本發(fā)明屬于工程仿生領域，應用于雙足機器人，具體涉及一種具有足底感知能力的仿生二趾機械足。

背景技術：

相比輪式機器人，足式機器人因其在非常規(guī)地面優(yōu)越的越障、通過性能，被廣泛應用于深空探測、物資運輸、搶險救援等領域。然而，當前足式機器人發(fā)展面臨的主要問題是行走穩(wěn)定性、平衡性及能耗問題，尤其是雙足機器人，這也成為制約足式機器人發(fā)展的重要問題。

非洲鴕鳥是世界上現(xiàn)存最大、最重的平胸鳥類，常年生活在沙漠地區(qū)，不會飛翔，但能夠持久、穩(wěn)健地高速奔跑。鴕鳥是唯一一種二趾足鳥類，成年鴕鳥體重可達130-150kg。鴕鳥持續(xù)奔跑速度可達50-60km/h，可持續(xù)奔跑半小時而不累，沖刺時速超過70km/h，并且能夠平穩(wěn)轉彎和制動。鴕鳥身體重量僅由二趾結構承擔，再加上行走和奔跑產生的沖擊力影響，鴕鳥必須對其足部二趾配合運動姿態(tài)進行及時調整，以達到平穩(wěn)、節(jié)能及高速的運動?；邙r鳥高效、平穩(wěn)的運動特點，采用工程仿生技術，設計了一種具有足底感知能力的仿生二趾機械足。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明公開一種具有足底感知能力的仿生二趾機械足，主要應用于雙足機器人領域。該仿生機械足以鴕鳥二趾右足結構和觸沙二趾姿態(tài)為仿生原型，通過機械設計與控制相結合，對足部穩(wěn)定狀況進行判斷，實現(xiàn)了二趾足部自適應輔助支撐的功能，有利于提高足式機器人行走的穩(wěn)定性、平順性及節(jié)能性。

本發(fā)明的目的是通過以下方案實現(xiàn)的：

一種具有足底感知能力的仿生二趾機械足，由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成；機械系統(tǒng)包括承載趾、輔助趾、支撐桿、傳動軸、連接法蘭盤；承載趾與支撐桿固定連接，輔助趾部分插入承載趾內部且承載趾與輔助趾在趾后跟處通過傳動軸轉動連接，輔助趾與傳動軸采用鍵連接，舵機與所述傳動軸通過傳動法蘭盤連接，舵機通過舵機架固定在支撐桿上，承載趾足底外側失穩(wěn)區(qū)上由外向內依次并排黏貼有4個壓力傳感器。

進一步地，所述4個壓力傳感器均為薄膜壓力傳感器。

進一步地，所述承載趾和輔助趾的足底均黏貼有橡膠墊。

進一步地，所述承載趾與輔助趾在垂直方向上的間距為3mm。

進一步地，所述控制系統(tǒng)包括電源模塊、復位模塊、傳感器模塊、信號調理模塊、微處理器及舵機模塊；控制系統(tǒng)上電后，微處理器自動復位并初始化；微處理器進行足底壓力信息掃描，通過傳感器模塊采集4個壓力傳感器的壓力值信號并經過信號調理模塊調理，將調理后的4個壓力傳感器15的壓力值信號依次傳輸?shù)轿⑻幚砥鰽DC的4個端口；微處理器進行足底壓力信息判斷，當某一壓力傳感器采集的壓力值大于其設定閾值時，微處理器產生舵機角度控制信號；通過舵機模塊控制舵機轉動相應角度，從而將輔助趾和承載趾分離一定角度，并延時一段時間等待足部和身體姿態(tài)調整，然后再進行下一輪的足底壓力信息掃描和判斷。

更進一步地，所述微處理器進行足底壓力信息判斷時對4個壓力傳感器劃定優(yōu)先級，微處理器按照優(yōu)先級由高到低的順序依次掃描4個壓力傳感器的壓力值，當優(yōu)先級高的壓力傳感器超出其閾值時，微處理器不再對比其優(yōu)先級低的壓力傳感器進行掃描，而是直接產生舵機角度控制信號，驅動舵機轉動相應角度，將輔助趾和承載趾分離。

更進一步地，所述壓力傳感器優(yōu)先級為：根據(jù)壓力傳感器在承載趾足底外側失穩(wěn)區(qū)上的位置，最外側位置的壓力傳感器優(yōu)先級最高，按照壓力傳感器位置由外向內的順序，對應位置的壓力傳感器優(yōu)先級依次降低。

本發(fā)明的仿生原理：

在鴕鳥行走或奔跑過程中，當鴕鳥足觸地時，第Ⅲ趾與第Ⅳ趾基本同時著地。但是，鴕鳥會根據(jù)身體和足的穩(wěn)定狀態(tài)來判斷是否有必要調節(jié)第Ⅳ趾，以使自己的身體達到穩(wěn)定、平衡和節(jié)能的效果。另外，根據(jù)鴕鳥在行走和慢跑時足底壓力分布測試可知，第Ⅲ趾壓力峰值先出現(xiàn)，隨后第Ⅳ趾的壓力峰值才出現(xiàn)。因此，鴕鳥身體的重量主要由第Ⅲ趾來支撐，第Ⅳ趾起到輔助支撐的作用。

根據(jù)ZMP理論，鴕鳥二趾右足的足底可分為穩(wěn)定區(qū)和外側失穩(wěn)區(qū)、內側失穩(wěn)區(qū)。當右足的實際ZMP點位于足底內側失穩(wěn)區(qū)時，鴕鳥會通過雙足的配合自適應調節(jié)機制，在下一個運動姿態(tài)，即左足觸地時，通過分離左足的第Ⅳ趾來起到輔助支撐的作用。當右足的實際ZMP點位于足底外側失穩(wěn)區(qū)時，鴕鳥會通過自適應調節(jié)機制，在右足觸地時通過分離右足的第Ⅳ趾來起到輔助支撐的作用?；邙r鳥二趾足結構和觸沙二趾姿態(tài)，設計了一種具有足底感知能力的仿生二趾機械足。

本發(fā)明的工作原理：

當機械足與地面相互接觸后，薄膜壓力傳感器會感知足底壓力大小和分布位置。當足底外側失穩(wěn)區(qū)壓力超過設定的閾值時，信號轉換模塊會將壓力信號轉換為驅動舵機轉動的電信號，從而將輔助趾和承載趾分離一定角度，起到輔助支撐的作用。另外，微處理器會根據(jù)足底外側失穩(wěn)區(qū)不同的位置是否超過設定的閾值來控制輔助趾和承載趾分離的角度大小，這起到了節(jié)能的作用。

基于鴕鳥二趾足結構和觸沙二趾姿態(tài)，薄膜壓力傳感器被布置在足底外側失穩(wěn)區(qū)。由于實際ZMP點處于不同區(qū)域時能反映足部失穩(wěn)的不同程度，因此，該仿生機械足的足底壓力傳感器按由外層到內層優(yōu)先級別依次降低被劃定為4個不同的優(yōu)先級別。在機械足運動過程中，微處理器有選擇地依次掃描壓力傳感器的壓力值。當最外層第一壓力傳感器的壓力值超出閾值時，微處理器跳過對內層3個壓力傳感器壓力值的掃描和判斷，直接驅動輔助趾轉動，與承載趾呈40°夾角，如圖7所示。當最外層第一壓力傳感器的壓力值在閾值內，次外層第二壓力傳感器的壓力值超出閾值時，微處理器跳過對內層2個傳感器壓力值的掃描和判斷，直接驅動輔助趾轉動，與承載趾呈30°夾角。依此類推，完成對4個壓力傳感器壓力值的掃描和對承載趾的穩(wěn)定狀態(tài)進行判斷。當4個壓力傳感器的輸出值都在閾值內時，輔助趾不會轉動，處于初始位置，如圖6所示。

輔助趾轉動到每個角度位置后，微處理器會控制輔助趾保持0.5秒，給足部和身體姿態(tài)的調整預留一定時間，然后再進行下一輪的掃描。當足部和身體調整到穩(wěn)定狀態(tài)后，失穩(wěn)區(qū)的壓力值會從外到內層依次恢復到閾值內，輔助趾恢復到初始狀態(tài)。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明通過機械設計和控制原理相結合，根據(jù)足部和身體的穩(wěn)定狀態(tài)，基于足底壓力感知，實現(xiàn)了二趾自適應分離，起到輔助支撐和節(jié)能的作用。同時，該仿生機械足結構簡單、控制方便，有利于提高機器人行走的穩(wěn)定性和平順性，同時降低能量消耗，具有廣泛的應用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的立體圖。

圖2是本發(fā)明的主視圖。

圖3是本發(fā)明的傳動軸處剖視圖。

圖4是本發(fā)明的左視圖。

圖5是本發(fā)明的足底壓力傳感器布置圖。

圖6是本發(fā)明的二趾閉合狀態(tài)俯視圖。

圖7是本發(fā)明的二趾分離狀態(tài)俯視圖。

圖8是本發(fā)明的控制原理圖。

圖9是本發(fā)明的地面感知系統(tǒng)優(yōu)先級別判斷原理圖。

圖中：1-承載趾，2-輔助趾，3-支撐桿，4-舵機架，5-舵機，6-連接法蘭盤，7-軸承端蓋，8-傳動軸，9-軸承，10-鍵，11-橡膠墊，12-第一壓力傳感器，13-第二壓力傳感器，14-第三壓力傳感器，15-第四壓力傳感器，16-穩(wěn)態(tài)區(qū)，17-內側失穩(wěn)區(qū)，18-外側失穩(wěn)區(qū)。

具體實施方式

本發(fā)明公開一種具有足底感知能力的仿生二趾機械足。該仿生機械足主要由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成。下面結合圖1到圖9，對本發(fā)明進行詳細說明。

機械系統(tǒng)主要包括承載趾1、輔助趾2、支撐桿3、傳動軸8、鍵10、連接法蘭盤6、軸承9、軸承端蓋7、舵機架4及橡膠墊11，如圖1、圖3、圖5所示。對承載趾1和輔助趾2進行組合，輔助趾2部分插入承載趾1內部，且承載趾1與輔助趾2在垂直方向上的間距是3mm，如圖4所示。承載趾1和支撐桿3采用螺栓進行固定，如圖5所示。承載趾1和輔助趾2在趾后跟處采用傳動軸8連接，輔助趾2與傳動軸8之間采用鍵10驅動，輔助趾2僅保留水平面上的轉動自由度，傳動軸8采用軸承9進行定位。傳動軸8上側采用軸承端蓋7固定，下端通過承載趾1進行定位。舵機5通過舵機架4固定在支撐桿3上，舵機5與傳動軸8之間采用傳動法蘭盤6進行連接。承載趾1包括穩(wěn)態(tài)區(qū)16、位于穩(wěn)態(tài)區(qū)16外側的外側失穩(wěn)區(qū)18和位于穩(wěn)態(tài)區(qū)16內側的內側失穩(wěn)區(qū)17，4個薄膜壓力傳感器12、13、14、15在同一水平線上由外向內依次黏貼在承載趾1足底外側失穩(wěn)區(qū)，如圖5所示。為了降低薄膜壓力傳感器直接與地面接觸，產生磨損、錯位等問題，承載趾和輔助趾足底黏貼了2mm厚的橡膠墊11，起到了緩沖、保護的作用。

控制系統(tǒng)對壓力傳感器的信號進行處理，通過控制舵機轉動來實現(xiàn)輔助趾的動作控制?？刂葡到y(tǒng)主要包括電源模塊、復位模塊、RFP-604傳感器模塊、信號調理模塊、ATmega128微處理器及JX-6221MG-180舵機模塊等，控制原理如圖8和圖9所示?？刂葡到y(tǒng)上電后，微處理器自動復位并初始化；微處理器初始化完成后，通過傳感器模塊采集第一壓力傳感器12至第四壓力傳感器15的壓力值信號并經過信號調理模塊調理，調理后的第一壓力傳感器12至第四壓力傳感器15的壓力值信號依次傳輸?shù)轿⑻幚砥鰽DC的1至4號端口；壓力值判斷的優(yōu)先級即按端口1—4順序排列，當?shù)?端口的壓力值(即第一壓力傳感器12采集到的壓力值)大于其設定閾值時，微處理器直接產生舵機角度控制信號，而不處理其他次優(yōu)先級的壓力信息，依此類推；微處理器產生對應的舵機角度控制信號后，通過舵機模塊控制舵機轉動相應角度并延時0.5秒等待足部和身體姿態(tài)調整，然后再進行下一輪的足底壓力信息掃描和判斷。

微處理器進行足底壓力信息判斷時對4個壓力傳感器采集的壓力值劃定優(yōu)先級，微處理器按照優(yōu)先級由高到低的順序依次掃描4個壓力傳感器的壓力值，當優(yōu)先級高的壓力傳感器超出其閾值時，微處理器不再對比起優(yōu)先級低的壓力傳感器進行掃描，而是直接產生舵機角度控制信號，驅動舵機轉動相應角度，將輔助趾和承載趾分離至最大角度，從而起到快速動作的效果。當優(yōu)先級高的壓力傳感器沒有超出閾值時，微處理器再對次優(yōu)先級的壓力傳感器進行判斷，進而驅動輔助趾動作至設定位置。優(yōu)先級劃分為：根據(jù)壓力傳感器在承載趾足底外側失穩(wěn)區(qū)上的位置，最外側位置的壓力傳感器(第一壓力傳感器12)優(yōu)先級最高，按照壓力傳感器位置由外向內的順序，對應位置的壓力傳感器優(yōu)先級依次降低。

本發(fā)明的工作原理：

當機械足與地面相互接觸后，薄膜壓力傳感器會感知足底壓力大小和分布位置。當足底外側失穩(wěn)區(qū)壓力超過設定的閾值時，信號轉換模塊會將壓力信號轉換為驅動舵機轉動的電信號，從而將輔助趾和承載趾分離一定角度，起到輔助支撐的作用。另外，微處理器會根據(jù)足底外側失穩(wěn)區(qū)不同的位置是否超過設定的閾值來控制輔助趾和承載趾分離的角度大小，這起到了節(jié)能的作用。

基于鴕鳥二趾足結構和觸沙二趾姿態(tài)，薄膜壓力傳感器被布置在足底外側失穩(wěn)區(qū)。由于實際ZMP點處于不同區(qū)域時能反映足部失穩(wěn)的不同程度，因此，該仿生機械足的足底壓力傳感器按由外層到內層優(yōu)先級別依次降低被劃定為4個不同的優(yōu)先級別。在機械足運動過程中，微處理器有選擇地依次掃描壓力傳感器的壓力值。當最外層第一壓力傳感器的壓力值超出閾值時，微處理器跳過對內層3個壓力傳感器壓力值的掃描和判斷，直接驅動輔助趾轉動，與承載趾呈40°夾角，如圖7所示。當最外層第一壓力傳感器的壓力值在閾值內，次外層第二壓力傳感器的壓力值超出閾值時，微處理器跳過對內層2個傳感器壓力值的掃描和判斷，直接驅動輔助趾轉動，與承載趾呈30°夾角。依此類推，完成對4個壓力傳感器壓力值的掃描和對承載趾的穩(wěn)定狀態(tài)進行判斷。當4個壓力傳感器的輸出值都在閾值內時，輔助趾不會轉動，處于初始位置，如圖6所示。

輔助趾轉動到每個角度位置后，微處理器會控制輔助趾保持0.5秒，給足部和身體姿態(tài)的調整預留一定時間，然后再進行下一輪的掃描。當足部和身體調整到穩(wěn)定狀態(tài)后，失穩(wěn)區(qū)的壓力值會從外到內層依次恢復到閾值內，輔助趾恢復到初始狀態(tài)。