，機器人運動不夠靈活自然，也不具有美學(xué)價值。總之，剛性腳部設(shè)計方案不利于機器人姿態(tài)的調(diào)整，降低機器人對復(fù)雜地面的適應(yīng)能力。

高仿真的機械腳雖然備受歡迎，但研究成本高，研制周期長，器件設(shè)計復(fù)雜，加工難度增大，還需要提供主動力，影響了其使用。同時，由于腳部受到?jīng)_擊較大，且不規(guī)律，這對機器人控制器和驅(qū)動器的使用和維護(hù)提出更高要求，故而高仿真機械腳對于普通四足機器人并不適用。真正需要的是自適應(yīng)能力強，調(diào)節(jié)方便快捷，可移植性好，且便于維護(hù)的彈性腳機構(gòu)。

發(fā)明內(nèi)容

從四足生物腳底墊片及生物腳部骨骼構(gòu)造得到靈感，考慮到目前足式機器人腳底多為剛性或者僅沿小腿軸線方向減震的現(xiàn)狀，本發(fā)明提供一種能夠在合適幅度內(nèi)全方位自適應(yīng)調(diào)整的彈性腳部機構(gòu)，從而以簡單的機構(gòu)實現(xiàn)很強的復(fù)雜地形適應(yīng)能力。

四足機器人全方位自適應(yīng)彈性腳以特殊形狀的骨架外殼為主體骨架，其外形特征在于，骨架外殼由三段圓弧構(gòu)成，半徑較大的圓弧沿機器人的前后方向，如果機器人整條腿做擺動的狀態(tài)多，半徑可設(shè)置為整條腿的長度，如果機器人小腿做大幅度擺動的狀態(tài)較多，半徑也可設(shè)置為小腿長度。這樣保證在主要運動狀態(tài)下，機器人質(zhì)心上下波動幅度最小。沿左右方向的圓弧半徑設(shè)置為小腿長度，以保證腿部側(cè)向移動時保持機器人質(zhì)心上下波動幅度最小。如果對機器人質(zhì)心波動要求不高，半徑設(shè)置也可采用該方法。

骨架外殼內(nèi)裝有蝶形彈簧，其上裝有一片沿前后方向的彈簧鋼片，蝶形彈簧安裝在柱形口內(nèi)，彈簧鋼片延伸到前后兩段開設(shè)的槽內(nèi)，同時，將彈簧鋼片、旋轉(zhuǎn)軸和踝骨用螺釘連接在一起。選擇不同剛度的彈簧鋼片和蝶形彈簧就可以實現(xiàn)彈性腳的不同減震性能，方便調(diào)換和優(yōu)化。利用彈簧鋼片萬向吸振功能，可以實現(xiàn)腳部萬向調(diào)節(jié)和吸振。旋轉(zhuǎn)軸的軸線沿機器人的左右反向，可使得小腿繞此軸快速轉(zhuǎn)動以調(diào)節(jié)姿態(tài)，同時利用彈簧鋼片單向吸振能力，有效阻止上述旋轉(zhuǎn)角度過大而超過了機構(gòu)承載能力，造成運動失穩(wěn)。旋轉(zhuǎn)軸的軸座位于骨架外殼上，形狀為豎直放置的腰形槽，使得旋轉(zhuǎn)軸可上下移動。這樣，這些彈性元件和旋轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)了彈性腳部機構(gòu)減震，快速全方位自適應(yīng)性調(diào)整的功能。

腳背擋片由沉頭螺釘連接于骨架外殼的上端面，形成封閉的機構(gòu)。采用沉頭螺釘可保證腳背外觀的平整，防止運動過程中被線狀雜物纏繞。腳背擋片重心開有半徑略大于踝骨的圓孔，使得小腿在腳部做萬向自適應(yīng)調(diào)整時不產(chǎn)生干涉。

該機構(gòu)設(shè)計簡單，易于加工，彈性元件可根據(jù)所需剛度靈活選擇。彈性腳部機構(gòu)可以快速、萬向自適應(yīng)調(diào)整，能夠保證機器人穩(wěn)定性，提高適應(yīng)復(fù)雜地形的能力。

附圖說明

下面參照附圖對本發(fā)明的上述特征給予給詳細(xì)的說明，其中

圖1所示為本發(fā)明一個實施例中自適應(yīng)彈性腳的軸測圖。

圖2所示為本發(fā)明一個實施例中自適應(yīng)彈性腳的半剖視圖。

圖3所示為本發(fā)明一個實施例中自適應(yīng)彈性腳的正視圖。

圖4所示為本發(fā)明一個實施例中自適應(yīng)彈性腳的側(cè)測圖。

圖5所示為本發(fā)明一個實施例中自適應(yīng)彈性腳的裝配關(guān)系圖。

具體實施

如圖1—5所示，本發(fā)明包括1骨架外殼、2蝶形彈簧、3彈簧鋼片、4旋轉(zhuǎn)軸、5腳背擋片和6踝骨共6部分。1骨架外殼外形有三段圓弧構(gòu)成，從正視圖可以看到沿左右方向的圓弧，從側(cè)視圖可以看到沿前后方向的圓弧。圓弧半徑設(shè)定方法，如果機器人整條腿做擺動的狀態(tài)多，半徑可設(shè)置為整條腿的長度，如果機器人小腿做大幅度擺動的狀態(tài)較多，半徑也可設(shè)置為小腿長度。如果機器人腿部運動引起質(zhì)心波動可忽略不計則可以按美觀程度設(shè)計半徑。1骨架外殼內(nèi)部設(shè)有較大的活動空間，以供調(diào)整機構(gòu)活動。改空間下端為圓柱狀，方便安裝3蝶形彈簧。1骨架外殼上端面和5腳背擋片設(shè)有8個沉頭螺釘孔，可將1骨架外殼和5腳背擋板連為一體，實現(xiàn)機構(gòu)封閉。

2蝶形彈簧上放置3彈簧鋼片，3彈簧鋼片上設(shè)有兩個沉頭螺釘孔，用來與4旋轉(zhuǎn)軸和5踝骨連為一體。3彈簧鋼片沿前后方向延伸至1骨架外殼開設(shè)的弧形槽內(nèi)，該弧形槽起到約束3彈簧鋼片運動的作用。

4旋轉(zhuǎn)軸的軸線沿左右方向，兩外伸的軸可以嵌入到1骨架外殼開設(shè)的兩個腰形槽內(nèi)，使得4旋轉(zhuǎn)軸既可以上下調(diào)節(jié)，又可以沿軸線前后俯仰運動。在該運動下，2蝶形彈簧可以發(fā)揮萬向吸振能力已達(dá)減震功效，如果前后俯仰運動趨勢過大，3彈簧鋼片的單向吸振能力配合約束槽可以保證運動被限制在合理范圍內(nèi)。4腳背擋片中心開設(shè)半徑略大于5踝骨外徑的圓孔，保證彈性腳部完成萬向調(diào)節(jié)功能時5踝骨不與腳背擋片干涉。5踝骨設(shè)置為空心軸，其內(nèi)壁呈現(xiàn)腰形狀，其優(yōu)點在于可以約束踝骨相對于小腿骨骼的周向運動。