[發明專利]一種四足機器人后肢系統踝關節與腳掌

有效

• 申請號: 201810579008.6
• 申請日: 2018-06-07
• 公開（公告）號: CN108974172B
• 公開（公告）日: 2023-05-02
• 發明（設計）人: 朱雅光;劉瓊;宋運動;秦瑞;王超
• 申請（專利權）人: 長安大學
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032
• 代理公司: 西安恒泰知識產權代理事務所 61216
• 代理人: 王彩花

本發明公開了一種四足機器人后肢系統踝關節與腳掌，包括可轉動連接的踝關節和腳掌，踝關節包括支撐板、支撐框、支撐架、絲桿傳動單元和踝關節控制單元；絲桿傳動單元上端固定在支撐架上部，絲桿傳動單元下端的兩個連接端通過兩個第一連桿鉸接支撐板的左右兩端、通過兩個第二連桿鉸接支撐架的左右兩端，用以實現控制支撐板的俯仰運動和翻轉運動；腳掌包括腳跟、足弓、腳掌控制單元和腳趾。本發明能夠有效提高腿式機器人對復雜地形的適應能力和抗干擾能力，增強與地面接觸的可靠性，提高機器人在不規則地形環境下行走穩定性，擴充機器人腳掌與環境的交互能力，并相應降低了腳掌的機械復雜度，提高了踝關節與腳掌的控制精度。

技術領域

本發明屬于機器人領域，具體涉及一種四足機器人后肢系統踝關節與腳掌。

背景技術

現階段，機器人按照移動方式主要分為輪式機器人、履帶式機器人和腿足式機器人，其研究的一個持續目標是增強移動系統的運動能力。履帶式機器人和輪式機器人雖然在能源效率和控制方式上更加安全、高效、可靠，但面對復雜地形環境時，傳統輪式機器人的穩定性和接地性能極大地降低，而履帶式機器人雖然能適當降低對地形及環境的要求，但同時也存在靈活性差、控制精度低、維護成本高等缺點。然而，腿足式機器人則能很好的解決上述問題，其每條腿能夠實現不同的動作，并借助各條腿的協調動作，將機器人的運動軌跡由連續態轉變為離散態，將機器人受力分布在機器人腳掌與地面接觸的離散點上，因此，腿足式機器人能夠適應更廣泛的地形、更靈敏的機器人與環境的交互能力且抗外界干擾能力更強。而改進、優化甚至設計全新的腿足式機器人踝關節與腳掌的結構、改善腳掌的控制方式則是提高機器人在復雜地形環境下行走穩定性和控制精度的重要途徑。

發明內容

針對現有技術中的缺陷和不足，本發明提供了一種四足機器人后肢系統踝關節與腳掌，克服現有機器人腳掌與環境交互能力差、踝關節與腳掌的控制精度低的缺陷。

為達到上述目的，本發明采取如下的技術方案：

一種四足機器人后肢系統踝關節與腳掌，包括踝關節和腳掌，腳掌上端可轉動安裝所述踝關節；

所述踝關節包括與腳掌連接的支撐板、與支撐板前后兩端可轉動連接的支撐框、與支撐框左右兩端可轉動連接的支撐架、絲桿傳動單元和用于控制踝關節的踝關節控制單元；所述絲桿傳動單元上端固定在支撐架上部，絲桿傳動單元下端的兩個連接端通過兩個第一連桿鉸接支撐板的左右兩端、通過兩個第二連桿鉸接支撐架的左右兩端，用以實現控制支撐板的俯仰運動和翻轉運動；

所述腳掌包括與踝關節連接的腳跟、傾斜布設的足弓、設于足弓上表面的腳掌控制單元和位于足弓端部的腳趾；所述足弓的兩端通過扭簧分別與腳跟的上部和腳趾連接，扭簧能實現足弓與腳跟、腳趾之間的相對轉動，使腳跟底面和腳趾能作為承重點與地面接觸。

本發明還具有如下技術特征：

可選地，所述踝關節控制單元包括控制盒和傳感器；控制盒安裝在支撐架上，控制盒用于接收、處理踝關節上的傳感器信息，并發出相應控制指令以使踝關節執行相應操作；

所述絲桿傳動單元包括從下至上依次連接的連接端、絲桿、自鎖主軸螺母機構、電機、與絲桿同軸的絲桿運動導軌和連接支座；

所述絲桿一端通過螺紋與連接端實現固定連接，絲桿另一端與配置在電機的輸出軸上的自鎖主軸螺母機構相連，實現由電機輸出動力，帶動自鎖主軸螺母機構轉動，進而帶動絲桿上下運動，并通過踝關節控制單元中的增量編碼器和數字式霍爾傳感器檢測電機轉動角度、控制電機的正反轉，實現踝關節的上下運動和翻轉運動；

所述絲桿與自鎖主軸螺母機構嚙合后引導入絲桿運動導軌內，絲桿運動導軌上端與連接支座鉸接，連接支座固定在支撐架上部；所述自鎖主軸螺母機構連接所述電機，所述電機為帶減速器的線性無刷直流電機，在電機上部設有用于連接配重減振棒的連接口，配重減振棒用于絲桿傳動單元運動時為第一連桿和第二連桿提供一定側向力以使其穩定運動并緩解系統振動對四足機器人本體的影響。