專利名稱：具有力感知能力的仿人足底機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人和機(jī)械制造領(lǐng)域，具體涉及一種具有力感知能力的仿人足底機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
近些年來，仿人機(jī)器人已經(jīng)引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛興趣，并取得了令人贊嘆的偉大成果，特別在模擬人各種動作、與人協(xié)作、語言交流等方面取得了重大突破。國內(nèi)外較為成功且具有較高影響力的仿人機(jī)器人有日本本田的阿西姆機(jī)器人、日本索尼公司的QRIO機(jī)器人、德國墨尼黑技術(shù)大學(xué)應(yīng)用力學(xué)實驗室的Johnnie雙足機(jī)器人以及北京理工大學(xué)的“匯童”機(jī)器人，但在這些設(shè)計中普遍將機(jī)器人足底簡化設(shè)計成剛性平板結(jié)構(gòu)，忽略了人正常行走中足趾關(guān)節(jié)在行走中的運(yùn)動功能。
近幾年，一些學(xué)者對具有足趾關(guān)節(jié)的機(jī)器人進(jìn)行研究，僅日本東京大學(xué)的H7機(jī)器人較成功的利用足趾關(guān)節(jié)運(yùn)動，完成了機(jī)器人上樓梯步態(tài)及平地擬人步態(tài)行走，H7機(jī)器人表明有足趾關(guān)節(jié)運(yùn)動的步態(tài)下，比相同狀況下無足趾運(yùn)動時上樓梯的高度更高，機(jī)器人的膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)速有所降低，在平地步行速度上有可能得到提高。還有些研究學(xué)者基于足趾關(guān)節(jié)的步態(tài)測量研究，它通過人穿有壓力傳感器的實驗鞋來實驗行走，觀察有無足趾關(guān)節(jié)對人的步態(tài)影響，研究表明，在步行速度上，有足趾關(guān)節(jié)的運(yùn)動比無足趾關(guān)節(jié)運(yùn)動更有可以提高步行速度?？梢姡说淖阒宏P(guān)節(jié)在步行過程中起著非常重要的作用。
在仿人機(jī)器人步態(tài)控制中，首先最重要的一點是能夠檢測機(jī)器人的零力矩點位置，通常采用六維力/力矩傳感器來檢測地面的反力及反力矩大小，進(jìn)而得到零力矩點的位置，為仿人機(jī)器人的步態(tài)控制提供重要的依據(jù)，是實現(xiàn)穩(wěn)定步態(tài)的前提和重要保證。而從國內(nèi)的技術(shù)水平及經(jīng)濟(jì)費(fèi)用的考慮，如果采用六維力/力矩傳感器后，機(jī)器人的足底體積及重量大大增加，費(fèi)用也大大增加，而且針對具有足趾關(guān)節(jié)的仿人足底機(jī)構(gòu)來說，實現(xiàn)的困難更大，為此采用了貼有應(yīng)變片的應(yīng)變梁簡單結(jié)構(gòu)實現(xiàn)具有足趾關(guān)節(jié)的仿人足底機(jī)構(gòu)的力感知效應(yīng)。
綜上所述，用來實現(xiàn)雙足機(jī)器人的擬人穩(wěn)定步態(tài)是仿人機(jī)器人行走的重要目標(biāo)。為此設(shè)計了帶有足趾關(guān)節(jié)且具有力感知能力的仿人足底機(jī)構(gòu)，本機(jī)構(gòu)體積小、重量輕、成本低，用于仿人機(jī)器人的足底機(jī)構(gòu)設(shè)計，可實現(xiàn)仿人機(jī)器人的擬人步態(tài)規(guī)劃控制及仿生學(xué)研究，具有重要的長遠(yuǎn)的意義，為仿人機(jī)器人模擬人的復(fù)雜步態(tài)提供重要的技術(shù)保障，具有較強(qiáng)的實用化價值。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種帶有足趾關(guān)節(jié)的仿人足底并能夠模擬人的足部結(jié)構(gòu)，既可以檢測足底的垂直壓力、又具有重量輕、體積小、精度高、運(yùn)動方式明確、結(jié)構(gòu)簡單等特點的具有力感知能力的仿人足底機(jī)構(gòu)。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的它包括前足、后足、力感知檢測部件和連接前足、后足的傳動部件，其中前足上設(shè)置有對稱分布于支撐面的最外側(cè)邊緣的四個力感知檢測部件，后足上設(shè)置有對稱分布于后側(cè)邊緣的兩個力感知檢測部件和與足上踝關(guān)節(jié)連接的連接端座，連接端座與踝關(guān)節(jié)環(huán)抱并固連。
本發(fā)明還有這樣一些結(jié)構(gòu)特征1、所述的力感知檢測部件包括一個懸臂梁、兩個應(yīng)變片、兩個螺栓、一個調(diào)整螺母、一個套筒、一個引導(dǎo)塊、抗沖擊聚氨酯橡膠塊，懸臂梁一端與后足通過螺栓固定，另一端與螺栓螺紋連接，調(diào)整螺母設(shè)置在懸臂梁上端，引導(dǎo)塊下端與抗沖擊聚氨酯橡膠塊固連并與螺栓末端接觸；2、所述的引導(dǎo)塊上端設(shè)置有圓形凹槽；3、所述的連接前足和后足的傳動部件包括轉(zhuǎn)動軸、軸承、軸承端座、軸支撐座、電機(jī)座、齒輪、同步齒形帶、緊釘螺釘、直流電機(jī)及減速器、編碼器，所述的軸承端座與前足、后足分別通過螺栓固連，電機(jī)座與后足通過螺栓固連，電機(jī)座上端與直流電機(jī)及減速器前端通過螺釘固連，直流電機(jī)及減速器的前端電機(jī)軸與所述軸一端通過緊釘螺釘緊釘固連，直流電機(jī)及減速器尾部與所述的編碼器固連，電機(jī)轉(zhuǎn)動與關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動通過同步齒形帶傳動；4、所述的電機(jī)轉(zhuǎn)動與關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動通過齒輪傳動。
本發(fā)明的工作原理為在仿人機(jī)器人足底與地面接觸時，通過安裝在足底的六個力感知檢測部件檢測足底的反力，具體依據(jù)應(yīng)變片阻值的變化大小來判斷；在前足和后足之間，具有一個轉(zhuǎn)動軸，通過直流電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動同步齒形帶完成對該軸的傳動，實現(xiàn)仿人機(jī)器人足趾關(guān)節(jié)參與擬人步態(tài)運(yùn)動，同時在足趾關(guān)節(jié)翻轉(zhuǎn)時后足跟抬起，通過前足的四個力感知能力的檢測部件檢測足底的反力，實時分析足底零力矩點的位置，為仿人機(jī)器人的擬人步態(tài)控制提供重要的數(shù)據(jù)支持，是成功實現(xiàn)仿人機(jī)器人擬人步態(tài)的關(guān)鍵。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點1、本發(fā)明的可以實現(xiàn)主動驅(qū)動的足趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，可模擬人的足趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動。
2、本發(fā)明的力感知能力部件結(jié)構(gòu)簡單、原理清晰、經(jīng)濟(jì)可行。
3、本發(fā)明的體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，適應(yīng)仿人機(jī)器人足底機(jī)構(gòu)設(shè)計要求。
4、本發(fā)明實現(xiàn)足趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動可由多種傳動方式實現(xiàn)，包括帶傳動、齒輪傳動和鏈傳動。
5、本發(fā)明的對電機(jī)的尺寸大小要求比電機(jī)軸與轉(zhuǎn)動軸同軸的結(jié)構(gòu)下的要求低，在仿人機(jī)器人足底設(shè)計中將會得到廣泛應(yīng)用。
(四)


圖1是本發(fā)明第一種實施方案的機(jī)構(gòu)俯視圖；圖2是本發(fā)明第一種實施方案的機(jī)構(gòu)正視圖；圖3是本發(fā)明第一種實施方案的機(jī)構(gòu)左視圖；圖4是本發(fā)明第二種實施方案的機(jī)構(gòu)俯視圖；圖5是本發(fā)明第二種實施方案的機(jī)構(gòu)正視圖；圖6是本發(fā)明第二種實施方案的機(jī)構(gòu)左視圖；圖7是腳趾部分的電路框圖。
圖8是圖7腳趾部分電路框圖的一種實現(xiàn)電路。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明實施例1結(jié)合圖1-3，本實施例包括前足1、后足7、六個力感知檢測部件以及連接前足和后足的轉(zhuǎn)動軸及相關(guān)傳動部件，所述的前足1上具有四個力感知檢測部件c、d、e、f，四個力感知檢測部件對稱分布于支撐面的最外側(cè)邊緣；所述的后足7具有兩個力感知檢測部件a、b和與踝關(guān)節(jié)連接的連接端座36，其中，兩個力感知檢測部件a、b對稱分布于后足7的后側(cè)邊緣，所述的連接端座36與踝關(guān)節(jié)加緊環(huán)30通過螺栓31抱緊固連；所述的六個力感知檢測部件結(jié)構(gòu)都相同，為避免不必要的重復(fù)，針對一個力感知檢測部件a進(jìn)行說明，所述的力感知檢測部件a包括一個懸臂梁9a、兩個應(yīng)變片10a和16a、兩個螺栓8a和11a、一個調(diào)整螺母13a、一個套筒15a、一個引導(dǎo)塊12a和抗沖擊聚氨酯橡膠塊14a；所述的懸臂梁9a一端與后足7通過螺栓8a固定，所述的懸臂梁9a另一端與螺栓8b螺紋連接，調(diào)整螺母13a在懸臂梁上端，所述的調(diào)整螺母13a可以調(diào)整懸臂梁的初始位置，所述的套筒15a與后足7過盈配合，所述的引導(dǎo)塊12a與套筒15a間隙配合，所述的引導(dǎo)塊12a下端與抗沖擊聚氨酯橡膠塊14a固連且上端圓形凹槽與螺栓8b末端接觸；所述的其他五個力感知檢測部件b、c、d、e、f的具體結(jié)構(gòu)不一一說明，與所述的第一個力感知檢測部件a相同。
所述的連接前足1和后足7的轉(zhuǎn)動軸及相關(guān)傳動部件，包括轉(zhuǎn)動軸20、26和28、軸承35a、35b和35c、軸承端座21、24和27、軸支撐座19和25、電機(jī)座29、齒輪23a和23b、同步齒形帶22、緊定螺釘34、直流電機(jī)及減速器32和編碼器2；所述的軸承35a內(nèi)圈與軸20過盈配合且外圈與軸承端座21過盈配合，所述的軸承35b內(nèi)圈與軸28過盈配合且外圈與軸承端座27過盈配合，所述的軸承35c內(nèi)圈與軸26過盈配合且外圈與軸承端座24過盈配合，所述的軸端座19與前足1通過四個螺栓17a、17b、17c和17d固連，所述的軸端座19與軸20一端過盈配合，所述的軸端座25與前足1通過四個螺栓5a、5b、5c和5d固連，所述的軸端座25與軸26一端過盈配合。
所述的軸承端座21與后足7通過四個螺栓18a、18b、18c和18d固連，所述的軸承端座24與后足7通過四個螺栓6a、6b、6c和6d固連，所述的軸承端座27與后足7通過四個螺栓4a、4b、4c和4d固連，所述的齒輪23a與軸26的另一端過盈配合，所述的齒輪23b與軸28的一端過盈配合，所述的電機(jī)座29與后足7通過四個螺栓3a、3b、3c和3d固連，所述的齒輪23a和23b通過同步齒形帶22傳動，所述的電機(jī)座29上端與直流電機(jī)及減速器32前端通過四個均布的螺釘33a、33b、33c和33d固連，所述的直流電機(jī)及減速器32的前端電機(jī)軸與所述軸28另一端的孔間隙配合，通過緊釘螺釘34緊釘固連，所述的直流電機(jī)及減速器32尾部與所述的編碼器2固連。
結(jié)合圖7-8，測力傳感器采用全橋電路，由應(yīng)變片R61、R62、R63、R64等四個應(yīng)變片組成，在輸入電壓V1的作用下，應(yīng)變產(chǎn)生的輸出輸?shù)椒糯笃鰽1、A2的輸入端。
放大電路采用差動放大形式，由三個放大器及相應(yīng)的電阻構(gòu)成。其中放大器A1、A2為第一級放大，A3為第二級放大，電阻RP1用于增益調(diào)節(jié)。放大電路出來的電壓信號，由PMAC1進(jìn)行信號處理(A/D轉(zhuǎn)換)。圖8中僅畫出通道1中放大電路電壓信號與PMAC1的PIN21相連，另外11路信號，依次連接PIN22——PIN32。A/D轉(zhuǎn)換后的信號經(jīng)PCI總線與控制計算機(jī)進(jìn)行交換，控制計算機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的控制信息，經(jīng)PMAC1以及其擴(kuò)展板ACC-8D來控制腳趾關(guān)節(jié)電機(jī)MG1，MG2。電機(jī)MG1、MG2的碼盤信號由端子J1、J2輸入，經(jīng)ACC-8D及PMAC1處理輸入控制計算機(jī)，從而實現(xiàn)計算機(jī)對電機(jī)的臂環(huán)控制。
實施例2結(jié)合圖4、5和6，本實施例是在實施例1的基礎(chǔ)上作一定的改動，具體是將實施例1中連接齒輪23a和23b的同步齒形帶22去掉，將所述的齒輪23a和23b換成齒輪37a和37b，將原先實施例1的同步齒形帶傳動換成所述齒輪37a和37b嚙合的齒輪傳動，其他同實施例1。
權(quán)利要求
1.一種具有力感知能力的仿人足底機(jī)構(gòu)，它包括前足、后足、力感知檢測部件和連接前足、后足的傳動部件，其特征是所述的前足上設(shè)置有四個力感知檢測部件，且對稱分布于支撐面的最外側(cè)邊緣；所述的后足上設(shè)置有兩個力感知檢測部件和與踝關(guān)節(jié)的連接端座，其中兩個力感知檢測部件對稱分布于后足的后側(cè)邊緣，連接端座與踝關(guān)節(jié)環(huán)抱并固連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有力感知能力的仿人足底機(jī)構(gòu)，其特征是所述的力感知檢測部件包括一個懸臂梁、兩個應(yīng)變片、兩個螺栓、一個調(diào)整螺母、一個套筒、一個引導(dǎo)塊、抗沖擊聚氨酯橡膠塊，懸臂梁一端與后足通過螺栓固定，另一端與螺栓螺紋連接，調(diào)整螺母設(shè)置在懸臂梁上端，引導(dǎo)塊下端與抗沖擊聚氨酯橡膠塊固連并與螺栓末端接觸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有力感知能力的仿人足底機(jī)構(gòu)，其特征是所述的引導(dǎo)塊上端設(shè)置有圓形凹槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的具有力感知能力的仿人足底機(jī)構(gòu)，其特征是所述的連接前足和后足的傳動部件包括轉(zhuǎn)動軸、軸承、軸承端座、軸支撐座、電機(jī)座、齒輪、同步齒形帶、緊釘螺釘、直流電機(jī)及減速器、編碼器，所述的軸承端座與前足、后足分別通過螺栓固連，電機(jī)座與后足通過螺栓固連，電機(jī)座上端與直流電機(jī)及減速器前端通過螺釘固連，直流電機(jī)及減速器的前端電機(jī)軸與所述軸一端通過緊釘螺釘緊釘固連，直流電機(jī)及減速器尾部與所述的編碼器固連，電機(jī)轉(zhuǎn)動與關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動通過同步齒形帶傳動。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的具有力感知能力的仿人足底機(jī)構(gòu)，其特征是所述的電機(jī)轉(zhuǎn)動與關(guān)節(jié)軸轉(zhuǎn)動通過齒輪傳動。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種帶有足趾關(guān)節(jié)的仿人足底，既可以檢測足底的垂直壓力、又具有運(yùn)動方式明確、結(jié)構(gòu)簡單等特點的具有力感知能力的仿人足底機(jī)構(gòu)。它包括前足、后足、具有力感知的檢測部件和連接前足、后足的轉(zhuǎn)動軸及相關(guān)傳動部件，所述的每個力感知檢測部件包括一個懸臂梁、兩個應(yīng)變片、兩個螺栓、一個調(diào)整螺母、一個套筒、一個引導(dǎo)塊、一塊抗沖擊聚氨酯橡膠塊；所述的連接前足和后足的轉(zhuǎn)動軸及相關(guān)傳動部件包括轉(zhuǎn)動軸、軸承、軸承端座、軸支撐座、電機(jī)座、齒輪、同步齒形帶、緊釘螺釘、直流電機(jī)及減速器、編碼器。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)模擬人的足趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，具有力感知能力、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、經(jīng)濟(jì)可行，適應(yīng)仿人機(jī)器人足底機(jī)構(gòu)設(shè)計要求。
文檔編號A63H11/18GK1966338SQ20061015103
公開日2007年5月23日 申請日期2006年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月17日
發(fā)明者王立權(quán), 俞志偉, 孟慶鑫, 何鋒, 焦鈺 申請人:哈爾濱工程大學(xué)