[发明专利]具有三维力感知及空间表面自适应能力的仿生腿

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术应用领域，具体涉及一种具有三维力感知及空间表面自适应能力的仿生腿，主要应用于腿式机器人运动实现中。 

背景技术

目前国内外在腿式机器人可包括双足、四足、六足、八足机器人等(专利200780007115.1菅敬介等；专利200780002355.2小川章；专利03153505.4郑浩峻等；专利200510090265.6郑世杰等；专利200810118133.3胡永辉等)，在结构设计中双足机器人单腿具有6个主动驱动的自由度，而在四足、六足、八足机器人中，由于腿的数量较多，单腿的自由度一般为3个主动驱动的自由度，腿的足端采用点接触或球接触方式(专利200710098710.2罗庆生等)。对于爬壁或粘附行走的多足腿式机器人而言，机器人腿部需要具有更多自由度适应空间不同表面，要求在不增加控制难度的前提下保证腿式机器人具有更小的体积和重量，为此本发明在采用传统的3自由度主动驱动的前提下，又增加了具有4个复位弹簧约束的3自由度的球关节，在满足6自由度的运动要求下实现空间表面自适应，也减小了腿式机器人完成6自由度运动控制的难度。 

目前国内外对三维力传感器研究主要应用于机器人技术上，按测力原理可分为电阻应变式、电容式、压电式和光电式，按弹性体结构可以分为直接输出型和间接输出型，但设计原理及加工工艺都较为复杂。在弹性体结构设计中，主要采用梁式结构(专利200810025591.2韩玉林等)、筒式结构(专利200610016178.0刘波等)、框架式结构(专利03112680.4宋爱国等)等，虽然都能够实现三维力检测，但是在结构设计、计算原理及制造方面都较为复杂，主要表现在结构上不够紧凑，很难用于微小型的机器人三维力检测及腿部结构一体化小型设计。传统的四足、六足、八足机器人腿部常采用一维力传感器或压力开关检测腿部着地信号触发或静态稳定性评估，对于爬壁或粘附行走的多足腿式机器人而言，需要空间三维力粘附力感知，实现真正空间不同表面上稳定行走。采用三维力传感器与腿部结构一体化设计可大大减轻了腿式机器人的体积和重量。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有力感知检测且自适应空间表面能力的仿生腿结构，该仿生腿结构可用于具有三维接触力检测及自适应空间表面粘附脚掌能力的多自由度微小型腿式机器人腿部一体化设计中。 

一种具有三维力感知及空间表面自适应能力的仿生腿，包括机器人基座、髋关节、大腿、膝关节、小腿、足部；上述髋关节包括I号髋关节舵机、髋关节舵机支架和II号髋关节舵机；其中I号髋关节舵机与机器人基座相固连，髋关节舵机支架一端与I号髋关节舵机输出轴固连，另一端与基座销轴连接，II号髋关节舵机固定安装于髋关节舵机支架内部，且II号髋关节舵机输出轴轴线与I号髋关节舵机输出轴轴线垂直；上述膝关节包括膝关节舵机和膝关节舵机支架；其中膝关节舵机固定安装于膝关节舵机支架内部，且膝关节舵机输出轴轴线与II号髋关节舵机输出轴轴线平行；上述大腿一端与II号髋关节舵机的输出轴固连，另一端与膝关节舵机输出轴固连；上述小腿包括连接板和三维力传感器；其中三维力传感器通过连接板与膝关节舵机支架固连；上述足部包括复位弹簧、球关节和脚掌；其中脚掌通过球关节与三维力传感器相连，且复位弹簧分别与三维力传感器下端、球关节上端固连。 

可以采用以下形式的三维力传感器以简化腿部结构，实现微小型的机器人三维力检测及腿部结构一体化小型设计。该三维力传感器包括传感器主体和应变片，其特征在于：所述传感器主体为长方体结构；在上述传感器主体上沿竖直方向依次等间距排列4n个水平切割槽，n为大于0的自然数，该水平切割槽即沿传感器主体的一个侧面水平切入并不完全使传感器主体切断，设自上而下分别为第一个水平切割槽至第4n个水平切割槽；上述第一个水平切割槽至第4n个水平切割槽，其槽口切入面所对应的传感器主体侧面按顺时针或逆时针方式循环排列；上述所有水平切割槽竖直宽度均相等，所有水平切割槽根部与对应的未切断侧面间距相等或不相等；上述第一个水平切割槽至第4n个水平切割槽，连续的4个水平切割槽构成一个切割单元；一共形成n个切割槽单元；所述的应变片为4个相同的应变片，分别贴于长方体结构的四个侧面，每个应变片与相应的电阻构成独立的单臂电桥电路。