本發(fā)明涉及機器人腿足，尤其涉及一種儲能機器人腿足及其運動控制方法。

背景技術(shù)：

1、四足仿生機器人的腿足作為機器人的支持結(jié)構(gòu)，對機器人的運動姿態(tài)及運動性能有較大影響?，F(xiàn)有較為成熟的四足機器人的腿足方案多為由大腿、小腿組成的兩節(jié)腿結(jié)構(gòu)。在四足機器人腿足增加儲能結(jié)構(gòu)為當前行業(yè)的設(shè)計趨勢，其目的在于有效降低機器人在進行高爆發(fā)運動時對關(guān)節(jié)電機的輸出需求。

2、儲能結(jié)構(gòu)分為主動儲能及被動儲能。對于主動儲能形式，現(xiàn)有技術(shù)主要通過增加一組驅(qū)動單元配合彈簧、氣缸等彈性原件作用于需要儲能的腿部結(jié)構(gòu)上，在需要儲能時由驅(qū)動單元推動彈性元件壓縮儲能，而后釋放彈性元件的彈性勢能。對于被動儲能形式，主要設(shè)計形式為在關(guān)節(jié)間增加例如彈簧、氣缸等彈性元件，通過機器人運動過程中對彈性元件的壓縮使彈性元件儲能，并在相鄰下一步動作中釋放能量。

3、目前，四足機器人主動儲能結(jié)構(gòu)的主要缺點在于，為實現(xiàn)相關(guān)方案需在相應的腿部結(jié)構(gòu)上增加電氣驅(qū)動單元，增加了機器人電氣復雜程度，同時也增加了整機重量，增加了機器人關(guān)節(jié)電機的功率負擔。四足機器人被動式儲能的主要缺點在于腿部的彈性原件在機器人運動中時刻處于壓縮、釋放的過程，使機器人腿足結(jié)構(gòu)成為彈性體，導致機器人步態(tài)控制難度增大。

4、因此，需要提供一種儲能機器人腿足，在無需增加電氣驅(qū)動的前提下，降低其控制難度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于上述的分析，本發(fā)明旨在提供一種儲能機器人腿足及其運動控制方法，用以解決現(xiàn)有機器人腿足的被動儲能方式導致機器人腿足控制難度大的問題。

2、本發(fā)明的目的主要是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

3、一種儲能機器人腿足，包括：大腿結(jié)構(gòu)、小腿結(jié)構(gòu)、足部結(jié)構(gòu)、腿足驅(qū)動結(jié)構(gòu)、腿足儲能結(jié)構(gòu)和腿足鎖止結(jié)構(gòu)；所述腿足驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述大腿結(jié)構(gòu)和小腿結(jié)構(gòu)之間，用于驅(qū)動所述小腿結(jié)構(gòu)相對于所述大腿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動；所述腿足儲能結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述小腿結(jié)構(gòu)和足部結(jié)構(gòu)之間，用于儲存所述足部結(jié)構(gòu)相對于所述小腿結(jié)構(gòu)運動時的彈性勢能；所述腿足鎖止結(jié)構(gòu)用于鎖定或解鎖所述腿足儲能結(jié)構(gòu)。

4、進一步地，所述腿足驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括：大腿曲柄、大腿連桿和關(guān)節(jié)電機；所述大腿曲柄轉(zhuǎn)動安裝在所述大腿結(jié)構(gòu)的上端；所述大腿連桿一端與所述大腿曲柄鉸接，另一端與小腿結(jié)構(gòu)鉸接；所述關(guān)節(jié)電機帶動所述大腿曲柄旋轉(zhuǎn)時，所述大腿連桿帶動所述小腿結(jié)構(gòu)相對于所述大腿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動。

5、進一步地，所述大腿結(jié)構(gòu)與所述小腿結(jié)構(gòu)之間通過膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸鉸接連接。

6、進一步地，所述小腿結(jié)構(gòu)和所述足部結(jié)構(gòu)之間通過踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸鉸接連接。

7、進一步地，所述腿足儲能結(jié)構(gòu)包括：彈性儲能元件、小腿連桿和腿足限位軸；所述彈性儲能元件設(shè)置在所述小腿結(jié)構(gòu)和足部結(jié)構(gòu)之間，能夠儲存彈性勢能；所述小腿連桿一端與所述足部結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動連接，另一端通過所述腿足限位軸與所述小腿結(jié)構(gòu)滑動連接。

8、進一步地，所述小腿結(jié)構(gòu)上設(shè)置有滑槽；所述腿足限位軸滑動安裝在所述滑槽中。

9、進一步地，所述彈性儲能元件為設(shè)置在小腿結(jié)構(gòu)和足部結(jié)構(gòu)之間的儲能扭簧。

10、進一步地，所述腿足鎖止結(jié)構(gòu)用于鎖定或解鎖所述腿足限位軸相對于所述小腿結(jié)構(gòu)的運動。

11、進一步地，所述腿足鎖止結(jié)構(gòu)鎖定所述腿足限位軸時，能夠限制所述腿足限位軸沿滑槽的滑動，所述小腿連桿、小腿結(jié)構(gòu)和足部結(jié)構(gòu)組成三角形結(jié)構(gòu)，所述足部結(jié)構(gòu)不能相對于所述小腿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動。

12、一種儲能機器人腿足的運動控制方法，所述方法用于儲能機器人腿足的運動控制。

13、具體地，上述運動控制方法包括以下步驟：

14、步驟s1：所述腿足驅(qū)動結(jié)構(gòu)驅(qū)動所述小腿結(jié)構(gòu)相對于所述大腿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)腿足行走；所述儲能機器人腿足處于行走狀態(tài)時，所述腿足鎖止結(jié)構(gòu)鎖定所述腿足儲能結(jié)構(gòu)，所述足部結(jié)構(gòu)與所述小腿結(jié)構(gòu)同步運動；

15、步驟s2：機器人下蹲動作時，所述腿足鎖止結(jié)構(gòu)解鎖所述腿足儲能結(jié)構(gòu)；所述足部結(jié)構(gòu)相對于所述小腿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動，所述腿足儲能結(jié)構(gòu)的彈性儲能元件儲存彈性勢能；

16、步驟s3：所述腿足驅(qū)動結(jié)構(gòu)驅(qū)動機器人跳躍時，所述彈性儲能元件釋放彈性勢能。

17、本發(fā)明技術(shù)方案至少能夠?qū)崿F(xiàn)以下效果之一：

18、1.本發(fā)明的儲能機器人腿足，采用無電氣化的機械設(shè)計結(jié)構(gòu)，通過腿足鎖止結(jié)構(gòu)對腿足儲能結(jié)構(gòu)進行鎖止，能夠在機器人正常行走過程中保持腿足的剛性體結(jié)構(gòu)，相對降低了機器人步態(tài)控制難度。

19、2.本發(fā)明的儲能機器人腿足，在關(guān)節(jié)電機需要進行高爆發(fā)驅(qū)動的跳躍動作時，通過腿足儲能機構(gòu)配合使彈性儲能元件壓縮儲存彈性勢能，并在開展跳躍動作時釋放彈性勢能能量從而降低關(guān)節(jié)電機驅(qū)動機器人腿足跳躍所需的扭矩和功率，提升機器人腿足的跳躍性能，降低關(guān)節(jié)電機的驅(qū)動損耗。

20、3.本發(fā)明的儲能機器人腿足，由于不需要設(shè)置電氣相關(guān)器件，對于機器人腿足的總重量、機器人整機的電氣復雜程度不會產(chǎn)生負面影響；可以實現(xiàn)在需求時將機器人重力勢能轉(zhuǎn)換為彈性儲能元件的彈性勢能，將能量儲存；且能夠?qū)崿F(xiàn)在行走狀態(tài)下，實現(xiàn)腿足整體的剛性驅(qū)動，不會增加腿足整體的控制難度。

21、本發(fā)明中，上述各技術(shù)方案之間還可以相互組合，以實現(xiàn)更多的優(yōu)選組合方案。本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分優(yōu)點可從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過說明書以及附圖中所特別指出的內(nèi)容中來實現(xiàn)和獲得。

技術(shù)特征：

1.一種儲能機器人腿足，其特征在于，包括：大腿結(jié)構(gòu)(1)、小腿結(jié)構(gòu)(2)、足部結(jié)構(gòu)(3)、腿足驅(qū)動結(jié)構(gòu)、腿足儲能結(jié)構(gòu)和腿足鎖止結(jié)構(gòu)；所述腿足驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述大腿結(jié)構(gòu)(1)和小腿結(jié)構(gòu)(2)之間，用于驅(qū)動所述小腿結(jié)構(gòu)(2)相對于所述大腿結(jié)構(gòu)(1)轉(zhuǎn)動；所述腿足儲能結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述小腿結(jié)構(gòu)(2)和足部結(jié)構(gòu)(3)之間，用于儲存所述足部結(jié)構(gòu)(3)相對于所述小腿結(jié)構(gòu)(2)運動時的彈性勢能；所述腿足鎖止結(jié)構(gòu)用于鎖定或解鎖所述腿足儲能結(jié)構(gòu)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的儲能機器人腿足，其特征在于，所述腿足驅(qū)動結(jié)構(gòu)包括：大腿曲柄(101)、大腿連桿(102)和關(guān)節(jié)電機；所述大腿曲柄(101)轉(zhuǎn)動安裝在所述大腿結(jié)構(gòu)(1)的上端；所述大腿連桿(102)一端與所述大腿曲柄(101)鉸接，另一端與小腿結(jié)構(gòu)(2)鉸接；所述關(guān)節(jié)電機帶動所述大腿曲柄(101)旋轉(zhuǎn)時，所述大腿連桿(102)帶動所述小腿結(jié)構(gòu)(2)相對于所述大腿結(jié)構(gòu)(1)轉(zhuǎn)動。

3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的儲能機器人腿足，其特征在于，所述大腿結(jié)構(gòu)(1)與所述小腿結(jié)構(gòu)(2)之間通過膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(103)鉸接連接。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的儲能機器人腿足，其特征在于，所述小腿結(jié)構(gòu)(2)和所述足部結(jié)構(gòu)(3)之間通過踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(303)鉸接連接。

5.根據(jù)權(quán)利要求1-2、4任一項所述的儲能機器人腿足，其特征在于，所述腿足儲能結(jié)構(gòu)包括：彈性儲能元件、小腿連桿(301)和腿足限位軸(302)；所述彈性儲能元件設(shè)置在所述小腿結(jié)構(gòu)(2)和足部結(jié)構(gòu)(3)之間，能夠儲存彈性勢能；所述小腿連桿(301)一端與所述足部結(jié)構(gòu)(3)轉(zhuǎn)動連接，另一端通過所述腿足限位軸(302)與所述小腿結(jié)構(gòu)(2)滑動連接。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的儲能機器人腿足，其特征在于，所述小腿結(jié)構(gòu)(2)上設(shè)置有滑槽(2001)；所述腿足限位軸(302)滑動安裝在所述滑槽(2001)中。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的儲能機器人腿足，其特征在于，所述彈性儲能元件為設(shè)置在小腿結(jié)構(gòu)(2)和足部結(jié)構(gòu)(3)之間的儲能扭簧(304)。

8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的儲能機器人腿足，其特征在于，所述腿足鎖止結(jié)構(gòu)用于鎖定或解鎖所述腿足限位軸(302)相對于所述小腿結(jié)構(gòu)(2)的運動。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的儲能機器人腿足，其特征在于，所述腿足鎖止結(jié)構(gòu)鎖定所述腿足限位軸(302)時，能夠限制所述腿足限位軸(302)沿滑槽(2001)的滑動，所述小腿連桿(301)、小腿結(jié)構(gòu)(2)和足部結(jié)構(gòu)(3)組成三角形結(jié)構(gòu)，所述足部結(jié)構(gòu)(3)不能相對于所述小腿結(jié)構(gòu)(2)轉(zhuǎn)動。

10.根據(jù)權(quán)利要求1-9任一項所述的儲能機器人腿足的運動控制方法，其特征在于，所述方法用于儲能機器人腿足的運動控制。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種儲能機器人腿足及其運動控制方法，屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域，解決了現(xiàn)有技術(shù)中被動式儲能腿足整體為彈性結(jié)構(gòu)控制難度大的問題。一種儲能機器人腿足，包括：大腿結(jié)構(gòu)、小腿結(jié)構(gòu)、足部結(jié)構(gòu)、腿足驅(qū)動結(jié)構(gòu)、腿足儲能結(jié)構(gòu)和腿足鎖止結(jié)構(gòu)；所述腿足驅(qū)動結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述大腿結(jié)構(gòu)和小腿結(jié)構(gòu)之間，用于驅(qū)動所述小腿結(jié)構(gòu)相對于所述大腿結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動；所述腿足儲能結(jié)構(gòu)設(shè)置在所述小腿結(jié)構(gòu)和足部結(jié)構(gòu)之間，用于儲存所述足部結(jié)構(gòu)相對于所述小腿結(jié)構(gòu)運動時的彈性勢能；所述腿足鎖止結(jié)構(gòu)用于鎖定或解鎖所述腿足儲能結(jié)構(gòu)。本發(fā)明實現(xiàn)了在機器人跳躍時的儲能，同時行走狀態(tài)下足部結(jié)構(gòu)與小腿結(jié)構(gòu)同步運動能夠簡化控制難度。

技術(shù)研發(fā)人員：劉拓,蘇波,閆曈,許威,王悅茗,張柏華,夏昭陽,江磊,許鵬
受保護的技術(shù)使用者：中國北方車輛研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/12