[發(fā)明專(zhuān)利]一種具有主動(dòng)地形感知能力的雙足機(jī)器人仿生足部系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110002981.3
• 申請(qǐng)日: 2021-01-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN112644600B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 沈方巖;聶大明;杜睿龍;顧建軍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 之江實(shí)驗(yàn)室
• 主分類(lèi)號(hào): B62D57/032
• 分類(lèi)號(hào): B62D57/032
• 代理公司: 杭州求是專(zhuān)利事務(wù)所有限公司 33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種具有主動(dòng)地形感知能力的雙足機(jī)器人仿生足部系統(tǒng)，其特征在于，所述雙足機(jī)器人足部具有仿生學(xué)特征，可幫助雙足機(jī)器人在行走時(shí)進(jìn)行有效的緩沖減震、吸能儲(chǔ)能，保證足部行走時(shí)具有足夠的穩(wěn)定性和路面適應(yīng)性；同時(shí)該特征還可支撐機(jī)器人進(jìn)行仿人步態(tài)行走，進(jìn)一步提升行走步長(zhǎng)和速度；該雙足機(jī)器人足部包含一套智能傳感系統(tǒng)，通過(guò)分布于足部各處的各類(lèi)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)路面地形的主動(dòng)感知和初步處理；利用該仿生學(xué)特征和主動(dòng)感知系統(tǒng)，雙足機(jī)器人可在非平整路面進(jìn)行一定的自適應(yīng)行走；

所述雙足機(jī)器人足部具備多種信息的感知能力，可有效提升對(duì)路面地形感知的準(zhǔn)確性；該足部裝有視覺(jué)傳感器用于圖像感知、裝有超聲波傳感器用于距離感知、裝有力傳感器用于足底壓力感知；

所述雙足機(jī)器人足部可在機(jī)器人行走時(shí)對(duì)路面地形進(jìn)行主動(dòng)感知，該感知過(guò)程充分利用足部配備的各類(lèi)傳感器分階段進(jìn)行：

步驟一，擺動(dòng)腿的足踝部關(guān)節(jié)調(diào)整足部姿態(tài)，足部視覺(jué)傳感器在遠(yuǎn)距離獲取下一步落腳點(diǎn)地面的圖像信息；若根據(jù)視覺(jué)信息反饋發(fā)現(xiàn)無(wú)法通過(guò)的地面障礙，則將結(jié)果傳至機(jī)器人上層進(jìn)行決策，否則足部繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行下一步感知；

步驟二，足部運(yùn)動(dòng)至規(guī)劃落腳點(diǎn)上方，足部超聲波距離傳感器在近距離獲取該落腳點(diǎn)位置的地面不平度初步信息；若根據(jù)距離信息反饋發(fā)現(xiàn)無(wú)法落足的地面地形，則同樣將結(jié)果傳至機(jī)器人上層進(jìn)行決策，否則足部繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行下一步感知；

步驟三，在足部視覺(jué)傳感器和足部超聲波距離傳感器均未反饋問(wèn)題的情況下，足部將運(yùn)動(dòng)直至落地；若仍存在一定的地面不平度，則足底壓力傳感器實(shí)時(shí)反饋實(shí)際受力情況，并推測(cè)地面實(shí)際地形，據(jù)此對(duì)足部姿態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有主動(dòng)地形感知能力的雙足機(jī)器人仿生足部系統(tǒng)，其特征在于，所述雙足機(jī)器人足部結(jié)構(gòu)為仿人類(lèi)足部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并具有人類(lèi)足部的部分特點(diǎn)；其結(jié)構(gòu)特征主要包含上足面、足前掌、足后跟、前掌弧、后跟弧、縱向足弓、側(cè)向足弓和足踝部。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有主動(dòng)地形感知能力的雙足機(jī)器人仿生足部系統(tǒng)，其特征在于，所述雙足機(jī)器人足部可進(jìn)行仿人步態(tài)行走，在足部落地時(shí)采取足后跟先落地的方式，在足部離地時(shí)采取足前掌后離地的方式；根據(jù)機(jī)器人實(shí)際步態(tài)，足后跟和足前掌需為圓弧形以支撐仿人步態(tài)行走，該前掌弧和后跟弧設(shè)計(jì)參數(shù)可表示為

其中，R_b為后跟弧部分半徑，S_b為后跟弧部分長(zhǎng)度，R_f為前掌弧部分半徑，S_f為前掌弧部分長(zhǎng)度，d為機(jī)器人行走步長(zhǎng)，l為機(jī)器人腿足部分長(zhǎng)度，θ_b為足后跟落地時(shí)足踝部運(yùn)動(dòng)角度，θ_f為足前掌離地時(shí)足踝部運(yùn)動(dòng)角度。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有主動(dòng)地形感知能力的雙足機(jī)器人仿生足部系統(tǒng)，其特征在于，所述雙足機(jī)器人足部模擬人類(lèi)足部特性，通過(guò)設(shè)置縱向足弓和側(cè)向足弓實(shí)現(xiàn)一定的縱向和側(cè)向彈性，對(duì)地面沖擊能量進(jìn)行吸收和釋放，可配合仿人步態(tài)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高能效行走；根據(jù)機(jī)器人所受實(shí)際地面沖擊力，足弓部的設(shè)計(jì)參數(shù)可表示為

其中，k為足弓部彈性系數(shù)，C_s為足弓部對(duì)地面沖擊能量的吸收率，F(xiàn)為地面沖擊力，δ為足部變形量，E為足弓彈性模量，I為足弓橫截面慣性矩，R為足弓彎曲半徑，β為足弓彎曲弧度余角。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有主動(dòng)地形感知能力的雙足機(jī)器人仿生足部系統(tǒng)，其特征在于，所述雙足機(jī)器人足部可實(shí)現(xiàn)對(duì)地面沖擊的緩沖減震，保護(hù)足踝部關(guān)節(jié)；在上足面具有一定剛度以確保足踝部關(guān)節(jié)對(duì)足部姿態(tài)控制的同時(shí)，在足前掌、足后跟與地面直接接觸部位采用柔性材料，通過(guò)柔性材料的變形，結(jié)合足弓部的彈性吸收地面沖擊能量；根據(jù)機(jī)器人所受實(shí)際地面沖擊力，以及足弓部相關(guān)參數(shù)，該柔性材料的設(shè)計(jì)參數(shù)可表示為

其中，η為柔性材料的效率系數(shù)，h為柔性材料的厚度，C_k為足底柔性材料對(duì)地面沖擊能量的吸收率，F(xiàn)為地面沖擊力，δ為足部變形量，k為足弓部彈性系數(shù)。