[發(fā)明專利]雙足機器人整體式結構仿人足腳板系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202210906552.3
• 申請日: 2022-07-29
• 公開（公告）號: CN115214818B
• 公開（公告）日: 2023-07-11
• 發(fā)明（設計）人: 付宜利;李旭;孫俊寶
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032
• 代理公司: 哈爾濱市松花江聯(lián)合專利商標代理有限公司 23213
• 代理人: 張利明

一種雙足機器人整體式結構仿人足腳板系統(tǒng)，屬于雙足機器人腳板技術領域。本發(fā)明針對現(xiàn)有單自由度腳部機構的雙足機器人對地形的適應性差，行走步態(tài)僵硬的問題。包括：橡膠足墊的腳掌對應段和足跟對應段上分別設置薄膜壓力傳感器；仿人足骨架的腳掌段和足跟段處于薄膜壓力傳感器上；足跟段內(nèi)設置三維力傳感器，通過腳踝連接件與機器人小腿連接；仿人足骨架內(nèi)設置IMU姿態(tài)傳感器、DSP信息采集控制器、足底壓力信號處理電路和三維力信號處理電路；傳感信號均傳遞至DSP信息采集控制器；分體式外殼后段與分體式外殼前段可拆卸連接，安裝在仿人足骨架上形成整體外殼。本發(fā)明采用整體式結構設計，對地形有更好的適應度。

技術領域

本發(fā)明涉及雙足機器人整體式結構仿人足腳板系統(tǒng)，屬于雙足機器人腳板技術領域。

背景技術

雙足仿人機器人在運動靈活性及環(huán)境適應性方面具有其他機器人無法比擬的優(yōu)勢。足部是雙足機器人下肢運動系統(tǒng)的重要組成部分。針對人足的優(yōu)異特征，需要采用仿生學設計機器人的腳板，同時還需要能夠獲取雙足機器人行走時的足部姿態(tài)和受力信息。

目前雙足機器人的仿生腳部機構主要分為單自由度腳部機構和多自由度的腳部機構。其中單自由度腳部機構一般采用整體式腳掌；這種腳掌的簡單平板式足部，在行走時存在步態(tài)僵硬，腳步無法擬人化，高速行走不夠平穩(wěn)以及在不平路面行走時適應性較差的缺陷，它需要依靠踝關節(jié)的調(diào)整來實現(xiàn)腳板對地形的適應。采用整體式腳掌的人形機器人適應性較差，但其操作系統(tǒng)較簡單，是目前仿人機器人常用的足部類型，以本田公司的ASIMO為代表。

多自由度腳部機構包括主動控制結構、被動控制結構和主被動結合的結構形式。多自由度腳板機構大多添加主動或被動控制的腳趾機構，或者將前后腳掌分離設計。其中有些模擬了腳跟、跟腱、前腳掌以及五個足趾關節(jié)等，其結構復雜，剛度低，結構不穩(wěn)定，控制復雜；有些設計了減震的連桿機構，加裝減震器，但是尺寸過大，使得行走和人體步態(tài)存在很大差距；有些擁有和正常人一樣大小的足部足弓和被動的腳趾，但是結構笨重，慣性大，控制困難，無法提供足夠的空間安裝感知傳感器。

仿人足部的感知系統(tǒng)大多采用腳踝多維度力與足底力傳感器，這種設計無法有效感知足部姿態(tài)變化。在實際使用中，腳踝的多維度力傳感器與足底力傳感器大多單獨配置，無法聯(lián)合感知足部受力信息，因此不能準確感知雙足機器人足部的信息。雙足機器人足部的信息包括足底力大小及其分布情況，以及足部的姿態(tài)，獲取到全面的信息才能更好地感知雙足機器人站立的地面情況，包括地面軟硬度、傾斜角度等。而將傳感器信號處理系統(tǒng)與腳板分離設計，造成系統(tǒng)的集成度低，需要從腳板處引出過多線纜，這降低了系統(tǒng)實際工作時的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有單自由度腳部機構的雙足機器人對地形的適應性差，行走步態(tài)僵硬的問題，本發(fā)明提供一種雙足機器人整體式結構仿人足腳板系統(tǒng)。

本發(fā)明的一種雙足機器人整體式結構仿人足腳板系統(tǒng)，包括分體式外殼后段、腳踝連接件、三維力傳感器、IMU姿態(tài)傳感器、仿人足骨架、分體式外殼前段、DSP信息采集控制器、足底壓力信號處理電路、足底前段薄膜壓力傳感器、橡膠足墊、三維力信號處理電路和足底后段薄膜壓力傳感器，

橡膠足墊分為順序連接的腳掌對應段、足弓對應段和足跟對應段；所述腳掌對應段上設置足底前段薄膜壓力傳感器，足跟對應段上設置足底后段薄膜壓力傳感器；

所述仿人足骨架具有仿人足結構的足弓彎曲，包括順序連接的腳掌段、足弓段和足跟段；腳掌段對應設置在足底前段薄膜壓力傳感器上，足弓段內(nèi)凹彎曲，足跟段對應設置在足底后段薄膜壓力傳感器上；

所述足跟段內(nèi)設置三維力傳感器，三維力傳感器的工作平面上設置腳踝連接件，腳踝連接件用于與機器人小腿連接；

仿人足骨架內(nèi)設置IMU姿態(tài)傳感器、DSP信息采集控制器、足底壓力信號處理電路和三維力信號處理電路；

分體式外殼后段與分體式外殼前段可拆卸連接，安裝在仿人足骨架上形成整體外殼；