專利名稱：一種具有多自由度的仿人機器人腳板機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及機器人技術領域，具體來說，是一種具有8個自由度的仿人機器人腳板機構。
背景技術：
人類足部單側由沈塊骨頭組成，同時含四個關節(jié)，42條肌肉及25條肌腱。得益于復雜足部的高度靈活性，人類才能穩(wěn)定行走于凹凸不平、空間障礙等復雜環(huán)境。仿人機器人除需要具備類人的形體和外觀外，更需要具備類人的行為特征-雙足步行。仿人機器人只有像人類一樣隨時走到需要的地方、能自主完成預先設置的工作，才能發(fā)揮其不可估量的作用。傳統(tǒng)仿人機器人平板剛性的足部構型，不具有任何自動適應凹凸變化地表形貌的特性與功能。例如公開號為CN101402380A，
公開日為2009年4月8日的發(fā)明專利《一種仿人機器人足部沖擊吸收機構》中公開的仿人機器人足部沖擊吸收機構，包括腳底板、減震柱、力傳感器、上蓋板、調節(jié)墊圈、防滑墊。該發(fā)明主要利用減震柱起到吸收沖擊及減震的作用，結構緊湊，但是腳底板為剛性機構，不具備自動適應不平整地面的特性與功能。公開號為CN101108146A，
公開日為2008年01月23日的發(fā)明專利《一種人形機器人腳》中公開的人形機器人腳，包括腳板、橡膠腳底層、六維力傳感器、上法蘭、下法蘭、傾角傳感器、觸覺陣列墊、信號處理系統(tǒng)和腳面。該發(fā)明通過橡膠腳底層吸收腳著地時的沖擊力，不具有任何自動適應凹凸變化地表形貌的特性與功能。

發(fā)明內容
為了解決現(xiàn)有技術的缺陷，本發(fā)明提供一種更加有效的具有多自由度的仿人機器人腳板機構，解決了現(xiàn)有仿人機器人的腳板與凹凸不平地面的匹配問題，實現(xiàn)自動適應凹凸變化地表形貌的特性與功能。本發(fā)明一種具有多自由度的仿人機器人腳板機構，由中央固定板以及四個腳板構成；所述中央固定板水平設置，與仿人機器人的踝關節(jié)固連。四個腳板結構相同，在中央固定板的前側與后側上各鉸接有兩個連接板，每個連接板均通過鉸鏈連接一個腳板。其中，鉸鏈的旋轉軸與中央固定板前后方向軸線平行，四個腳板分別位于中央固定板的左前方、右前方、左后方與右后方。每個鉸鏈的旋轉軸上安裝有扭簧。扭簧一側的伸出部分固定在鉸鏈中第一合頁與連接板間，另一側的伸出部分固定在第二合頁與腳板之間。通過上述結構，形成仿人機器人多自由度腳板機構。當腳板機構中各個腳板與凹凸不平的地面接觸時，通過扭簧作用，各個腳板可依據(jù)所接觸的地表曲率與連接板形成一定角度，使各個腳板與地面形成至少四個接觸點的空間支撐面，有效避免了腳板與凹凸不平地面僅以點或線接觸導致行走失敗問題；當腳板離開地面時，在扭簧作用下腳板恢復到初始狀態(tài)。當仿人機器人在凹凸不平的地面行走時，可通過驅動電機驅動腳板機構中各個連接板相對于中央固定板做俯仰運動，由此帶動各個腳板做俯仰運動，實現(xiàn)仿人機器腳部與凹凸地面的貼合。本發(fā)明的優(yōu)點在于1、本發(fā)明腳板機構設計具有8個自由度，通過扭簧作用，各腳板實現(xiàn)自動貼合凹凸不平地面，解決腳板與凹凸不平地面的匹配問題，實現(xiàn)自動適應凹凸變化地表形貌的特性與功能；2、本發(fā)明腳板機構采用被動結構，不需要驅動，有效降低控制及結構復雜性。


圖1為本發(fā)明腳板機構結構俯視圖；圖2為本發(fā)明腳板機構結構仰視圖；圖3為本發(fā)明腳板機構中腳板轉動示意圖；圖4為應用時本發(fā)明腳板機構時驅動電機安裝示意圖； 圖5為驅動電機具體安裝方式示意圖。圖中1-中央固定板 2-腳板3-鉸鏈 4-連接板5-扭簧6-踝關節(jié)連接架7-驅動電機8-鎖軸9-彈簧10-彈簧支撐座11-連桿 12-銷13-電機支架 301-第一合頁 302-第二合頁
具體實施例方式下面結合附圖與實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。本發(fā)明一種仿人機器人多自由度腳板機構，采用被動的腳趾形式，由中央固定板1 以及四個腳板2構成，如圖1、圖2所述；所述中央固定板1為水平設置的矩形，與仿人機器人的踝關節(jié)固連。四個腳板2 結構相同，每個腳板2通過鉸鏈3與中央固定板1相連。其具體連接方式為在中央固定板 1的前側與后側上各鉸接有兩個連接板4。每個連接板4均通過鉸鏈3連接一個腳板2，其中，鉸鏈3中第一合頁301與連接板4固連，鉸鏈3中第二合頁302與腳板2固連，鉸鏈3 的旋轉軸303與中央固定板1前后方向軸線平行，由此使四個腳板2分別位于中央固定板1 的左前方、右前方、左后方與右后方，通過上述結構，形成8個自由度的腳板機構。上述結構中，中央固定板1的前側的兩個連接板4與后側上的兩個連接板4相對于中央固定板1左右方向軸線對稱，且相對與中央固定板1前后方向軸線對稱。同樣，位于中央固定板1左前方與右前方的腳板2與中央固定板1左后方與右后方的腳板2相對于中央固定板1左右方向軸線對稱，且相對與中央固定板1前后方向軸線對稱，由此，保證各腳板2受力均衡。為實現(xiàn)四個腳板2自動適應貼合凹凸不平地面，在每個鉸鏈3的旋轉軸上安裝有高剛度的扭簧5，其剛度應滿足四分之一仿人機器人重量，產生的形變小于Γ。在扭簧5 處于初始狀態(tài)時，扭簧5兩側的伸出部分平行。扭簧5—側的伸出部分與第一合頁301寬度相等，固定在鉸鏈3中第一合頁301與連接板4間；扭簧5另一側的伸出部分與第二合頁302寬度相等固定在第二合頁302與腳板2之間。扭簧5兩側伸出部分端部具有U型結構，分別卡住鉸鏈3中的第一合頁301與第二合頁302，從而保證了腳板2與連接板4在初始狀態(tài)時相互平行，并且扭簧5雙向跟隨腳板運動。上述腳板2均采用一端向上翹起的圓弧腳板，且位于中央固定板1左前方與右前方的腳板2向上翹起一端朝向前方，位于中央固定板1左后方與右后方的腳板2向上翹起一端朝向后方，由此，使腳板機構整體形成擬人類步行中足弓結構，提高步行效率。所述每個腳板2底部設有防滑墊，以提高腳板2與地面的摩擦力，防止機器人行走過程中打滑。通過上述結構，形成仿人機器人多自由度腳板機構。當腳板機構中各個腳板2與凹凸不平的地面接觸時，通過扭簧5作用，各個腳板2可依據(jù)所接觸的地表曲率與連接板形成一定角度，如圖3所示，使各個腳板2與地面形成至少四個接觸點的空間支撐面，有效避免了腳板2與凹凸不平地面形成的點或線接觸而導致的行走失敗問題；當腳板2離開地面時，在扭簧5作用下使腳板2恢復到初始狀態(tài)。當仿人機器人在凹凸不平的地面行走時，可通過驅動電機驅動腳板機構中各個連接板4相對于中央固定板1做俯仰運動，由此帶動各個腳板2做俯仰運動，由此實現(xiàn)仿人機器腳部與凹凸地面的貼合。由于本發(fā)明腳板機構作為仿人機器人的支撐部位，因此由此仿人機器人的重量會壓迫中央固定板1向下運動，造成在腳板2未運動時便與中央固定板1產生相對運動，為了避免這種情況，將各個鉸鏈3的第二合頁302均固定在其對應腳板2的外側，且使第二合頁 302的外側邊與腳板2外側邊重合，且上述用來驅動腳板工作的電機機體需要與中央固定板1間的相對位置固定。下面給出應用本發(fā)明腳板機構在應用中的具體實施例。如圖4所示，在中央固定板1上安裝固定有仿人機器人踝關節(jié)連接架6，踝關節(jié)連接架6用來連接仿人機器人的踝關節(jié)，仿人機器人中每個踝關節(jié)對應一個腳板機構。腳板機構中各個連接板4通過驅動電機7控制，各個連接板4與驅動電機7連接方式相同，下面以其中一個連接板4與驅動電機7連接方式為例進行說明，如圖5所示，驅動電機7的輸出軸與鎖軸8套接固定，鎖軸8可跟隨驅動電機7的輸出軸運動，鎖軸8上套接有彈簧9，彈簧 9軸線與鎖軸8軸線重合，彈簧9底端通過彈簧固定銷釘與彈簧支撐座10固定，彈簧支撐座10與連桿11 一端鉸接，連桿11另一端與連接板4鉸接，連桿11可繞彈簧支撐座10、連接板4轉動。鎖軸8上有與彈簧9螺旋角相同的傾斜通孔，銷12從一側彈簧9鋼絲間隙中穿入鎖軸8上的傾斜通孔，然后從另一側彈簧9鋼絲間隙穿出，從而銷12將彈簧9分隔為不可壓縮和可壓縮的上下兩部分。上述驅動電機7通過電機支架13與踝關節(jié)連接架6固定。由此，通過上述結構，驅動電機7的電機軸旋轉運動，帶動鎖軸8轉動，使得彈簧9 在鎖軸8上銷12的作用下進行伸縮運動，從而帶動彈簧支撐座10上下運動，由此通過與彈簧支撐座10鉸接的連桿11帶動連接板4做俯仰運動。另外所設計腳板機構具有被動特性，無需驅動電機驅動便可自動貼合凸起地面， 因此當腳板2著落在凸起地面時，腳板2及連接板4在地面反力的作用下向上轉動，由于鎖軸8為剛性元件，彈簧支撐座10只能沿鎖軸軸線上下運動，因此當連接板4向上轉動時，連桿11繞彈簧支撐座10、連接板4轉動，彈簧支撐座10向上運動，因此彈簧支撐座10到銷 12距離減小，即銷12以下的彈簧9被壓縮，實現(xiàn)可逆的被動關節(jié)轉動，以貼合凸起地面。
權利要求
1.一種具有多自由度的仿人機器人腳板機構，其特征在于由中央固定板以及四個腳板構成；所述中央固定板水平設置，與仿人機器人的踝關節(jié)固連；四個腳板結構相同，在中央固定板的前側與后側上各鉸接有兩個連接板，每個連接板均通過鉸鏈連接一個腳板；其中，鉸鏈的旋轉軸與中央固定板前后方向軸線平行，四個腳板分別位于中央固定板的左前方、右前方、左后方與右后方；每個鉸鏈的旋轉軸上安裝有扭簧；扭簧一側的伸出部分固定在鉸鏈中第一合頁與連接板間，另一側的伸出部分固定在第二合頁與腳板之間。
2.如權利要求1所述一種具有多自由度的仿人機器人腳板機構，其特征在于所述扭簧處于初始狀態(tài)時，扭簧兩側的伸出部分平行。
3.如權利要求1所述一種具有多自由度的仿人機器人腳板機構，其特征在于所述扭簧一側的伸出部分與第一合頁寬度相等，扭簧另一側的伸出部分與第二合頁寬度相等。
4.如權利要求1所述一種具有多自由度的仿人機器人腳板機構，其特征在于所述扭簧兩側伸出部分端部具有U型結構。
5.如權利要求1所述一種具有多自由度的仿人機器人腳板機構，其特征在于所述扭簧的剛度應滿足四分之一仿人機器人重量，產生的形變小于1°。
6.如權利要求1所述一種具有多自由度的仿人機器人腳板機構，其特征在于所述中央固定板前側的兩個連接板與后側上的兩個連接板相對于中央固定板左右方向軸線對稱； 且相對與中央固定板前后方向軸線對稱。
7.如權利要求1所述一種具有多自由度的仿人機器人腳板機構，其特征在于所述中央固定板前方的兩個腳板與后方的兩個腳板相對于中央固定板左右方向軸線對稱，且相對與中央固定板前后方向軸線對稱。
8.如權利要求1所述一種具有多自由度的仿人機器人腳板機構，其特征在于每個鉸鏈的第二合頁均固定在其所連接腳板的外側。
9.如權利要求1所述一種具有多自由度的仿人機器人腳板機構，其特征在于所述四個腳板均采用一端向上翹起的圓弧腳板，且位于中央固定板左前方與右前方的腳板向上翹起一端朝向前方，位于中央固定板左后方與右后方的腳板向上翹起一端朝向后方。
10.如權利要求1所述一種具有多自由度的仿人機器人腳板機構，其特征在于所述四個腳板底部均設有防滑墊。
全文摘要
本發(fā)明一種具有多自由度的仿人機器人腳板機構，屬于機器人技術領域，由中央固定板以及四個腳板構成；中央固定板的前側與后側上各鉸接有兩個連接板，每個連接板均通過鉸鏈連接一個腳板，使四個腳板分別位于中央固定板的左前方、右前方、左后方與右后方。每個鉸鏈的旋轉軸上安裝有扭簧。當腳板機構中各個腳板與凹凸不平的地面接觸時，通過扭簧作用，各腳板根據(jù)接觸的地表曲率與連接板形成一定角度，使各腳板與地面形成至少四個接觸點的空間支撐面；當腳板離開地面時，在扭簧作用下腳板恢復到初始狀態(tài)。本發(fā)明結構簡單，不需驅動便可使腳板自適應貼合任意不平整地面，解決腳板與凹凸不平地面匹配問題，實現(xiàn)自動適應凹凸變化地表形貌的特性與功能。
文檔編號B62D57/032GK102514649SQ20111044992
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月29日 優(yōu)先權日2011年12月29日
發(fā)明者帥梅, 王中宇, 魏慧 申請人:北京航空航天大學