[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(yīng)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(shè)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(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

本發(fā)明涉及一種雙足機器人的足部結(jié)構(gòu)及其全地形路面適應(yīng)方法，采用該足部結(jié)構(gòu)的雙足機器人在非平整路面上行走時，可根據(jù)路面的實際地形進行主動適應(yīng)，及時調(diào)整相應(yīng)姿態(tài)，迅速有效地提升雙足機器人的站立和行走穩(wěn)定性，改善雙足機器人在非平整路面上行走時足部觸地面積小、整體平衡維持難等問題。該全地形路面適應(yīng)足部結(jié)構(gòu)將足底分為四個區(qū)域，獨立受力和形變，使得機器人足部在非平整路面上保持良好觸地的同時，通過分布于足部四個區(qū)域的測力傳感器獲知足底觸地情況，以此為依據(jù)推測足底實際地形分布，驅(qū)動機器人相關(guān)關(guān)節(jié)進行調(diào)整，完成機器人足部和整體姿態(tài)對非平整路面的主動適應(yīng)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種雙足機器人的足部結(jié)構(gòu)及其全地形路面適應(yīng)方法，屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

雙足機器人是一種模仿人類身體結(jié)構(gòu)和行走步態(tài)的機器人，其優(yōu)勢在于腿足式結(jié)構(gòu)帶來的優(yōu)秀越障能力和強大運動能力。目前的雙足機器人已具備在平整路面上穩(wěn)定行走的能力，部分雙足機器人已可以在一定程度上模仿人類的行走步態(tài)，在足部結(jié)構(gòu)的設(shè)計上也多種多樣，但大多數(shù)足部采用了整體式結(jié)構(gòu)，在遇到非平整路面時多使用踝關(guān)節(jié)電機進行頻繁調(diào)整，或是僅利用彈性變形足底材料和踝關(guān)節(jié)處的撓度抵抗路面不平度帶來的沖擊。前者對踝關(guān)節(jié)的控制要求高，機器人極有可能在踝關(guān)節(jié)完成調(diào)整之前就已經(jīng)完成落足，無法進行有效的控制。后者完全采用被動式路面適應(yīng)方式，對于較為復(fù)雜的非平整路面，該方式的效果有限，踝關(guān)節(jié)處若不加以控制極易導(dǎo)致機器人傾倒。目前對機器人踝關(guān)節(jié)的控制尚無法做到與人類相當(dāng)?shù)乃俣扰c準(zhǔn)度，因此通過優(yōu)化控制算法的方式帶來的改善較小。而且，當(dāng)前大多數(shù)雙足機器人采用的足部垂直于地面運動的踏步式行走方式使得機器人足部對的非平整路面適應(yīng)能力有更高的要求。

中國專利號CN103204191A公開的一種機器人的足端機構(gòu)采用球形關(guān)節(jié)實現(xiàn)足部任意方向大角度的靈活擺動和豎直方向上的旋轉(zhuǎn)，采用橡膠足墊進行防滑減震，采用三向測力傳感器對足端實時受力情況進行測量。該機構(gòu)可以實現(xiàn)多自由度大角度足部調(diào)節(jié)，但采用被動關(guān)節(jié)適應(yīng)路面的方式容易造成機器人足部姿態(tài)的不可控，一旦機器人上身姿態(tài)控制無法適應(yīng)姿態(tài)劇烈變化的足部，則極易造成機器人的傾倒。

中國專利號CN103204190A公開的一種機器人足部機構(gòu)采用大角度關(guān)節(jié)軸承實現(xiàn)足部機構(gòu)的大角度偏擺運動，采用凸輪狀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)足部機構(gòu)在前后方向偏擺時的限位，并采用兩級旋轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)腿部足部的同時旋轉(zhuǎn)。該機構(gòu)可實現(xiàn)足部的靈活調(diào)節(jié)，但僅能保證機器人在具有縱向不平度路面上的行走穩(wěn)定性，對側(cè)向路面不平度等干擾無有效調(diào)節(jié)方式，且機構(gòu)較為復(fù)雜，控制難度較高。

中國專利號CN104590417A公開的一種仿人機器人足部及其控制方法采用三點觸地式足部，并添加大拇趾結(jié)構(gòu)增強穩(wěn)定性，采用柔性拉索方式控制足部三根桿件以完成足部姿態(tài)控制。該機構(gòu)可以用較為簡潔的方式實現(xiàn)足部的適應(yīng)性控制，但僅采用三根桿件構(gòu)成的足部使得足底觸地面積較小，行走穩(wěn)定性較差，且在無力傳感器信號反饋的前提下，使用柔性拉索難以對足部進行準(zhǔn)確姿態(tài)控制。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有雙足機器人足部存在的上述問題，同時針對目前雙足機器人大多數(shù)僅能在平坦地面穩(wěn)定行走的現(xiàn)狀，以及雙足機器人在路面地形發(fā)生變化時難以保持平衡易發(fā)生傾倒的問題，本發(fā)明提供一種適用于現(xiàn)有雙足機器人行走方式的具有有效全地形路面適應(yīng)能力的足部結(jié)構(gòu)及其路面適應(yīng)方法，該足部結(jié)構(gòu)通過分布式獨立運動足部模塊使得在非平整路面對落地時足部仍能良好觸地，保護機器人各驅(qū)動關(guān)節(jié)的同時，維持機器人行走穩(wěn)定性。同時，分布于足底的測力傳感器信號反饋和二自由度踝關(guān)節(jié)對足部姿態(tài)的調(diào)整使得足部可以迅速適應(yīng)路面地形，且該適應(yīng)過程對機器人原有步態(tài)無影響。

本發(fā)明采用以下的技術(shù)方案：