專利名稱：一種機器人的足端機構的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機器人技術領域，具體涉及一種多足步行機器人的足端機構，該機構能根據(jù)地面的具體情況進行調(diào)整，具有較好的靈活性和自適應性。
背景技術：
機器人一般分為輪式機器人、履帶式機器人和多足式機器人三類。在堅硬平整的路況上，輪式機器人和履帶式機器人移動速度快，并具有較高的穩(wěn)定性和持續(xù)性。然而在崎嶇不平的山丘或沼澤等非理想的環(huán)境下，車輪和履帶的作用將嚴重喪失，移動效率大大降低。相對于前兩種運動方式的機器人，多足式機器人可通過離散的落足點跨越障礙、攀登階梯、跋涉沼澤等，在復雜地貌上可以找到使機體穩(wěn)定的支撐點，此外該類機器人還可以通過調(diào)節(jié)自身重心以免機體傾覆，具有較高的自適應性。近年來，由于多足機器人在行走環(huán)境適應性和靈活性方面突顯出很強的優(yōu)勢而受到越來越多的關注和研究。美國波士頓動力研究公司開發(fā)的四足軍用機器人“Big dog”，堪稱足式機器人的典范。該機器人可在復雜的硬路面下實現(xiàn)站立、蹲下、行走、小跑、跳躍和越障等動作，但在一些松軟路面下，該機器的球形足端因具有較小的接觸面積而極易深陷其中，行走較為困難；日本東京工業(yè)大學的機器人之父Shigeo Hirose教授等人研制了一系列名為“TITAN”的多足機器人，其中第14代機器人可實現(xiàn)的最大載重為7噸，但足端采用的是十字結構，故只能在正交方向上實現(xiàn)擺動，而不能實現(xiàn)任意方向上的轉動，自適應性不是很好。公布號為CN 102001370A,公布日為2011.04.06的發(fā)明專利《六足機器人的足端機構》中對六足機器人的足部機構進行了設計，在剛度較低的松軟地面上，該足端機構具有較大的接觸面積和較高的環(huán)境適應性，并可以根據(jù)實時狀態(tài)進行參數(shù)調(diào)整，繞豎直方向轉動性能較好，但在其他方向上擺動的靈活性一般。隨著足式機器人作業(yè)環(huán)境對地貌等因素的要求不斷提高，迫切需要設計一種可以同時適應不同地面，具有減震、防滑以及任意方向大角度轉動等特殊功能的步行機器人足端機構。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術難題是:克服現(xiàn)有技術的不足，針對目前多足機器人足端機構存在的自由度少，自適應性較差等問題，發(fā)明了一種新型的足端機構。該足端機構采用球形關節(jié)，結構簡單具有較強的靈活性，可實現(xiàn)任意方向大角度的擺動和豎直方向上的旋轉，適用于復雜的工況環(huán)境。足底腳墊與地面接觸面積較大，提高了移動的穩(wěn)定性并降低了對地壓力。足底腳墊具有較好的紋理，增大了足端行走的摩擦力，使其具有一定的防滑功能。此外該足端機構具有橡膠減震器和三向測力傳感器，前者可減少機器人行走過程中地面對足端的沖擊，在各異的路面環(huán)境下具有較強的適應性，后者可以測量足端在移動過程中的受力情況，將實時的力信號傳輸給控制系統(tǒng)，以更好地調(diào)整機器人行走姿態(tài)。
本發(fā)明采用的技術方案是:一種機器人的足端機構由足端機械部分和測力部分組成，其特征在于，所述的機械部分中采用球形關節(jié)組件實現(xiàn)任意方向大角度的靈活擺動和豎直方向上的旋轉，采用橡膠圈作為減震裝置，采用橡膠足墊實現(xiàn)防滑功能；所述的測力部分采用三向測力傳感器對足端受力情況進行測量。在足端機械部分中，具有優(yōu)化設計花紋紋路的橡膠足墊I直接硫化粘接至轉接板2上，在轉接板2上粘貼內(nèi)圈隔振墊32，在足端底座3上粘貼外圈隔振墊7，將減震裝置放入足端底座3的環(huán)形槽中。減震裝置由兩個無孔橡膠圈5、兩個隔層鋼片6、一個有孔橡膠圈9和八個附座10組成。最下方的無孔橡膠圈5被硫化粘接至足端底座3上，三個橡膠圈之間分別通過兩個隔層鋼片6硫化粘接連接，并將八個附座10分別硫化粘接至最上方的有孔橡膠圈9的八個均布孔中。軸套27與足部支架8過渡配合，并將下?lián)醢?9嵌入足端底座3中，通過四個下?lián)醢暹B接螺栓28與足部支架8連接，螺塞31通過封油墊30與下?lián)醢?9螺紋連接。這時將轉接板2與足端底座3通過12個足端底座連接螺栓4連接起來，將足部支架8通過八個附座連接螺栓11分別與減震裝置中的八個附座10連接。球形關節(jié)組件由球頭座26、球頭桿14和球副擋蓋12組成。其中球頭座26由足部支架8承載，球頭桿14與球頭座26間隙配合，并在球頭座26上開通油槽儲存潤滑脂，該潤滑脂通過螺塞31處的螺紋孔由打油槍注入。球副擋蓋12與球頭座26預留一定的空間方便潤滑脂的存儲，并通過四個球副擋蓋連接螺栓13與足部支架8連接。球頭桿14通過卡槽與無銷孔插圈16和有銷孔插圈25嚙合，八個球頭桿連接螺栓15將無銷孔插圈16、有銷孔插圈25，上壓板17和三向測力傳感器18連接在一起，從而實現(xiàn)了足端機械部分與測力部分的連接。在足端測力部分中，三向測力傳感器18、上壓板17以及分別與球頭桿14嚙合的無銷孔插圈16和有銷孔插圈25通過八個球頭桿連接螺栓15固接。轉接盤20與三向測力傳感器18通過環(huán)形均布的八個傳感器連接螺栓33相連接，并在轉接盤20、三向測力傳感器18、上壓板17和有孔插圈25上分別增加了一個定位銷孔，將上銷23和下銷24與零件進行過盈配合。三向測力傳感器18的信號線通過轉接盤20的中心孔導出，并與外部信號采集處理器連接。足端機構利用四個轉接盤連接螺栓19和四個螺母22將轉接盤20與腿端法蘭盤21相連接。本發(fā)明的有益效果是:多足步行機器人采用球形關節(jié)，結構簡單且具有較高的靈活性，可以實現(xiàn)任意方向大角度的擺動和旋轉，在復雜工況下的移動性能良好。足底與地面的有效接觸面積較大，并采用優(yōu)化的橡膠花紋結構，增大摩擦性能，提高機器人移動的穩(wěn)定性。采用橡膠減震裝置，能有效降低落足時地面對足端的沖擊。此外該足端具有測力功能，能對足端實時受力情況進行反饋。


圖1是足端機構的結構剖視圖，圖2是足端機構的外觀圖。圖中:1 一橡膠足墊，2一轉接板，3一足端底座，4一足端底座連接螺栓，5一無孔橡膠圈，6—隔層鋼片，7—外圈隔振墊，8—足部支架，9一有孔橡膠圈，10 —附座，11一附座連接螺栓，12—球副擋蓋，13—球副擋蓋連接螺栓，14 一球頭桿，15—球頭桿連接螺栓，16—無銷孔插圈，17—球頭桿上壓板，18一二向測力傳感器，19一轉接盤連接螺檢，20一轉接盤，21 一腿端法蘭盤，22一螺母，23一上銷，24—下銷，25—有銷孔插圈，26—球頭座，27—軸套，28—下?lián)醢暹B接螺栓，29—下?lián)醢澹?0—封油墊，31—螺塞，32—內(nèi)圈隔振墊，33—傳感器連接螺栓。
具體實施例方式結合附圖和技術方案詳細說明本發(fā)明的具體實施方式
:附圖2是足端機構的外觀圖，圖2中轉接盤20與三向測力傳感器18通過環(huán)形均布的8個螺釘33固接，并利用4個轉接盤連接螺栓19和4個螺母22將轉接盤20與腿端法蘭盤21相連接。腿端法蘭盤21以上的腿部機構作為動力的來源，帶動足端機構的各方向運動，并且可以對不同用途的足端機構進行更換，而保證腿部機構不受干擾，實現(xiàn)了模塊化設計。附圖1是足端機構的結構剖視圖，該足端機構由足端機械部分和測力部分組成，其中球頭桿14及其以下零件是足端機構的機械部分，球頭桿14以上是足端機構的測力部分。足端機械部分中為提高足端的防滑性能，對橡膠足墊I優(yōu)化設計了幾種摩擦性能較好的花紋紋路，將橡膠足墊I硫化粘接至轉接板2上，并作為整體與足端底座3通過12個足端底座連接螺栓4連接起來，實現(xiàn)了橡膠足墊I花紋紋路的可更換性，可針對不同的軟硬路面進行調(diào)整，提高了足端的自適應性。此外，在轉接板2與足端底座3中間增加了 一個止口結構，提高足端在運動過程中的抗剪切能力。足端底座3除具有連接橡膠足墊I的作用外，它還起到了承裝減震裝置的功能。減震裝置由兩個無孔橡膠圈5，兩個隔層鋼片6，一個有孔橡膠圈9，8個附座10構成，該減震裝置被安裝在足端底座3和足部支架8之間的環(huán)形空間中。最下方的無孔橡膠圈5被硫化粘接至足端底座3上，每兩個橡膠圈中間硫化粘接上一個隔層鋼片6，該隔層鋼片6既提高了減震器中橡膠圈的剛度，同時又能將壓縮過程中產(chǎn)生的熱量及時的傳導出去，防止減震裝置過早老化。足部支架8向下壓縮對減震裝置產(chǎn)生了一定的壓縮量，減小了足端落地時的動量，緩沖了足端所受的沖擊。在足端底座3和轉接板2上分別粘貼了外圈隔振墊7和內(nèi)圈隔振墊32，當足部支架8向下壓縮運動與足端底座3剛性接觸時，下?lián)醢?9和轉接板2也恰好剛性接觸，此時內(nèi)外隔振墊降低了減震過程中的噪音和振動。為提高減震過程中的導向程度，減少足部支架8在向下壓縮減震裝置過程中的磨損，在足部支架8的最下方圓周面上套裝了軸套27。該軸套27上表面靠裝在足部支架8的軸肩上，下表面由下?lián)醢?9進行定位，并與足端底座3的導向面間隙配合，實現(xiàn)軸套27與足端底座3導向面之間的順利滑動。下?lián)醢?9通過均布的4個下?lián)醢暹B接螺栓28與足部支架8進行連接。球形關節(jié)組件由球頭座26、球頭桿14和球副擋蓋12組成，其中球頭座26由足部支架8承載。球頭桿14與球頭座26間隙配合，并在球頭座26上開通油槽儲存潤滑脂，該潤滑脂通過螺塞31處的螺紋孔由打油槍注入。為防止足端運動過程中發(fā)生漏油現(xiàn)象，在下?lián)醢?9處采用帶有封油墊30的螺塞31堵住注油孔。球副擋蓋12與球頭座26預留一定的空間方便潤滑脂的存儲，并通過均布的4個球副擋蓋連接螺栓13與足部支架8連接。在足端抬起時，球頭桿14向上運動，通過與足部支架8連接的球副擋蓋12，產(chǎn)生對足部支架8的拉力，同時足部支架8帶動下?lián)醢?9向上運動，下?lián)醢?9通過與足端底座3接觸的圓環(huán)面為足端底座3、轉接盤2和橡膠足墊I提供支撐力，實現(xiàn)足端整體的向上運動。此外，球副擋蓋12對球頭桿14產(chǎn)生向下的壓力，可防止球頭桿14在抬起過程中脫離球頭座26，球頭桿14的桿端擺動至球副擋蓋12的上表面時，兩者剛性接觸，實現(xiàn)了對球頭桿14擺動的機械限位，最終使得球頭桿14可以在球頭座26中實現(xiàn)任意方向上大角度的擺動和豎直方向上的旋轉。球頭桿14通過卡槽與無銷孔插圈16和有銷孔插圈25嚙合，8個球頭桿連接螺栓15將無銷孔插圈16、有銷孔插圈25，上壓板17和三向測力傳感器18連接在一起，從而實現(xiàn)了足端機械部分與測力部分的連接。測力部分中的三向測力傳感器18可對足端運動過程中的受力情況進行有效的監(jiān)測，降低了多足機器人移動過程中足端力測量的復雜性。足端測力部分中為提高測力裝置的抗剪切能力，將三向測力傳感器18、轉接盤20和上壓板17的相連接部分采用止口結構。上壓板17的表面大小與三向測力傳感器18的有效測量面積相同，提高了測量精度。三向測力傳感器18的信號線通過轉接盤20中心孔導出，并與外部信號采集處理器連接，將足端實時受力信號傳輸至控制系統(tǒng)。本發(fā)明中足端底座3和足部支架8是足端機構的整體框架，其中足端底座3主要作用是承載減震裝置和連接橡膠足墊I，足部支架8主要作用是承載球形關節(jié)組件，并在落足時對減震裝置進行壓縮，以減輕機器人在落足時的劇烈沖擊。球形關節(jié)組件中球頭桿14的球頭直徑按照載荷要求進行選取，并與球頭座26間隙配合，使球頭桿14可以繞豎直軸向旋轉360°，并在球副擋蓋12的空間限制下實現(xiàn)任意方向的大角度擺動。本發(fā)明結構簡單靈活，功能性較強，具有較好的路面環(huán)境適應性和穩(wěn)定性，加工制造成本較低。
權利要求
1.一種機器人的足端機構由足端機械部分和測力部分組成，其特征在于，所述的機械部分中采用球形關節(jié)組件實現(xiàn)任意方向大角度的靈活擺動和豎直方向上的旋轉，采用橡膠圈作為減震裝置，采用橡膠足墊實現(xiàn)防滑功能；所述的測力部分采用三向測力傳感器對足端受力情況進行測量； 在足端機械部分中，具有優(yōu)化設計花紋紋路的橡膠足墊(I)直接硫化粘接至轉接板(2 )上，在轉接板(2 )上粘貼內(nèi)圈隔振墊(32 )，在足端底座(3 )上粘貼外圈隔振墊(7 )，將減震裝置放入足端底座(3)的環(huán)形槽中；減震裝置由兩個無孔橡膠圈(5)、兩個隔層鋼片(6)、一個有孔橡膠圈(9)和八個附座(10)組成；最下方的無孔橡膠圈(5)被硫化粘接至足端底座(3)上，三個橡膠圈之間分別通過兩個隔層鋼片(6)硫化粘接連接，并將八個附座(10)分別硫化粘接至最上方的有孔橡膠圈(9)的八個均布孔中；軸套(27)與足部支架(8)過渡配合，并將下?lián)醢?29 )嵌入足端底座(3 )中，通過四個下?lián)醢暹B接螺栓(28 )與足部支架(8 )連接，螺塞(31)通過封油墊(30 )與下?lián)醢?29 )螺紋連接；這時將轉接板(2 )與足端底座(3 )通過12個足端底座連接螺栓(4 )連接起來，將足部支架(8 )通過八個附座連接螺栓(11)分別與減震裝置中的八個附座(10)連接；球形關節(jié)組件由球頭座(26)、球頭桿(14)和球副擋蓋(12 )組成；其中球頭座(26 )由足部支架(8 )承載，球頭桿(14 )與球頭座(26 )間隙配合，并在球頭座(26)上開通油槽儲存潤滑脂，該潤滑脂通過螺塞(31)處的螺紋孔由打油槍注入；球副擋蓋(12)與球頭座(26)預留一定的空間方便潤滑脂的存儲，并通過四個球副擋蓋連接螺栓(13)與足部支架(8)連接；球頭桿(14)通過卡槽與無銷孔插圈(16)和有銷孔插圈(25)嚙合，八個球頭桿連接螺栓(15)將無銷孔插圈(16)、有銷孔插圈(25)，上壓板(17)和三向測力傳感器(18)連接在一起，從而實現(xiàn)了足端機械部分與測力部分的連接； 在足端測力部分中，三向測力傳感器(18)、上壓板(17)以及分別與球頭桿(14)嚙合的無銷孔插圈(16)和有銷孔插圈(25)通過八個球頭桿連接螺栓(15)固接；轉接盤(20)與三向測力傳感器(18)通過環(huán)形均布的八個傳感器連接螺栓(33)相連接，并在轉接盤(20)、三向測力傳感器(18)、上壓板(17)和有孔插圈(25)上分別增加了一個定位銷孔，將上銷(23)和下銷(24)與零件進行過盈配合；三向測力傳感器(18)的信號線通過轉接盤(20)的中心孔導出，并與外部信號采集處理器連接；足端機構利用四個轉接盤連接螺栓(19)和四個螺母(22)將轉接盤(20)與腿端法蘭盤(21)相連接。
全文摘要
本發(fā)明一種機器人的足端機構屬于機器人相關技術領域，特別涉及一種多足步行機器人的足端機構，該機構能根據(jù)地面的具體情況進行調(diào)整，具有較好的靈活性和自適應性。足端機構由足端機械部分和測力部分組成，機械部分中采用球形關節(jié)組件實現(xiàn)任意方向大角度的靈活擺動和豎直方向上的旋轉。采用橡膠圈作為減震裝置，能有效降低落足時地面對足端的沖擊。采用橡膠足墊實現(xiàn)防滑功能，橡膠足墊采用優(yōu)化設計的花紋紋路，增大摩擦性能，提高機器人移動的穩(wěn)定性，并可以根據(jù)不同的路面對橡膠足墊進行更換。測力部分中采用三向測力傳感器對足端實時受力情況進行測量，了解移動過程中足端的受力變化。該足端機構簡單靈活，功能性強，制造成本低。
文檔編號B62D57/032GK103204191SQ20131007864
公開日2013年7月17日 申請日期2013年3月11日 優(yōu)先權日2013年3月11日
發(fā)明者王福吉, 賈振元, 寧福達, 李明星, 馬建偉, 許強 申請人:大連理工大學