[发明专利]一种具有足底感知能力的仿生二趾机械足

说明书

本发明公开一种具有足底感知能力的仿生二趾机械足，机械系统包括承载趾、辅助趾、支撑杆、传动轴、连接法兰盘；控制系统包括电源模块、复位模块、传感器模块、信号调理模块、微处理器及舵机模块；当足底外侧失稳区的足底压力超过设定的阈值时，微处理器将压力信号转换为驱动舵机转动的电信号，使辅助趾与承载趾分离成一定角度，起到辅助支撑的作用；同时通过划定优先级对足部是否失稳和失稳程度进行判断，控制辅助趾与承载趾分离的角度，起到节能作用。本发明以鸵鸟二趾足结构和触沙二趾姿态为仿生原型，通过机械设计与控制结合，对足部稳定状况进行判断，实现了二趾足部自适应辅助支撑的功能，提高足式机器人行走的稳定性、平顺性及节能性。

技术领域

本发明属于工程仿生领域，应用于双足机器人，具体涉及一种具有足底感知能力的仿生二趾机械足。

背景技术

相比轮式机器人，足式机器人因其在非常规地面优越的越障、通过性能，被广泛应用于深空探测、物资运输、抢险救援等领域。然而，当前足式机器人发展面临的主要问题是行走稳定性、平衡性及能耗问题，尤其是双足机器人，这也成为制约足式机器人发展的重要问题。

非洲鸵鸟是世界上现存最大、最重的平胸鸟类，常年生活在沙漠地区，不会飞翔，但能够持久、稳健地高速奔跑。鸵鸟是唯一一种二趾足鸟类，成年鸵鸟体重可达130-150kg。鸵鸟持续奔跑速度可达50-60km/h，可持续奔跑半小时而不累，冲刺时速超过70km/h，并且能够平稳转弯和制动。鸵鸟身体重量仅由二趾结构承担，再加上行走和奔跑产生的冲击力影响，鸵鸟必须对其足部二趾配合运动姿态进行及时调整，以达到平稳、节能及高速的运动。基于鸵鸟高效、平稳的运动特点，采用工程仿生技术，设计了一种具有足底感知能力的仿生二趾机械足。

发明内容

本发明公开一种具有足底感知能力的仿生二趾机械足，主要应用于双足机器人领域。该仿生机械足以鸵鸟二趾右足结构和触沙二趾姿态为仿生原型，通过机械设计与控制相结合，对足部稳定状况进行判断，实现了二趾足部自适应辅助支撑的功能，有利于提高足式机器人行走的稳定性、平顺性及节能性。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种具有足底感知能力的仿生二趾机械足，由机械系统和控制系统组成；机械系统包括承载趾、辅助趾、支撑杆、传动轴、连接法兰盘；承载趾与支撑杆固定连接，辅助趾部分插入承载趾内部且承载趾与辅助趾在趾后跟处通过传动轴转动连接，辅助趾与传动轴采用键连接，舵机与所述传动轴通过传动法兰盘连接，舵机通过舵机架固定在支撑杆上，承载趾足底外侧失稳区上由外向内依次并排黏贴有4个压力传感器。

进一步地，所述4个压力传感器均为薄膜压力传感器。

进一步地，所述承载趾和辅助趾的足底均黏贴有橡胶垫。

进一步地，所述承载趾与辅助趾在垂直方向上的间距为3mm。

进一步地，所述控制系统包括电源模块、复位模块、传感器模块、信号调理模块、微处理器及舵机模块；控制系统上电后，微处理器自动复位并初始化；微处理器进行足底压力信息扫描，通过传感器模块采集4个压力传感器的压力值信号并经过信号调理模块调理，将调理后的4个压力传感器15的压力值信号依次传输到微处理器ADC的4个端口；微处理器进行足底压力信息判断，当某一压力传感器采集的压力值大于其设定阈值时，微处理器产生舵机角度控制信号；通过舵机模块控制舵机转动相应角度，从而将辅助趾和承载趾分离一定角度，并延时一段时间等待足部和身体姿态调整，然后再进行下一轮的足底压力信息扫描和判断。

更进一步地，所述微处理器进行足底压力信息判断时对4个压力传感器划定优先级，微处理器按照优先级由高到低的顺序依次扫描4个压力传感器的压力值，当优先级高的压力传感器超出其阈值时，微处理器不再对比其优先级低的压力传感器进行扫描，而是直接产生舵机角度控制信号，驱动舵机转动相应角度，将辅助趾和承载趾分离。