[发明专利]一种跑跳双足机器人踝足机构

说明书

本发明公开了一种跑跳双足机器人踝足机构，它由踝关节传动机构和足底力检测机构两部分组成；其中，踝关节传动机构包括踝关节电机、曲柄、连杆、小腿、踝关节转轴、脚掌、连杆轴；足底力检测机构包括第一力传感器、第二力传感器、足底垫、后脚跟、前脚掌，导向柱套筒和五个导向柱；本发明通过四连杆机构的设计，实现了踝关节电机对脚踝关节的角度或角速度控制，这种传动机构使得脚踝或小腿的质心提到了更高的位置，不仅较大降低了小腿的转动惯量，还节省了脚踝的空间，使得足部的体积变得更小，重量变得更轻，有助于提高整个腿部的摆动过程中的动态响应特性，提升了机器人运动的灵活性。

技术领域

本发明涉及一种机器人机构，特别是一种跑跳双足机器人踝足机构。

背景技术

自然界中大部分的地面环境是山地、丘陵、沙漠、冰川、雪地等复杂地形，在正常的人居环境中，也存在着大量的类似于陡坡、台阶、楼梯等不平整地形。这些地形中，传统的轮式和履带式机构都难跨越这类障碍，严重限制了机器人的移动速度和移动范围。而自然界中大多数哺乳动物(如人、马、羊等)通过腿足实现快速灵活的运动，几乎可以到达陆地上的任何地方。同样的，在各类陆地移动机器人中，腿足式机器人在运动灵活性、环境适应性方面也具有显著优势，是非结构环境下进行野外探测侦察、崎岖山区物资运输、灾后救援等作业的移动机器人首选，因此具有广阔的应用前景。

双足机器人作为腿足机器人中的典型代表，由于其拟人化或拟动物化的结构特点，以及在敏捷运动能力上的潜力，受到了人们广泛的关注。当下，如何实现双足机器人快速灵活的运动，以及实现在室外不平整地形上的稳定成为了机器人技术中的研究难点和热点。其中，机构设计是双足机器人中的重要组成部分，优良的机构设计对提高机器人运动的快速性和稳定性具有重要帮助。研究人员在设计双足机器人时将根据不同的步态规划手段和稳定性要求开展机构设计，以满足相应的控制要求。比如，以ZMP为稳定性判据的步行运动规划方法，期望机器人ZMP在运动过程中落在足底支撑域内且距离足底边缘保持一定的距离，从而确保在遇到微不平整路面时在稳定性上仍然具有一定的裕度，为了让机器人具有更高的稳定性，研究人员往往会设计具有两个自由度的脚踝关节以及大支撑面积的足底平面。

双足或仿人机器人的足踝机构成果相对已经较多，目前主要分为以下几类：一类诸如CN101402380，CN101618549，CN101823517A，CN1027300095A，CN104802876A，CN103057620A，CN104627265A等，这类双足或仿人机器人的踝足设计是以满足机器人运动的稳定需求为主，脚踝关节设计采用两个主动驱动关节，脚掌设计成具有较大的支撑面积，脚踝与脚掌之间一般安装有力/力矩传感器，或足底安装有一定的力检测传感器，这类设计一般需要较大的足底支撑面积，踝足间安装的六维力/力矩传感器不仅价格昂贵，且重量较大，对于需要快速响应的腿部运动并非最佳选择；另一类诸如CN106005079A等，踝足之间只采用一个驱动关节，且两者之间安装有缓冲机构，使得机器人在着地阶段可以缓解冲击，存储冲击能量并在起跳阶段释放能量，有效利用了机器人在跳跃过程中的能量效率，足底安装的微动开关用于判断机器人是否着地的状态，但是该踝足机构相对比较复杂，无法获得准确的着地力的大小，且微动开关在腿部摆动过程中容易产生误触发；还有一类是如论文Spring-mass walking with ATRIAS in 3D:robust gait control spanning zero to4.3 kph on a heavily underactuated bipedal robot及其相关视频中都提到一种欠驱动双足机器人的踝足机构设计，该机器人脚踝采用被动机构与足底相连，足底是细长条形状的，且在前后两端各安装一个接触传感器，用于判断着地的状态，足底相对机器人本体几乎没有上述所谓的支撑域，但是这类机器人也存在无法获取准确的着地力的大小的问题，且无法实现自主站立，为了保持稳定需要始终处于一个动态的运动控制中。该机器人的商业化版本CASSIE在踝关节处新增加了一个主动驱动关节，从现有资料中观察该机器人足底没有安装着地检测传感器，尽管设计上相对比较简洁的，但是由于该机器人仍以行走运动为主，对于快速跑跳运动所需要的实时着地判断要求仍未进行验证。

发明内容