[發(fā)明專利]一種雙足機器人的足部結(jié)構(gòu)及其全地形路面適應方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010063112.7
• 申請日: 2020-01-19
• 公開（公告）號: CN111267993B
• 公開（公告）日: 2021-04-27
• 發(fā)明（設計）人: 沈方巖;李瑋;顧建軍;朱世強
• 申請（專利權(quán)）人: 之江實驗室
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種雙足機器人的全地形路面適應方法，其特征在于，所述雙足機器人的足部結(jié)構(gòu)包括足弓部、固定在足弓部前端的足趾部、固定在足弓部后端的足根部和固定在足弓部頂端的踝關(guān)節(jié)(1)，所述足弓部包含足弓部本體(8)、彈性元件(9)和連接機構(gòu)(7)，連接機構(gòu)(7)固定在足弓部本體(8)的側(cè)面，所述足趾部和足跟部分別包含兩個足部模塊，每個足部模塊分別通過彈性元件(9)與連接機構(gòu)(7)固定連接；所述踝關(guān)節(jié)(1)為二自由度主動驅(qū)動關(guān)節(jié)，包括俯仰自由度、滾轉(zhuǎn)自由度和用于驅(qū)動自由度的驅(qū)動電機，自由度間串聯(lián)連接；足部結(jié)構(gòu)的整體形狀與運動鞋外形相似；

所述雙足機器人的全地形路面適應方法分為三個步驟：

步驟一，機器人足跟部觸地，在收到側(cè)向路面不平度反饋后，計算并驅(qū)動踝關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)自由度完成調(diào)整，完成機器人足部姿態(tài)對側(cè)向路面不平度的主動適應；

步驟二，機器人足趾部觸地，在收到縱向路面不平度反饋后，計算并驅(qū)動踝關(guān)節(jié)俯仰自由度完成調(diào)整，完成機器人足部姿態(tài)對縱向路面不平度的主動適應；

步驟三，所述踝關(guān)節(jié)經(jīng)過主動適應調(diào)整后，調(diào)整結(jié)果用于更新機器人整體姿態(tài)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全地形路面適應方法，其特征在于，所述足弓部還包括用于控制足部模塊運動方向的導向機構(gòu)(11)、用于限制足部模塊運動距離的限位塊(10)，導向機構(gòu)(11)位于足部模塊與足弓部本體(8)之間；限位塊(10)位于足部模塊與連接機構(gòu)(7)之間。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全地形路面適應方法，其特征在于，所述足部模塊為雙層結(jié)構(gòu)，下層為柔性防滑減震材料，上層為剛性安裝固定材料；所述足部模塊上層包含測力傳感器安裝座，用于安裝測力傳感器。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全地形路面適應方法，其特征在于，在機器人正常行走步態(tài)中，足部結(jié)構(gòu)設計參數(shù)滿足的條件為

其中，d_max為足部模塊最大變形，M_R為機器人重量，k_B為與足跟部連接的彈性元件的彈性系數(shù)，k_F為與足趾部連接的彈性元件的彈性系數(shù)，l_F為踝關(guān)節(jié)至足趾部距離，l_B為踝關(guān)節(jié)至足跟部距離，l為機器人足部結(jié)構(gòu)長度，H_f為彈性元件自由高度，H₂為彈性元件容許載荷高度，h_max為最大路面不平度，P₂為彈性元件容許載荷。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全地形路面適應方法，其特征在于，所述步驟一中，通過下式對機器人踝關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)自由度作出調(diào)整：踝關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)自由度作出的調(diào)整為：

其中，F(xiàn)_L為左側(cè)足跟部的足部模塊受力，F(xiàn)_R為右側(cè)足跟部的足部模塊受力，k_B為與足跟部連接的彈性元件的彈性系數(shù)，d_H為則側(cè)向路面不平度高度差，w為足部側(cè)向?qū)挾龋?Sub>H為踝關(guān)節(jié)滾轉(zhuǎn)自由度調(diào)整角度。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全地形路面適應方法，其特征在于，所述步驟二具體為：若收到的足跟部和足趾部反饋的前后兩側(cè)受力關(guān)系不滿足關(guān)系式k_Fl_F＝k_Bl_B時，踝關(guān)節(jié)俯仰自由度作出的調(diào)整為：

其中，F(xiàn)_F為足趾部的兩個足部模塊受力之和，F(xiàn)_B為足跟部的兩個足部模塊受力之和，k_F為與足趾部連接的彈性元件的彈性系數(shù)，l_F為踝關(guān)節(jié)至足趾部距離，l_B為踝關(guān)節(jié)至足跟部距離，d_L為縱向路面不平度高度差，θ_L為踝關(guān)節(jié)俯仰自由度調(diào)整角度。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全地形路面適應方法，其特征在于，該適應方法還包括對機器人腰部關(guān)節(jié)角度作出調(diào)整的步驟，該步驟具體為：通過下式對機器人腰部關(guān)節(jié)角度作出調(diào)整：

其中，F(xiàn)_F為足趾部的兩個足部模塊受力之和，F(xiàn)_B為足跟部的兩個足部模塊受力之和，l_F為踝關(guān)節(jié)至足趾部距離，l_B為踝關(guān)節(jié)至足跟部距離，T_R為足部受力對腰部關(guān)節(jié)形成的力矩，M_R為機器人重量，l_G為機器人質(zhì)心至腰部關(guān)節(jié)距離，θ_G為腰部關(guān)節(jié)調(diào)整角度。