一种四足机器人后肢系统踝关节与脚掌技术方案

本发明专利技术公开了一种四足机器人后肢系统踝关节与脚掌，包括可转动连接的踝关节和脚掌，踝关节包括支撑板、支撑框、支撑架、丝杆传动单元和踝关节控制单元；丝杆传动单元上端固定在支撑架上部，丝杆传动单元下端的两个连接端通过两个第一连杆铰接支撑板的左右两端、通过两个第二连杆铰接支撑架的左右两端，用以实现控制支撑板的俯仰运动和翻转运动；脚掌包括脚跟、足弓、脚掌控制单元和脚趾。本发明专利技术能够有效提高腿式机器人对复杂地形的适应能力和抗干扰能力，增强与地面接触的可靠性，提高机器人在不规则地形环境下行走稳定性，扩充机器人脚掌与环境的交互能力，并相应降低了脚掌的机械复杂度，提高了踝关节与脚掌的控制精度。

【技术实现步骤摘要】
一种四足机器人后肢系统踝关节与脚掌
本专利技术属于机器人领域，具体涉及一种四足机器人后肢系统踝关节与脚掌。
技术介绍
现阶段，机器人按照移动方式主要分为轮式机器人、履带式机器人和腿足式机器人，其研究的一个持续目标是增强移动系统的运动能力。履带式机器人和轮式机器人虽然在能源效率和控制方式上更加安全、高效、可靠，但面对复杂地形环境时，传统轮式机器人的稳定性和接地性能极大地降低，而履带式机器人虽然能适当降低对地形及环境的要求，但同时也存在灵活性差、控制精度低、维护成本高等缺点。然而，腿足式机器人则能很好的解决上述问题，其每条腿能够实现不同的动作，并借助各条腿的协调动作，将机器人的运动轨迹由连续态转变为离散态，将机器人受力分布在机器人脚掌与地面接触的离散点上，因此，腿足式机器人能够适应更广泛的地形、更灵敏的机器人与环境的交互能力且抗外界干扰能力更强。而改进、优化甚至设计全新的腿足式机器人踝关节与脚掌的结构、改善脚掌的控制方式则是提高机器人在复杂地形环境下行走稳定性和控制精度的重要途径。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷和不足，本专利技术提供了一种四足机器人后肢系统踝关节与脚掌，克服现有机器人脚掌与环境交互能力差、踝关节与脚掌的控制精度低的缺陷。为达到上述目的，本专利技术采取如下的技术方案：一种四足机器人后肢系统踝关节与脚掌，包括踝关节和脚掌，脚掌上端可转动安装所述踝关节；所述踝关节包括与脚掌连接的支撑板、与支撑板前后两端可转动连接的支撑框、与支撑框左右两端可转动连接的支撑架、丝杆传动单元和用于控制踝关节的踝关节控制单元；所述丝杆传动单元上端固定在支撑架上部，丝杆传动单元下端的两个连接端通过两个第一连杆铰接支撑板的左右两端、通过两个第二连杆铰接支撑架的左右两端，用以实现控制支撑板的俯仰运动和翻转运动；所述脚掌包括与踝关节连接的脚跟、倾斜布设的足弓、设于足弓上表面的脚掌控制单元和位于足弓端部的脚趾；所述足弓的两端通过扭簧分别与脚跟的上部和脚趾连接，扭簧能实现足弓与脚跟、脚趾之间的相对转动，使脚跟底面和脚趾能作为承重点与地面接触。本专利技术还具有如下技术特征：可选地，所述踝关节控制单元包括控制盒和传感器；控制盒安装在支撑架上，控制盒用于接收、处理踝关节上的传感器信息，并发出相应控制指令以使踝关节执行相应操作；所述丝杆传动单元包括从下至上依次连接的连接端、丝杆、自锁主轴螺母机构、电机、与丝杆同轴的丝杆运动导轨和连接支座；所述丝杆一端通过螺纹与连接端实现固定连接，丝杆另一端与配置在电机的输出轴上的自锁主轴螺母机构相连，实现由电机输出动力，带动自锁主轴螺母机构转动，进而带动丝杆上下运动，并通过踝关节控制单元中的增量编码器和数字式霍尔传感器检测电机转动角度、控制电机的正反转，实现踝关节的上下运动和翻转运动；所述丝杆与自锁主轴螺母机构啮合后引导入丝杆运动导轨内，丝杆运动导轨上端与连接支座铰接，连接支座固定在支撑架上部；所述自锁主轴螺母机构连接所述电机，所述电机为带减速器的线性无刷直流电机，在电机上部设有用于连接配重减振棒的连接口，配重减振棒用于丝杆传动单元运动时为第一连杆和第二连杆提供一定侧向力以使其稳定运动并缓解系统振动对四足机器人本体的影响。可选地，所述丝杆传动单元的连接端、丝杆、自锁主轴螺母机构、电机和丝杆运动导轨均为平行并列设置的两个，两个丝杆运动导轨上端均与同一个连接支座铰接，连接支座固定在支撑架上部。可选地，所述支撑板前后两端设有可旋转的第一支撑轴，在支撑板的左右两端设有可旋转的第二支撑轴，在第二支撑轴上开设有贯通的限位孔，支撑板下端设有脚掌连接件；所述支撑架为倒Y形结构，支撑架的上端为腿部连接环，支撑架的倒Y形结构的交点位置左右两侧设有两个第二连杆铰接件。可选地，所述支撑框为方形结构，支撑板通过第一支撑轴安装在支撑框的前后两条边上，第一支撑轴通过过盈配合与支撑框的前后两条边上的连接孔固定连接；所述支撑架下方的两个端部通过支架连接件连接在支撑框的左右两条边上，支架连接件与支撑架采用螺栓固定连接，支撑框相对于支撑架和支架连接件能够转动。可选地，所述第一连杆上下两端均设有安装孔，第一连杆的下端安装孔套在第二支撑轴外且通过连杆连接轴实现相互连接，连杆连接轴穿过限位孔并通过过盈配合与第一连杆实现固定连接；所述第二连杆为H形结构，第二连杆的上端通过连杆连接轴与支撑架的第二连杆铰接件铰接；所述第一连杆的上端、第二连杆的下端与丝杆传动单元下端的连接端通过连杆连接轴铰接。可选地，所述脚掌控制单元通过螺钉与足弓固定连接，脚掌控制单元与足弓的上表面之间嵌套有橡胶材料以保护脚掌控制单元不受外界环境的干扰；在扭簧的安装位置均设有足弓绝对编码器，用于检测足弓与脚跟、脚趾的相对转动角度，并将检测的信号传递到脚掌控制单元；进而为整个系统的控制与优化策略提供依据，为脚掌控制单元判断脚掌当前状态提供状态参数；所述脚跟下方设有位移传感器和膜片式压力传感器，用以测量脚跟与地面的距离以及机器人脚部的空间力分布；所述脚趾部位设置有膜片式压力传感器和加速度传感器，用以获取机器人脚部的空间力分布以及机器人前进速度。可选地，在脚跟与足弓的端部之间设有弹性缆绳，弹性缆绳能够保证脚掌部分遇到复杂地形时仍然与地面保持良好的接触以保证四足机器人本体的移动稳定性和静态稳定性。可选地，在脚跟的上端设有能将脚掌与踝关节可旋转连接的踝关节连接件，使两者有一定角度的偏转自由度，以缓解机器人遇到碰撞或干扰时对机器人稳定性的影响。可选地，所述踝关节连接件与脚掌连接件可转动连接。可选地，所述第一连杆与支撑板的左右两端能够采用球铰机构连接用以实现第一连杆与支撑板绕第一支撑轴做翻转运动。本专利技术与现有技术相比，有益的技术效果是：本专利技术提供的四足机器人后肢系统踝关节与脚掌，能够有效提高腿式机器人对复杂地形的适应能力和抗干扰能力，增强与地面接触的可靠性，提高机器人在不规则地形环境下行走稳定性，扩充机器人脚掌与环境的交互能力，并相应降低了脚掌的机械复杂度，提高了踝关节与脚掌的控制精度。本专利技术提供的四足机器人后肢系统踝关节与脚掌，踝关节部分，将支撑板与第一连杆通过连杆连接轴进行连接，且第一连杆能够带动内支撑体做旋转运动，大大降低了机构复杂度，提高了机器人运动平稳性，使机器人踝关节具有一定的柔性；采用左右对称的两个四连杆实现踝关节的俯仰运动和翻转运动，运动稳定性高且易于控制；采用自锁丝杆主轴螺母机构为两个四连杆机构提供动力，在踝关节处于稳定状态时，丝杆传动单元的自锁功能能够保证机器人的动作稳定性，并能够在机器人由稳定态转为运动态时提高系统的响应时间，并且丝杆传动单元与支撑架采用铰接方式连接，因此其能够相对于支撑架转动，大幅增加了机器人在遇到外界撞击或复杂地形时的系统柔性和运动稳定性。脚掌部分的脚跟与足弓、足弓与左右脚趾之间采用扭簧连接，并在脚掌部分设置了大量的用于获取机器人与地形环境的传感器，不但能够降低脚掌部分机械机构的复杂度，提高机器人整体控制精度，还能减轻脚掌部分整体质量，降低控制系统难度；另外，在脚跟与足弓之间设置了弹性缆绳，弹性缆绳外部由弹塑性良好的材料包覆，而且脚跟部位设置了弹性良好的橡胶材料用于降低脚掌触地时的振动对机器人本体的影响，并且弹性缆绳还能保证脚掌在遇到凸起障碍物时仍然能与地面有本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种四足机器人后肢系统踝关节与脚掌，包括踝关节(10)和脚掌(20)，其特征在于，脚掌(20)上端可转动安装所述踝关节(10)；所述踝关节(10)包括与脚掌(20)连接的支撑板(11)、与支撑板(11)前后两端可转动连接的支撑框(12)、与支撑框(12)左右两端可转动连接的支撑架(13)、丝杆传动单元(14)和用于控制踝关节(10)的踝关节控制单元(15)；所述丝杆传动单元(14)上端固定在支撑架(13)上部，丝杆传动单元(14)下端的两个连接端(141)通过两个第一连杆(16)铰接支撑板(11)的左右两端、通过两个第二连杆(17)铰接支撑架(13)的左右两端，用以实现控制支撑板(11)的俯仰运动和翻转运动；所述脚掌(20)包括与踝关节(10)连接的脚跟(21)、倾斜布设的足弓(22)、设于足弓(22)上表面的脚掌控制单元(23)和位于足弓(22)端部的脚趾(24)；所述足弓(22)的两端通过扭簧分别与脚跟(21)的上部和脚趾(24)连接，扭簧能实现足弓(22)与脚跟(21)、脚趾(24)之间的相对转动，使脚跟(21)底面和脚趾(24)能作为承重点与地面接触。

【技术特征摘要】
1.一种四足机器人后肢系统踝关节与脚掌，包括踝关节(10)和脚掌(20)，其特征在于，脚掌(20)上端可转动安装所述踝关节(10)；所述踝关节(10)包括与脚掌(20)连接的支撑板(11)、与支撑板(11)前后两端可转动连接的支撑框(12)、与支撑框(12)左右两端可转动连接的支撑架(13)、丝杆传动单元(14)和用于控制踝关节(10)的踝关节控制单元(15)；所述丝杆传动单元(14)上端固定在支撑架(13)上部，丝杆传动单元(14)下端的两个连接端(141)通过两个第一连杆(16)铰接支撑板(11)的左右两端、通过两个第二连杆(17)铰接支撑架(13)的左右两端，用以实现控制支撑板(11)的俯仰运动和翻转运动；所述脚掌(20)包括与踝关节(10)连接的脚跟(21)、倾斜布设的足弓(22)、设于足弓(22)上表面的脚掌控制单元(23)和位于足弓(22)端部的脚趾(24)；所述足弓(22)的两端通过扭簧分别与脚跟(21)的上部和脚趾(24)连接，扭簧能实现足弓(22)与脚跟(21)、脚趾(24)之间的相对转动，使脚跟(21)底面和脚趾(24)能作为承重点与地面接触。2.如权利要求1所述的四足机器人后肢系统踝关节与脚掌，其特征在于，所述踝关节控制单元(15)包括控制盒(151)和传感器；控制盒(151)安装在支撑架(13)上，控制盒(151)用于接收、处理踝关节(10)上的传感器信息，并发出相应控制指令以使踝关节(10)执行相应操作；所述丝杆传动单元(14)包括从下至上依次连接的连接端(141)、丝杆(142)、自锁主轴螺母机构(143)、电机(144)、与丝杆(142)同轴的丝杆运动导轨(145)和连接支座(146)；所述丝杆(142)一端通过螺纹与连接端(141)实现固定连接，丝杆(142)另一端与配置在电机(144)的输出轴上的自锁主轴螺母机构(143)相连，实现由电机输出动力，带动自锁主轴螺母机构(143)转动，进而带动丝杆(142)上下运动，并通过踝关节控制单元(15)中的增量编码器和数字式霍尔传感器检测电机(144)转动角度、控制电机(144)的正反转，实现踝关节(10)的上下运动和翻转运动；所述丝杆(142)与自锁主轴螺母机构(143)啮合后引导入丝杆运动导轨(145)内，丝杆运动导轨(145)上端与连接支座(146)铰接，连接支座(146)固定在支撑架(13)上部；所述自锁主轴螺母机构(143)连接所述电机(144)，所述电机(144)为带减速器的线性无刷直流电机，在电机(144)上部设有用于连接配重减振棒(147)的连接口，配重减振棒(147)用于丝杆传动单元(14)运动时为第一连杆(16)和第二连杆(17)提供一定侧向力以使其稳定运动并缓解系统振动对四足机器人本体的影响。3.如权利要求1所述的四足机器人后肢系统踝关节与脚掌，其特征在于，所述支撑板(11)前后两端设有可旋转的第一支撑轴(111)，在支撑板(11)的左右两端设有可旋转的第二支撑轴(112)，在第二支撑轴(112)上开设有贯通的限位孔(113)，支撑板(11)下端设有脚掌连接件(114)；所述支撑架(13...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱雅光，刘琼，宋运动，秦瑞，王超，
申请(专利权)人：长安大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61