专利名称：一种仿人机器人多自由度柔性脚板的制作方法
技术领域：
本发明涉及机器人技术领域，具体来说，是一种具有8个自由度的仿人机器人柔性脚板。
背景技术：
人类足部单侧由沈块骨头组成，同时含四个关节，42条肌肉及25条肌腱。得益于复杂足部的高度灵活性，人类才能稳定行走于凹凸不平、空间障碍等复杂环境。仿人机器人除需要具备类人的形体和外观外，更需要具备类人的行为特征-双足步行。仿人机器人只有像人类一样随时走到需要的地方、能自主完成预先设置的工作，才能发挥其不可估量的作用。传统仿人机器人平板刚性的足部构型，不具有任何自动适应凹凸变化地表形貌的特性与功能。例如公开号为CN101402380A，
公开日为2009年4月8日的发明专利《一种仿人机器人足部冲击吸收机构》中公开的仿人机器人足部冲击吸收机构，包括脚底板、减震柱、力传感器、上盖板、调节垫圈、防滑垫。该发明主要利用减震柱起到吸收冲击及减震的作用，结构紧凑，但是脚底板为刚性机构，不具备自动适应不平整地面的特性与功能。公开号为CN101108146A，
公开日为2008年1月23日的发明专利《一种人形机器人脚》中公开的人形机器人脚，包括脚板、橡胶脚底层、六维力传感器、上法兰、下法兰、倾角传感器、触觉阵列垫、信号处理系统和脚面。该发明通过橡胶脚底层吸收脚着地时的冲击力，不具有任何自动适应凹凸变化地表形貌的特性与功能。
发明内容
为了解决现有技术的缺陷，本发明提供一种更加有效的具有多自由度的仿人机器人脚板，解决了现有仿人机器人的脚板与凹凸不平地面的匹配问题，实现自动适应凹凸变化地表形貌的特性与功能。本发明一种仿人机器人多自由度柔性脚板，包括脚板机构与驱动机构，驱动机构用来驱动脚板机构运动。其中，脚板机构由中央固定板以及四个脚板构成；所述中央固定板水平设置；在中央固定板的前侧与后侧上各铰接有两个连接板，每个连接板均通过铰链连接一个脚板；其中，铰链中第一合页与连接板固连，铰链中第二合页与脚板固连，铰链的旋转轴与中央固定板前后方向轴线平行，使四个脚板分别位于中央固定板的左前方、右前方、左后方与右后方；中央固定板上安装固定有仿人机器人踝关节连接架，踝关节连接架用来连接仿人机器人的踝关节。每个铰链的旋转轴上安装有扭簧；在扭簧处于初始状态时，扭簧两侧的伸出部分平行；扭簧一侧的伸出部分固定在铰链中第一合页与连接板间；扭簧另一侧的伸出部分固定在第二合页与脚板之间。所述驱动机构包括驱动电机、锁轴、弹簧、弹簧支撑座、连杆与销；其中，在每个连接板上均安装有一个驱动机构，且每个连接板与驱动机构安装方式相同，驱动电机通过电机支架与踝关节连接架固定，驱动电机的输出轴与锁轴套接固定，锁轴上套接有弹簧，弹簧底端通过弹簧固定销钉与弹簧支撑座固定，弹簧支撑座与连杆一端铰接，连杆另一端与连接板铰接；锁轴上有与弹簧螺旋角相同的倾斜通孔，销从一侧弹簧钢丝间隙中穿入锁轴上的倾斜通孔后，从另一侧弹簧钢丝间隙穿出。通过上述结构，形成仿人机器人多自由度的柔性脚板。当脚板机构中各个脚板与凹凸不平的地面接触时，通过扭簧作用，各个脚板可依据所接触的地表曲率与连接板形成一定角度，使各个脚板与地面形成至少四个接触点的空间支撑面，有效避免了脚板与凹凸不平地面形成的点或线接触而导致的行走失败问题；当脚板离开地面时，在扭簧作用下使脚板恢复到初始状态。当仿人机器人在凹凸不平的地面行走时，可通过驱动电机驱动脚板机构中各个连接板相对于中央固定板做俯仰运动，由此带动各个脚板做俯仰运动，由此实现仿人机器脚部与凹凸地面的贴合。另外所设计脚板机构具有被动特性，无需驱动电机驱动便可自动贴合凸起地面，因此当脚板着落在凸起地面时，脚板及连接板在地面反力的作用下向上转动，由于锁轴为刚性元件，弹簧支撑座只能沿锁轴轴线上下运动，因此当连接板向上转动时，连杆绕弹簧支撑座、连接板转动，弹簧支撑座向上运动，因此弹簧支撑座到销距离减小，即销以下的弹簧被压缩，实现可逆的被动关节转动，以贴合凸起地面。本发明的优点在于1、本发明脚板中的脚板机构设计具有8个自由度，通过扭簧作用，各脚板实现自动贴合凹凸不平地面，解决脚板与凹凸不平地面的匹配问题，实现自动适应凹凸变化地表形貌的特性与功能；2、本发明脚板中的脚板机构采用被动结构，不需要驱动有效的降低了控制及结构复杂性；3、本发明中驱动机构刚度、平衡位置通过弹簧伸缩可调，由此当仿人机器人在凹凸不平的地面行走时，通过实时调节驱动机构的平衡位置，使各脚板可贴合凹凸不平整地面；且通过调节刚度提高脚板机构吸收冲击的能力，实现高效、稳定行走。
图1为本发明仿人机器人多自由度柔性脚板整体结构示意图；图2为本发明仿人机器人多自由度柔性脚板中脚板机构结构俯视图；图3为本发明仿人机器人多自由度柔性脚板中脚板机构结构仰视图；图4为本发明仿人机器人多自由度柔性脚板中脚板机构的脚板转动示意图；图5为应用时本发明仿人机器人多自由度柔性脚板中驱动机构结构示意图。图中
1-脚板机构2-驱动机构3-踝关节连接架101-中央固定板
102-脚板103-铰链104-连接板105-扭簧
201-驱动电机202-锁轴203-弹簧204-弹簧支撑座
205-连杆206-销207-电机支架1031-第一合页
1032-第二合页
具体实施例方式下面结合附图与实施例对本发明做进一步的详细说明。本发明一种仿人机器人多自由度柔性脚板，包括脚板机构1与驱动机构2，驱动机构1用来驱动脚板机构2运动，如图1所示。其中，脚板机构1采用被动的脚趾形式，由中央固定板101以及四个脚板102构成，如图1、图2所述；所述中央固定板101为水平设置的矩形，与仿人机器人的踝关节固连。四个脚板102结构相同，每个脚板102通过铰链103与中央固定板101相连。其具体连接方式为在中央固定板101的前侧与后侧上各铰接有两个连接板104。每个连接板104均通过铰链103连接一个脚板102，其中，铰链103中第一合页1031与连接板104固连，铰链103中第二合页1032与脚板102固连，铰链103的旋转轴303与中央固定板101前后方向轴线平行，由此使四个脚板102分别位于中央固定板101的左前方、右前方、左后方与右后方，通过上述结构，形成8个自由度的脚板机构。上述结构中，中央固定板101的前侧的两个连接板104与后侧上的两个连接板104相对于中央固定板101左右方向轴线对称，且相对与中央固定板101前后方向轴线对称。同样，位于中央固定板101左前方与右前方的脚板102与中央固定板101左后方与右后方的脚板102相对于中央固定板101左右方向轴线对称，且相对与中央固定板101前后方向轴线对称，由此，保证各脚板102受力均衡。为实现四个脚板102自动适应贴合凹凸不平地面，在每个铰链103的旋转轴上安装有高刚度的扭簧105，其刚度应满足四分之一仿人机器人重量，产生的形变小于1°。在扭簧105处于初始状态时，扭簧105两侧的伸出部分平行。扭簧105 —侧的伸出部分与第一合页1031宽度相等，固定在铰链103中第一合页1031与连接板104间；扭簧105另一侧的伸出部分与第二合页1032宽度相等固定在第二合页1032与脚板102之间。扭簧105两侧伸出部分端部具有U型结构，分别卡住铰链103中的第一合页1031与第二合页1032，从而保证了脚板102与连接板104在初始状态时相互平行，并且扭簧105双向跟随脚板运动。通过上述结构，形成仿人机器人多自由度的柔性脚板。当脚板机构中各个脚板102与凹凸不平的地面接触时，通过扭簧105作用，各个脚板102可依据所接触的地表曲率与连接板形成一定角度，如图3所示，使各个脚板102与地面形成至少四个接触点的空间支撑面，有效避免了脚板102与凹凸不平地面形成的点或线接触而导致的行走失败问题；当脚板102离开地面时，在扭簧105作用下使脚板102恢复到初始状态。上述脚板102均采用一端向上翘起的圆弧脚板，且位于中央固定板101左前方与右前方的脚板102向上翘起一端朝向前方，位于中央固定板101左后方与右后方的脚板102向上翘起一端朝向后方，由此，使脚板机构整体形成拟人类步行中足弓结构，提高步行效率。所述每个脚板102底部设有防滑垫，以提高脚板102与地面的摩擦力，防止机器人行走过程中打滑。所述驱动机构包括驱动电机201、锁轴202、弹簧203、弹簧支撑座204、连杆205与销206，如图5所示。
其中，在各个连接板104上均安装有驱动机构2，且各个连接板104与驱动机构2安装方式相同，下面以其中一个连接板104与驱动机构2的安装方式为例进行说明所述驱动电机201的输出轴与锁轴202套接固定，锁轴202可跟随驱动电机201的输出轴运动，锁轴202上套接有弹簧203，弹簧203轴线与锁轴202轴线重合，弹簧203底端通过弹簧固定销钉与弹簧支撑座204固定，弹簧支撑座204与连杆205 —端铰接，连杆205另一端与连接板104铰接，连杆205可绕弹簧支撑座204、连接板104转动。锁轴202上有与弹簧203螺旋角相同的倾斜通孔，销206从一侧弹簧203钢丝间隙中穿入锁轴202上的倾斜通孔，然后从另一侧弹簧203钢丝间隙穿出，从而销206将弹簧203分隔为不可压缩和可压缩的上下两部分，不可压缩部分为销上部分弹簧，可压缩销下部份弹簧部分。由此，驱动电机201的电机轴旋转运动，可带动锁轴202转动，使得弹簧203在锁轴202上销206的作用下进行上下运动，从而带动弹簧支撑座204上下运动，由此通过与弹簧支撑座204铰接的连杆205带动连接板104做俯仰运动。由于本发明脚板机构作为仿人机器人的支撑部位，因此由此仿人机器人的重量会压迫中央固定板101向下运动，造成在脚板102未运动时便与中央固定板101产生相对运动，为了避免这种情况，将各个铰链103的第二合页1032均固定在其对应脚板102的外侧，且使第二合页1032的外侧边与脚板102外侧边重合；本发明在中央固定板101上安装固定有仿人机器人踝关节连接架6，踝关节连接架6用来连接仿人机器人的踝关节，驱动电机201通过电机支架207与踝关节连接架6固定，保证各驱动电机201与中央固定板101间的相对位置固定。通过上述结构形成柔性变刚度的驱动机构2，驱动机构刚度、平衡位置通过弹簧203伸缩可调。由此当仿人机器人在凹凸不平的地面行走时，通过实时调节驱动机构2的平衡位置，即通过驱动电机201驱动脚板机构中各个连接板104相对于中央固定板101做俯仰运动，由此带动各个脚板102做俯仰运动，使各脚板102可贴合凹凸不平整地面；也通过可调节各驱动机构201的刚度提高吸收冲击的能力，实现高效、稳定行走。其中，各驱动机构2具备被动特性，当脚板102着落在凸起地面时，脚板102及连接板104在地面反力的作用下向上转动，由于锁轴202为刚性元件，弹簧支撑座204只能沿锁轴轴线上下运动，因此当连接板104向上转动时，连杆205绕弹簧支撑座204、连接板104转动，弹簧支撑座204向上运动，因此弹簧支撑座204到销206距离减小，即销206以下的弹簧203被压缩，实现可逆的被动关节转动，提高脚板机构1吸收冲击的能力，实现高效、稳定行走。
权利要求
1.一种仿人机器人多自由度柔性脚板，其特征在于包括脚板机构与驱动机构，驱动机构用来驱动脚板机构运动；其中，脚板机构由中央固定板以及四个脚板构成；所述中央固定板水平设置；在中央固定板的前侧与后侧上各铰接有两个连接板，每个连接板均通过铰链连接一个脚板；其中，铰链中第一合页与连接板固连，铰链中第二合页与脚板固连，铰链的旋转轴与中央固定板前后方向轴线平行，使四个脚板分别位于中央固定板的左前方、右前方、左后方与右后方；中央固定板上安装固定有仿人机器人踝关节连接架，踝关节连接架用来连接仿人机器人的踝关节；每个铰链的旋转轴上安装有扭簧；在扭簧处于初始状态时，扭簧两侧的伸出部分平行；扭簧一侧的伸出部分固定在铰链中第一合页与连接板间；扭簧另一侧的伸出部分固定在第二合页与脚板之间；所述驱动机构包括驱动电机、锁轴、弹簧、弹簧支撑座、连杆与销；其中，在每个连接板上均安装有一个驱动机构，且每个连接板与驱动机构安装方式相同，驱动电机通过电机支架与踝关节连接架固定，驱动电机的输出轴与锁轴套接固定，锁轴上套接有弹簧，弹簧底端通过弹簧固定销钉与弹簧支撑座固定，弹簧支撑座与连杆一端铰接，连杆另一端与连接板铰接；锁轴上有与弹簧螺旋角相同的倾斜通孔，销从一侧弹簧钢丝间隙中穿入锁轴上的倾斜通孔后，从另一侧弹簧钢丝间隙穿出。
2.如权利要求1所述一种仿人机器人多自由度柔性脚板，其特征在于所述弹簧的轴线与锁轴轴线重合。
3.如权利要求1所述一种仿人机器人多自由度柔性脚板，其特征在于所述扭簧一侧的伸出部分与第一合页宽度相等，扭簧另一侧的伸出部分与第二合页宽度相等。
4.如权利要求1所述一种仿人机器人多自由度柔性脚板，其特征在于所述扭簧两侧伸出部分端部具有U型结构。
5.如权利要求1所述一种仿人机器人多自由度柔性脚板，其特征在于所述扭簧的刚度应满足四分之一仿人机器人重量，产生的形变小于1°。
6.如权利要求1所述一种仿人机器人多自由度柔性脚板，其特征在于所述中央固定板前侧的两个连接板与后侧上的两个连接板相对于中央固定板左右方向轴线对称，且相对与中央固定板前后方向轴线对称；且所述中央固定板前方两个脚板与后方两个脚板相对于中央固定板左右方向轴线对称，且相对与中央固定板前后方向轴线对称。
7.如权利要求1所述一种仿人机器人多自由度柔性脚板，其特征在于每个铰链的第二合页均固定在其所连接脚板的外侧。
8.如权利要求1所述一种仿人机器人多自由度柔性脚板，其特征在于所述四个脚板均采用一端向上翘起的圆弧脚板，且位于中央固定板左前方与右前方的脚板向上翘起一端朝向前方，位于中央固定板左后方与右后方的脚板向上翘起一端朝向后方。
9.如权利要求1所述一种仿人机器人多自由度柔性脚板，其特征在于所述四个脚板底部均设有防滑垫。
全文摘要
本发明一种仿人机器人多自由度柔性脚板，属于机器人技术领域，包括脚板机构与驱动机构。其中，脚板机构由中央固定板以及四个脚板构成；中央固定板的前侧与后侧上各铰接有两个连接板，每个连接板均通过铰链连接一个脚板；每个铰链的旋转轴上安装有扭簧；中央固定板上安装固定有仿人机器人踝关节连接架，踝关节连接架用来连接仿人机器人的踝关节；所述驱动机构主要通过驱动电机配合弹簧进行伸缩运动，从而驱动脚板机构中各个连接板做俯仰运动。本发明的优点为解决脚板机构与凹凸不平地面的匹配问题，且脚板机构采用被动结构，不需要驱动有效的降低了控制及结构复杂性；驱动机构为柔性变刚度驱动机构，提高吸收冲击的能力，实现高效、稳定行走。
文档编号B62D57/032GK102556199SQ20111045234
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者帅梅, 王中宇, 魏慧 申请人:北京航空航天大学