專利名稱：人形機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)及具有該腳部結(jié)構(gòu)的機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種人形機(jī)器人，更具體地說，涉及一種在暫停狀態(tài)或行動(dòng)中能夠有效地保持平衡的人形機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
機(jī)器人應(yīng)用在工廠自動(dòng)化中并在不適合人類的環(huán)境下發(fā)揮重要作用。然而，近來，由于對(duì)能夠在諸如辦公室、家庭或醫(yī)院的人類環(huán)境下發(fā)揮作用的機(jī)器人的需求，人形機(jī)器人正被積極地開發(fā)。
人形機(jī)器人的一個(gè)最重要條件是確保機(jī)器人腳部和地面之間有效的相互作用，如果機(jī)器人腳部和地面之間沒有有效的相互作用，當(dāng)機(jī)器人腳部的腳后跟接觸地面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生沖擊，然后所述沖擊傳送到機(jī)器人的腳部。而且所述沖擊通過踝關(guān)節(jié)傳送到機(jī)器人的軀干部。由于這種沖擊，機(jī)器人的動(dòng)態(tài)平衡可能被干擾，可能導(dǎo)致機(jī)器人不穩(wěn)定的步態(tài)。此外，由所述沖擊引起的機(jī)器人腳部振動(dòng)被傳送到機(jī)器人的軀干部，從而降低了機(jī)器人的控制穩(wěn)定性。
當(dāng)機(jī)器人通過地面上存在小障礙物的區(qū)域或地面不平的區(qū)域時(shí)，即使機(jī)器人使用視覺系統(tǒng)來估定周圍環(huán)境，仍產(chǎn)生另一個(gè)在機(jī)器人腳部和地面之間不穩(wěn)定相互作用的問題。此時(shí)機(jī)器人的腳部不能適當(dāng)?shù)靥ぴ诘孛嫔?，這樣降低了機(jī)器人步態(tài)的穩(wěn)定性和自然性。
為了解決上述問題，已經(jīng)研制出幾種在走路期間能夠吸收沖擊的機(jī)器人腳部機(jī)構(gòu)。這些機(jī)構(gòu)包括K.Hirai等人在1998年5月在Leuven，Belgium召開的1998電氣與電子工程師協(xié)會(huì)關(guān)于機(jī)器人和自動(dòng)化的國際會(huì)議上發(fā)表的名稱為“本田汽車人形機(jī)器人的發(fā)展”的文章中所公開的腳部結(jié)構(gòu)；及發(fā)明人為Gomi等人于2002年6月23日授權(quán)的且名稱為“腿行走機(jī)器人”的美國專利第6,377,014所公開的腳部結(jié)構(gòu)。
圖1是一個(gè)顯示K.Hirai等人所介紹的通用機(jī)器人結(jié)構(gòu)的橫截面視圖。
參考圖1，腳10包括由橡膠制成的腳底14以及具有導(dǎo)向形狀并由橡膠制造的襯套12，從而構(gòu)成可以吸收沖擊的機(jī)構(gòu)。在由地面施加到腳底上的力的作用下，機(jī)器人的腳10在垂直方向上彈性變形。利用上述結(jié)構(gòu)，沖擊負(fù)載的傳遞被減少，由于腳機(jī)械地作為一種低通濾波器，阻止了腿的振動(dòng)，從而可以平穩(wěn)地控制所述腿。
然而，沒有為腳10提供穩(wěn)定行走的機(jī)構(gòu)。為此，腳底14和襯套12所使用的橡膠必須具有高彈性，以便保證機(jī)器人相對(duì)于腳底14的上部的穩(wěn)定性，從而可以實(shí)現(xiàn)腳底14和地面之間的緊密接觸。
因而，與地面的力的數(shù)值大小無關(guān)，腳的整體剛度增加并變得大致恒定。這種類型吸收沖擊裝置具有下述缺點(diǎn)，當(dāng)振動(dòng)施加在機(jī)器人的腳跟后，不能有效地減弱所產(chǎn)生的振動(dòng)。
為了克服上述問題，美國專利6,377,014介紹了一種機(jī)器人腳，其具有由第一彈性部位和第二彈性部位組成的腳底，第二彈性部位具有由厚度相對(duì)薄的平坦中心部位以及多個(gè)厚度相對(duì)厚的突起所組成的腳跟部位，所述多個(gè)突起彼此之間以規(guī)則的間距相間隔。
同時(shí)，在作者是Kenji Kaneko等人在2002年5月于華盛頓D.C，召開的2002電氣與電子工程師協(xié)會(huì)關(guān)于機(jī)器人和自動(dòng)化的國際會(huì)議上發(fā)表的名稱為“METI人形機(jī)器人方案的先進(jìn)腿模型的設(shè)計(jì)”的文章中介紹了一種利用六軸力傳感器使機(jī)器人在粗糙和平坦地形穩(wěn)定行走的人形機(jī)器人結(jié)構(gòu)。
圖2是一個(gè)顯示使用六軸力傳感器的普通機(jī)器人腳部結(jié)構(gòu)的示意圖。
如圖2所示，機(jī)器人的腳20包括六軸力傳感器22、多個(gè)橡膠襯套24以及腳底板26。控制腳底的力矩以便使機(jī)器人在崎嶇不平地面上穩(wěn)定行走是非常重要的。由于多個(gè)襯套24作為順從于滾動(dòng)軸線和俯仰軸線的元件，多個(gè)襯套24的轉(zhuǎn)動(dòng)變形由六軸力傳感器22控制，從而控制施加在機(jī)器人腳底的力矩。
此外，發(fā)表在電氣與電子工程師協(xié)會(huì)關(guān)于機(jī)器人和自動(dòng)化的國際會(huì)議上，頁數(shù)是2892～2899(1995)、作者是Jinichi Yamaquchi等人、名稱為“用于獲得著地表面位置信息并使動(dòng)態(tài)兩足行走穩(wěn)定的帶振動(dòng)吸收材料的腳機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)研制”的文章中，公開了一種用于人形機(jī)器人的先進(jìn)的腳部結(jié)構(gòu)WAF-2(Waseda Anthropomorphic Foot No.2)、以及一種用于WAF-2的控制系統(tǒng)。
圖3A是一個(gè)顯示W(wǎng)AF-2結(jié)構(gòu)30的視圖。
如圖3A所示，WAF-2結(jié)構(gòu)30包括上腳板40、設(shè)置在上腳板40上的4個(gè)電位計(jì)36、4個(gè)穿過上腳板40的線38、多個(gè)設(shè)置在上腳板40下方的上制動(dòng)器50、位于上腳板40下方的吸收沖擊元件44、位于上腳板40和吸收沖擊元件44之間的第一聚丙烯板42、下腳板62、位于下腳板62和吸收沖擊元件44之間的第二聚丙烯板46、多個(gè)設(shè)置在下腳板62上的下制動(dòng)器60、形成在下腳板62下方的多個(gè)銷釘64。
圖3B是一個(gè)顯示形成在圖3A中上腳板40下方的多個(gè)上制動(dòng)器50之一的透視圖。
如圖3B所示，上制動(dòng)器50由硬鋁52、聚氨酯橡膠54、聚四氟乙烯樹脂56和硅泡沫材料58組成。
如圖3A和3B所示，WAF-2結(jié)構(gòu)30具有由設(shè)置在上腳板40和下腳板62之間的吸收沖擊元件44以及多個(gè)設(shè)置在上腳板40下方的上制動(dòng)器50實(shí)現(xiàn)的被動(dòng)吸收沖擊機(jī)構(gòu)。當(dāng)?shù)孛媪χ芯哂蟹蔷€性成份時(shí)，腳剛度隨著地面的力而平穩(wěn)增加，這種結(jié)構(gòu)可以提供吸收沖擊機(jī)構(gòu)。此外，分別通過上制動(dòng)器50和設(shè)置在銷釘64上的下制動(dòng)器60，這種結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定功能。
使用這種結(jié)構(gòu)的兩腿機(jī)器人可以在沿垂直或水平方向上具有幾毫米波動(dòng)或大致1°傾斜的地面上輕易地操縱。
然而，使用WAF-2或WAF-3結(jié)構(gòu)的人形機(jī)器人具有幾個(gè)缺點(diǎn)。
人形機(jī)器人具有類似于人的非線性剛度特性，也就是在6毫米范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)于重量大約為110公斤的機(jī)器人的額定負(fù)荷。換句話說，在受限條件下，腳的最大剛度等于91.7N/mm。如果最大地面力大于該數(shù)值，上腳板完全與下腳板接觸。從而腳的平均剛度由具有高剛度和低阻尼的金屬部位確定。
此外，由于WAF-2或WAF-3結(jié)構(gòu)利用諸如彈性性質(zhì)變化的黃色記憶泡沫材料M36的吸收沖擊材料。為阻止彈性性能的波動(dòng)，將加熱器安裝在腳部結(jié)構(gòu)上，將溫度維持在大約40℃。因而，腳部結(jié)構(gòu)笨重和復(fù)雜。
最后，由于WAF-2或WAF-3結(jié)構(gòu)沒有腳趾關(guān)節(jié)，在行走時(shí)的推離運(yùn)動(dòng)中，機(jī)器人不能確保地面和腳部之間的緊密接觸，因而，機(jī)器人不能保證快速行走、奔跑、攜帶負(fù)載等時(shí)所需的足夠的推進(jìn)力。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種可以提供穩(wěn)定和平穩(wěn)步態(tài)的機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)以及一種利用該腳部結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。
本發(fā)明也提供一種機(jī)器人腳部結(jié)構(gòu)，當(dāng)負(fù)載從地面上提升時(shí)，其可以有效地吸收沖擊并保證機(jī)器人的穩(wěn)定姿態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)，所述腳部結(jié)構(gòu)包括用于安裝機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)的支撐物；多個(gè)與所述支撐物底部相連的下構(gòu)件，用于吸收沖擊并穩(wěn)定人形機(jī)器人的步態(tài)。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，提供了一種包括至少一個(gè)軀干部以及多個(gè)腿部的機(jī)器人，每個(gè)腿部使用一腳部結(jié)構(gòu)，該腳部結(jié)構(gòu)包括用于安裝機(jī)器人踝關(guān)節(jié)的支撐物；多個(gè)與所述支撐物底部相連的下構(gòu)件，用于吸收沖擊并穩(wěn)定人形機(jī)器人的步態(tài)，每個(gè)下構(gòu)件包括與該支撐物的底部相連的上部元件；具有多個(gè)獨(dú)立部分的下部元件，每個(gè)與下部元件可動(dòng)地相連；用于連接上部元件和下部元件的旋轉(zhuǎn)接頭。
根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，為了在負(fù)載從地面提升時(shí)有效地吸收沖擊并提供穩(wěn)定的機(jī)器人姿態(tài)，提供一種機(jī)器人結(jié)構(gòu)，其包括支撐所述負(fù)載的上部元件、多個(gè)獨(dú)立部分、具有多個(gè)可移動(dòng)地將所述各獨(dú)立部分連接于下部元件的線性彈簧，以及用于連接上部元件和下部元件的旋轉(zhuǎn)接頭。
本發(fā)明機(jī)器人的剛度特性與人的剛度特性相同。具體地說，當(dāng)接收一個(gè)沖擊負(fù)荷時(shí)，所述機(jī)器人具有恒定的剛度，并具有穩(wěn)定的站立姿態(tài)及腳跟和地面之間平穩(wěn)的接觸。
由于機(jī)器人包括能夠提供額外轉(zhuǎn)動(dòng)DOF和平移DOF的吸收沖擊和穩(wěn)定機(jī)構(gòu)(SASM)，當(dāng)機(jī)器人執(zhí)行各種類似人的動(dòng)作時(shí)，腳部結(jié)構(gòu)可以適當(dāng)?shù)亟佑|地面。因而，即使在不平的地面或具有小障礙的地面上，機(jī)器人也具有穩(wěn)定性。
而且，由于本發(fā)明腳部結(jié)構(gòu)包括類腳趾的關(guān)節(jié)，即使當(dāng)推離地面時(shí)，腳底可以與地面適當(dāng)?shù)亟佑|。
此外，由于本發(fā)明的腳部結(jié)構(gòu)使用吸收沖擊材料很好地吸收軟沖擊，當(dāng)腳部結(jié)構(gòu)踏在地面上時(shí)，減少了腳部結(jié)構(gòu)在高頻帶的高頻振動(dòng)。
此外，由于腳部結(jié)構(gòu)和地面之間的相互作用平穩(wěn)地吸收兩者之間的沖擊，沖擊沒有傳送到機(jī)器人軀干部，減弱了當(dāng)腳部結(jié)構(gòu)與地面接觸時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)，從而穩(wěn)定機(jī)器人的步態(tài)。
最后，當(dāng)機(jī)器人在不平的地面或具有小障礙的地面上行走時(shí)，腳部結(jié)構(gòu)對(duì)地面的不規(guī)則不敏感，可以簡化機(jī)器人的控制來穩(wěn)定機(jī)器人的步態(tài)。


通過結(jié)合下面的附圖對(duì)優(yōu)選的實(shí)施例做出的詳細(xì)介紹，本發(fā)明的上述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚。
圖1是一個(gè)顯示常規(guī)的機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)的橫截面視圖；圖2是一個(gè)顯示使用六軸力傳感器的通常的機(jī)器人腳部結(jié)構(gòu)的視圖；圖3A是一個(gè)顯示W(wǎng)AF-2結(jié)構(gòu)的視圖；圖3B是一個(gè)顯示形成在圖3A中上腳板下方形成的多個(gè)上制動(dòng)器之一的視圖；圖4是一個(gè)顯示使用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的腳部結(jié)構(gòu)的人形機(jī)器人的透視圖；圖5A是一個(gè)顯示圖4腳部結(jié)構(gòu)的透視圖；圖5B是一個(gè)根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的腳部結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖；圖5C是一個(gè)顯示當(dāng)圖5A中的腳部結(jié)構(gòu)接觸地面時(shí)施加在載板上的力的透視圖；圖6A是一個(gè)顯示圖5A中的腳部結(jié)構(gòu)的吸收沖擊和穩(wěn)定機(jī)構(gòu)(SASM)的透視圖；圖6B是一個(gè)顯示圖5A中腳部結(jié)構(gòu)的SASM的橫截面視圖；圖6C是一個(gè)顯示圖5A中腳部結(jié)構(gòu)的SASM的平面視圖；圖7是一個(gè)顯示通過使用ADAMS(可從微軟公司購買到的代碼)所獲得的SASM的視圖，其中SASM中的上部元件與下部元件分開；圖8是一個(gè)顯示圖6A～圖6C內(nèi)的SASM中下部元件的透視圖；圖9是一個(gè)使用ADAMS(可從微軟公司購買到的代碼)所獲得的圖6A～6C內(nèi)的SASM的上部元件的模型的分解透視圖；圖10是一個(gè)使用ANYSYS6.0(可以從ANYSYS有限公司購買)而獲得的用于解釋如何計(jì)算圖9內(nèi)盤簧剛度的透視圖；圖11是一個(gè)顯示假設(shè)所述盤簧在3毫米位移范圍內(nèi)進(jìn)行操作而獲得的圖9中的盤簧剛度曲線的圖表；圖12是一個(gè)顯示在整個(gè)位移范圍內(nèi)SASM的剛度曲線的圖表；
圖13是一個(gè)顯示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的腳部結(jié)構(gòu)在不平地面上著地的視圖；圖14是一個(gè)施加在圖13所述腳部結(jié)構(gòu)中載板的上中心部位上的力與時(shí)間的關(guān)系曲線；圖15是一個(gè)腳部結(jié)構(gòu)的上部元件的垂直位移與時(shí)間的關(guān)系曲線；圖16是一個(gè)圖13中的腳部結(jié)構(gòu)中的腳跟下表面與不平地面之間接觸力與時(shí)間的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式
下文將詳細(xì)介紹根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的人形機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的元件。
圖4是一個(gè)示出利用根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的腳部結(jié)構(gòu)100的人形機(jī)器人的視圖；人形機(jī)器人100包括兩個(gè)腿102和103以及腰部104。
每個(gè)腿102和103分別包括大腿105和106、脛部107和108以及腳部結(jié)構(gòu)109和110。腿102和103以及腳部結(jié)構(gòu)109和110彼此相同并被對(duì)稱地設(shè)置。因而，僅僅詳細(xì)介紹腿103的腳部結(jié)構(gòu)110。
圖5A和5B分別是示出腳部結(jié)構(gòu)的透視圖和橫截面視圖。
如圖5A和5B所示，腳部結(jié)構(gòu)110包括用于安裝六軸力傳感器以及人形機(jī)器人100的踝關(guān)節(jié)的載板111，還包括安裝在載板111下方的吸收沖擊和穩(wěn)定機(jī)構(gòu)(SASMs)112a～112d。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，腳部結(jié)構(gòu)110具有尺寸235×150×50毫米，每個(gè)SASM112a～112d的尺寸是60×60×50毫米。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例，載板111可以由鋁合金或與用于制造人形機(jī)器人100結(jié)構(gòu)相同的材料制造。
圖5C是一個(gè)透視圖，示出當(dāng)圖5A中的腳部結(jié)構(gòu)完全接觸地面時(shí)施加在載板111上的力。
如圖5C所示，當(dāng)人形機(jī)器人100站在地板112f上時(shí)施加在載板111上的額定力F是人形機(jī)器人重量的一半。
圖6A、6B和6C分別是顯示圖5A中腳部結(jié)構(gòu)SASM112的透視圖、橫截面視圖和平面視圖。
如圖6A～6C所示，SASM112a包括上部元件113、下部元件114和球形接頭115。此外，下部元件114包括下蓋116、多個(gè)線性彈簧117a～117e、由多個(gè)金屬部分125a～125e組成的金屬元件、以及多個(gè)橡膠部分126a～126e。
圖7是一個(gè)示出SASM112a中上部元件113與下部元件114分離狀態(tài)的視圖；圖8是一個(gè)示出圖6A～6C中SASM112a的下部元件114的透視圖；如圖8所示，下部元件114包括下蓋116、五個(gè)獨(dú)立部位118和119a～119d、多個(gè)線性彈簧117a～117e。獨(dú)立部位118和119a～119d分別具有金屬部分125a～125e和橡膠部分126a～126e。此外，根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例，為了確保在所希望范圍內(nèi)沿垂直軸線的平移運(yùn)動(dòng)，獨(dú)立部位118和119a～119d彼此通過線性彈簧117a～117e相連。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所有相對(duì)于地面運(yùn)動(dòng)并且與地面接觸的金屬部分125a～125e被粘結(jié)到由熱塑性橡膠制造的橡膠部分126a～126e上。所述球形接頭115通過一個(gè)螺釘(未示出)被安裝在蓋上。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，獨(dú)立部位118和119a～119d的高度是10毫米。也就是橡膠部分126a～126e的高度為5毫米，由鋁合金制造的金屬部分125a～125e的高度是5毫米。獨(dú)立部位118的運(yùn)動(dòng)范圍是5毫米，其它獨(dú)立部位119a～119d的運(yùn)動(dòng)范圍是10毫米。
圖9是通過使用ADAMS(可以從MSC軟件公司買到)而獲得的在圖6A～6C中的SASM112a的上部元件113的模型的分解透視圖。
如圖9所示，上部元件113包括本體部120、上蓋121和盤簧122。由鈦制成的盤簧122設(shè)置在本體部120的內(nèi)部并與球形接頭115接觸。上蓋121由螺釘(未示)固定在本體部120上。此外，球形接頭115包括多個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧123a～123d，并與本體部120的內(nèi)表面結(jié)合。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，盤簧122具有大約是60毫米外徑和大致是14毫米內(nèi)徑，球形接頭115的半徑是10毫米，本體部120的下部具有孔，孔的半徑比球形接頭115的半徑小，孔的半徑優(yōu)選為大致7毫米。
在本體部120內(nèi)形成的本體部120上部和盤簧122下部之間的空間中充滿與盤簧剛度相比具有高阻尼值和小彈性系數(shù)的軟泡沫材料。
下文介紹根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的腳部結(jié)構(gòu)110的操作原理。
首先，由于腳部結(jié)構(gòu)110具有4個(gè)SASMs112a～112d，每個(gè)SASMs112a～112d具有8個(gè)自由度DOF(degrees of freedom)(由五個(gè)線性彈簧提供的5個(gè)DOF，由所述球形接頭提供的三個(gè)DOF)，腳部結(jié)構(gòu)110具有6個(gè)自由度(DOF)和32個(gè)被動(dòng)剛體DOF。
而且，由于在載板111的下方安裝多個(gè)SASMs112a～112d，腳部結(jié)構(gòu)110具有類似于人腳的非線性剛度特征。
SASMs112a～112d中的一個(gè)的操作原理如下。
首先，固定在下蓋116上的球形接頭115與盤簧122接觸，從而在上部元件113和下部元件114之間提供被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的DOF。而且為了將下部元件114穩(wěn)定在平衡狀態(tài)下，在球形接頭115和上蓋121內(nèi)表面之間設(shè)置4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)彈簧。這種被動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)DOF允許人形機(jī)器人的腳平穩(wěn)地接觸地面。同樣，人形機(jī)器人100對(duì)不平地面不敏感。此外，當(dāng)腳底被推向地面時(shí)，腳底與地面之間的接觸更有效。
其次，通過線性彈簧117a～117e與下蓋116的內(nèi)表面接觸的5個(gè)獨(dú)立的可動(dòng)部位118和119a～119d提供上部元件113和下部元件114之間的被動(dòng)平移DOF。而且，為了在腳底和地板之間獲得有效的接觸，5個(gè)獨(dú)立的可動(dòng)部位118和119a～119d被由橡膠126a～126e組成的層覆蓋。因而，獨(dú)立的可動(dòng)部位118和119a～119d可以彼此相對(duì)地在固定的范圍內(nèi)獨(dú)立地運(yùn)動(dòng)。
第三，通過下述方法計(jì)算線性彈簧117a～117e的剛度。
假設(shè)人形機(jī)器人100的總重是N＝1000N，施加在每個(gè)SASM上的額定力是P＝125N(＝1000N/8)。這樣，施加在每個(gè)載板111中央部位上的力是Q/2。在這種情況下，SASM的下蓋116與中央獨(dú)立部位118的內(nèi)表面完全接觸。因而，假設(shè)獨(dú)立可動(dòng)部位的額定位移是d＝5毫米，線性彈簧的剛度(Clin)是5N/mm(＝P/d/5)，SASM的下部元件114的剛度(Clower)是25N/mm(＝5Clin)。
圖10是一個(gè)介紹如何計(jì)算圖9中盤簧122剛度的視圖。
在圖10中，通過使用ANYSYS6.0(可以從ANYSYS有限公司購買)進(jìn)行非線性有限元分析來計(jì)算盤簧122的剛度(Cdisk)。
假設(shè)盤簧122在位移0～3毫米內(nèi)操作，盤簧122的剛度曲線在圖11中表示。因而，由更高剛性的鈦制盤簧122承受該高沖擊力，通過有限元方法計(jì)算剛度曲線并且圖示在此。
圖12是一個(gè)在整個(gè)位移范圍內(nèi)的SASM剛度曲線的圖表，其中X軸表示位移，Y軸表示剛度。
使用下述方程獲得圖12的圖表方程1Ceqv(d)=Clower×Cdisk(d)Clower+Cdisk(d),d<Dnom=5mm]]>方程2Ceqv(d)＝Cdisk(d)， d≥Dnom＝5mm其中，Ceqv(d)表示總剛度，Clower表示下部元件114的剛度，Cdisk(d)表示盤簧122的剛度，Dnom表示額定位移。方程1和2分別適用于下述情況，即額定位移大于5毫米以及額定位移小于5毫米。
雖然人形機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)100包括四個(gè)SASMs，每個(gè)包括五個(gè)獨(dú)立部位，但是可以設(shè)置或多或少的SASMs。
此外，雖然載板111具有一個(gè)凹形，并且采用下述方式構(gòu)成每個(gè)SASM，也就是與底部接觸的整個(gè)獨(dú)立部位具有矩形結(jié)構(gòu)，但載板111和獨(dú)立部位可以具有其它形狀。
圖13是一個(gè)顯示腳部結(jié)構(gòu)110在不平地面上著地的視圖；圖14是一個(gè)施加在圖13所示腳部結(jié)構(gòu)110中載板111的上中心部位上的力與時(shí)間關(guān)系的曲線。圖14顯示腳部結(jié)構(gòu)110的初始垂直速度是100mm/s。
圖15是一個(gè)圖13所示腳部結(jié)構(gòu)110的上部元件113的垂直位移與時(shí)間關(guān)系的曲線。
參考圖15，實(shí)線表示腳趾的垂直位移，虛線表示踝關(guān)節(jié)的垂直位移，點(diǎn)劃線表示腳部結(jié)構(gòu)110的根部的垂直位移。
圖16是圖13中腳部結(jié)構(gòu)110中的腳后跟下表面與不平地面之間接觸力和時(shí)間關(guān)系的曲線。
以上通過參考在附圖中表示的示例性實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作了特別的展示和說明，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，應(yīng)該明白，在不背離本發(fā)明的精神和范圍下可以做出在形式上和細(xì)節(jié)上的各種改變和修改。因此本發(fā)明要保護(hù)的真正精神和范圍由所附的權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求
1.一種人形機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)，所述腳部結(jié)構(gòu)包括用于安裝人形機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)的支撐物；及多個(gè)與所述支撐物底部相連的下構(gòu)件，用于吸收沖擊并穩(wěn)定人形機(jī)器人的步態(tài)，其中每個(gè)下構(gòu)件包括與該支撐物的底部相連的上部元件；具有多個(gè)獨(dú)立部位的下部元件，每個(gè)與下部元件可動(dòng)地相連；及用于連接上部元件和下部元件的旋轉(zhuǎn)接頭。
2.如權(quán)利要求1所述的腳部結(jié)構(gòu)，其中所述支撐物包括力傳感器。
3.如權(quán)利要求1所述的腳部結(jié)構(gòu)，其中所述下部元件包括一下蓋；及多個(gè)用于可移動(dòng)地將各獨(dú)立部位與下蓋相連的線性彈簧。
4.如權(quán)利要求3所述的腳部結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)獨(dú)立部位包括與其中一個(gè)線性彈簧相連的金屬部分和一個(gè)與地面接觸的橡膠部分。
5.如權(quán)利要求4所述的腳部結(jié)構(gòu)，其中所述下部元件包括一設(shè)置在下部元件中心部位上的矩形形狀的獨(dú)立部分以及圍繞所述獨(dú)立部分對(duì)稱設(shè)置的四個(gè)獨(dú)立部分。
6.如權(quán)利要求1所述的腳部結(jié)構(gòu)，其中所述上構(gòu)件包括一本體部；覆蓋所述本體部的上蓋；以及設(shè)置在本體部和上蓋之間的盤簧。
7.如權(quán)利要求6所述的腳部結(jié)構(gòu)，其中在本體部下表面和盤簧上形成一圓形開口。
8.如權(quán)利要求6所述的腳部結(jié)構(gòu)，其中所述各獨(dú)立部位提供在垂直于與地面接觸的腳部結(jié)構(gòu)的表面的方向上平移運(yùn)動(dòng)的自由度。
9.如權(quán)利要求6所述的腳部結(jié)構(gòu)，其中如果施加在腳部結(jié)構(gòu)上的額定力在一個(gè)與其望的范圍內(nèi)，該機(jī)構(gòu)的總剛度由下述方程確定Ceqv(d)=Clower×Cdisk(d)Clower+Cdisk(d),d<Dnom=5mm]]>其中，Ceqv(d)表示機(jī)構(gòu)的總剛度，Clower表示下部元件的剛度，Cdisk(d)表示盤簧的剛度，以及Dnom表示額定位移。
10.如權(quán)利要求9所述的腳部結(jié)構(gòu)，其中如果施加在腳部結(jié)構(gòu)上的額定力在一個(gè)與其的范圍內(nèi)，該機(jī)構(gòu)的總剛度由下述方程確定Ceqv(d)＝Cdisk(d)，d≥Dnom＝5mm在此，Ceqv(d)表示機(jī)構(gòu)的總剛度，Clower表示下部元件的剛度，Cdisk(d)表示盤簧的剛度，Dnom表示額定位移。
11.一種包括至少一個(gè)軀干部以及多個(gè)腿部的人形機(jī)器人，每個(gè)腿部具有與所述軀干部相連的腳部結(jié)構(gòu)，該腳部結(jié)構(gòu)包括用于安裝人形機(jī)器人踝關(guān)節(jié)的支撐物；及多個(gè)與所述支撐物底部相連的下構(gòu)件，用于吸收沖擊并穩(wěn)定人形機(jī)器人的步態(tài)，其中每個(gè)下構(gòu)件包括與該支撐物的底部相連的上部元件；具有多個(gè)獨(dú)立部分的下部元件，每個(gè)與下部元件可動(dòng)地相連；及用于連接上部元件和下部元件的旋轉(zhuǎn)接頭。
12.如權(quán)利要求11所述的人形機(jī)器人，其中所述支撐物由金屬制成并包括力傳感器。
13.如權(quán)利要求11所述的人形機(jī)器人，其中每個(gè)下部元件包括一下蓋；多個(gè)可移動(dòng)地將各獨(dú)立部分與下蓋相連的線性彈簧。
14.如權(quán)利要求13所述的人形機(jī)器人，其中每個(gè)獨(dú)立部分包括與線性彈簧相連的金屬部分和與地面接觸的橡膠部分。
15.如權(quán)利要求14所述的人形機(jī)器人，其中所述下部元件包括設(shè)置在下部元件中心部位上的矩形形狀的獨(dú)立部分以及圍繞所述獨(dú)立部分對(duì)稱設(shè)置的四個(gè)獨(dú)立部分。
16.如權(quán)利要求11所述人形機(jī)器人，其中所述上構(gòu)件包括一本體部；覆蓋所述本體部的上蓋；及設(shè)置在本體部和上蓋之間的盤簧。
17.如權(quán)利要求16所述的人形機(jī)器人，其中在本體部下表面和盤簧上形成一圓形開口。
18.如權(quán)利要求16所述的人形機(jī)器人，其中每個(gè)下部元件還包括用于將上部元件連接到下部元件的旋轉(zhuǎn)接頭，所述旋轉(zhuǎn)接頭的直徑比圓形開口的直徑大。
19.如權(quán)利要求16所述的人形機(jī)器人，其中所述多個(gè)獨(dú)立部分提供在垂直于與地面接觸的腳部結(jié)構(gòu)的表面的方向上平移運(yùn)動(dòng)的自由度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種人形機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)，其在暫停狀態(tài)或行動(dòng)時(shí)能夠有效地保持平衡。所述腳部結(jié)構(gòu)包括一支撐物；多個(gè)使上部元件與所述支撐物底部相連的下構(gòu)件；具有多個(gè)獨(dú)立部位的多個(gè)下部元件，每個(gè)都與上部元件相連；用于連接上部元件和下部元件的旋轉(zhuǎn)接頭。由于腳部結(jié)構(gòu)和地面進(jìn)行平穩(wěn)接觸，阻止將沖擊傳遞到人形機(jī)器人的軀干部。減少人形機(jī)器人踏在地面上時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)，從而使人形機(jī)器人可以擺出穩(wěn)定和平穩(wěn)步態(tài)。
文檔編號(hào)B25J13/08GK1651295SQ20051000560
公開日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2005年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月6日
發(fā)明者利奧尼德·馬斯洛夫, 孫榮, 郭朱泳 申請(qǐng)人:三星電子株式會(huì)社