CN114506401A - 一种长度可变的仿人机器人减振足及仿人机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长度可变的仿人机器人减振足及仿人机器人，减振足包括足前端、足后端和减振装置；减振装置包括橡胶块、底板、存储仓、用于固定存储仓的翘板、连接在存储仓顶部的盖板；底板、翘板均为向上弯曲的弧形结构，橡胶块设置在底板与存储仓之间；足前端的前部向上弯曲，中部设有第一排孔，足前端前部的底面依次设有第一传感器、第一减振层和防滑层；足后端前部设有第二排孔，足后端的后部与减振装置连接。本发明能够实现机器人足长在一定范围的变换，从而帮助确定不同机器人稳定行走所需的足长极限值，能够承受控制误差和不平整地面产生的足底振动，解决了当前机器人足不能调节长度，在不平整地面以仿人步态行走时的振动、足底打滑问题。

Description

一种长度可变的仿人机器人减振足及仿人机器人

技术领域

本发明属于智能机器人结构设计领域，具体涉及一种长度可变的仿人机器人减振足及仿人机器人的结构设计。

背景技术

仿人机器人是指具有与人相似的关节结构特征、能够替代人完成肢体操作的机器人。仿人机器人当前的一个重要发展方向是在不平整地面实现稳定、快速、持久的运动。而实现该运动需要机器人具备仿人步态行走的功能。“仿人步态”是指像人正常走路一样，先足跟着地，再足尖着地，离地时先足跟离地，再足尖离地。这种步态的优势是可以增加步幅，同时离地时能获得向前的推动力，所以行走更加省力，速度更快。

在以仿人步态行走时，机器人的足后跟首先和地面接触，当步态规划或者机械传动***出现误差，足后跟会撞击地面，产生大的振动，因此适应仿人步态需要在足后跟设置合适的减振装置；在离地时，足尖和地面需要有大的摩擦力，一是为了防滑，二是为了让足尖可以以更大的力来向后下方压地面，从而获得地面向前上方大的反作用力。在反作用力推动下，机器人以更少的能量提升重心。

目前仿人机器人在国内的研究集中在为数不多的几个科研单位，而关于仿人机器人足部结构的设计目前有一些构型报道，但总量偏少，在仿人步态的适应性设计上缺乏简洁的单自由度减振装置，以及符合足尖大摩擦要求的构型。

在同类研究中，专利CN 111267992 A提出一种具有快速减震和路面适应能力的足底结构，通过固定于脚下的四个圆拱形减震元件来改善仿人机器人的缓冲能力，但是该发明没有对机器人以拟人步态运动时的足跟冲击问题进行针对性设计，也不能解决足跟冲击时的大加速度问题。专利CN 105835986 A中设计了一种可变刚度的双足机器人足部***，通过足底的硅胶气垫，以及气垫中贯通的多个气室来控制足底中间层的刚度。该设计没有考虑到拟人步态对足底各部位不同的刚度需求，且充放气速度尚不能满足机器人快速行走时的步态调整需求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，考虑了拟人步态造成的足跟冲击和各部位的冲击力差异，结合机器人踝足***研制实践，突出足后跟的减振及足尖的起步助力的功能，设计提供一种长度可变的仿人机器人减振足及仿人机器人，该仿人机器人减振足能适应仿人步态，帮助实现仿人机器人在不平整地面高效率的行走，同时为分析足稳定行走的极限长度提供实验样机。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种长度可变的仿人机器人减振足，包括足前端、足后端和减振装置；所述减振装置包括橡胶块、底板、存储仓、用于固定存储仓的翘板、连接在存储仓顶部的盖板；所述底板、翘板均为向上弯曲的弧形结构，所述橡胶块设置在底板与存储仓之间；所述足前端的前部向上弯曲，中部设有第一排孔，所述足前端前部的底面从上至下依次设有第一传感器、第一减振层和防滑层；所述足后端前部设有第二排孔，第一排孔与第二排孔的孔用于足前端与足后端的组装；所述足后端中部上方设有与机器人踝部连接的结构，所述足后端的后部与减振装置连接，其中底板与足后端的后部活动连接，翘板与足后端的后部固定连接。

在一优选实施例中，所述足前端后部底面也设有减振层。

在一优选实施例中，所述足前端前部向上弯曲与中部水平过渡区域的底面设有第二减振层，第二减振层的宽度设置为梯度递减的形式，第二减振层轮廓为二次抛物线形，且抛物线的起拱朝向为足前端前部，沿中轴线对称分布。

在一优选实施例中，所述存储仓的顶端设置有第二传感器，第二传感器为感知压力的膜片，放置于存储仓内腔顶面的中心位置。

在一优选实施例中，所述橡胶块的厚度设置为存储仓平均厚度的1.8~2.2倍，上表面和第二传感器膜片贴合，下表面和底板的上弧面贴合。

在一优选实施例中，所述底板通过铰链与足后端的后部连接。

在一优选实施例中，所述足后端的后部两侧均与一减振装置连接，左右对称分布。

在一优选实施例中，所述底板的底面粗糙度不小于32μm。

在一优选实施例中，所述存储仓外部设有加强筋。

本发明还提供一种具有前述减振足的仿人机器人，包括躯干骨架、腰部、右腿、左腿；腰部通过腰部旋转平台连接躯干骨架，腰部的左右两侧分别通过双自由度髋关节连接左腿和右腿；左腿包括依次连接的左大腿、左小腿、左脚，右腿包括依次连接的右大腿、右小腿、右脚；左脚和右脚采用前述减振足。

在一优选实施例中，第一传感器设置6个采样点，为2行3列式分布。

在一优选实施例中，所述第一减振层的自然厚度比足前端厚度大，但厚度不超过足前端厚度的2倍，第一减振层通过热塑性胶水粘接，粘接厚度不大于1mm。

在一优选实施例中，在减振装置的尾部设置有橡胶块的限位装置。

在一优选实施例中，所述第一排孔设置4行2列8个通孔，通孔直径不小于4.2mm，并且比第二排孔对应的螺纹孔直径大0.2mm~0.5mm。

在一优选实施例中，后端的第二排孔区设置两列4行2列8个螺纹孔，孔的横向、纵向间距与第一排孔阵列的相同，两者配合使用。

在一优选实施例中，对足后端非承力部位进行镂空设计，以减少结构的重量。

本发明的有益效果是：本发明能够实现机器人足长在一定范围的变换，从而帮助确定不同机器人稳定行走所需的足长极限值。能够承受控制误差和不平整地面产生的足底减振，储存的能量可通过减振橡胶块的硬度调节。能够用较少的传感器感知足在仿人步态下触地的不同阶段，能够在足离地时稳定的抓地不打滑。解决了当前机器人足不能调节长度，在不平整地面以仿人步态行走时的振动、足底打滑等问题。

附图说明

图1为本发明一示例性的仿人机器人减振足装配图；

图2为本发明一示例性的足前端结构示意图；

图3为本发明一示例性的足前端局部结构示意图；

图4为本发明一示例性的足后端结构示意图；

图5为本发明一示例性的减振装置结构示意图；

图6为本发明一示例性的减振装置纵向剖切图；

图7为本发明一示例性的防滑层纹路设计示意图；

图8为本发明一示例性的第一传感器采样点分布图；

图中，足前端1、弧形区11、抛物线型区12、第一排孔区13、工字型区14；足后端2、第二排孔区21、踝连接孔22、足后跟连接区23、铰链24、翘板25、存储仓26、第一尾部连接桩27、第二尾部连接桩28、加强筋29；底板3、第三尾部连接桩31、第四尾部连接桩32；盖板4；橡胶块5；第一传感器61、第二传感器62、第一传感器的采样点611；第一减振层71、第二减振层72、第三减振层73；防滑层8、防滑层纹路81。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。

在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离

本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

本发明提供了一种长度可变的仿人机器人减振足，如图1-4所示，包括足前端1、足后端2和减振装置。所述减振装置包括橡胶块5、底板3、存储仓26、用于固定存储仓26的翘板25、连接在存储仓顶部的盖板4；所述底板3、翘板25均为向上弯曲的弧形结构，所述橡胶块5设置在底板3与存储仓26之间；所述足前端1的前部向上弯曲，中部设有第一排孔，所述足前端1前部的底面依次设有第一传感器61、第一减振层71和防滑层8；所述足后端前部设有第二排孔，第一排孔与第二排孔的孔用于足前端1与足后端2的组装，通过调整第一排孔与第二排孔用于连接的孔的位置，即可调节组装后仿人机器人减振足的长度，实现机器人足长在一定范围的变换，从而帮助确定不同机器人稳定行走所需的足长极限值，可以适应不同地面环境。组装后足前端1和足后端2通过一组或两组接触面接触，第一组为足前端1前部向上弯曲区域的后竖直面和足后端2的前竖直面，当第一排孔与第二排孔连接的孔设置在最前端时接触，第二组为足前端1第一排孔的上表面和足后端2第二排孔的下表面。所述足后端2的后部与减振装置连接，其中底板3与足后端的后部活动连接，翘板25与足后端的后部固定连接，当仿人机器人减振足着地时，位于最后端的减振装置首先着地，即底板3首先着地，底板3与足后端的后部活动连接，着地后向上活动促使橡胶块5向上运动，在存储仓26的限位作用下压缩实现减振。

其中，所述第一排孔设置4行2列8个通孔，第二排孔设置两列4行2列8个螺纹孔，孔的横向、纵向间距与第一排孔阵列相同，两者配合使用。通孔直径不小于4.2mm，并且比第二排孔对应的螺纹孔直径大0.2mm~0.5mm。

作为一优选实施方案，所述仿人机器人减振足为中间设有孔洞、通过横梁连接左右两侧纵梁的左右对称结构，将力分散到边缘。如图2-3所示，所述足前端1分为三个区域，前部向上弯曲的区域为弧形区11，中部设有第一排孔的为第一排孔区13、后部为工字型区14，其中包含两根横梁，分别设置于弧形区11和工字型区14，工字型区14形似工字型。所述弧形区11为仿人足前端结构，示例性地，弧形区11的曲率半径为该区总厚度的6~9倍，弧度为15~20度。前端弧形区11的曲率半径以及弧度设置在上述范围，可以使得机器人在以拟人步态运动时，脚尖能够自然的离地，而不会出现因为结构设置不合理而出现的抬脚过早、过晚的控制缺陷。所述足前端1前部（弧形区11）的底面从上至下依次设置的第一传感器61、第一减振层71和防滑层8，其形状均与足前端1前部的底面相同，实现各自功能。进一步地，弧形区11与中部的第一排孔区13连接的过渡区域（抛物线型区12）底面设有第二减振层72，如图2- 3所示，该第二减振层72的厚度与第一传感器61、第一减振层71和防滑层8的总厚度相同，轮廓为抛物线形，且抛物线的起拱朝向为足前端前部，即宽度设置为连续变化的抛物线型形状，宽度向前递减，使得结构在脚尖着地的过程中，第二减振层72的减振能力从强到弱，逐渐过渡。该结构可以实现机器人在踮脚时，脚前端底部的缓冲能力能从强到弱柔性过渡，而不会出现突变，具体来说，从脚跟着地的“勾脚”到脚尖着地的“踮脚”过程中，有一个脚尖冲击地面的环节，该环节下的冲击能量可以通过抛物线形减振层根部较大的宽度来吸收，在“踮脚”动作的后期，由于没有与地面的直接撞击，需要的缓冲功能减少，同时可以提高脚尖的“抓地力”以及高刚度带来的控制稳定性。

所述工字型区14下部分为盲槽，盲槽轮廓为“工”字型，“工”字型靠近前端的表面平直，靠近后端的表面为圆弧面，在“工”字型盲槽的下方设置轮廓与其相同且厚度更厚的第三减振层73，其形状与工字型区14形状贴合，即第三减振层73的构型为工字型，前部平整，其最后端为带弧度的半圆，即宽度设置为连续变化的半圆状，宽度向后递减，使得足前端1的工字型区14在与地面接触时，第三减振层73的吸能能力逐渐增强，从而使得加速度连续变化，增加机器人运动的平稳性。

工字型区14上表面与第一排孔区13平齐，位于工字型区14的横梁的宽度不低于60mm，在横梁与纵梁接头处设置圆角，圆角半径不小于5mm。

另外，如图1所示，足前端1的尾部不宜与足后端2的后部（足后跟连接区23）接触，与足后跟连接区23的前部的距离不小于20mm，确保工字型区14在足前端1撞击地面时有较大的吸能。

另外，作为优选方案，第一减振层71、第三减振层73可以选用高密度的海绵材料，第二减振层72选用硅胶材料，第一减振层71厚度为该区足板厚的1~1.5倍。在没有负载条件下，第一减振层71要比该区足板厚，但是过厚容易造成在最大负载时减振层仍然凸出来，影响机器人的步态控制。

弧形区11足板的厚度与第一排孔区13厚度相同，使足前端1受力均匀，不存在因为厚度突变而出现应力集中的现象。

如图3所示，第一传感器61、第一减振层71和防滑层8以及第二减振层72、第三减振层73均是通过凹槽嵌入足板中，其中弧形区11和抛物型区12的凹槽的最小间距不得低于3mm，保证在减振层受挤压时不会出现局部拉裂。

另外，弧形区11的厚度优选为与第一排孔区13的厚度相同。如图3所示，第一排孔区13的上下表面为平面，第一排孔区13长度不低于弧形区11长度的2倍，保证有足够的足部长度调节空间，从而帮助足部适用应不同的环境，完成稳定性测试。

作为另一优选方案，第一排孔和第二排孔的孔直径与孔心间距比值均不低于1.5，相邻孔间距不小于3mm。孔的直径与孔心间距的比例设置，可以保证在通过螺钉连接后，接头安全可靠，不会因为间距小而被拉裂。

另外，所述足后端中部上方设有与机器人踝部连接的结构，示例性地，如图4所示，在足后端2的上部设置连接孔22，来连接位于足上面的机器人踝部，连接孔位置沿长度方向距离足后端2的前端面为2/5~1/2后端长度，使得踝驱动电机能够快速地调整足部的俯仰角，并且有足够的力矩满足机器人“勾脚”、“踮脚”等姿态保持的要求。

如图4所示，底板3通过铰链24实现与足后端2的活动连接，四个铰链24左右各两个，对称分布，最左侧铰链的左端面与最右侧铰链右端面的距离为足后端2后部的宽度的3/4，该布局能保证脚后跟在受到沿脚长度方向的转矩时，铰链24不会扭曲变形，也不会因为沿竖直方向的转矩而出现局部撕裂。

进一步地，如图4所示，对足后端2非承力部位进行镂空设计，以减少结构的重量，同时能将摩擦力分配到距离踝部较远的边缘位置，从而增加摩擦力矩。进一步地，足后端2前部拐角处设置大的倒圆圆角，保证排孔区在对沿竖直方向的转动有较大的阻抗力矩的同时能减少该区的重量。

高弹性的橡胶5在压缩时形状发生改变但是体积不变，因此需要足够的空间来容纳橡胶，否则会增加橡胶刚度，使得足后跟的缓冲效果降低。因此，作为另一优选方案，如图5-图6所示，橡胶块5的宽度为存储仓26内部空间宽度的0.4~0.6倍，长度两者相同，保证橡胶5压缩后有足够的空间存放。同时，橡胶块5的厚度为存储仓26平均厚度的1.8~2.2倍，使得橡胶块在冲击时有合适的行程，从而能调节最大冲击加速度。

进一步地，为了防止橡胶块5脱落，可以设置橡胶块5的限位装置，示例性地，如图5所示，在翘板25和底板3的后部设置尾部连接桩（27、28、31、32），尾部连接桩上设置柔性绳来限定橡胶块5的脱落。其中，尾部连接桩可以为小直径的螺钉，一般可选用M1.5；柔性绳直径不低于0.5mm，且最长长度不能超过橡胶块在无压缩时的最大厚度，在长度确定后系“死结”来固定位置。采用“连接桩+柔性绳”的限位方法在实现限位功能的同时，还可以保证不会引起足后跟底板的局部突起。

如图5所示，存储仓26的外表面设置加强筋29，宽度为存储仓26的1/3。进一步增大存储仓26的刚度，使得在足后跟触地冲击，橡胶块5承受大的压缩力时，存储仓26不会因为刚度不够而破裂。

如图5所示，翘板25和底板3的弧度和厚度均相同，厚度不低于3mm，保证橡胶块5压缩到足够小时，翘板25和底板3能够贴合，从而防止局部应力集中，保护两板不会出现塑性变形。

如图6所示，底板3的下表面进行滚花处理，表面粗糙度不小于32μm，进一步增加足后跟的抓地能力，在摩擦力不大的地面也能帮助机器人稳定地行走，而不会出现脚底打滑。

进一步地，橡胶太软吸能少，太大则增加冲击加速度，为了在机器人在触地冲击时将橡胶的缓冲效果发挥到最大，后端的橡胶块5硬度根据机器人的重量调节，对于80kg的机器人，选用硬度为40~45的橡胶。

如图6所示，所述存储仓26的顶端设置有第二传感器62，可以实时获取存储仓里橡胶块的压力并以此判断脚后跟的触地情况。采用热塑性的液体胶将第二传感器62与盖板4、橡胶块5粘接，使得接头连接牢靠，在受到大的剪切力时不会出现连接失效。同时，盖板4通过螺钉与存储仓26在其上端固定连接，螺纹孔设置在存储仓侧面上端，每边3个，左右对称分布，侧边的间距不大于10mm且不低于落空直径的1.5倍。这样的设置能保证在受到大的足跟冲击时，连接螺纹不会失效。

如图7所示，防滑层8的厚度为弧形区11厚度的2/5~3/5，设置30度的防滑纹81，纹深度为防滑层厚度的1/3~1/4，使得机器人在按常规的拟人步态行走时，脚底面与地面有较大的静摩擦力及抵抗变形的力矩，增加机器人的控制稳定性。

如图8所示，第一传感器61为分布式传感器，设置6个采样点611，为3行2列式分布，采样点的两列中心线距离为弧形区11宽度的2/3，左右对称分布，使得能及时感知并准确判断脚的实时姿态变化，从而为控制算法的使用提供时间点参考。

本发明的工作原理具体为：仿人机器人以仿人步态行走时需要有良好减振的足后跟，及大摩擦力的足尖。通常在足后跟设置高弹性材料层来实现减振，但是高弹性材料如果太薄会导致减振行程小，减少减振效果；如果太厚又导致实际着地位置与设计的偏差大。本发明通过在足后跟上端设计存储仓26，来在足撞击地面时收纳被压缩的橡胶块5，从而可以提高高弹性材料的初始厚度。并通过铰链设计，将减振装置的自由度限制为单自由度，从而减少控制误差。

本发明的特点在于：将足拆分为两部分，通过排孔装置实现了机器人的足长可变；通过在足板后跟上端设置存储仓26，实现了足的单自由度大行程减振；在足中部的减振装置来实现足跟着地后足翻转的小幅度振动，足前端的大防滑层，用来实现足间离地时的大抓地力。这些以功能为导向的创新性设计使得足能满足仿人机器人以仿人步态快速、节能运动的要求。

与前述长度可变的仿人机器人减振足的实施例相对应，本发明还提供了基于前述长度可变的仿人机器人减振足的仿人机器人的实施例。所述仿人机器人包括躯干骨架、腰部、右腿、左腿；腰部通过腰部旋转平台连接躯干骨架，腰部的左右两侧分别通过双自由度髋关节连接左腿和右腿；左腿包括依次连接的左大腿、左小腿、左脚，右腿包括依次连接的右大腿、右小腿、右脚；左脚和右脚采用前述长度可变的仿人机器人减振足。

上述仿人机器人减振足中各个组成部件的功能和作用的实现过程具体详见前述长度可变的仿人机器人减振足实施例的实现过程，在此不再赘述。

对于仿人机器人实施例而言，由于其除左脚和右脚外均可采用常规的仿人机器人，所以相关之处参见现有技术说明即可，在此不再赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化或变动。这里无需也无法把所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种长度可变的仿人机器人减振足，其特征在于：包括足前端、足后端和减振装置；所述减振装置包括橡胶块、底板、存储仓、用于固定存储仓的翘板、连接在存储仓顶部的盖板；所述底板、翘板均为向上弯曲的弧形结构，所述橡胶块设置在底板与存储仓之间；所述足前端的前部向上弯曲，中部设有第一排孔，所述足前端前部的底面依次设有第一传感器、第一减振层和防滑层；所述足后端前部设有第二排孔，第一排孔与第二排孔的孔用于足前端与足后端的组装；所述足后端中部上方设有与机器人踝部连接的结构，所述足后端的后部与减振装置连接，其中底板与足后端的后部活动连接，翘板与足后端的后部固定连接。

2.如权利要求1所述的仿人机器人减振足，其特征在于，所述足前端后部底面也设有减振层。

3.如权利要求1所述的仿人机器人减振足，其特征在于，将所述橡胶块的厚度设置为存储仓平均厚度的1.8~2.2倍。

4.如权利要求1所述的仿人机器人减振足，其特征在于，所述足前端前部向上弯曲与中部水平过渡区域的底面设有第二减振层，第二减振层的轮廓为抛物线形，且抛物线的起拱朝向为足前端前部，沿中轴线对称分布。

5.如权利要求1所述的仿人机器人减振足，其特征在于，所述存储仓的顶端设置有第二传感器。

6.如权利要求1所述的仿人机器人减振足，其特征在于，所述底板通过铰链与足后端的后部连接。

7.如权利要求1所述的仿人机器人减振足，其特征在于，所述足后端的后部两侧均与一减振装置连接。

8.如权利要求1所述的仿人机器人减振足，其特征在于，所述底板的底面粗糙度不小于32μm。

9.如权利要求1所述的仿人机器人减振足，其特征在于，所述存储仓外部设有加强筋。

10.一种具有权利要求1-9任一项所述减振足的仿人机器人，其特征在于，包括躯干骨架、腰部、右腿、左腿；腰部通过腰部旋转平台连接躯干骨架，腰部的左右两侧分别通过双自由度髋关节连接左腿和右腿；左腿包括依次连接的左大腿、左小腿、左脚，右腿包括依次连接的右大腿、右小腿、右脚；左脚和右脚采用权利要求1-9任一项所述减振足。

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