CN103802907A - 类人机器人脚 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种类人机器人脚,具有类人的脚掌和通过踝关节连接在脚掌上的机器人小腿,所述脚掌包括脚趾、足弓本体和脚底板,所述脚趾通过被动关节连接于所述足弓本体上,所述足弓本体包括有足弓上部、足弓内部运动块、足弓下部,所述足弓上部和足弓内部运动块之间以及足弓内部运动块和足弓下部之间设有柔性垫块,所述足弓上部铰接于脚底板上,所述足弓下部固定于脚底板上。本发明结构紧凑,行走时能够缓冲脚触地阶段产生的冲击,脚离地时产生较大的推力,且能在复杂的地面上行走。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域,具体涉及一种类人机器人脚。
背景技术
机器人是近年来发展起来的一个多学科和技术相交叉结合的应用领域,而类人机器人目前已成为机器人领域的研究热点问题之一。类人机器人技术汇集了当今世界在机电、材料、计算机、传感器、控制技术、人工智能、仿生科学、思维科学、心理学以及理论语言学等多个学科领域的尖端技术。目前各种移动方式的机器人层出不穷,如轮式机器人、履带式等机器人。
但类人机器人具有更高的灵活性和独特的优势,对步行环境要求很低,能适应各种地面且具有较高的逾越障碍能力,通过研制步行机制,可以为医疗康复机构提供一套能够服务于伤残病人(下肢瘫痪和截肢者)的类人行走机构。
国内外对类人机器人的研究已经如火如荼,如日本研制的ASIMO机器人、韩国研制的HUBO机器人,中国的研制的“汇童”机器人等,但目前各研究机构公布的类人机器人大多数设计的脚掌都没有脚趾关节,没有人脚特有的足弓结构,所以机器人行走时不能像人类一样利用足弓的变化减小脚着地时的冲撞和脚离地时产生推力,不能像人类那样可以在复杂的地面行走。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种结构紧凑,行走时能够缓冲脚触地阶段产生的冲击,脚离地时产生较大的推力,且能在复杂的地面上行走的类人机器人脚。
(二)技术方案
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
一种类人机器人脚,具有类人的脚掌和通过踝关节连接在脚掌上的机器人小腿,所述脚掌包括脚趾、足弓本体和脚底板,所述脚趾通过被动关节连接于所述足弓本体上,所述足弓本体包括有足弓上部、足弓内部运动块、足弓下部,所述足弓上部和足弓内部运动块之间以及足弓内部运动块和足弓下部之间设有柔性垫块,所述足弓上部铰接于脚底板上,所述足弓下部固定于脚底板上。
所述足弓内部运动块内设有柔性体。
所述脚趾包括通过铰链连接的前脚趾关节和后脚趾关节,所述前脚趾关节和后脚趾关节顶面上还连接有弹簧致使所述前脚趾关节和后脚趾关节在不运动时处于水平位置。
所述脚底板从上至下依次设有第一金属层、柔性材料层、第二金属层,所述脚底板内部设有六维力/力矩传感器。
所述脚底板的第一金属层上部设有关节连接部,所述关节连接部通过三自由度踝关节连接于机器人小腿上,所述三自由度裸关节由三个伺服电机通过同步带连接谐波减速器从而驱动关节运动,分别实现沿水平方向的偏航运动、竖直方向的升降运动和沿水平线的滚动,其中竖直方向的升降运动和沿水平线的滚动通过中间连接块联动的运动实现。
所述脚趾有4组。
(三)有益效果
本发明相比较于现有技术,具有如下有益效果:本发明的脚掌上有四个被动连接的脚趾,可以实现像人一样行走时脚趾离地、脚跟触地的动作,每个脚趾有两部分,由弹簧拉紧处于水平位置,受向上的力时脚趾可以向上凸起,可以适应复杂地面的行走,尤其是设计了类人脚的足弓,在脚离地阶段,通过足弓内部运动块与安装于足弓下侧的柔性垫块接触及位于足弓内部运动块内部的柔性体的弹性变形,产生推力,帮助行走,在脚着地阶段,通过足弓内部运动块与安装于足弓上侧的柔性垫块的接触及位于足弓内部运动块内部的柔性体的弹性变形,缓冲地面的冲击,同时脚底安装六维力/力矩传感器,实现了地面对脚反作用力的实时检测,踝关节通过三个伺服电机驱动,实现了像人类脚踝一样的三自由度运动,整个机构结构紧凑,运动时能量消耗较小,提高了行走的稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例的类人机器人脚的立体结构示意图。
图2为本发明实施例的类人机器人脚的脚掌结构示意图。
图3为本发明实施例的类人机器人脚的脚底板结构示意图。
图4为本发明实施例的类人机器人脚的脚趾结构示意图。
图5为本发明实施例的类人机器人脚的机器人小腿结构示意图。
图6a为本发明实施例的类人机器人脚的初始站立状态图。
图6b为本发明实施例的类人机器人脚的脚掌离地阶段状态图。
图6c为本发明实施例的类人机器人脚的脚掌着地阶段状态图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
如图1至图5所示的,一种类人机器人脚,具有类人的脚掌6和通过踝关节连接在脚掌6上的机器人小腿7,所述脚掌6包括脚趾1、足弓本体2和脚底板10,所述脚趾1通过被动关节连接于所述足弓本体2上,所述足弓本体2包括有足弓上部2-1、足弓内部运动块2-3、足弓下部2-2,所述足弓上部2-1和足弓内部运动块2-3之间以及足弓内部运动块2-3和足弓下部2-2之间设有柔性垫块2-4,所述足弓上部2-1铰接于脚底板10上,所述足弓下部2-2固定于脚底板10上。所述足弓内部运动块2-3内设有柔性体2-5。
当机器人运动时,在脚离地阶段,通过足弓内部运动块2-3与位于足弓下侧的柔性垫块2-4接触以及位于足弓内部运动块内部的柔性体2-5的弹性变形,产生推力,如图图6b所示;在脚触地阶段,通过足弓内部运动块2-3与位于足弓上侧的柔性材料接触2-4及位于足弓内部运动块内部的柔性体2-5的弹性变形,缓冲地面对脚的冲击,如图6c所示。脚底板10内部装有六维力/力矩传感器11,实时检测地面对机器人反作用力,进行控制。
所述脚趾1包括通过铰链连接的前脚趾关节1-1和后脚趾关节1-2,所述前脚趾关节1-1和后脚趾关节1-2顶面上还连接有弹簧3致使所述前脚趾关节1-1和后脚趾关节1-2在不运动时处于水平位置。当脚踩在水平地面上时,脚趾1的两关节在弹簧3的牵引下处于同一平面,与地面重合,如图6a所示;当脚踩在有小块凸起的地面上时,脚趾1会向上凸起,提高了行走的稳定性。
所述脚底板10从上至下依次设有第一金属层10-1、柔性材料层10-2、第二金属层10-3,所述脚底板10内部设有六维力/力矩传感器11。
所述脚底板10的第一金属层10-1上部设有关节连接部12,所述关节连接部12通过三自由度踝关节连接于机器人小腿7上,所述三自由度裸关节由三个伺服电机通过同步带连接谐波减速器从而驱动关节运动,分别实现沿水平方向的偏航运动、竖直方向的升降运动和沿水平线的滚动,其中竖直方向的升降运动和沿水平线的滚动通过中间连接块9联动的运动实现。所述脚趾1有4组。
本发明的机器人脚的踝关节有三个自由度,可以像人脚踝关节一样分别实现沿水平方向的偏航运动、竖直方向的升降运动和沿水平线的滚动。其中,电机4-1通过驱动皮带轮8-1及谐波减速器5-1,实现机器人的脚掌6沿水平方向的偏航运动,电机4-2通过驱动皮带轮8-2及谐波减速器5-2,实现机器人的脚掌6在竖直方向的升降运动,电机4-3通过驱动皮带轮8-3及谐波减速器5-3,实现机器人的脚掌6沿水平线的滚动。谐波减速器5-2和5-3通过中间连接块9,带动机器人脚实现竖直方向的升降运动和沿水平线的滚动,谐波减速器5-1与脚掌6直接连接,实现沿水平方向的偏航运动。
机器人的移动过程:如图6a表示机器人的初始站立状态,机器人的脚掌6与地面完全接触;如图6b表示机器人的脚掌6的离地阶段,电机4-2通过皮带轮8-2及谐波减速器5-2使机器人脚掌竖直抬起,脚底板10离地,此时仅有脚趾1触地,其中足弓内部运动块2-3与位于足弓下侧的柔性垫块2-4接触,并且通过足弓内部运动块内的柔性体2-5的弹性变形,产生推力,帮助机器人行走;如图6c表示机器人的脚掌6的着地阶段,通过足弓内部运动块2-3与位于足弓上侧的柔性垫块2-4接触,挤压足弓内部运动块2-3内的柔性体2-5,通过柔性体的弹性变形,缓冲了地面对脚掌的冲击,并且通过安装于脚底板10的六维力/力矩传感器11的实时检测,得到地面对机器人的反作用力,及时的调整机器人的行走速度及步幅等。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种类人机器人脚,具有类人的脚掌和通过踝关节连接在脚掌上的机器人小腿,其特征在于:所述脚掌包括脚趾、足弓本体和脚底板,所述脚趾通过被动关节连接于所述足弓本体上,所述足弓本体包括有足弓上部、足弓内部运动块、足弓下部,所述足弓上部和足弓内部运动块之间以及足弓内部运动块和足弓下部之间设有柔性垫块,所述足弓上部铰接于脚底板上,所述足弓下部固定于脚底板上。
2.根据权利要求1所述的类人机器人脚,其特征在于:所述足弓内部运动块内设有柔性体。
3.根据权利要求1或2所述的类人机器人脚,其特征在于:所述脚趾包括通过铰链连接的前脚趾关节和后脚趾关节,所述前脚趾关节和后脚趾关节顶面上还连接有弹簧致使所述前脚趾关节和后脚趾关节在不运动时处于水平位置。
4.根据权利要求3所述的类人机器人脚,其特征在于:所述脚底板从上至下依次设有第一金属层、柔性材料层、第二金属层,所述脚底板内部设有六维力/力矩传感器。
5.根据权利要求3所述的一种类人机器人脚,其特征在于:所述脚底板的第一金属层上部设有关节连接部,所述关节连接部通过三自由度踝关节连接于机器人小腿上,所述三自由度裸关节由三个伺服电机通过同步带连接谐波减速器从而驱动关节运动,分别实现沿水平方向的偏航运动、竖直方向的升降运动和沿水平线的滚动,其中竖直方向的升降运动和沿水平线的滚动通过中间连接块联动的运动实现。
6.根据权利要求3所述的类人机器人脚,其特征在于:所述脚趾有4组。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140521 |