專利名稱：一種多足步行機器人平底式腳結構的制作方法
技術領域：
本發明屬于機器人技術領域，具體涉及一種多足步行機器人平底式腳結構。
背景技術：
多足步行機器人是一種模仿多足動物運動形式具有冗余驅動、多支鏈、時變拓撲運動機構的足式運動機構。通常多足步行機器人具有四個或四個以上的運動足，常見的多足步行機器人有四足步行機器人、六足步行機器人、八足步行機器人等。多足步行機器人所具有的地面離散接觸的足運動方式具有獨特的優越性能，其可以更好的在地面崎嶇的非結構化環境下運動。與輪式和履帶式移動機器人相比，多足步行機器人在非結構化環境中有明顯的優勢。自然界中，大部分地面為非平坦地形，地球上近一半的地面不能為傳統的輪式或履帶式的車輛所到達，因此多足步行機器人有其廣闊的應用發展空間。特別是近年來隨著空間探測、抗險救災、軍事偵察、深海研究等領域的迫切需求，移動機器人的研究開始向著在地形復雜、障礙叢生的非結構化環境中高機動自主智能化運動的研究方向發展，多足步行機器人因其獨特的優越性而得到眾多科學家的關注。自20世紀80年代機器人學開拓者、美國著名機器人學家R. B. McGhee等開始研究四足步行機器人以來，多足步行機器人一直是科學界的研究熱點。在國外，2001年，Kenzo Nonami開發出了可用于礦藏探測的六足機器人COMET- II ；2002年，Atsushi Konno等人研制了一種新型的四足步行機器人JR0B-2 ；Dillmarm等人研制成功了仿哺乳動物四足步行機器人BISAM;日本東京工業大學Siigeo Hirose教授團隊研制了 TITAN系列四足步行機器人；西班牙CSIC研究議會的IAI研究中心Gonzalez de Santos團隊長期從事掃雷步行機器人方面的研究工作，相繼研制了掃雷機器人Silo4和Silo6 ；美國Boston Dynamics 公司開發了 BigDog軍用機器人和小型四足步行機器人LittleDog。在國內關于步行機器人的研究起步相對較晚，但是經過科研工作者的不懈努力也取得了長足的進步。其中具有代表性的研究成果有上海交通大學研發的四足行走機器人JTUWM ；華中科技大學的陳學東等人研制的具有腿/臂融合機構的“4+2”多足步行機器人；哈爾濱工程大學在兩棲仿生機器蟹和多足機器人領域做了大量的工作。在以上所提及的多足步行機器人中，COMET- II六足機器人、JR0B-2四足步行機器人、TITAN系列四足步行機器人、Silo4掃雷機器人、“4+2”多足步行機器人都采用了平底式腳結構設計。雖然現有的多足步行機器人大量采用平底足端式腳結構，但是現有的平底式腳結構也存在一些亟待解決的問題，如有些平底式腳結構缺乏約束從而造成多足步行機器人行走過程中機器人腳產生晃動；一些平底足端式腳采用被動關節容易造成多足步行機器人在行走的過程中被絆倒；平底式腳結構設計中缺乏減震、緩沖設計；平底式腳結構中對腳力的測量過于復雜。平底式腳結構需要進一步研究優化。

發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種多足步行機器人平底式腳結構。本發明包括腳底部分、腳底姿態測量部分、小腿連接件和數據采集處理器。腳底部分包括下腳底板、上腳底板、球面副蓋板、第一立柱、第二立柱、第三立柱、 第一立柱彈簧、第二立柱彈簧、第三立柱彈簧、第一立柱螺母、第二立柱螺母、第三立柱螺母、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器、第一壓墊、第二壓墊和第三壓墊。 上腳底板位于下腳底板的正上方，球面副蓋板位于上腳底板的正上方，球面副蓋板與上腳底板都開有三個通孔，下腳底板開有三個圓孔，且通孔與圓孔位置相對應，球面副蓋板與上腳底板之間通過三個螺釘螺紋固定。下腳底板與第一立柱、第二立柱和第三立柱的下端通過螺紋連接；第一立柱、第二立柱和第三立柱的上端依次穿過上腳底板和球面副蓋板上的通孔，并分別與第一立柱螺母、第二立柱螺母和第三立柱螺母通過螺紋連接，第一立柱、第二立柱和第三立柱與上腳底板和球面副蓋板的通孔之間為間隙配合。第一立柱彈簧、第二立柱彈簧和第三立柱彈簧分別套在第一立柱、第二立柱和第三立柱上；第一立柱彈簧、第二立柱彈簧和第三立柱彈簧的外徑小于上腳底板上通孔直徑和下腳底板上圓孔直徑，大于球面副蓋板上通孔直徑，第一立柱彈簧、第二立柱彈簧和第三立柱彈簧的上端部分位于上腳底板的三個通孔中，第一立柱彈簧、第二立柱彈簧和第三立柱彈簧的下端部分位于下腳底板的三個圓孔中；第一立柱彈簧、第二立柱彈簧和第三立柱彈簧處于壓縮狀態，第一立柱螺母、第二立柱螺母和第三立柱螺母的下表面與球面副蓋板的上表面相互接觸壓緊，下腳底板和上腳底板之間具有一定的間隙。下腳底板的上表面上設置三個凸臺，同樣上腳底板下表面上設置三個凸臺，上腳底板下表面上的三個凸臺位于下腳底板上表面上的三個凸臺的正上方，第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和第三壓力傳感器分別置于上腳底板下表面上的三個凸臺上，第一壓墊、第二壓墊和第三壓墊分別置于下腳底板上表面上的三個凸臺上， 第一壓墊、第二壓墊和第三壓墊的上表面的面積與第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和第三壓力傳感器的有效測量面積相同。上腳底板和球面副蓋板上分別設置三個導線槽，球面副蓋板上的三個導線槽位于上腳底板上的三個導線槽的正上方，第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和第三壓力傳感器的信號線分別穿過上腳底板和球面副蓋板上的導線槽與數據采集處理器連接。腳底姿態測量部分包括中間連接件、第一位移測量裝置、第二位移測量裝置和第三位移測量裝置。中間連接件的軸線與腳底部分軸線重合，中間連接件的下端通過球鉸與腳底部分連接，中間連接件的上端圓盤位于球面副蓋板的正上方并通過三個螺釘與小腿連接件下端圓盤連接固定。第一位移測量裝置、第二位移測量裝置和第三位移測量裝置結構相同，設置在中間連接件周圍，其中中間連接件的軸線、第一位移測量裝置的軸線和第三位移測量裝置的軸線共面，中間連接件的軸線與第二位移測量裝置的軸線所在的面，與中間連接件的軸線、第一位移測量裝置的軸線和第三位移測量裝置的軸線所在的面垂直，以第一位移測量裝置為例對其結構進行說明。第一位移測量裝置的下端通過球鉸與腳底部分連接，第一位移測量裝置的上端通過球鉸與中間連接件上端圓盤和小腿連接件下端圓盤連接。第一位移測量裝置、第二位移測量裝置和第三位移測量裝置的信號線分別穿過其上的線槽與數據采集處理器連接。腳底姿態測量部分具有三個轉動自由度。本發明可以達到的有益效果
(1)本發明采用平底式腳結構，多足步行機器人落足時平底足端與地面之間的接觸面積大，特別對于在松軟地面環境中平底式腳結構可以有效的解決多足步行機器人腳的下陷問題；
(2)本發明采用三個壓力傳感器實現腳力的測量，簡單可靠，同時通過三個壓力傳感器所測力值可以得到作用于腳底的地面反力的集中作用點從而對腳力的測量更為準確，可以實現多足步行機器人動態穩定運動的規劃與控制；
(3)本發明通過腳底姿態測量部分可以實現對落足后的多足步行機器人腳底姿態的測量，從而使多足步行機器人在行走過程中實時感知地形狀況，同時可以得到作用于腳底的地面反力的合力的作用方向，進而可以對多足步行機器人的受力狀況進行綜合精確分析；
(4)本發明在腳底部分設置三個彈簧，可以有效的減小多足步行機器人在行走過程中與地面之間相互作用而造成的震動和沖擊，可以顯著提高多足步行機器人行走過程中的平穩性。


圖1本發明的三維結構示意圖； 圖2本發明的前視圖3本發明的A-A剖視圖； 圖4本發明的B-B剖視圖5本發明的多足步行機器人腳底姿態計算示意圖。圖中1.下腳底板，2.上腳底板，3.球面副蓋板，4.第一立柱，5.第二立柱，6. 第三立柱，7.第一立柱彈簧，8.第二立柱彈簧，9.第三立柱彈簧，10.第一立柱螺母，11. 第二立柱螺母，12.第三立柱螺母，13.第一壓力傳感器，14.第二壓力傳感器，15.第三壓力傳感器，16.第一壓墊，17.第二壓墊，18.第三壓墊，19.數據采集處理器，20.中間連接件，21.第一位移測量裝置，22.第二位移測量裝置，23.第三位移測量裝置，24.小腿連接件，25.導線槽。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步說明。本發明包括腳底部分、腳底姿態測量部分、小腿連接件M和數據采集處理器19。如圖1、2、3、4所示，腳底部分包括下腳底板1、上腳底板2、球面副蓋板3、第一立柱 4、第二立柱5、第三立柱6、第一立柱彈簧7、第二立柱彈簧8、第三立柱彈簧9、第一立柱螺母10、第二立柱螺母11、第三立柱螺母12、第一壓力傳感器13、第二壓力傳感器14、第三壓力傳感器15、第一壓墊16、第二壓墊17和第三壓墊18。上腳底板2位于下腳底板1的正上方，球面副蓋板3位于上腳底板2的正上方，球面副蓋板3與上腳底板2都開有三個通孔， 下腳底板1開有三個圓孔，且通孔與圓孔位置相對應，球面副蓋板3與上腳底板2之間通過三個螺釘螺紋固定。下腳底板1與第一立柱4、第二立柱5和第三立柱6的下端通過螺紋連接；第一立柱4、第二立柱5和第三立柱6的上端依次穿過上腳底板2和球面副蓋板3上的通孔，并分別與第一立柱螺母10、第二立柱螺母11和第三立柱螺母12通過螺紋連接，第一立柱4、第二立柱5和第三立柱6與上腳底板2和球面副蓋板3的通孔之間為間隙配合。 第一立柱彈簧7、第二立柱彈簧8和第三立柱彈簧9分別套在第一立柱4、第二立柱5和第三立柱6上；第一立柱彈簧7、第二立柱彈簧8和第三立柱彈簧9的外徑小于上腳底板2上通孔直徑和下腳底板1上圓孔直徑，大于球面副蓋板3上通孔直徑，因此，第一立柱彈簧7、 第二立柱彈簧8和第三立柱彈簧9的上端部分位于上腳底板2的三個通孔中，第一立柱彈簧7、第二立柱彈簧8和第三立柱彈簧9的下端部分位于下腳底板1的三個圓孔中；第一立柱彈簧7、第二立柱彈簧8和第三立柱彈簧9處于壓縮狀態，在第一立柱彈簧7、第二立柱彈簧8和第三立柱彈簧9的作用下，第一立柱螺母10、第二立柱螺母11和第三立柱螺母12的下表面與球面副蓋板3的上表面相互接觸壓緊，下腳底板1和上腳底板2之間具有一定的間隙。下腳底板1的上表面上設置三個凸臺，同樣上腳底板2下表面上設置三個凸臺，上腳底板2下表面上的三個凸臺位于下腳底板1上表面上的三個凸臺的正上方，第一壓力傳感器13、第二壓力傳感器14和第三壓力傳感器15分別置于上腳底板2下表面上的三個凸臺上，第一壓墊16、第二壓墊17和第三壓墊18分別置于下腳底板1上表面上的三個凸臺上， 第一壓墊16、第二壓墊17和第三壓墊18的上表面的面積與第一壓力傳感器13、第二壓力傳感器14和第三壓力傳感器15的有效測量面積相同。上腳底板2和球面副蓋板3上分別設置三個導線槽25，球面副蓋板3上的三個導線槽位于上腳底板2上的三個導線槽的正上方，第一壓力傳感器13、第二壓力傳感器14和第三壓力傳感器15的信號線分別穿過上腳底板2和球面副蓋板3上的導線槽與數據采集處理器19連接。如圖1、2所示，腳底姿態測量部分包括中間連接件20、第一位移測量裝置21、第二位移測量裝置22和第三位移測量裝置23。中間連接件20的軸線與腳底部分軸線重合，中間連接件20的下端通過球鉸與腳底部分連接，中間連接件20的上端圓盤位于球面副蓋板 3的正上方并通過三個螺釘與小腿連接件M下端圓盤連接固定。第一位移測量裝置21、第二位移測量裝置22和第三位移測量裝置23結構相同，設置在中間連接件20周圍，其中中間連接件20的軸線、第一位移測量裝置21的軸線和第三位移測量裝置23的軸線共面，中間連接件20的軸線和第二位移測量裝置22的軸線所在的面，與中間連接件20的軸線、第一位移測量裝置21的軸線和第三位移測量裝置23的軸線所在的面垂直，以第一位移測量裝置21為例對其結構進行說明。第一位移測量裝置21的下端通過球鉸與腳底部分連接， 第一位移測量裝置21的上端通過球鉸與中間連接件20上端圓盤和小腿連接件M下端圓盤連接。第一位移測量裝置21、第二位移測量裝置22和第三位移測量裝置23的信號線分別穿過其上的線槽與數據采集處理器19連接。腳底姿態測量部分具有三個轉動自由度。多足步行機器人平底式腳落地時，首先下腳底板1壓縮第一立柱彈簧7、第二立柱彈簧8和第三立柱彈簧9，同時第一立柱4、第二立柱5和第三立柱6沿球面副蓋板3上的通孔向上滑動，第一立柱彈簧7、第二立柱彈簧8和第三立柱彈簧9進一步被壓縮直到第一壓墊16、第二壓墊17和第三壓墊18與第一壓力傳感器13、第二壓力傳感器14和第三壓力傳感器15相接觸，多足步行機器人平底式腳所受到的地面作用力通過第一壓墊16、第二壓墊17和第三壓墊18均勻作用于第一壓力傳感器13、第二壓力傳感器14和第三壓力傳感器 15上從而可以精確的測得腳力，第一壓力傳感器13、第二壓力傳感器14和第三壓力傳感器 15所測得的力信號輸入到數據采集處理器19，數據采集處理器19對第一壓力傳感器13、第二壓力傳感器14和第三壓力傳感器15的信號進行采集分析得到第一壓力傳感器13、第二壓力傳感器14和第三壓力傳感器15測得的力值，并通過第一壓力傳感器13、第二壓力傳感器14和第三壓力傳感器15測得的力值得到作用于多足步行機器人平底式腳上的地面反力的合力及合力作用點的位置。第一位移測量裝置21、第二位移測量裝置22和第三位移測量裝置23的三個位移測量量輸入到數據采集處理器19中，經數據采集處理器19處理可以得到腳底部分相對于中間連接件20上端圓盤的姿態。從而使多足步行機器人在行走過程中實時感知地形狀況，作用于多足步行機器人平底式腳的地面反力的合力的方向可以計算得至IJ，進而可以對多足步行機器人的受力狀況進行綜合精確分析。腳底姿態測量部分對多足步行機器人腳底姿態計算如下
如圖5所示，在坐標系OXYZ
中各點坐標為0(0,0,0) , A(IAO),聊,0) , C(-i,0,0)， O'(0,0,-H) , D(xB,yD,zD), ^( ，y-g’々)，^{^F^yf^^F) ο其中，O為坐標系OXYZ的坐標原點，O'為坐標系O'JTT'Z1的坐標原點， 忒(,￡),S,i 分別為球鉸的球心，Ja BCh CO、DO、、BO\ 的距離都為/,//為中間連接件的高度。在坐標系O1JTF1Z'中各點的坐標為聊,0) , S(PJJ)) , i H,0,0) 在坐標系0XYZ.中，由兩點間距離公式得
權利要求
1. 一種多足步行機器人平底式腳結構，包括腳底部分、腳底姿態測量部分、小腿連接件和數據采集處理器，其特征在于腳底部分包括下腳底板、上腳底板、球面副蓋板、第一立柱、第二立柱、第三立柱、第一立柱彈簧、第二立柱彈簧、第三立柱彈簧、第一立柱螺母、第二立柱螺母、第三立柱螺母、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器、第一壓墊、第二壓墊和第三壓墊，上腳底板位于下腳底板的正上方，球面副蓋板位于上腳底板的正上方，球面副蓋板與上腳底板都開有三個通孔，下腳底板開有三個圓孔，且通孔與圓孔位置相對應，球面副蓋板與上腳底板之間通過三個螺釘螺紋固定，下腳底板與第一立柱、第二立柱和第三立柱的下端通過螺紋連接；第一立柱、第二立柱和第三立柱的上端依次穿過上腳底板和球面副蓋板上的通孔，并分別與第一立柱螺母、第二立柱螺母和第三立柱螺母通過螺紋連接，第一立柱、第二立柱和第三立柱與上腳底板和球面副蓋板的通孔之間為間隙配合，第一立柱彈簧、第二立柱彈簧和第三立柱彈簧分別套在第一立柱、第二立柱和第三立柱上；第一立柱彈簧、第二立柱彈簧和第三立柱彈簧的外徑小于上腳底板上通孔直徑和下腳底板上圓孔直徑，大于球面副蓋板上通孔直徑，第一立柱彈簧、第二立柱彈簧和第三立柱彈簧的上端部分位于上腳底板的三個通孔中，第一立柱彈簧、第二立柱彈簧和第三立柱彈簧的下端部分位于下腳底板的三個圓孔中；第一立柱彈簧、第二立柱彈簧和第三立柱彈簧處于壓縮狀態，第一立柱螺母、第二立柱螺母和第三立柱螺母的下表面與球面副蓋板的上表面相互接觸壓緊，下腳底板和上腳底板之間具有一定的間隙，下腳底板的上表面上設置三個凸臺，同樣上腳底板下表面上設置三個凸臺，上腳底板下表面上的三個凸臺位于下腳底板上表面上的三個凸臺的正上方， 第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和第三壓力傳感器分別置于上腳底板下表面上的三個凸臺上，第一壓墊、第二壓墊和第三壓墊分別置于下腳底板上表面上的三個凸臺上，第一壓墊、第二壓墊和第三壓墊的上表面的面積與第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和第三壓力傳感器的有效測量面積相同，上腳底板和球面副蓋板上分別設置三個導線槽，球面副蓋板上的三個導線槽位于上腳底板上的三個導線槽的正上方，第一壓力傳感器、第二壓力傳感器和第三壓力傳感器的信號線分別穿過上腳底板和球面副蓋板上的導線槽與數據采集處理器連接；腳底姿態測量部分包括中間連接件、第一位移測量裝置、第二位移測量裝置和第三位移測量裝置，中間連接件的軸線與腳底部分軸線重合，中間連接件的下端通過球鉸與腳底部分連接，中間連接件的上端圓盤位于球面副蓋板的正上方并通過三個螺釘與小腿連接件下端圓盤連接固定，第一位移測量裝置、第二位移測量裝置和第三位移測量裝置結構相同， 設置在中間連接件周圍，其中中間連接件的軸線、第一位移測量裝置的軸線和第三位移測量裝置的軸線共面，中間連接件的軸線與第二位移測量裝置的軸線所在的面，與中間連接件的軸線、第一位移測量裝置的軸線和第三位移測量裝置的軸線所在的面垂直，以第一位移測量裝置為例對其結構進行說明，第一位移測量裝置的下端通過球鉸與腳底部分連接， 第一位移測量裝置的上端通過球鉸與中間連接件上端圓盤和小腿連接件下端圓盤連接，第一位移測量裝置、第二位移測量裝置和第三位移測量裝置的信號線分別穿過其上的線槽與數據采集處理器連接，腳底姿態測量部分具有三個轉動自由度。
全文摘要
本發明公開了一種多足步行機器人平底式腳結構，現有多足步行機器人平底式腳結構缺乏約束易絆倒，且缺乏減震、緩沖設計。本發明包括腳底部分、腳底姿態測量部分、小腿連接件和數據采集處理器，具體包括下腳底板、上腳底板、球面副蓋板、第一立柱、第二立柱、第三立柱、第一立柱彈簧、第二立柱彈簧、第三立柱彈簧、第一立柱螺母、第二立柱螺母、第三立柱螺母、第一壓力傳感器、第二壓力傳感器、第三壓力傳感器、第一壓墊、第二壓墊和第三壓墊、中間連接件、第一位移測量裝置、第二位移測量裝置和第三位移測量裝置。本發明采用平底式腳結構，簡單可靠；能實現對落足后的多足步行機器人腳底姿態的測量，實時感知地形狀況，且增強了平穩性。
文檔編號B62D57/032GK102556201SQ20121001689
公開日2012年7月11日 申請日期2012年1月19日 優先權日2012年1月19日
發明者金波, 陳剛, 陳誠, 陳鷹 申請人:浙江大學