[发明专利]一种用于改善双足机器人行走稳定性的一体化踝足系统

权利要求书

1.一种用于改善双足机器人行走稳定性的一体化踝足系统，其特征在于，包括机器人小腿(1)、踝部驱动传动系统、二自由度踝关节、仿生学设计足部；所述踝部驱动传动系统位于小腿(1)内，小腿(1)与二自由度踝关节连接；所述二自由度踝关节(5)的另一端与仿生学设计足部连接；所述仿生学设计足部包括依次连接的足前掌(11)、足本体(10)和足后跟(6)；所述足前掌(11)上设置有被动式弹性关节(9)，所述足后跟(6)上设置有缓冲减震块(7)。

2.根据权利要求1所述的用于改善双足机器人行走稳定性的一体化踝足系统，其特征在于，所述足前掌(11)上设置的被动式弹性关节(9)的设计参数表示为：

其中，k为弹性元件的弹性系数，E为弹性元件的弹性模量，d为弹性元件的材料直径，D_m为弹性元件的中径，F为前掌关节所能承受的最大载荷，N为弹性元件有效圈数，R为前掌关节所受载荷的力臂，n为弹性元件的数量，为前掌转动角度。

3.根据权利要求1所述的用于改善双足机器人行走稳定性的一体化踝足系统，其特征在于，所述足本体(10)与二自由度踝关节(5)连接。

4.根据权利要求1所述的用于改善双足机器人行走稳定性的一体化踝足系统，其特征在于，所述足后跟(6)的后端设计为曲面，所述足前掌(11)的前端设计为曲面。

5.根据权利要求1所述的用于改善双足机器人行走稳定性的一体化踝足系统，其特征在于，所述足后跟(6)上设置的缓冲减震块(7)的设计参数表示为：

其中，σ_p为后跟缓冲过程所受最大应力，ε为后跟缓冲过程产生的变形量，K为后跟缓冲材料形状系数，E为后跟缓冲材料弹性模量，h₀为后跟原始厚度，h为缓冲材料压缩后的后跟厚度。

6.根据权利要求1所述的用于改善双足机器人行走稳定性的一体化踝足系统，其特征在于，所述踝部驱动传动系统包括驱动电机(2)、增速器(13)、滚珠丝杆(3)、传动连杆(4)和直线导轨(12)；所述驱动电机(2)与增速器(13)连接；所述增速器(13)的输出端与滚珠丝杆(3)连接；所述滚珠丝杆(3)的另一端与传动连杆(4)连接；所述直线导轨(12)固定于机器人小腿(1)上，并与传动连杆(4)连接，用于约束传动连杆(4)上端的运动方向；所述传动连杆(4)的末端与足本体(10)连接。

7.根据权利要求6所述的用于改善双足机器人行走稳定性的一体化踝足系统，其特征在于，所述驱动电机(2)优选为伺服电机。

8.根据权利要求1所述的用于改善双足机器人行走稳定性的一体化踝足系统，其特征在于，所述一体化踝足系统还包括集成于足本体(10)和小腿(1)内的足部感知模块与数据处理模块(14)；所述足部感知模块包括由若干足底压力传感器(8)组成的传感器阵列和倾角传感器(15)；所述数据处理模块(14)用于处理足底压力传感器(8)和倾角传感器(15)采集的信息。

9.根据权利要求8所述的用于改善双足机器人行走稳定性的一体化踝足系统，其特征在于，所述足底压力传感器(8)为柔性薄膜压力传感器。

10.根据权利要求8所述的用于改善双足机器人行走稳定性的一体化踝足系统，其特征在于，所述数据处理模块(14)处理得到足部倾角为：

其中，θ_p为足部前后倾角，F_B为足后部压力，L_B为足后部压力的力臂，F_F为足前部压力，L_F为足前部压力的力臂，M为踝足系统的重量，g为重力加速度，L_g为踝足系统重心与踝关节处的距离，θ_R为足部左右倾角，F_L为足左侧压力，L_L为足左侧压力的力臂，F_R为足右侧压力，L_R为足右侧压力的力臂。