CN114852212B - 一种仿人机器人足部缓冲装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿人机器人足部缓冲装置，趾跖关节部件的上部可转动连接足背板簧的一端；趾跖关节部件可转动连接跖骨连杆的一端；舟骨块固定连接足背板簧的另一端，舟骨块可转动连接跖骨连杆的另一端；足背板簧平行设置在跖骨连杆的上部；跟骨部件与舟骨块之间通过两组跟骨连杆可转动连接；足弓弹簧阻尼器两端分别与跟骨部件和跖骨连杆铰接。本装置仿照人足部的生理构造，具有弓形结构；设有足弓弹簧阻尼器以及足背板簧，利用足部联动关系以及两弹簧的张力作用，产生缓冲效果；并为足部着地提供三种不同的刚度状态，提高能量效率以及适应复杂地形。

Description

一种仿人机器人足部缓冲装置

技术领域

本发明涉及双足仿人机器人技术领域，具体提出了一种仿人机器人的足部缓冲装置。

背景技术

双足机器人行走过程中，足部难以避免会受到冲击，过大的冲击力可能严重影响机器人的行走稳定性，因此进行机器人足部的缓冲减震就十分重要。现有的仿人机器人足部缓冲装置，大多是利用弹簧阻尼器进行冲击能量的吸收，如对机器人的踝关节设置弹簧、利用连杆机构使机器人的足部轴向缓冲、足跟与前脚掌分别设置弹簧等。

发明专利CN 114148428 A公布了一种多功能减震仿生脚，该装置主体具有仿生足距、仿生足跟以及仿生足跖等部分，仿生足距与仿生足跖之间由板簧所连接，同时足跟部具有波形弹簧，足部具有一定的缓冲减震能力。但该装置缺乏相应的灵活性，与地面的接触为大平面接触，并且不具备类似真人足部的骨骼韧带联动特点。

发明专利CN 102556202 A公布了一种基于四杆机构的足部缓冲装置，该装置主要利用直线压簧以及四杆张力机构提供弹性被动力，当足部触地时，四杆机构被压缩，相应的位于四杆机构的弹簧被拉伸，产生张力，存储一定的能量，一定程度上减缓冲击力。但该机构与地面仅为点接触，不利于机器人的稳定性，并且四杆菱形机构所占的空间过大，使得腿部结构不够紧凑，弹簧数量多，无法实现足部触地多种支撑刚度的需求。

发明专利CN 111959634 A公布了一种仿生足部减震装置，该装置前后均布置有弹簧阻尼器，当前脚掌或后脚掌着地时，冲击力会被弹簧阻尼器所吸收。但对于该装置来说，运动形式过于简单，足部的运动仅仅为绕一铰链转动，当足部受轴向力时无法提供相应的柔性缓冲，并且该装置缺乏变刚度的特性。

上述这些方式均能够起到一定的缓冲作用，但仍存在一些不足之处：1、足部的联动关系不充分，无法与真人生理结构相媲美；2、足部的结构不够紧凑，装配在机器人过于笨重；3、无法适应崎岖地形，以及各种复杂地形。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了一种仿人机器人的足部缓冲装置，通过仿照人足部的生理结构，利用足部的联动关系产生缓冲效果，通过合理的布置弹簧机构，使得装置更加紧凑，且装置与地面具有多种接触刚度，良好适应复杂地形。

本发明所采用的技术方案如下：

一种仿人机器人的足部缓冲装置，包括：

趾跖关节部件，所述趾跖关节部件的上部可转动连接足背板簧的一端；所述趾跖关节部件可转动连接跖骨连杆的一端；

舟骨块，所述舟骨块固定连接足背板簧的另一端，舟骨块可转动连接跖骨连杆的另一端；所述足背板簧平行设置在跖骨连杆的上部；

跟骨部件，所述跟骨部件与舟骨块之间通过两组跟骨连杆可转动连接；足弓弹簧阻尼器的两端分别与所述跟骨部件、跖骨连杆铰接。

进一步，所述足背板簧是由板簧以及包覆在板簧上、下两侧的橡胶构成；在板簧的表面设置应变片。

进一步，舟骨块包括舟骨块主体，舟骨块主体上设置三组舟骨轴承座，每一组舟骨轴承座内可转动装有芯轴、舟骨轴承，跖骨连杆或跟骨连杆的连接端固定套装在芯轴外；舟骨轴承座通过内部的孔肩与外部的顶盖对舟骨轴承的外圈进行轴向限位形成固定部，芯轴穿过舟骨轴承的内圈，利用紧固件将挡板、舟骨轴承内圈、跖骨连杆或跟骨连杆的连接端、芯轴相固定抵接，共同形成转动部。

进一步，趾跖关节部件包括趾跖关节块，趾跖关节块的下表面为平板状，在趾跖关节块的上方矢状面方向设置至少一个趾跖关节连接板；趾跖关节连接板通过趾跖关节轴承套装在销外；销通过外立柱、内立柱以及紧固件固定于足背板簧。

进一步，趾跖关节块的上表面设有趾跖关节轴承座，趾跖关节轴承座装有芯轴以及芯轴外部的轴承，跖骨连杆的一端套装在芯轴外。

进一步，跟骨部件包括至少两个跟骨块，跟骨块相对设置，且跟骨块之间通过三组圆柱销连接；其中，相邻两组圆柱销上套装跟骨轴承和跟骨连杆；另一组圆柱销上套装足弓弹簧阻尼器。

进一步，设置在舟骨块与跖骨连杆连接处的前足编码器；设置在跟骨部件与舟骨块连接处的后足编码器；所述前足编码器、后足编码器的转子分别与其安装处的挡板连接。

进一步，在足背板簧与外立柱、内立柱连接处，分别在足背板簧的上、下两面分别铺放前足压板，在与舟骨块主体连接处铺放中足压板。

进一步，在趾跖关节块上安装前脚掌触发开关，在跟骨块的底部固定连接开关支架，开关支架上装有后脚掌触发开关。

进一步，当足跟着地时，由足弓弹簧阻尼器以及足背板簧串联提供刚度；全脚掌着地时，足弓弹簧阻尼器以及足背板簧并联提供刚度；前脚掌着地时，仅由足背板簧提供刚度。

本发明的有益效果：

本发明主要是针对双足机器人行走过程中的足部触地缓冲问题，仿照人体足部骨骼与韧带的生理结构。装置中舟骨块对应了人足部的舟骨、楔骨、距骨结构；趾跖关节部件对应了人跖骨、趾跖关节的结构；跟骨部件对应了人跟骨结构；足弓弹簧阻尼器对应了人足底筋膜。本发明仿人机器人前足、中足、后足的结构的布置，使得弹簧在不同的触地阶段能够产生不同的连接关系，发挥不同的作用，进而利用不同触地状态下的弹簧连接情况，产生三种不同的接触刚度具备类似人行走过程中的足部变刚度特性，提高机器人足部的仿生程度，提高能量效率以及提高环境适应能力。

本发明通过设计具有柔性减震、变刚度接触等功能的仿生触地缓冲装置，提高机器人对于复杂环境的适应能力以及稳定性。不同于现有的仿人机器人足部缓冲装置，本发明通过对各个部件之间的联动关系以及合理的弹簧布置设计，实现足部的仿生缓冲以及变刚度特性，同时对于行走过程中的不同着地状态，提供三种触地刚度，适应步态过程中的不同被动力需求。

足部结构紧凑，复杂环境适应性强，充分仿照人类足部的生理结构，具有前足、中足、后足三个部分，能够适应凹凸崎岖地面，装置中的弹簧以及连杆均以人足部的韧带骨骼进行布置；前足与后足铰接在中足上，前足具有板簧结构，同时前足与后足之间连接有弹簧阻尼器；板簧为夹层结构，包裹橡胶阻尼外层，且夹层内设置应变传感器。

根据人步行过程中前后脚掌的着地时的刚度变化，装置具有足弓弹簧阻尼器以及足背板簧，能够提供三种触地刚度：足跟着地时，由足弓弹簧阻尼器以及足背板簧串联提供刚度；全脚掌着地时，足弓弹簧阻尼器以及足背板簧并联提供刚度；前脚掌着地时，仅由足背板簧提供刚度。

装置能够提供一定的支撑柔性，减小触地过程中的地面冲击，仿生的弓形结构具有较好的缓冲能力。

附图说明

图1是本发明一种仿人机器人的足部缓冲装置结构示意图；

图2是本发明一种仿人机器人的足部缓冲装置结构侧视图；

图3是图2中J1、J2处的结构剖视图；

图4是图2中J8处的铰链结构剖视图；

图5是足背板簧的夹层结构剖视图；

图6是足跟的结构示意图；

图7是图2中J4铰链结构剖视图；

图8是趾跖关节块7c三维图；

图9是舟骨块的三维图；

图10是足部缓冲装置触地变刚度原理图；

图11是基于足部缓冲装置的仿人机器人触地检测原理图；

图中，1、后足编码器，2、舟骨块，2a、挡板，2b、舟骨块主体，2c、芯轴，2d、舟骨轴承，2e、顶盖，2f、舟骨轴承座，3、前足编码器，4、中足压板，5、足背板簧，5a、应变片，5b、橡胶包层，5c、碳纤维板簧芯，6、前足压板，7、趾跖关节部件，7a、外立柱，7b、销，7c、趾跖关节块，7d、趾跖关节轴承，7e、垫片，7f、内立柱，7g、趾跖关节连接板，7h、趾跖关节轴承座，8、跖骨连杆，9、足弓弹簧阻尼器，10、跟骨部件，10a、跟骨连杆，10b、跟骨轴承，10c、外跟骨块，10d、垫片，10e、内跟骨块，10f、开关支架，10g、触发开关。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

人的足部骨骼可以分为前足、中足和后足。前足包括5个足趾骨，更具体地，足大拇指是由1根跖骨和2根趾骨组成，外侧的第2、3、4、5足趾骨均由1根跖骨和3根趾骨组成。中足是由舟状骨、内侧楔骨、外侧楔骨、中间楔骨和骰骨组成。后足是由跟骨和距骨组织组成，距骨位于跟骨之上和中足形成关节维持足弓的存在。

本发明充分参考人类足部骨骼韧带结构设计出了如图1所示的一种仿人机器人的足部缓冲装置，本装置分为前足、中足与后足三部分结构。其中：前足部分包含趾跖关节部件7、足背板簧5、跖骨连杆8；中足部分包含舟骨块2；后足部分为跟骨部件10；在跖骨连杆8以及跟骨部件10之间连接有足弓弹簧阻尼器9。

以下，分别对本装置的前足、中足与后足这三部分结构做详细说明。

中足部分是本装置的核心枢纽，包含舟骨块2；舟骨块2的结构如图9所示，舟骨块2包括舟骨块主体2b，舟骨块主体2b上设置三组舟骨轴承座2f，每一组舟骨轴承座2f是由至少2个筒状部分构成，该筒状部分内部为轴承安装孔用于安装有轴承以及芯轴2c，且设有孔阶等用于限定轴承轴向运动。具体结合附图3，本申请中每一组舟骨轴承座2f是由3个相对的环形部分组成，因此在三个环形部分之间可以装有2根芯轴2c。由于右侧的芯轴2c与左侧的芯轴2c是轴对称的，故仅以图3中右侧的芯轴2c为例进行说明；舟骨轴承座2f中间的环形部分的内圈设置环形凸起即孔肩，孔肩抵接在右侧舟骨轴承2d外圈，舟骨轴承座2f(左侧)孔口内壁处设有螺纹，通过该螺纹可以与顶盖2e螺纹连接，使得顶盖2e抵接左侧舟骨轴承2d的外圈，由此将舟骨轴承2d限定在舟骨轴承座2f上；芯轴2c穿过两舟骨轴承2d的内圈，且芯轴2c的右端设置环状凸缘，左侧通过紧固件固定有挡板2a，凸缘与挡板2a分别抵接右左两轴承，使得芯轴2c得以轴向限位，由此将芯轴2c限定在舟骨轴承2d上。同时，跖骨连杆8(或跟骨连杆10a)套装在芯轴2c上，且跖骨连杆8(或跟骨连杆10a)的环状凸缘两左右端面分别抵接在左右舟骨轴承2d内圈，由此将跖骨连杆8(或跟骨连杆10a)限定在芯轴2c上。综上，可将芯轴2c以及芯轴2c外部的舟骨轴承2d、跖骨连杆8(或跟骨连杆10a)限定在舟骨轴承座2f上，形成以跖骨连杆8、芯轴2c、舟骨轴承2d内圈、挡板2a为转动部，舟骨轴承2d外圈、舟骨轴承座2f、顶盖2e、舟骨块主体2b为固定部的相对转动结构。

从图2可以看出，舟骨块主体2b上第一组舟骨轴承座2f用于与跖骨连杆8铰接形成铰链J1，第二组舟骨轴承座2f用于与跟骨部件10的一处铰接形成铰链J2，第二组舟骨轴承座2f用于与跟骨部件10的另一处铰接形成铰链J3。分别在舟骨块2与跟骨部件10的铰接处设置后足编码器1、在舟骨块2与跖骨连杆8的铰接处设置前足编码器3；编码器通过紧固件(如螺钉)固定连接舟骨块主体2b，且编码器的转子与挡板2a连接；当前足或后足触地受压变形时，跖骨连杆8或跟骨部件10带动芯轴2c转动，芯轴2c由轴承2d固定于舟骨块2上，顶盖2e与轴承2d抵接，挡板2a被螺钉固定于芯轴2c末端共同形成转动部，随芯轴转动，具体结构如图4所示。

前足部分主要包含趾跖关节部件7、足背板簧5、跖骨连杆8；趾跖关节部件7的结构如图4和8所示，趾跖关节部件7包括趾跖关节块7c，趾跖关节块7c的下表面为平板状，在趾跖关节块7c的上部矢状面方向设置2个趾跖关节连接板7g，2个趾跖关节连接板7g相互平行；2个趾跖关节连接板7g上均开设通孔，两个通孔位于同一轴线上。在每个趾跖关节连接板7g的两侧分别设置外立柱7a和内立柱7f，且外立柱7a和内立柱7f之间通过销7b连接，销7b上套装趾跖关节轴承7d，且销7b及趾跖关节轴承7d置于趾跖关节连接板7g的通孔内，由此趾跖关节块7c可以绕销7b发生转动(形成铰链J8)。外立柱7a和内立柱7f通过紧固件与足背板簧5固定连接，具体地，外立柱7a和内立柱7f的上部开有连接用的螺纹孔，外立柱7a和内立柱7f的上部叠放足背板簧5，并用螺栓将足背板簧5的一端分别与外立柱7a和内立柱7f之间固定连接；足背板簧5的另一端也通过螺栓与舟骨块主体2b固定连接。在本申请中，可以在与立柱(外立柱7a和内立柱7f)连接处的足背板簧5的上、下两面分别铺放前足压板6，通过足前足压板6是可以让螺栓施加的压力更均匀。同样，也可以在与舟骨块主体2b连接处铺放中足压板4，通过中足压板4让螺栓施加的压力更均匀。

趾跖关节块7c的上表面还设有趾跖关节轴承座7h，趾跖关节轴承座7h的结构与舟骨轴承座2f相似，即趾跖关节轴承座7h是由3个相对的筒状部分组成，在三个筒状部分之间可以装有芯轴以及芯轴外部的轴承，以及采用挡板、顶盖等对芯轴及其上轴承的定位。跖骨连杆8的一端套装在芯轴2c外，由此实现跖骨连杆8与趾跖关节部件7之间的铰接(形成铰链J7)。

足背板簧5的结构如图5所示，足背板簧5采用复合结构，由上、下两层橡胶5b包夹着玻璃纤维结构的板簧5c而形成，足背板簧5的结构不仅具有弹性，还具有一定的阻尼，避免非预期的振荡，同时在板簧5c与上下两层橡胶5b之间分别设有应变片5a，利用应变片5a能够检测足背板簧5的弯矩大小，进而大致估算出前足部分的受力情况。

由于跖骨连杆8的一端与舟骨块2铰接，跖骨连杆8的另一端与趾跖关节部件7铰接，趾跖关节部件7还与足背板簧5的一端铰接，足背板簧5的另一端与舟骨块2固定连接，由此，足背板簧5、跖骨连杆8、趾跖关节块7、舟骨块2共同构成一个封闭的包含柔性体(即足背板簧5)的运动链。

在趾跖关节块7c上可以开有前脚掌触发开关的安装孔，用于以安装前脚掌触发开关，如图2中右侧所示。

在足部运动过程中，当趾跖关节块7c着地受到压力时，带动跖骨连杆8转动，同时足背板簧5向上弯曲，产生的弹性力阻碍前足部分的进一步形变，使得装置具有一定的支撑以及缓冲作用。后足部分为整个脚掌提供了另一个弹性支撑点，如图6、7所示的跟骨部件10包括外跟骨块10c和内跟骨块10e；在本申请中，外跟骨块10c、内跟骨块10e各有2块，2块外跟骨块10c分别设置在2块内跟骨块10e的两侧，四者相互平行且间隔一定距离设置。相邻的外跟骨块10c、内跟骨块10e之间通过圆柱销进行连接，圆柱销的中间部位为光滑的圆柱，其两端通过螺纹分别与外跟骨块10c、内跟骨块10e之间固定连接。在每根圆柱销上，相邻的外跟骨块10c、内跟骨块10e之间的圆柱销外套装跟骨轴承10b，故每根圆柱销上可以装有一根跟骨连杆10a，跟骨连杆10a的另一端和舟骨块2铰接。还可以使用适当长度的螺钉(或螺母)代替圆柱销，螺钉穿过外跟骨块10c、垫片10d、轴承10b，另一端固定在内跟骨块10e的螺纹中。

在3根圆柱销中，相邻的2根圆柱销上的跟骨连杆10a均与舟骨块2铰接，内外跟骨块10c、10e与舟骨块2之间通过跟骨连杆10a形成平行四边形结构，即内外跟骨块10c、10e能够绕着舟骨块2在一定范围内平移。

另1根圆柱销与足弓弹簧阻尼器9的一端铰接(形成铰链J5)，足弓弹簧阻尼器9的另一端连接着跖骨连杆8(形成铰链J6)；利用足弓弹簧阻尼器9限制跟骨部件的运动范围，使其运动范围很有限。形成的足弓具有一定的张力，并将前后足部分联系为一个整体，为整个脚掌提供弹性支撑力。在2块内跟骨块10e的底部固定连接开关支架10f，开关支架10f上装有后脚掌触发开关10g。

在本实施例中，跖骨连杆8以及跟骨连杆10a的两端均采用筒状设计，在组装时，将该筒状部位可以分别套装在芯轴2c以及轴承上。

双足机器人在进行仿人步行运动中，往往足跟最先着地，因此本装置利用跟骨部件的灵活运动，也能够实现一定的缓冲效果。

结合附图10对本申请所设计的仿人机器人的足部缓冲装置的触地变刚度原理图进行说明：

由于真人在行走过程中足部着地具有变刚度性能，因此本发明中机器人触地装置能够检测前脚掌着地、后脚跟着地、全脚掌着地的三种状态，同时也能够在三种触地状态下提供不同的刚度。

当机器人前脚掌着地时，由于趾跖关节部件7的特殊构型，足背板簧5向上弯曲，跖骨连杆8绕铰链J1转动，由于足弓弹簧阻尼器9连接着跟骨部件10以及跖骨连杆8，因此跟骨部件10也产生相应的随动，此时机器人踝部与地面之间的刚度由足背板簧5的刚度以及跖骨部件7的特殊构型决定，得到第一种刚度特性K1；当全脚掌着地时，足背板簧5向上弯曲，同时足跟部件10也向上移动，拉伸足弓弹簧阻尼器9，此时，足背板簧5以及足弓弹簧阻尼器9并联受力，对脚踝产生第二种刚度K2；当机器人后脚跟着地时，由于跟骨连杆10a为平行四边形结构，使得跟骨部件10产生平移运动，且足弓弹簧阻尼器9连接着跟骨部件10以及跖骨连杆8，因此当跖骨连杆8在足弓弹簧阻尼器9的张力作用下运动时，将带动足背板簧5向下弯曲，此时踝关节与地面之间的刚度为足弓弹簧阻尼器9与足背板簧5共同串联所产生的刚度K3。

针对现有仿生足缓冲装置存在的仿生程度不高、缓冲能力不足、复杂环境适应性差、结构布置过于庞大等特点。本发明主要是针对双足机器人行走过程中的足部触地缓冲问题，通过仿照人体足部骨骼与韧带的生理结构，设计具有柔性减震、变刚度接触等功能的仿生触地缓冲装置，提高机器人对于复杂环境的适应能力以及稳定性。不同于现有的仿人机器人足部缓冲装置，本发明通过对各个部件之间的联动关系以及合理的弹簧布置设计，实现足部的仿生缓冲以及变刚度特性，同时对于行走过程中的不同着地状态，提供三种触地刚度，适应步态过程中的不同被动力需求。

上述足部缓冲装置上所安装的前足触发开关、后足触发开关、应变片5a、前足编码器3、后足编码器1均可以与处理器信号连接，进而将前足触发开关、后足触发开关、应变片5a、前足编码器3、后足编码器1采集的数据(如v′、θ₂′、θ₁′、s₁、s₂)输入处理器。

在处理器中，可以根据所采集的数据进行仿人机器人触地检测，检测方法如下：

1、触地检测

如图11所示，考虑机器人常规工况下，机器人下肢具有悬空摆动与触地支撑两个步相。定义在足部悬空时，机器人具有以下的状态：前足编码器角度为θ₁，后足编码器的角度为θ₂，应变片5a应变电桥(由应变片5a组成)输出电压为v，前足底触发开关、后足底触发开关均处于断开状态，开关的状态记为s₁＝s₂＝0。这些量均为标量，可以认为是检测的参考值或初始值。当足部着地时，根据装置的缓冲机制，板簧发生弯曲，引起应变电桥电压变化为v′，编码器数据会产生相应的变化，此时前足编码器角度为θ₁′，后足编码器的角度为θ₂′，且足底触发开关导通，记为s₁＝s₂＝1。虽然两编码器的数据变化会因不同的着地姿态而不同，但无论足底以何种方式着地，即无需区分前脚掌着地、后脚跟着地、全脚掌着地，仍可建立如下触地判断函数：

f(t)＝k₁(v-v′)+k₂(θ₂′-θ₁′-θ₂+θ₁)+k₃(θ₁-θ₁′)²+k₄(θ₂-θ₂′)²+k₅s₁+k₆s₂

考虑到式中不同的项之间具有不同的量纲，因此引入系数来平衡各个物理量之间的数量级，式中融合权重k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆均为正实数，触地判断函数f(t)表示多传感量融合的结果，通过对f(t)设定合理的融合权重系数，并对最终的融合值设定一定的阈值M，可判断足部是否着地，表示为：

式中第一项k₁(v-v′)表示对足部挠度方向进行限制，当板簧向上弯曲时，应变电桥的信号取正，使得式中第一项为正，因此引导着传感器融合值增大，使得触地判断结果更倾向于判断已触地；同理，当板簧向上弯曲时，应变电桥的信号取负，式中第一项为负，因此引导着融合值减小，使得触地判断结果更倾向于判断还未触地。式中第二项k₂(θ₂′-θ₁′θ₂+θ₁)表示足弓弹簧阻尼器的张力情况，当足部着地时，该足弓弹簧被拉伸，引起这一项增大，进而引导判断结果更倾向于判断已触地。式中第三项k₃(θ₁-θ₁′)²与第四项k₄(θ₂-θ₂′)²分别表示前后足编码器读数的变化，无论足部是以前脚掌着地还是后脚跟着地，均能够引起编码器数据偏离初始位置，使得触地判断更倾向于判断已触地。式中的第五项k₅s₁与第六项k₆s₂表示足底触发开关的变化，当足部着地时足底触地开关导通，引起第五六项向正值变化，使得融合函数更倾向于判断已触地。上述各项对应的融合权重k₁、k₂、k₃、k₄、k₅、k₆的取值可以进行适当的调整，通过调整各项融合权重的取值，改变触地判断函数中对应项的影响，例如，当需要降低

当足部处于悬空状态时，式中的应变电桥电压不产生差分电压，编码器数据也在小范围内变化，同时足底触发开关也没有被导通，触地判断函数的每一项均为很小的正实数；当足部着地时，式中至少有一项产生变化，引起判断函数增大，不同项的权重系数反映了判断结果对于不同传感信息的依赖程度，项的权重越大，表示越信任该项相关的传感器信息来进行触地判断；最终通过对触地判断函数设定合理的阈值，对悬空状态以及足部触地状态进行区分：当触地判断函数小于阈值时，判断足部并未着地，当触地判断函数大于阈值时，判断足部已经着地。综上，本申请通过合理的配置不同传感器的权重系数以及判断阈值，改变判断结果对于某一传感器数据的依赖程度。

2、判断着地部位

即区分出前脚掌着地、全脚掌着地或是后脚跟着地。本申请提出模糊决策的判断方法，对两编码器的数据进行模糊判断，将编码器的实时角度与参考角度作为模糊推理的基础输入，通过制定特定的模糊规则，决策得出足部着地的部位。

模糊化处理：考虑将θ₁′-θ₁作为模糊输入量，在区间[-σ_1min，σ_1max]内模糊化为负大，负小、正小、正大，范围分别为

同理将θ₂′-θ₂模糊化，在区间[-σ_2min，σ_2max]内模糊化为负大，负小、正小、正大，范围为

用H表示脚掌的着地状态，将脚掌着地状态作为模糊输出量，H在区间[-L_min，L_max]内模糊化为脚跟着地、偏后脚掌着地、全脚掌着地、偏前脚掌着地、脚尖着地，范围分别为

其中，-σ_1min、σ_1max分别是前足编码器角度θ₁的最小值和最大值；-σ_2min，σ_2max分别是后足编码器角度θ₂的最小值和最大值；-L_min，L_max分别表示后脚跟与前脚掌相对于踝的位置。

采用高斯法生成输入隶属度函数，可表示为：

其中G(x，σ，c)为高斯隶属度函数，其结果代表元素在该模糊集的隶属度，σ、c分别表示高斯隶属度函数的方差与均值。

模糊规则与推理：

Ifθ′₁-θ₁＝正大andθ′₂-θ₂＝正大，H＝脚尖着地；

Ifθ′₁-θ₁＝正大andθ′₂-θ₂＝正小，H＝脚尖着地；

Ifθ′₁-θ₁＝正大andθ′₂-θ₂＝负小，H＝偏前脚掌着地；

Ifθ′₁-θ₁＝正大andθ′₂-θ₂＝负大，H＝全脚掌着地；

Ifθ′₁-θ₁＝正小andθ′₂-θ₂＝正大，H＝脚尖着地；

Ifθ′₁-θ₁＝正小andθ′₂-θ₂＝正小，H＝脚尖着地；

Ifθ′₁-θ₁＝正小andθ′₂-θ₂＝负小，H＝全脚掌着地；

Ifθ′₁-θ₁＝正小andθ′₂-θ₂＝负大，H＝偏后脚掌着地；

Ifθ′₁-θ₁＝负小andθ′₂-θ₂＝正大，H＝偏前脚掌着地；

Ifθ′₁-θ₁＝负小andθ′₂-θ₂＝正小，H＝全脚掌着地；

Ifθ′_1-θ₁＝负小andθ′₂-θ₂＝负小，H＝脚跟着地；

Ifθ′₁-θ₁＝负小andθ′₂-θ₂＝负大，H＝脚跟着地；

Ifθ′₁-θ₁＝负大andθ′₂-θ₂＝正大，H＝全脚掌着地；

Ifθ′₁-θ₁＝负大andθ′₂-θ₂＝正小，H＝偏后脚掌着地；

Ifθ′₁-θ₁＝负大andθ′₂-θ₂＝负小，H＝脚跟着地；

Ifθ′₁-θ₁＝负大andθ′₂-θ₂＝负大，H＝脚跟着地；

通过以上规则对两编码器数据进行模糊推理，可以判断足部的着地部位，然后通过去模糊化处理后，输出结果为[-L_min，L_max]区间的实数，没有明确的物理含义，因此对去模糊化后的推理结果做进一步划分，得到分段函数的三个区间，分别为

表1足部着地状态的表示方法

利用二进制数表示足部触地部位，足部的接触可以描述为未着地、前脚掌着地、后脚跟着地、全脚掌着地四种情况，因此根据表1利用两位二进制数可以将着地状态表示为：未着地00，前脚掌着地01，后脚跟着地为10，全脚掌着地11。当经过去模糊化后的输出结果在

区间内时，判断此时足部为后脚跟着地，仿生脚返回机器人控制器标志位为1；当经过去模糊化后的输出结果在

区间内时，判断此时足部为后脚跟着地，仿生脚返回机器人控制器标志位为2；当经过去模糊化后的输出结果在

区间内时，判断此时足部为全脚掌着地，仿生脚返回机器人控制器标志位为3。最终实现触地状态的判断。在本申请中，使用二进制表示本方法输出的着地状态，将其转换为十进制标志符返回机器人控制器。针对该装置的编码器信息，模糊化后设计相应的模糊规则，对足底触地部位进行判断，能够区分足部的前脚掌着地、后脚跟着地、前脚掌着地状态。使用二进制表示足部的接触状态，这样的表示方法更加简洁，使得返回机器人控制器的标志位更加直观。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种仿人机器人的足部缓冲装置，其特征在于，包括：

趾跖关节部件(7)，所述趾跖关节部件(7)的上部可转动连接足背板簧(5)的一端；所述趾跖关节部件(7)可转动连接跖骨连杆(8)的一端；

舟骨块(2)，所述舟骨块(2)固定连接足背板簧(5)的另一端，舟骨块(2)可转动连接跖骨连杆(8)的另一端；所述足背板簧(5)平行设置在跖骨连杆(8)的上部；

跟骨部件(10)，所述跟骨部件(10)与舟骨块(2)之间通过两组跟骨连杆(10a)可转动连接；足弓弹簧阻尼器(9)的两端分别与所述跟骨部件(10)、跖骨连杆(8)铰接。

2.根据权利要求1所述的一种仿人机器人的足部缓冲装置，其特征在于，所述足背板簧(5)是由板簧(5c)以及包覆在板簧(5c)上、下两侧的橡胶(5b)构成；在板簧(5c)的表面设置应变片(5a)。

3.根据权利要求1所述的一种仿人机器人的足部缓冲装置，其特征在于，舟骨块(2)包括舟骨块主体(2b)，舟骨块主体(2b)上设置三组舟骨轴承座(2f)，每一组舟骨轴承座(2f)内可转动装有芯轴(2c)、舟骨轴承(2d)，跖骨连杆(8)或跟骨连杆(10a)的连接端固定套装在芯轴(2c)外；舟骨轴承座(2f)通过内部的孔肩与外部的顶盖(2e)对舟骨轴承(2d)的外圈进行轴向限位形成固定部，芯轴(2c)穿过舟骨轴承(2d)的内圈，利用紧固件将挡板(2a)、舟骨轴承(2d)内圈、跖骨连杆(8)或跟骨连杆(10a)的连接端、芯轴(2c)相固定抵接，共同形成转动部。

4.根据权利要求1所述的一种仿人机器人的足部缓冲装置，其特征在于，根据权利要求1所述的一种仿人机器人的足部缓冲装置，其特征在于，趾跖关节部件(7)包括趾跖关节块(7c)，趾跖关节块(7c)的下表面为平板状，在趾跖关节块(7c)的上方矢状面方向设置至少一个趾跖关节连接板(7g)；趾跖关节连接板(7g)通过趾跖关节轴承(7d)套装在销(7b)外；销(7b)通过外立柱(7a)、内立柱(7f)以及紧固件固定于足背板簧(5)。

5.根据权利要求4所述的一种仿人机器人的足部缓冲装置，其特征在于，趾跖关节块(7c)的上表面设有趾跖关节轴承座(7h)，趾跖关节轴承座(7h)装有芯轴以及芯轴外部的轴承，跖骨连杆(8)的一端套装在芯轴外。

6.根据权利要求4所述的一种仿人机器人的足部缓冲装置，其特征在于，跟骨部件(10)包括至少两个跟骨块，跟骨块相对设置，且跟骨块之间通过三组圆柱销连接；其中，相邻两组圆柱销上套装跟骨轴承(10b)和跟骨连杆(10a)；另一组圆柱销上套装足弓弹簧阻尼器(9)。

7.根据权利要求3所述的一种仿人机器人的足部缓冲装置，其特征在于，设置在舟骨块(2)与跖骨连杆(8)连接处的前足编码器(3)；设置在跟骨部件(10)与舟骨块(2)连接处的后足编码器(1)；所述前足编码器(3)、后足编码器(1)的转子分别与其安装处的挡板(2a)连接。

8.根据权利要求4所述的一种仿人机器人的足部缓冲装置，其特征在于，在足背板簧(5)与外立柱(7a)、内立柱(7f)连接处，分别在足背板簧(5)的上、下两面分别铺放前足压板(6)，在与舟骨块主体(2b)连接处铺放中足压板(4)。

9.根据权利要求6所述的一种仿人机器人的足部缓冲装置，其特征在于，在趾跖关节块(7c)上安装前脚掌触发开关，在跟骨块的底部固定连接开关支架(10f)，开关支架(10f)上装有后脚掌触发开关(10g)。

10.根据权利要求1所述的一种仿人机器人的足部缓冲装置，其特征在于，当足跟着地时，由足弓弹簧阻尼器(9)以及足背板簧(5)串联提供刚度；全脚掌着地时，足弓弹簧阻尼器(9)以及足背板簧(5)并联提供刚度；前脚掌着地时，仅由足背板簧(5)提供刚度。

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