CN215338942U - 足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试*** - Google Patents

Abstract

一种足式机器人单腿足‑地相互作用动力学性能测试***，包括：支撑框架、托槽、移动平台以及测试平台，移动平台设置于支撑框架上并位于托槽的上侧，测试平台包括有连接板，连接板翻转时的转动向量与第二滑块的滑动方向平行并与第一滑块的滑动方向垂直，于连接板上设置有光轴，光轴竖直设置并可沿竖直方向上相对于连接板做上下运动，光轴的上端设置有配重块，光轴的下端设置有能够测量横向、纵向以及竖向三个方向上力值的力传感器，于力传感器的下方用于安装测试用的机械足。本实用新型能够进行斜坡测试，且装置使用简便，实验装置大小可以简单的根据现场条件和实验要求进行调整，底部带有福马轮可以随时移动或固定试验平台。

Description

足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***

技术领域

本实用新型涉及足式机器人足-地相互作用测试装置技术领域，更具体地说，特别涉及一种足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***。

背景技术

我国主要作战方向上山地丛林广泛，交通运输条件恶劣，山区气候多变，即使使用直升机进行运输，也无法有效作业，给战地物资运输带来巨大挑战。轮/履式军用装备面对山区陡峭、松软、夹杂石块等崎岖路面情况时，往往会出现滑转沉陷和间隙失效等问题。相比于轮式和履带式移动平台，足式移动平台由于具有离散型足地接触的运动特点，足与地接触点(或称之为支撑点)为离散形态，这就使得足式移动平台可以在不规则地形下全向移动，同时还具有质心位置灵活可控，通过性卓越等优势。

随着探月工程的逐步推进，在不就的将来，在月球建立永久月球基地也将成为可能。月球表面坑洼不平，并覆盖着一层干燥的颗粒状风化层材料。目前轮式星球探测车在高地势，裸露的星球山峦区域或月坑边缘附近不能通行，但是这些地区可能具有较高的科学研究价值，发展高稳定性足式星球探测器是解决这一问题的有效途径。

另外，我国海岸线绵长，大陆架海床被沉积层覆盖，底土松软，地形条件苛刻，对其开发困难重重。传统AUV(自主式水下航行器)/ROV(遥控无人潜水器)承载能力低，仅能远距离观测，无法进行海底着床作业。而足式海底作业平台移动通过性好，灵活性高，可从陆地直接步行到大陆架海床、海底，并搭载不同作业装置，能够完成多种任务。

综上，足式移动平台在军事、航天、海底勘探等领域有着广泛的应用前景。

足-地相互作用特性是足式移动平台高机动性的根本原因。足端是足式机器人与地面的唯一接触部分，足-地相互作用力是足式机器人所受的主要外力，是驱动力的根本来源。目前，美国的军用足式机器人-Bigdog，可在雪地、冰面等复杂地形中进行高机动性的行走运动，但是其最大爬坡度也仅为35°。在充满挑战性的野外环境如松软、坑洼、陡坡、沙漠、雪地上通过时，足端与地面之间往往会出现打滑和过度下陷的情况。研究步行足足端与地面之间的相互作用，提高机器人足端在各种地形环境中的推进力，是进一步提高足式移动装备通过性能的重要途径。

实用新型内容

为了定量研究不同足-地相互作用方式下的足-地动力学特性，需要设计搭建一款专用的测试平台。目前，国内外专用足-地相互作用测试装置研究较少，因此，如何提供一种足-地相互作用测试装置，用于实现足式移动平台的性能测试，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***，该足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***包括：

支撑框架；

托槽，用于装载测试路面材料，所述托槽设置于所述支撑框架上；

移动平台，所述移动平台设置于所述支撑框架上并位于所述托槽的上侧，所述移动平台包括有可沿纵向移动的第一滑块以及可相对于所述第一滑块沿横向移动的第二滑块；

测试平台，所述测试平台包括有连接板，所述连接板相对于所述第二滑块铰接，所述连接板翻转时的转动向量与所述第二滑块的滑动方向平行并与所述第一滑块的滑动方向垂直，于所述连接板上设置有光轴，所述光轴竖直设置并可沿竖直方向相对于所述连接板做上下运动，所述光轴的上端设置有配重块，所述光轴的下端设置有能够测量横向、纵向以及竖向三个方向上力值的力传感器，所述力传感器的下方用于安装测试用的机械足。

优选地，在本实用新型所提供的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***中，所述托槽包括有两个托盘，两个所述托盘通过合页铰接连接；所述合页的转动向量与所述连接板的转动向量平行。

优选地，在本实用新型所提供的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***中，还包括有直线位置传感器，所述直线位置传感器设置于所述连接板上，所述直线位置传感器的测试端可随机械足联动，用于测量机械足在竖直方向上移动的变化量。

优选地，在本实用新型所提供的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***中，所述光轴通过直线轴承与所述连接板滑动配合；于所述光轴的上端连接有上盖板，所述上盖板上竖直设置有连接轴，所述配重块安装于所述连接轴上，于所述光轴的下端连接有下盖板，所述力传感器通过第一连接法兰设置于所述下盖板的下侧；所述直线位置传感器的测试端与所述下盖板连接。

优选地，在本实用新型所提供的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***中，于所述力传感器的下方设置有第二连接法兰，机械足通过所述第二连接法兰与所述力传感器可拆卸链接。

优选地，在本实用新型所提供的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***中，沿平行于所述第二滑块的滑动方向，于所述连接板的两端各设置有一个旋转板，通过所述旋转板设置有轴承座，所述轴承座固定设置于所述第二滑块上。

优选地，在本实用新型所提供的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***中，所述移动平台包括有横向滑轨以及驱动滑轨，所述驱动滑轨纵向设置，所述第一滑块可滑动地设置于所述驱动滑轨上并通过丝杠***在所述驱动滑轨上受控移动，所述横向滑轨架设于所述第一滑块上，所述横向滑轨横向设置，所述第二滑块包括有固定滑块以及可动滑块，所述固定滑块可滑动地设置于所述横向滑轨上，所述可动滑块可滑动地设置于所述横向滑轨上并通过丝杠***在所述横向滑轨上受控移动。

优选地，在本实用新型所提供的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***中，还包括支撑滑轨，所述支撑滑轨与所述驱动滑轨平行设置，所述支撑滑轨位于所述驱动滑轨的内侧，于所述支撑滑轨上可滑动地设置有小平台，所述小平台通过联动板与所述第一滑块连接；所述横向滑轨设置于所述小平台上。

优选地，在本实用新型所提供的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***中，所述横向滑轨设置有两条，两条所述横向滑轨平行且间隔设置；于其中一条所述横向滑轨上设置有用于驱动所述第二滑块移动的丝杠***，所述丝杠***中的丝杠的长度为所述第二滑块移动行程的一半。

优选地，在本实用新型所提供的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***中，所述支撑框架由铝型材拼装而成；于所述支撑框架的上端并位于所述支撑框架的两侧设置有托板，于所述托板的上侧面设置有安装纵梁，所述移动平台安装于所述安装纵梁上。

本实用新型提供了一种足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***，包括：支撑框架、托槽、移动平台以及测试平台，其中，移动平台设置于支撑框架上并位于托槽的上侧，移动平台包括有受控可沿纵向移动的第一滑块以及受控可相对于第一滑块沿横向移动的第二滑块，测试平台包括有连接板，连接板相对于第二滑块铰接，连接板翻转时的转动向量与第二滑块的滑动方向平行并与第一滑块的滑动方向垂直，于连接板上设置有光轴，光轴竖直设置并可沿竖直方向上相对于连接板做上下运动，光轴的上端设置有配重块，光轴的下端设置有能够测量横向、纵向以及竖向三个方向上力值的力传感器，于力传感器的下方用于安装测试用的机械足。

通过上述结构设计，本实用新型所提供的足式机器人足-地相互作用测试装置与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、测量功能完备。通过调节两个方向电机的联动能够测量机械足与底面各个方向上力的影响因素；提供有一个旋转自由度，可以测试机械足以不同角度冲击底面时的作用情况；

2、能够进行斜坡测试。可以简单的将托槽中的一个底板翻折起来，实现足端以不同姿态和触地速度方向在斜坡上的测试；

3、灵活配置。通过法兰接口可以实现对多种规格大小的机器人足进行测试，由此可以探究不同足端形状对足-地作用力的影响，甚至可以在传感器下端连接机器人平台，以测量多足协同时的足-地作用规律；

4、装置使用简便。实验装置大小可以简单的根据现场条件和实验要求进行调整，底部带有福马轮可以随时移动或固定试验平台。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。其中：

图1为本实用新型实施例中足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***的整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例中测试平台的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中托槽的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中移动平台的结构示意图；

图5为本实用新型实施例中支撑框架的结构示意图；

图6为本实用新型实施例中足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***的力分析示意图。

在图1至图6中，部件名称与附图标记的对应关系为：

测试平台1、移动平台2、支撑框架3、托槽4、连接轴5、固定螺母6、垫片7、配重块8、顶部连接螺母9、螺母垫片10、上盖板11、中置螺母12、光轴13、直线位置传感器14、直线轴承15、连接板16、旋转板17、轴承座18、第一连接法兰19、底部连接螺母20、下盖板21、力传感器22、第二连接法兰23、机械足24、立板25、合页26、托盘27、支撑滑轨28、驱动滑轨29、滚珠丝杠30、横向滑轨31、纵向滑板32、第二滑块33、小平台34、横向驱动电机35、联动板36、第一滑块37、纵向驱动电机38、安装纵梁39、顶部纵梁40、顶部横梁41、托板42、竖梁43、底部横梁44、底部纵梁45、福马轮46、土槽坡度传感器47、传感器安装托架48。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。各个示例通过本实用新型的解释的方式提供而非限制本实用新型。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本实用新型的范围或精神的情况下，可在本实用新型中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本实用新型包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。

在本实用新型的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。本实用新型中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参考图1至图6，其中，图1为本实用新型实施例中足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***的整体结构示意图；图2为本实用新型实施例中测试平台的结构示意图；图3为本实用新型实施例中托槽的结构示意图；图4为本实用新型实施例中移动平台的结构示意图；图5为本实用新型实施例中支撑框架的结构示意图；图6为本实用新型实施例中足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***的力分析示意图。

本实用新型提供了一种足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***，在本实用新型中，该测试***包括如下组成部分：

第一部分、支撑框架3

支撑框架3为本实用新型的结构主体，其优先采用矩形框架结构，具体地，支撑框架3由铝型材拼装而成，支撑框架3包括有底面以及顶面，底面包括有底部横梁44以及底部纵梁45，由底部横梁44与底部纵梁45端部对接形成方框式结构，在底部纵梁45上安装有竖梁43，竖梁43竖直设置，单侧(在纵向方向上的两侧中的一侧)共设置有三个竖梁43，三个竖梁43分别位于底部纵梁45的两端以及中部，在底部纵梁45的底部设置了福马轮46。顶面包括有顶部纵梁40以及顶部横梁41，顶部纵梁40与顶部横梁41端部对接形成与底面形状、大小都相同的方框式结构，顶面通过竖梁43与底面固定连接。在支撑框架3的两侧设置有托板42，托板42的上侧面为平面，托板42与顶部纵梁40平行设置，在托板42的上侧面设置了安装纵梁39，安装纵梁39与顶部纵梁40平行。优选地，单侧的托板42上设置有两条间隔设置的安装纵梁39，通过安装纵梁39对移动平台2进行安装。

在本实用新型中，支撑框架3由铝型材拼装而成，当然，在本实用新型的另一个实施方式中，支撑框架3还可以由不锈钢型材制成。

第二部分、托槽4

托槽4用于装载测试路面材料，托槽4设置于支撑框架3上，具体是设置在支撑框架3内部的底面上。

托槽4由两个托盘27组成，托盘27的结构近似于簸箕，托盘27的开口端通过合页26铰接连接，从而形成一个矩形的、盒状结构的托槽4，此时可将托槽称为可翻折式托槽，其中，合页26的转动向量与连接板16的转动向量平行，托盘27由合页26铰接在一起，能够改变其中一个托盘27的倾斜角度，用来模拟崎岖道路上的上坡、下坡等路面状态。

托槽4用来装载测试路面材料，为了便于观察机械足24在托槽4内与测试路面材料的接触状态，本实用新型将托槽4的侧壁设计为透明结构，具体地，托槽4的侧壁可以由透明的亚克力材料制成。同时，托槽4还应当具有较高的结构强度，因此，托槽4的底面采用金属材料，例如不锈钢板。

第三部分、移动平台2

移动平台2能够提供纵向以及横向作用力，用来提供机械足24测试过程中的横向受力以及纵向受力。

移动平台2设置于支撑框架3上并位于托槽4的上侧，移动平台2包括有受控可沿纵向移动的第一滑块37以及受控可相对于第一滑块37沿横向移动的第二滑块33，第一滑块37能够沿纵向移动，从而提供纵向作用力，第二滑块33相对于第一滑块37可沿横向移动，第二滑块33能够提供横向作用力，第二滑块33相对于第一滑块37(并未直接与第一滑块37连接)安装，能够同时提供纵向、横向作用力。

进一步地，移动平台2包括有横向滑轨31(横向滑轨31横向设置)以及驱动滑轨29，驱动滑轨29纵向设置，第一滑块37可滑动地设置于驱动滑轨29上，在驱动滑轨29上设置有纵向驱动丝杠***，纵向驱动丝杠***包括有纵向驱动电机38以及纵向丝杆，由纵向驱动电机38驱动纵向丝杆旋转，第一滑块37与纵向丝杆螺纹配合，在纵向丝杆旋转时，第一滑块37能够将旋转运动转换成自身的纵向直线运动。更进一步地，纵向驱动丝杠***设置有两套，分别设置在两个托板42上。

在两个第一滑块37上通过联动板36安装有小平台34，在小平台34上设置了横向滑轨31，第二滑块33安装在横向滑轨31上，具体地，第二滑块33包括有固定滑块以及可动滑块，固定滑块可滑动地设置于横向滑轨31上，可动滑块可滑动地设置于横向滑轨31上并通过横向驱动丝杠***在横向滑轨31上受控移动。

具体地，横向滑轨31设置有两条，两条横向滑轨31平行且间隔设置；于其中一条横向滑轨31上设置有用于驱动第二滑块33移动的丝杠***，丝杠***中的丝杠的长度为第二滑块33移动行程的一半。

由上述可知，小平台34连带纵向滑轨(以及测试平台1)都安装在纵向滑轨上，这样纵向滑轨与滑块之间受力较大，容易造成结构损坏。为了避免上述问题的出现，本实用新型还提供了支撑滑轨28，支撑滑轨28与驱动滑轨29平行设置，支撑滑轨28位于驱动滑轨29的内侧，于支撑滑轨28上可滑动地设置有小平台34，小平台34通过联动板36与第一滑块37连接，横向滑轨31设置于小平台34上。通过设置支撑滑轨28，由支撑滑轨28分担并主要承受小平台34施加的作用力(重力)，这样能够大幅度减小纵向滑轨以及纵向驱动丝杠***的受力，提高了纵向滑轨以及纵向驱动丝杠***的使用寿命。

第四部分、测试平台1

测试平台1包括有连接板16，连接板16为矩形板式结构，连接板16长度方向上的两端相对于第二滑块33铰接，连接板16可绕其宽边侧的中心轴线(该中心轴线与连接板16的长边平行)翻转，在连接板16翻转时，其转动向量与第二滑块33的滑动方向平行并与第一滑块37的滑动方向垂直。具体地，沿平行于第二滑块33的滑动方向，于连接板16的两端各设置有一个旋转板17，旋转板17为圆台形结构，旋转板17包括有同轴设置的大面板以及凸台，连接板16的端部与大面板固定连接，凸台上设置了轴承，轴承上安装有轴承座18，轴承座18固定设置于第二滑块33上，这样连接板16能够通过旋转板17与轴承座18的配合实现在第二滑块33上的铰接。

于连接板16上设置有光轴13，光轴13设置有两条，两条光轴13以连接板16长度方向上的中点镜像设置(或者对称设置)。光轴13竖直设置并可沿竖直方向上相对于连接板16做上下运动，光轴13的上端设置有配重块8，光轴13的下端设置有能够测量横向、纵向以及竖向三个方向上力值的力传感器22，于力传感器22的下方用于安装测试用的机械足24。

在本实用新型中，配重块8的主要功能有两个：1、向机械足24施加一个稳定的作用力，完成单腿足-地相互作用动力学性能测试；2、在弹性足(机械足24为弹性足时)弹跳测试中用于反映弹性足在硬质地面上的弹跳情况，以便于做一些足端与地面之间的动态冲击实验，因此，配重块8优选是由钢材料或者铅材料制成的圆饼式配重块。

配重块8采用钢材料或者铅材料制成的圆饼式配重块，在配重块8的中心处开设有孔结构，用于配重块8在连接轴5上的装配。优选地，在连接轴5上形成有轴肩结构，轴肩结构抵在上盖板11上，连接轴5的底端贯穿上盖板11后位于上盖板11的下方，在连接轴5的底端安装有螺母12，通过螺母12锁紧。在连接轴5上安装配重块，将配重块8一个一个叠置安装到连接轴5上后，与最下层的配重块8接触有轴肩结构，在最上层的配重块8上再安装螺母6和垫片7，通过螺母12与螺母6的缩紧作用实现配重块8在连接轴5上的固定安装。轴肩结构有一定厚度，配重块8抵在轴肩结构上，与螺母9保持一定的距离。

进一步地，光轴13通过直线轴承15与连接板16滑动配合，于光轴13的上端连接有上盖板11，上盖板11上竖直设置有连接轴5，配重块8安装于连接轴5上，于光轴13的下端连接有下盖板21，力传感器22通过第一连接法兰19设置于下盖板21的下侧。

本实用新型还设置了直线位置传感器或称线位移传感器14，直线位置传感器14设置于连接板16上，直线位置传感器14的测试端可随机械足24联动，用于测量机械足24在竖直方向上移动的变化量。具体地，直线位置传感器14的测试端与下盖板21连接。

具体地，于力传感器22的下方设置有第二连接法兰23，机械足24通过第二连接法兰23与力传感器22可拆卸链接。

本实用新型提供了一种足式机器人足-地相互作用测试装置，其目的在于针对目前足式机器人的单腿足足端与崎岖地面相互作用产生的复杂动力学问题，提供了一套完整的测试装置。

在本实用新型中，通过对测试装置整体的结构设计，能够使得整个测试装置功能完备。具体地，机械足24(测试足)的上端连接力传感器22，可以测量三个方向(横向、纵向以及竖向)上力的大小；通过两个方向(横向与纵向)上电机的拖拽，能够测试机械足24的足端在崎岖地面上，向各个方向移动时，足端最大驱动力的大小和变化规律；通过改变上端配重块8的重量，并设置线位移传感器，可以测试对地面不同冲击力或不同负重的情况下，机械足24足端的下陷量以及下陷量与足-地相互作用力之间的变化关系；通过设置轴承座18，能够提供一个旋转自由度，从而测试机械足24在不同角度冲击地面后，足-地相互作用力变化规律；机械足24采用法兰结构进行安装固定，其容易更换，这样可以测试机械足24足端形状对足-地相互作用力的影响。

通过大量试验测试可以获得不同条件下，足端驱动力大小的变化规律，从而用于足式机器人驱动力大小的精确控制。还可以通过拆除纵向和横向驱动装置，来试验模拟实际工况下的运动情况和足-地相互作用力关系。

在本实用新型中，足式机器人足-地相互作用测试装置的整体构架包括支撑框架3、设置在底部的、用于盛装测试路面材料的可翻折式托槽、纵向驱动电机38与横向驱动电机35(纵向和横向驱动装置)和记录测量装置、摆动角度调节装置(旋转板17与轴承座18的组合结构本实用新型称之为摆动角度调节装置)、直线轴承15和线位移测量装置(或称线位移传感器)、力传感器22、顶部的配重装置(或称配重块)和下端的单腿足连接法兰等零件。

支撑框架3由铝合金型材通过螺栓连接搭建，可随场地环境和测试要求调整安装大小，其下方安装有福马轮46，可以方便地移动或锁止整个台架。支撑框架3共设置有六根竖梁(或称立梁)43，顶部除四根固定梁(两个顶部横梁41以及两个顶部纵梁40)外，支撑框架3顶部的两侧还有支撑滚珠丝杠结构的安装纵梁39结构，安装纵梁39通过托板42与竖梁43连接。托槽4的底部为金属材料，用以承载测试地面材料，构成托槽4的立板25可为亚克力板或者玻璃以便观看测试实验的进行，底板一侧可翻折起来以实现较大地面坡度的模拟，可以通过设置角度测量用的传感器来测量底板倾斜的角度。通过两侧(相对于支撑框架3的两侧)的纵向驱动电机38带动滚珠丝杠进而驱动滑块在导轨上的滑动，与滑块相连接的连接板16间接驱动测试平台1的移动。通过横向驱动电机35(设置有一个)带动滚珠丝杠驱动滑块在导轨上的滑动，与滑块相连接的横向滑板便实现了移动。本实用新型所设置的摆动角度调节装置由旋转板17和轴承座18组装而成，在连接板16长度方向上的两端个设置有一组摆动角度调节装置，连接板16与旋转板17固定连接，旋转板17为圆形的板式结构，在旋转板17上开设有销轴孔，轴承座18的外缘上设置有与轴承座18同轴的弧形限位板，在弧形限位板上开设有多个调节孔，转动连接板16并带动旋转板17旋转，销轴孔能够与不同的调节孔对应，在调节到合适角度后，在销轴孔与调节孔中***销轴即可实现机械足的角度调节。在弧形限位板上设置的调节孔为多个等角度分布的定位销孔结构，可以实现机械足24的几个固定角度的测试。设置有摆动角度调节装置，通过调节旋转板17和轴承座18的相对摆动的角度，可以测量机械足24在不同冲击条件下，以不同的角度冲击土壤，土壤的下陷量以及此时的足端最大驱动力。

直线轴承15通过法兰连接在实验平台上，并设置有光轴13以实现上下浮动。线位移传感器通过上下两个支座固定于实验平台一侧，线位移传感器下端与随测试足上下移动的下盖板21相连以测量位移量。力传感器22的下端通过法兰与测试的单腿足(机械足24)相连，上端通过法兰与连接板16相连，实现三个方向力和力矩的测量和记录。配重装置位于上端(相对于支撑框架3的上端)，并通过连接板16与两个直线轴承15与光轴13组件相连，以改变足端对地面力的大小。实验平台两端通过轴承安装于两侧的轴承座18内。

通过上述结构设计，本实用新型所提供的足式机器人足-地相互作用测试装置与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、测量功能完备。通过调节两个方向电机的联动能够测量机械足24与底面各个方向上力的影响因素；提供有一个旋转自由度，可以测试机械足24以不同角度冲击底面时的作用情况；

2、能够进行斜坡测试。可以简单的将托槽4中的一个底板翻折起来，实现足端以不同姿态和触地速度方向在斜坡上的测试；

3、灵活配置。通过法兰接口可以实现对多种规格大小的机器人足进行测试，由此可以探究不同足端形状对足-地作用力的影响，甚至可以在传感器下端连接机器人平台，以测量多足协同时的足-地作用规律；

4、装置使用简便。实验装置大小可以简单的根据现场条件和实验要求进行调整，底部带有福马轮46可以随时移动或固定试验平台。

如图6所示，通过结构分析可知：整个机械足24单腿结构和配重块8通过连接板16上的直线轴承浮动连接(可相对于连接板16在光轴13的轴线方向上移动)，整个机械足24在空间上具有x-y-z三个方向的平移自由度和绕Y轴旋转的自由度。

因此，当机械足24位弹性足结构时，机械足24作用于硬质地面上，切向方向足-地力学关系测量如下：加载配重块8后，机械足24的足端放置在硬质地面上，通过控制X(纵向)和Y(横向)方向的电机的速度，机械足24单腿结构可以在X-O-Y平面任意方向移动，可以测量足端切向力、足端速度方向以及足端速度大小等物理量。当机械足24作用于硬质地面时，法向方向足-地力学关系测量如下：X-Y方向电机不工作，将单腿抬起一定高度后释放，使得机械足24与硬质地面碰撞，可以模拟机器人奔跑过程中足-地冲击过程，可以测量足-地作用力、足端变形量、足-地冲击速度等。当刚性足作用于松软土壤地面上时，切向方向足-地力学关系测量如下：加载配重块8后，机械足24的足端放置在松软地面上，通过控制X和Y方向的电机的速度，机械足24单腿结构可以在X-O-Y平面任意方向移动，可以测量足端切向力、足端速度方向、地面变形量以及足端速度大小等物理量。当刚性足作用于松软土壤地面上时，法向方向足-地力学关系测量如下：X-Y方向电机不工作，将单腿抬起一定高度后释放，使得机械足24与松软地面碰撞，可以模拟机器人奔跑过程中足-地冲击过程，可以测量足-地作用力、地面变形量、地面足-地冲击速度等。

关于地面变形量的测量，本实用新型还设置了土槽坡度传感器47，在立板25上设置了传感器安装托架48，并且，对应土槽坡度传感器47在立板25上开设有测量窗口，将土槽坡度传感器47安装在传感器安装托架48上，能够对测试过程中地面的变形量进行测量。

在本实用新型的一个具体实施方案中，足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***的详细结构如下：

结合图1说明本***整体结构：

本实施方案的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***主要有测试平台1、移动平台2、支撑框架3、托槽4四个部分组成。

结合图2说明测试平台的结构：

整个测试平台1通过两侧18-轴承安装座底部，利用螺栓与移动平台2连接。连接板16通过螺栓与两侧旋转板17连接，并通过旋转板17外侧的圆柱凸台轴颈安装在轴承座18内。直线位移传感器14安装座固定安装于旋转板17上，测量端固定于下盖板21上。直线轴承15固定安装于连接板16上，其内通过光轴13。光轴13上端通过顶部连接螺母9连接上盖板11，顶部连接螺母9与上盖板11之间设置了螺母垫片10，上盖板中间通过中置螺母12连接连接轴5，连接轴5上安装有配重块8，上端通过固定螺母6固定，在固定螺母6与配重块8之间设置了垫片7；光轴13下端通过底部连接螺母20连接下盖板21。下盖板21中间通过螺栓与第一连接法兰19相连接，第一连接法兰19下端与力传感器22相连接，力传感器22下端与第二连接法兰23相连接，第二连接法兰23下端连接机械足24。

结合图3说明托槽的结构：

托槽4整***于支撑框架3的下部框架之中。金属材料的托盘27设置有两个，两个托盘27之间通过合页26相连接并可以翻折起来，托盘27的内侧面加装亚克力材质的立板25。

结合图4说明移动平台结构：

移动平台2位于支撑框架3之上，通过支撑滑轨28固定安装在支撑框架3上，支撑滑轨28外侧设置有纵向的驱动机构，纵向驱动电机38位于一端(相对于支撑滑轨28而言)，纵向驱动电机38能够带动滚珠丝杠30转动，从而驱动第一滑块37沿驱动滑轨29移动，第一滑块37通过联动板36与小平台34连接并带动其纵向移动。通过上述的结构设计，可以使得垂直载荷仅作用在导轨上，可以减少滚珠丝杠的磨损，延长使用寿命。横向滑轨31位于小平台34之上，其一端有横向驱动电机35带动横向滚珠丝杠，并驱动第二滑块33沿横向滑轨31的移动，第二滑块33通过与纵向滑板32连接并驱动其横向移动。

结合图5说明支撑框架结构：

支撑框架3下端安装有多个福马轮46，可以按需移动或固定试验平台，底部由底部横梁44、底部纵梁45和竖梁43连接搭建。支撑框架3的上部由顶部横梁41、顶部纵梁40连接搭建。由于需要支撑纵向驱动机构，额外设置有安装纵梁39以及托板42，托板42用于支撑安装纵梁39并于竖梁43相连接。

基于上述结构设计，本实用新型的具体使用方法如下：

通过调整上端的配重块8的重量，可以调节静态时机械足24对地面的竖直方向上的作用力，当力传感器22检测到力发生变化时，此时意味着机械足24的足端与地面开始接触；当到达平衡位置(达到平衡位置就是指机械足24的足端在重力和惯性力的作用下逐渐踩实土壤，土壤形变达量到最大的平衡位置。)时，可以通过直线位置传感器14测量数值的前后之差计算得到机械足24的足端在土壤中的下陷量并获得下陷量与足-地作用力之间的关系；在通过纵向驱动电机38和横向驱动电机35的拖曳，可以测得在此条件下土壤各个方向上土壤发生截切滑移破坏所需要的力，此力就是此条件下足端的最大驱动力。

通过使光轴13沿直线轴承15上下滑动(在本实用新型中是使用手抬起，当然，也可以采用机械结构实现机械式自动化升降)，调节机械足24悬空地面的高度(将机械足24整体翻转，实现机械足24的抬起)，可以测量机械足24在不同冲击条件下，土壤的下陷深度，和此条件下足端的最大驱动力。

通过将托槽4的一侧(连个铰接在一起的托盘27中的一个)反转起来，并通过传感器测量托盘27的底板的倾斜角度，可以测量机械足24在大倾角底面条件下，足-地作用力与底面倾角之间的关系。

通过更换机械足24，可以测试机械足24的形状对足-地相互作用力的影响因素。

当力传感器22的下部加装实际测试平台时，可以将联动板36拆除，此时机械腿竖直方向通过直线轴承实现浮动，纵向移动由于拆除了连接板，此时阻力只有直线轴承的滑动阻力，配重块8可以模拟机器人主体的重量，此时可以很好的模拟机器人实际运动过程中多足-地相互作用力。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***，其特征在于，包括：

支撑框架；

托槽，用于装载测试路面材料，所述托槽设置于所述支撑框架上；

移动平台，所述移动平台设置于所述支撑框架上并位于所述托槽的上侧，所述移动平台包括有可沿纵向移动的第一滑块以及可相对于所述第一滑块沿横向移动的第二滑块；

测试平台，所述测试平台包括有连接板，所述连接板相对于所述第二滑块铰接，所述连接板翻转时的转动向量与所述第二滑块的滑动方向平行并与所述第一滑块的滑动方向垂直，于所述连接板上设置有光轴，所述光轴竖直设置并可沿竖直方向相对于所述连接板做上下运动，所述光轴的上端设置有配重块，所述光轴的下端设置有能够测量横向、纵向以及竖向三个方向上力值的力传感器，所述力传感器的下方用于安装测试用的机械足。

2.根据权利要求1所述的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***，其特征在于，

所述托槽包括有两个托盘，两个所述托盘通过合页铰接连接；

所述合页的转动向量与所述连接板的转动向量平行。

3.根据权利要求1所述的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***，其特征在于，

还包括有直线位置传感器，所述直线位置传感器设置于所述连接板上，所述直线位置传感器的测试端可随机械足联动，用于测量机械足在竖直方向上移动的变化量。

4.根据权利要求3所述的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***，其特征在于，

所述光轴通过直线轴承与所述连接板滑动配合；

于所述光轴的上端连接有上盖板，所述上盖板上竖直设置有连接轴，所述配重块安装于所述连接轴上，于所述光轴的下端连接有下盖板，所述力传感器通过第一连接法兰设置于所述下盖板的下侧；

所述直线位置传感器的测试端与所述下盖板连接。

5.根据权利要求4所述的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***，其特征在于，

于所述力传感器的下方设置有第二连接法兰，机械足通过所述第二连接法兰与所述力传感器可拆卸链接。

6.根据权利要求1所述的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***，其特征在于，

沿平行于所述第二滑块的滑动方向，于所述连接板的两端各设置有一个旋转板，通过所述旋转板设置有轴承座，所述轴承座固定设置于所述第二滑块上。

7.根据权利要求1所述的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***，其特征在于，

所述移动平台包括有横向滑轨以及驱动滑轨，所述驱动滑轨纵向设置，所述第一滑块可滑动地设置于所述驱动滑轨上并通过丝杠***在所述驱动滑轨上受控移动，所述横向滑轨架设于所述第一滑块上，所述横向滑轨横向设置，所述第二滑块包括有固定滑块以及可动滑块，所述固定滑块可滑动地设置于所述横向滑轨上，所述可动滑块可滑动地设置于所述横向滑轨上并通过丝杠***在所述横向滑轨上受控移动。

8.根据权利要求7所述的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***，其特征在于，

还包括支撑滑轨，所述支撑滑轨与所述驱动滑轨平行设置，所述支撑滑轨位于所述驱动滑轨的内侧，于所述支撑滑轨上可滑动地设置有小平台，所述小平台通过联动板与所述第一滑块连接；

所述横向滑轨设置于所述小平台上。

9.根据权利要求7所述的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***，其特征在于，

所述横向滑轨设置有两条，两条所述横向滑轨平行且间隔设置；

于其中一条所述横向滑轨上设置有用于驱动所述第二滑块移动的丝杠***，所述丝杠***中的丝杠的长度为所述第二滑块移动行程的一半。

10.根据权利要求1所述的足式机器人单腿足-地相互作用动力学性能测试***，其特征在于，

所述支撑框架由铝型材拼装而成；

于所述支撑框架的上端并位于所述支撑框架的两侧设置有托板，于所述托板的上侧面设置有安装纵梁，所述移动平台安装于所述安装纵梁上。

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