CN1651295A - 人形机器人的脚部结构及具有该脚部结构的机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种人形机器人的脚部结构，其在暂停状态或行动时能够有效地保持平衡。所述脚部结构包括一支撑物；多个使上部元件与所述支撑物底部相连的下构件；具有多个独立部位的多个下部元件，每个都与上部元件相连；用于连接上部元件和下部元件的旋转接头。由于脚部结构和地面进行平稳接触，阻止将冲击传递到人形机器人的躯干部。减少人形机器人踏在地面上时所产生的振动，从而使人形机器人可以摆出稳定和平稳步态。

Description

人形机器人的脚部结构及 具有该脚部结构的机器人

技术领域

本发明涉及一种人形机器人，更具体地说，涉及一种在暂停状态或行动中能够有效地保持平衡的人形机器人的脚部结构。

背景技术

机器人应用在工厂自动化中并在不适合人类的环境下发挥重要作用。然而，近来，由于对能够在诸如办公室、家庭或医院的人类环境下发挥作用的机器人的需求，人形机器人正被积极地开发。

人形机器人的一个最重要条件是确保机器人脚部和地面之间有效的相互作用，如果机器人脚部和地面之间没有有效的相互作用，当机器人脚部的脚后跟接触地面时，就会产生冲击，然后所述冲击传送到机器人的脚部。而且所述冲击通过踝关节传送到机器人的躯干部。由于这种冲击，机器人的动态平衡可能被干扰，可能导致机器人不稳定的步态。此外，由所述冲击引起的机器人脚部振动被传送到机器人的躯干部，从而降低了机器人的控制稳定性。

当机器人通过地面上存在小障碍物的区域或地面不平的区域时，即使机器人使用视觉***来估定周围环境，仍产生另一个在机器人脚部和地面之间不稳定相互作用的问题。此时机器人的脚部不能适当地踏在地面上，这样降低了机器人步态的稳定性和自然性。

为了解决上述问题，已经研制出几种在走路期间能够吸收冲击的机器人脚部机构。这些机构包括：K.Hirai等人在1998年5月在Leuven，Belgium召开的1998电气与电子工程师协会关于机器人和自动化的国际会议上发表的名称为“本田汽车人形机器人的发展”的文章中所公开的脚部结构；及发明人为Gomi等人于2002年6月23日授权的且名称为“腿行走机器人”的美国专利第6,377,014所公开的脚部结构。

图1是一个显示K.Hirai等人所介绍的通用机器人结构的横截面视图。

参考图1，脚10包括由橡胶制成的脚底14以及具有导向形状并由橡胶制造的衬套12，从而构成可以吸收冲击的机构。在由地面施加到脚底上的力的作用下，机器人的脚10在垂直方向上弹性变形。利用上述结构，冲击负载的传递被减少，由于脚机械地作为一种低通滤波器，阻止了腿的振动，从而可以平稳地控制所述腿。

然而，没有为脚10提供稳定行走的机构。为此，脚底14和衬套12所使用的橡胶必须具有高弹性，以便保证机器人相对于脚底14的上部的稳定性，从而可以实现脚底14和地面之间的紧密接触。

因而，与地面的力的数值大小无关，脚的整体刚度增加并变得大致恒定。这种类型吸收冲击装置具有下述缺点，当振动施加在机器人的脚跟后，不能有效地减弱所产生的振动。

为了克服上述问题，美国专利6,377,014介绍了一种机器人脚，其具有由第一弹性部位和第二弹性部位组成的脚底，第二弹性部位具有由厚度相对薄的平坦中心部位以及多个厚度相对厚的突起所组成的脚跟部位，所述多个突起彼此之间以规则的间距相间隔。

同时，在作者是Kenji Kaneko等人在2002年5月于华盛顿D.C，召开的2002电气与电子工程师协会关于机器人和自动化的国际会议上发表的名称为“METI人形机器人方案的先进腿模型的设计”的文章中介绍了一种利用六轴力传感器使机器人在粗糙和平坦地形稳定行走的人形机器人结构。

图2是一个显示使用六轴力传感器的普通机器人脚部结构的示意图。

如图2所示，机器人的脚20包括六轴力传感器22、多个橡胶衬套24以及脚底板26。控制脚底的力矩以便使机器人在崎岖不平地面上稳定行走是非常重要的。由于多个衬套24作为顺从于滚动轴线和俯仰轴线的元件，多个衬套24的转动变形由六轴力传感器22控制，从而控制施加在机器人脚底的力矩。

此外，发表在电气与电子工程师协会关于机器人和自动化的国际会议上，页数是2892～2899(1995)、作者是Jinichi Yamaquchi等人、名称为“用于获得着地表面位置信息并使动态两足行走稳定的带振动吸收材料的脚机构的试验研制”的文章中，公开了一种用于人形机器人的先进的脚部结构WAF-2(Waseda Anthropomorphic Foot No.2)、以及一种用于WAF-2的控制***。

图3A是一个显示WAF-2结构30的视图。

如图3A所示，WAF-2结构30包括上脚板40、设置在上脚板40上的4个电位计36、4个穿过上脚板40的线38、多个设置在上脚板40下方的上制动器50、位于上脚板40下方的吸收冲击元件44、位于上脚板40和吸收冲击元件44之间的第一聚丙烯板42、下脚板62、位于下脚板62和吸收冲击元件44之间的第二聚丙烯板46、多个设置在下脚板62上的下制动器60、形成在下脚板62下方的多个销钉64。

图3B是一个显示形成在图3A中上脚板40下方的多个上制动器50之一的透视图。

如图3B所示，上制动器50由硬铝52、聚氨酯橡胶54、聚四氟乙烯树脂56和硅泡沫材料58组成。

如图3A和3B所示，WAF-2结构30具有由设置在上脚板40和下脚板62之间的吸收冲击元件44以及多个设置在上脚板40下方的上制动器50实现的被动吸收冲击机构。当地面力中具有非线性成份时，脚刚度随着地面的力而平稳增加，这种结构可以提供吸收冲击机构。此外，分别通过上制动器50和设置在销钉64上的下制动器60，这种结构提供稳定功能。

使用这种结构的两腿机器人可以在沿垂直或水平方向上具有几毫米波动或大致1°倾斜的地面上轻易地操纵。

然而，使用WAF-2或WAF-3结构的人形机器人具有几个缺点。

人形机器人具有类似于人的非线性刚度特性，也就是在6毫米范围内，对应于重量大约为110公斤的机器人的额定负荷。换句话说，在受限条件下，脚的最大刚度等于91.7N/mm。如果最大地面力大于该数值，上脚板完全与下脚板接触。从而脚的平均刚度由具有高刚度和低阻尼的金属部位确定。

此外，由于WAF-2或WAF-3结构利用诸如弹性性质变化的黄色记忆泡沫材料M36的吸收冲击材料。为阻止弹性性能的波动，将加热器安装在脚部结构上，将温度维持在大约40℃。因而，脚部结构笨重和复杂。

最后，由于WAF-2或WAF-3结构没有脚趾关节，在行走时的推离运动中，机器人不能确保地面和脚部之间的紧密接触，因而，机器人不能保证快速行走、奔跑、携带负载等时所需的足够的推进力。

发明内容

本发明提供一种可以提供稳定和平稳步态的机器人的脚部结构以及一种利用该脚部结构的机器人。

本发明也提供一种机器人脚部结构，当负载从地面上提升时，其可以有效地吸收冲击并保证机器人的稳定姿态。

根据本发明的一个方面，提供了一种机器人的脚部结构，所述脚部结构包括：用于安装机器人的踝关节的支撑物；多个与所述支撑物底部相连的下构件，用于吸收冲击并稳定人形机器人的步态。

根据本发明另一个方面，提供了一种包括至少一个躯干部以及多个腿部的机器人，每个腿部使用一脚部结构，该脚部结构包括：用于安装机器人踝关节的支撑物；多个与所述支撑物底部相连的下构件，用于吸收冲击并稳定人形机器人的步态，每个下构件包括与该支撑物的底部相连的上部元件；具有多个独立部分的下部元件，每个与下部元件可动地相连；用于连接上部元件和下部元件的旋转接头。

根据本发明另一个方面，为了在负载从地面提升时有效地吸收冲击并提供稳定的机器人姿态，提供一种机器人结构，其包括支撑所述负载的上部元件、多个独立部分、具有多个可移动地将所述各独立部分连接于下部元件的线性弹簧，以及用于连接上部元件和下部元件的旋转接头。

本发明机器人的刚度特性与人的刚度特性相同。具体地说，当接收一个冲击负荷时，所述机器人具有恒定的刚度，并具有稳定的站立姿态及脚跟和地面之间平稳的接触。

由于机器人包括能够提供额外转动DOF和平移DOF的吸收冲击和稳定机构(SASM)，当机器人执行各种类似人的动作时，脚部结构可以适当地接触地面。因而，即使在不平的地面或具有小障碍的地面上，机器人也具有稳定性。

而且，由于本发明脚部结构包括类脚趾的关节，即使当推离地面时，脚底可以与地面适当地接触。

此外，由于本发明的脚部结构使用吸收冲击材料很好地吸收软冲击，当脚部结构踏在地面上时，减少了脚部结构在高频带的高频振动。

此外，由于脚部结构和地面之间的相互作用平稳地吸收两者之间的冲击，冲击没有传送到机器人躯干部，减弱了当脚部结构与地面接触时所产生的振动，从而稳定机器人的步态。

最后，当机器人在不平的地面或具有小障碍的地面上行走时，脚部结构对地面的不规则不敏感，可以简化机器人的控制来稳定机器人的步态。

附图说明

通过结合下面的附图对优选的实施例做出的详细介绍，本发明的上述和其它特征和优点将变得更加清楚。

图1是一个显示常规的机器人的脚部结构的横截面视图；

图2是一个显示使用六轴力传感器的通常的机器人脚部结构的视图；

图3A是一个显示WAF-2结构的视图；

图3B是一个显示形成在图3A中上脚板下方形成的多个上制动器之一的视图；

图4是一个显示使用根据本发明实施例的脚部结构的人形机器人的透视图；

图5A是一个显示图4脚部结构的透视图；

图5B是一个根据本发明实施例的脚部结构的侧视图；

图5C是一个显示当图5A中的脚部结构接触地面时施加在载板上的力的透视图；

图6A是一个显示图5A中的脚部结构的吸收冲击和稳定机构(SASM)的透视图；

图6B是一个显示图5A中脚部结构的SASM的横截面视图；

图6C是一个显示图5A中脚部结构的SASM的平面视图；

图7是一个显示通过使用ADAMS(可从微软公司购买到的代码)所获得的SASM的视图，其中SASM中的上部元件与下部元件分开；

图8是一个显示图6A～图6C内的SASM中下部元件的透视图；

图9是一个使用ADAMS(可从微软公司购买到的代码)所获得的图6A～6C内的SASM的上部元件的模型的分解透视图；

图10是一个使用ANYSYS6.0(可以从ANYSYS有限公司购买)而获得的用于解释如何计算图9内盘簧刚度的透视图；

图11是一个显示假设所述盘簧在3毫米位移范围内进行操作而获得的图9中的盘簧刚度曲线的图表；

图12是一个显示在整个位移范围内SASM的刚度曲线的图表；

图13是一个显示根据本发明实施例的脚部结构在不平地面上着地的视图；

图14是一个施加在图13所述脚部结构中载板的上中心部位上的力与时间的关系曲线；

图15是一个脚部结构的上部元件的垂直位移与时间的关系曲线；

图16是一个图13中的脚部结构中的脚跟下表面与不平地面之间接触力与时间的关系曲线。

具体实施方式

下文将详细介绍根据本发明实施例的人形机器人的脚部结构。在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。

图4是一个示出利用根据本发明实施例的脚部结构100的人形机器人的视图；

人形机器人100包括两个腿102和103以及腰部104。

每个腿102和103分别包括大腿105和106、胫部107和108以及脚部结构109和110。腿102和103以及脚部结构109和110彼此相同并被对称地设置。因而，仅仅详细介绍腿103的脚部结构110。

图5A和5B分别是示出脚部结构的透视图和横截面视图。

如图5A和5B所示，脚部结构110包括用于安装六轴力传感器以及人形机器人100的踝关节的载板111，还包括安装在载板111下方的吸收冲击和稳定机构(SASMs)112a～112d。

根据本发明实施例，脚部结构110具有尺寸235×150×50毫米，每个SASM112a～112d的尺寸是60×60×50毫米。

根据本发明实施例，载板111可以由铝合金或与用于制造人形机器人100结构相同的材料制造。

图5C是一个透视图，示出当图5A中的脚部结构完全接触地面时施加在载板111上的力。

如图5C所示，当人形机器人100站在地板112f上时施加在载板111上的额定力F是人形机器人重量的一半。

图6A、6B和6C分别是显示图5A中脚部结构SASM112的透视图、横截面视图和平面视图。

如图6A～6C所示，SASM112a包括上部元件113、下部元件114和球形接头115。此外，下部元件114包括下盖116、多个线性弹簧117a～117e、由多个金属部分125a～125e组成的金属元件、以及多个橡胶部分126a～126e。

图7是一个示出SASM112a中上部元件113与下部元件114分离状态的视图；

图8是一个示出图6A～6C中SASM112a的下部元件114的透视图；

如图8所示，下部元件114包括下盖116、五个独立部位118和119a～119d、多个线性弹簧117a～117e。独立部位118和119a～119d分别具有金属部分125a～125e和橡胶部分126a～126e。此外，根据本发明一个实施例，为了确保在所希望范围内沿垂直轴线的平移运动，独立部位118和119a～119d彼此通过线性弹簧117a～117e相连。

根据本发明的一个实施例，所有相对于地面运动并且与地面接触的金属部分125a～125e被粘结到由热塑性橡胶制造的橡胶部分126a～126e上。所述球形接头115通过一个螺钉(未示出)被安装在盖上。

根据本发明的一个实施例，独立部位118和119a～119d的高度是10毫米。也就是橡胶部分126a～126e的高度为5毫米，由铝合金制造的金属部分125a～125e的高度是5毫米。独立部位118的运动范围是5毫米，其它独立部位119a～119d的运动范围是10毫米。

图9是通过使用ADAMS(可以从MSC软件公司买到)而获得的在图6A～6C中的SASM112a的上部元件113的模型的分解透视图。

如图9所示，上部元件113包括本体部120、上盖121和盘簧122。由钛制成的盘簧122设置在本体部120的内部并与球形接头115接触。上盖121由螺钉(未示)固定在本体部120上。此外，球形接头115包括多个转动弹簧123a～123d，并与本体部120的内表面结合。

根据本发明的一个实施例，盘簧122具有大约是60毫米外径和大致是14毫米内径，球形接头115的半径是10毫米，本体部120的下部具有孔，孔的半径比球形接头115的半径小，孔的半径优选为大致7毫米。

在本体部120内形成的本体部120上部和盘簧122下部之间的空间中充满与盘簧刚度相比具有高阻尼值和小弹性系数的软泡沫材料。

下文介绍根据本发明实施例的脚部结构110的操作原理。

首先，由于脚部结构110具有4个SASMs112a～112d，每个SASMs112a～112d具有8个自由度DOF(degrees of freedom)(由五个线性弹簧提供的5个DOF，由所述球形接头提供的三个DOF)，脚部结构110具有6个自由度(DOF)和32个被动刚体DOF。

而且，由于在载板111的下方安装多个SASMs112a～112d，脚部结构110具有类似于人脚的非线性刚度特征。

SASMs112a～112d中的一个的操作原理如下。

首先，固定在下盖116上的球形接头115与盘簧122接触，从而在上部元件113和下部元件114之间提供被动转动的DOF。而且为了将下部元件114稳定在平衡状态下，在球形接头115和上盖121内表面之间设置4个转动弹簧。这种被动转动DOF允许人形机器人的脚平稳地接触地面。同样，人形机器人100对不平地面不敏感。此外，当脚底被推向地面时，脚底与地面之间的接触更有效。

其次，通过线性弹簧117a～117e与下盖116的内表面接触的5个独立的可动部位118和119a～119d提供上部元件113和下部元件114之间的被动平移DOF。而且，为了在脚底和地板之间获得有效的接触，5个独立的可动部位118和119a～119d被由橡胶126a～126e组成的层覆盖。因而，独立的可动部位118和119a～119d可以彼此相对地在固定的范围内独立地运动。

第三，通过下述方法计算线性弹簧117a～117e的刚度。

假设人形机器人100的总重是N＝1000N，施加在每个SASM上的额定力是P＝125N(＝1000N/8)。这样，施加在每个载板111中央部位上的力是Q/2。在这种情况下，SASM的下盖116与中央独立部位118的内表面完全接触。因而，假设独立可动部位的额定位移是d＝5毫米，线性弹簧的刚度(C_lin)是5N/mm(＝P/d/5)，SASM的下部元件114的刚度(C_lower)是25N/mm(＝5C_lin)。

图10是一个介绍如何计算图9中盘簧122刚度的视图。

在图10中，通过使用ANYSYS6.0(可以从ANYSYS有限公司购买)进行非线性有限元分析来计算盘簧122的刚度(C_disk)。

假设盘簧122在位移0～3毫米内操作，盘簧122的刚度曲线在图11中表示。因而，由更高刚性的钛制盘簧122承受该高冲击力，通过有限元方法计算刚度曲线并且图示在此。

图12是一个在整个位移范围内的SASM刚度曲线的图表，其中X轴表示位移，Y轴表示刚度。

使用下述方程获得图12的图表

方程1

$C_{\mathrm{eqv}}\left(d\right)=\frac{C_{\mathrm{lower}}\&times;C_{\mathrm{disk}}\left(d\right)}{C_{\mathrm{lower}}+C_{\mathrm{disk}}\left(d\right)},d<D_{\mathrm{nom}}=5\mathrm{mm}$

方程2

C_eqv(d)＝C_disk(d)，       d≥D_nom＝5mm

其中，C_eqv(d)表示总刚度，C_lower表示下部元件114的刚度，C_disk(d)表示盘簧122的刚度，D_nom表示额定位移。方程1和2分别适用于下述情况，即额定位移大于5毫米以及额定位移小于5毫米。

虽然人形机器人的脚部结构100包括四个SASMs，每个包括五个独立部位，但是可以设置或多或少的SASMs。

此外，虽然载板111具有一个凹形，并且采用下述方式构成每个SASM，也就是与底部接触的整个独立部位具有矩形结构，但载板111和独立部位可以具有其它形状。

图13是一个显示脚部结构110在不平地面上着地的视图；

图14是一个施加在图13所示脚部结构110中载板111的上中心部位上的力与时间关系的曲线。图14显示脚部结构110的初始垂直速度是100mm/s。

图15是一个图13所示脚部结构110的上部元件113的垂直位移与时间关系的曲线。

参考图15，实线表示脚趾的垂直位移，虚线表示踝关节的垂直位移，点划线表示脚部结构110的根部的垂直位移。

图16是图13中脚部结构110中的脚后跟下表面与不平地面之间接触力和时间关系的曲线。

以上通过参考在附图中表示的示例性实施例对本发明作了特别的展示和说明，对本领域技术人员来说，应该明白，在不背离本发明的精神和范围下可以做出在形式上和细节上的各种改变和修改。因此本发明要保护的真正精神和范围由所附的权利要求书来限定。

Claims (19)

1.一种人形机器人的脚部结构，所述脚部结构包括：

用于安装人形机器人的踝关节的支撑物；及

多个与所述支撑物底部相连的下构件，用于吸收冲击并稳定人形机器人的步态，

其中每个下构件包括：

与该支撑物的底部相连的上部元件；

具有多个独立部位的下部元件，每个与下部元件可动地相连；及

用于连接上部元件和下部元件的旋转接头。

2.如权利要求1所述的脚部结构，其中所述支撑物包括力传感器。

3.如权利要求1所述的脚部结构，其中所述下部元件包括：

一下盖；及

多个用于可移动地将各独立部位与下盖相连的线性弹簧。

4.如权利要求3所述的脚部结构，其中每个独立部位包括与其中一个线性弹簧相连的金属部分和一个与地面接触的橡胶部分。

5.如权利要求4所述的脚部结构，其中所述下部元件包括一设置在下部元件中心部位上的矩形形状的独立部分以及围绕所述独立部分对称设置的四个独立部分。

6.如权利要求1所述的脚部结构，其中所述上构件包括：

一本体部；

覆盖所述本体部的上盖；以及

设置在本体部和上盖之间的盘簧。

7.如权利要求6所述的脚部结构，其中在本体部下表面和盘簧上形成一圆形开口。

8.如权利要求6所述的脚部结构，其中所述各独立部位提供在垂直于与地面接触的脚部结构的表面的方向上平移运动的自由度。

9.如权利要求6所述的脚部结构，其中如果施加在脚部结构上的额定力在一个与其望的范围内，该机构的总刚度由下述方程确定：

$C_{\mathrm{eqv}}\left(d\right)=\frac{C_{\mathrm{lower}}\&times;C_{\mathrm{disk}}\left(d\right)}{C_{\mathrm{lower}}+C_{\mathrm{disk}}\left(d\right)},d<D_{\mathrm{nom}}=5\mathrm{mm}$

其中，C_eqv(d)表示机构的总刚度，C_lower表示下部元件的刚度，C_disk(d)表示盘簧的刚度，以及D_nom表示额定位移。

10.如权利要求9所述的脚部结构，其中如果施加在脚部结构上的额定力在一个与其的范围内，该机构的总刚度由下述方程确定：

C_eqv(d)＝C_disk(d)，d≥D_nom＝5mm

在此，C_eqv(d)表示机构的总刚度，C_lower表示下部元件的刚度，C_disk(d)表示盘簧的刚度，D_nom表示额定位移。

11.一种包括至少一个躯干部以及多个腿部的人形机器人，每个腿部具有与所述躯干部相连的脚部结构，该脚部结构包括：

用于安装人形机器人踝关节的支撑物；及

多个与所述支撑物底部相连的下构件，用于吸收冲击并稳定人形机器人的步态，

其中每个下构件包括：

与该支撑物的底部相连的上部元件；

具有多个独立部分的下部元件，每个与下部元件可动地相连；及

用于连接上部元件和下部元件的旋转接头。

12.如权利要求11所述的人形机器人，其中所述支撑物由金属制成并包括力传感器。

13.如权利要求11所述的人形机器人，其中每个下部元件包括：

一下盖；

多个可移动地将各独立部分与下盖相连的线性弹簧。

14.如权利要求13所述的人形机器人，其中每个独立部分包括与线性弹簧相连的金属部分和与地面接触的橡胶部分。

15.如权利要求14所述的人形机器人，其中所述下部元件包括设置在下部元件中心部位上的矩形形状的独立部分以及围绕所述独立部分对称设置的四个独立部分。

16.如权利要求11所述人形机器人，其中所述上构件包括：

一本体部；

覆盖所述本体部的上盖；及

设置在本体部和上盖之间的盘簧。

17.如权利要求16所述的人形机器人，其中在本体部下表面和盘簧上形成一圆形开口。

18.如权利要求16所述的人形机器人，其中每个下部元件还包括用于将上部元件连接到下部元件的旋转接头，所述旋转接头的直径比圆形开口的直径大。

19.如权利要求16所述的人形机器人，其中所述多个独立部分提供在垂直于与地面接触的脚部结构的表面的方向上平移运动的自由度。

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