[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

说明书

本发明公开了一种用于改善双足机器人行走稳定性的一体化踝足系统，该系统包括机器人小腿及踝部驱传动系统、二自由度踝关节、仿生学设计足部、足部感知与数据处理模块；其中踝部驱传动系统集成于小腿内部空间，足部感知与数据处理模块集成于足部本体，整套系统设计紧凑且一体化程度高。所述足部包含前掌被动关节和后跟缓冲模块，可有效缓冲足部受到的路面冲击，并实现仿人步态行走，提高机器人稳定性和运动能力。该系统小腿处集成并联直线驱动系统，保证踝部驱动性能的同时，减少驱传动系统部件外露。系统内部的各类传感器用于采集路面和踝足系统本身姿态信息，并通过数据处理模块，实现在非平整路面下对踝足系统的自适应性姿态调整。

技术领域

本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种用于改善双足机器人行走稳定性的一体化踝足系统。

背景技术

双足机器人是一种模仿人类身体结构，利用下肢的腿足结构行走的机器人。双足式结构显著增强了机器人的地形适应能力，相较于轮式运动机器人可在一些非平整路面上移动和完成任务。通过大步长仿人步态行走等方式，也可以使得机器人的运动性能得以提升。当前双足机器人已具备一定的稳定行走能力和抵抗外界干扰能力，并可利用布置于躯干处的各类传感器感知身体姿态，保持身体平衡。但由于双足机器人的结构特性，其直接触地部位和运动关节为足部和踝部，采用基于躯干姿态的稳定控制方式，由于传感器距离足踝部较远对足部运动姿态估计的准确性较差，容易造成足部姿态控制不到位，直接影响机器人足部支撑的稳定性。使用同时具备驱动运动和传感处理能力的一体化集成式机器人踝足系统，可将姿态感知和稳定性控制部分直接作用于与地面接触的踝足部分，有效提升机器人稳定控制效率，改善机器人行走稳定性。同时高度紧凑和一体化设计的踝足系统，可作为双足机器人的一个重要运动模块，适配于对足踝部姿态控制要求高的双足机器人本体。

中国专利号CN107756441A公开的一种一体化的仿人机器人踝关节驱动机构，采用液压驱动单元，驱传动机构布置于小腿内部，足部为仿人设计且具有自复位功能。该系统一体化程度高，但液压驱动单元的采用使得该系统必须依赖液压泵站等基础元件，无法形成一套独立的模块化系统。足部设计虽轻便，但足本体处的弹性结构使得行走中的变形量较大，足部姿态难以进行准确估计和控制。

中国专利号CN109606500B公开的一种跑跳双足机器人踝足机构，采用电机和连杆传动，并在足部加入力传感器感知地面信息。该系统具有一定的路面感知能力，结构也较为紧凑，但踝部自由度仅有一个，踝部稳定性控制难度大，电机和长连杆的传动方式使得结构整体性差，电机和连杆仍突出于腿部结构无法形成较好的一体化设计，在添加外壳后由于连杆运动受限，踝部运动范围较小。且该足部结构仍为传统一体式结构，在路面适应和缓冲减震方面效果不佳。

中国专利号CN112339881A公开的一种仿人双足机器人及其小腿结构，将二自由度踝部驱动电机置于小腿内部，利用绳索驱动踝关节，实现了一体化紧凑式布局。该系统可以在布局紧凑的条件下实现踝关节控制，但绳索驱动的方式使得踝部的驱动性能较差，整体结构复杂且控制难度大，系统的响应也较为缓慢，且该系统的足部无任何仿生形态设计，在非平整路面上的行走较为困难。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的缺点，提供一种用于改善双足机器人行走稳定性的一体化踝足系统，在与地面接触的足踝处提供路面适应和稳定性控制功能，改善双足机器人的行走稳定性。本发明通过高度紧凑和一体化设计的踝部驱传动系统，使得系统可以布置于小腿内部，不影响腿部结构的同时，减少驱传动结构件的外露，显著提高了机器人腿足结构的整体性。通过足部仿生学设计，参考人类等双足行走生物的足部结构，利用足前掌弹性趾关节、足后跟缓冲减震机构等，可实现机器人的仿人步态行走，并可有效减小路面冲击。通过安装于足部和腿部的各类传感器，对落脚点地面的不平度和踝足部的姿态实现感知，并反馈至内置于踝足系统的高性能处理模块中，通过算法实现在非平整路面下对踝足系统的自适应性姿态调整。同时，高度一体化的踝足系统使得其可以作为一个带有适应性控制功能的模块，用于各类双足机器人中。