專利名稱：多足步行機器人腳的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于機器人技術領域，具體涉及一種多足步行機器人腳。
背景技術：
移動機器人所采用的運動方式主要包括輪式、履帶式、足式、混合式等運動形式。對于輪式機器人，自車輪問世以來，它在堅硬平地上運動是十分可靠的。但是在不平地面上行駛時，輪式機器人的能耗將大大增加，而在松軟地面或嚴重崎嶇不平的地形上，車輪的作用也將嚴重喪失，移動效率大大的降低。履帶式機器人使車身載荷分布在一塊較大的面積上，相當于一種為輪子鋪路的裝置，并且可產生較大的推進力，可在松軟地面上行走，而不至于陷入其中，但履帶式機器人在不平地面上的機動性仍然很差，而且機器人機身晃動嚴重。相對于輪式、履帶式等類型的地面移動機器人，多足步行機器人具有諸多優點。首先，該類機器人在運動時僅需要一些離散的點來供其落足，從而成功通過崎嶇、松軟或泥濘的地面。其次，該類機器人可以通過調節自身重心而避免傾覆，具有更高的穩定性。多足步行機器人在環境適應性和運動靈活性方面更具優勢，也因其在復雜地表上更強的行走能力而受到了廣泛重視。隨著計算機控制技術的進步，多足步行機器人技術更是快速發展，多足步行機器人已在軍事國防、生物醫學、航空航天、工業農業等領域都有了廣泛的應用。自20世紀80年代機器人學開拓者、美國著名機器人學家R. B. McGhee等開始研究四足步行機器人以來，多足步行機器人的研究一直受到眾多學者的關注。多足步行機器人發展至今其腳結構主要有兩種形式平底足端式腳和球形足端式腳。在國外，Dillmann等人研制的仿哺乳動物四足步行機器人BISAM采用球形足端式腳結構；日本東京工業大學機器人之父Shigeo Hirose教授等人研制的TITAN系列四足步行機器人采用平底足端式腳結構；西班牙CSIC研究議會的IAI研究中心Gonzalez de Santos團隊相繼研制成功了掃雷機器人Silo4和Silo6，其中四足步行機器人Silo4的腳為平底足端式腳結構，而后續研究完成的六足步行機器人Silo6則采用了球形足端式腳；Boston Dynamics公司推出的BigDog軍用機器人和小型四足步行機器人LittleDog則都采用球形足端式腳結構。在國 內，北京理工大學研制的仿生六足步行機器人的腳為球形足端式腳結構；華中科技大學的陳學東等人研制的MiniQuad可重構多足步行機器人同樣采用了球形足端式腳結構。球形足端式腳相對于平底足端式腳結構具有顯著的優越性。首先，平底足端式腳結構復雜，而球形足端式腳結構簡單緊湊；其次，平底足端式腳中的被動關節容易造成多足步行機器人在行走的過程中被絆倒，因此也限制了機器人腳的運動范圍。雖然球形足端式腳具有眾多優點，但是現有的球形足端式腳結構也存在一些亟待解決的問題，如球形足端式腳結構中缺乏有效的緩沖、減震、防滑設計，地面對腳的作用力的測量過程復雜、精度低、可靠性不高。球形足端式腳結構需要進一步設計研究。
發明內容本實用新型的目的在于提供一種克服以上問題的多足步行機器人腳。本實用新型采用球形足端式腳結構，由多足步行機器人腳機械裝置和多足步行機器人腳測力裝置組成。[0006]多足步行機器人腳機械裝置包括球形足端、減震測力部分和小腿腳連接件組成。球形足端為橡膠材料制成，此種足端在落足后與地面之間為柔性接觸而非剛性接觸，既可以防止多足步行機器人在行走時打滑又可以減小與地面之間的沖擊，可以有效的提高多足步行機器人對環境的適應性。減震測力部分由球形足端連接件、腳部套筒、減震壓縮彈簧、壓墊、腳連接件、固定螺釘組成。球形足端連接件的上端置于腳部套筒中，球形足端連接件的臺階環與腳部套筒內壁之間為間隙配合，球形足端連接件的臺階環和腳部套筒內壁之間可以相對滑動，球形足端連接件的圓形凸臺上放置壓墊，該圓形凸臺位于腳部套筒內，球形足端連接件的下端穿過腳部套筒的圓孔后與球形足端螺紋連接；腳連接件的下端通過固定螺釘與腳部套筒固定連接；減震壓縮彈簧放于腳部套筒中，且同時套在球形足端連接件的上端和腳連接件的下端上，減震壓縮彈簧產生的彈簧力作用于球形足端連接件的臺階環和腳連接件上，使球形足端連接件的臺階環底面與腳部套筒的內底面相接觸，減震壓縮彈簧使腳連接件的下端與球形足端連接件的上端之間形成一定的間隙。腳連接件的上端與小腿腳連接件的叉頭之間由固定螺栓和固定螺母固定，腳連接件的上端與小腿腳連接件的叉頭之間可以繞固定螺栓旋轉一定的角度，從而具有踝關節的功能，腳連接件的上端側平面上刻有O至120度的角度刻線，角度刻線之間間隔I度，小腿腳連接件的叉頭上開有豁口，通過小腿腳連接件叉頭上的豁口和腳連接件上端側平面上的角度刻線可以測量腳連接件相對于小腿腳連接件轉過的角度，腳連接件相對于小腿腳連接件轉過的角度達到所需角度時，將固定螺栓和固定螺母擰緊從而使腳連接件相對于小腿腳連接件的位置固定。多足步行機器人腳測力裝置由壓力傳感器和信號采集處理器組成。壓力傳感器設置在腳連接件的下端圓形凸臺上，壓力傳感器的信號線通過腳連接件下端的導線槽與信號采集處理器連接，壓力傳感器所測到的力信號由信號采集處理器進行信號采集和信號處理，通過信號采集處理器得到可靠有效的力信號測量值。位于球形足端連接件圓形凸臺上的壓墊上表面的大小與壓力傳感器的有效測量面積相同，每次腳所受到的力通過壓墊均勻的作用于壓力傳感器上，使壓力傳感器的測量精度大大提高，從而可以對多足步行機器人腳所受到的力進行準確測量。本實用新型可以達到的有益效果( I)本實用新型采用球形足端式腳結構，結構簡單緊湊，從而使多足步行機器人行走靈活可靠；(2)采用壓縮彈簧減震裝置，有效的減小了多足步行機器人在行走過程中與地面之間相互作用而造成的震動和沖擊，可以顯著提高多足步行機器人行走過程中的穩定性；(3)采用壓力傳感器對多足步行機器人的腳力進行測量，大大降低了多足機器人腳力測量的難度和復雜性，降低了多足機器人腳力測量的成本；(4)多足步行機器人所受到的沿腳中心軸方向的力中除去壓縮彈簧力后剩余部分全部作用于壓力傳感器的有效測量面積之上，大大提高了壓力傳感器測量力的精度和可靠性；(5)多足機器人腳相對于多足機器人小腿之間可以轉過一定的角度，從而可以大大增加多足步行機器人腳力中沿腳中心軸方向的分力，此力作用于壓力傳感器之上，使壓力傳感器的測量范圍和精度得到有效提高。

圖I本實用新型的三維結構示意圖；圖2本實用新型的結構剖視圖；圖3腳連接件結構示意圖；圖4小腿腳連接件結構示意圖。圖中1.球形足端，2.球形足端連接件，3.腳部套筒，4.減震壓縮彈簧，5.壓 墊，6.腳連接件，7.固定螺釘，8.小腿腳連接件，9.固定螺栓，10.固定螺母，11.角度刻線，12.豁口，13.壓力傳感器，14.信號采集處理器，15.導線槽。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作進一步說明。如圖I、圖2所示，本實用新型采用球形足端式腳結構，由多足步行機器人腳機械裝置和多足步行機器人腳測力裝置組成。多足步行機器人腳機械裝置包括球形足端I、減震測力部分和小腿腳連接件8組成。球形足端I由橡膠材料制成，此種足端在落足后與地面之間為柔性接觸而非剛性接觸，既可以增大多足步行機器人腳與地面之間的摩擦防止多足步行機器人在行走時打滑又可以與地面之間形成緩沖減小沖擊，可以有效的提高多足步行機器人對環境的適應性。減震測力部分由球形足端連接件2、腳部套筒3、減震壓縮彈簧4、壓墊5、腳連接件6、固定螺釘7組成。球形足端連接件2的上端置于腳部套筒3中，球形足端連接件2的臺階環與腳部套筒3內壁之間為間隙配合，球形足端連接件2的臺階環和腳部套筒3內壁之間可以相對滑動，球形足端連接件2的圓形凸臺上放置壓墊5，該圓形凸臺位于腳部套筒3內，球形足端連接件2的下端穿過腳部套筒3的圓孔后與球形足端I螺紋連接；腳連接件6的下端通過固定螺釘7與腳部套筒3固定連接；減震壓縮彈簧4放于腳部套筒3中，且同時套在球形足端連接件2的上端和腳連接件6的下端上，減震壓縮彈簧4產生的彈簧力作用于球形足端連接件2的臺階環和腳連接件6上，使球形足端連接件2的臺階環底面與腳部套筒3的內底面相接觸，減震壓縮彈簧4使腳連接件6的下端與球形足端連接件2的上端之間形成一定的間隙。腳連接件6的上端與小腿腳連接件8的叉頭之間由固定螺栓9和固定螺母10固定，腳連接件6的上端與小腿腳連接件8的叉頭之間可以繞固定螺栓9旋轉一定的角度，從而具有踝關節的功能，如圖3所示腳連接件6的上端側平面上刻有0至120度的角度刻線11，角度刻線11之間間隔I度，如圖4所示小腿腳連接件8的叉頭上開有豁口 12，通過小腿腳連接件8叉頭上的豁口 12和腳連接件6上端側平面上的角度刻線11可以測量腳連接件6相對于小腿腳連接件8轉過的角度，腳連接件6相對于小腿腳連接件8轉過的角度達到所需角度時，將固定螺栓9和固定螺母10擰緊從而使腳連接件6相對于小腿腳連接件8的位置固定。多足步行機器人腳測力裝置由壓力傳感器13和信號采集處理器14組成。壓力傳感器13設置在腳連接件6的下端圓形凸臺上，壓力傳感器13的信號線通過腳連接件6下端的導線槽15與信號采集處理器14連接，壓力傳感器13所測到的力信號由信號采集處理器14進行信號采集和信號處理，通過信號采集處理器14得到可靠有效的力信號測量值。位于球形足端連接件2圓形凸臺上的壓墊5上表面的大小與壓力傳感器13的有效測量面積相同，每次腳所受到的力通過壓墊5均勻的作用于壓力傳感器13上，使壓力傳感器13的測量精度大大提高，從而可以對多足步行機器人腳所受到的力進行準確測量。下面對多足步行機器人腳的工作過程進行詳細說明。在控制多足步行機器人行走前，首先將多足步行機器人腳的固定螺栓9和固定螺母10松開，根據多足步行機器人的行走步態，人工調整多足步行機器人腳相對于小腿的角度，通過腳連接件6中的角度刻線11和小腿腳連接件8叉頭上的豁口 12測量多足步行機器人腳相對于小腿的角度，達到調整所需角度后，將固定螺栓9和固定螺母10擰緊使腳連接件6相對于小腿腳連接件8的位置固定。然后多足步行機器人即可進行行走，在多足步行機器人腳與地面接觸時，橡膠材料制成的球形足端I產生微小變形，球形足端I與地面之間柔性接觸，在地面力的作用下與球形足端I連接的球形足端連接件2在腳部套筒3中滑動同時壓縮減震壓縮彈簧4，減震壓縮彈簧4對多足步行機器人進行緩沖減震，減震壓縮彈簧4進一步被壓縮直到壓墊5與壓力傳感器13接觸，在地面力的作用下壓墊5擠壓壓力傳 感器13，壓力傳感器13對所受到的擠壓力進行測量，并將所測的力信號輸入到信號采集處理器14中，經過信號采集處理器14對力信號的采集處理即可得到可靠有效的力信息。在多足步行機器人的行走過程中可以實時測得地面對多足步行機器人腳的作用力，所測得的力信息既準確又迅速，可以很好的掌握多足步行機器人在行走過程中的受力情況。通過所獲得的力信息可以對多足步行機器人行走過程中的受力進行綜合分析，其分析結果可以指導對多足步行機器人的控制。
權利要求1.多足步行機器人腳，包括多足步行機器人腳機械裝置和多足步行機器人腳測力裝置，其特征在于 多足步行機器人腳機械裝置包括球形足端、減震測力部分和小腿腳連接件組成；球形足端為橡膠材料制成；減震測力部分由球形足端連接件、腳部套筒、減震壓縮彈簧、壓墊、腳連接件、固定螺釘組成，球形足端連接件的上端置于腳部套筒中，球形足端連接件的臺階環與腳部套筒內壁之間為間隙配合，球形足端連接件的臺階環和腳部套筒內壁之間可以相對滑動，球形足端連接件的圓形凸臺上放置壓墊，該圓形凸臺位于腳部套筒內，球形足端連接件的下端穿過腳部套筒的圓孔后與球形足端螺紋連接；腳連接件的下端通過固定螺釘與腳部套筒固定連接；減震壓縮彈簧放于腳部套筒中，且同時套在球形足端連接件的上端和腳連接件的下端上，減震壓縮彈簧產生的彈簧力作用于球形足端連接件的臺階環和腳連接件上，使球形足端連接件的臺階環底面與腳部套筒的內底面相接觸，減震壓縮彈簧使腳連接 件的下端與球形足端連接件的上端之間形成一定的間隙；腳連接件的上端與小腿腳連接件的叉頭之間由固定螺栓和固定螺母固定，腳連接件的上端與小腿腳連接件的叉頭之間可以繞固定螺栓旋轉一定的角度，腳連接件的上端側平面上刻有O至120度的角度刻線，角度刻線之間間隔I度，小腿腳連接件的叉頭上開有豁口 ； 多足步行機器人腳測力裝置由壓力傳感器和信號采集處理器組成，壓力傳感器設置在腳連接件的下端圓形凸臺上，壓力傳感器的信號線通過腳連接件下端的導線槽與信號采集處理器連接。
專利摘要本實用新型公開了一種多足步行機器人腳，現有平底足端式腳結構復雜且容易絆倒。本實用新型機器人腳包括多足步行機器人腳機械裝置和多足步行機器人腳測力裝置組成。多足步行機器人腳機械裝置包括球形足端、減震測力部分和小腿腳連接件組成。減震測力部分由球形足端連接件、腳連接件、腳部套筒、減震壓縮彈簧、壓墊、固定螺釘組成。多足步行機器人腳測力裝置由壓力傳感器和信號采集處理器組成。本實用新型采用球形足端式腳結構，結構簡單緊湊，多足步行機器人行走靈活可靠；壓縮彈簧減震裝置有效的減小了多足步行機器人在行走過程中與地面之間的沖擊；采用壓力傳感器對多足步行機器人的腳力進行測量，大大降低了多足機器人腳力測量的難度和復雜性。
文檔編號B62D57/032GK202378989SQ201120562408
公開日2012年8月15日 申請日期2011年12月29日 優先權日2011年12月29日
發明者金波, 陳剛, 陳誠, 陳鷹 申請人:浙江大學