具有三维力感知及空间表面自适应能力的仿生腿

摘要

一种具有三维力感知及空间表面自适应能力的仿生腿，属于机器人技术应用领域。包括机器人基座(1)、髋关节、大腿(3)、膝关节、小腿、足部；上述髋关节包括I号髋关节舵机(2)、髋关节舵机支架(4)和II号髋关节舵机(5)；上述膝关节包括膝关节舵机(7)和膝关节舵机支架(6)；上述小腿包括连接板(8)和三维力传感器(9)；上述足部包括复位弹簧(10)、球关节和脚掌(14)。本发明可用于具有三维接触力检测及自适应空间表面粘附脚掌能力的多自由度微小型腿式机器人腿部一体化设计中。

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术应用领域，具体涉及一种具有三维力感知及空间表面自适应能力的仿生腿，主要应用于腿式机器人运动实现中。

背景技术

目前国内外在腿式机器人可包括双足、四足、六足、八足机器人等(专利200780007115.1菅敬介等；专利200780002355.2小川章；专利03153505.4郑浩峻等；专利200510090265.6郑世杰等；专利200810118133.3胡永辉等)，在结构设计中双足机器人单腿具有6个主动驱动的自由度，而在四足、六足、八足机器人中，由于腿的数量较多，单腿的自由度一般为3个主动驱动的自由度，腿的足端采用点接触或球接触方式(专利200710098710.2罗庆生等)。对于爬壁或粘附行走的多足腿式机器人而言，机器人腿部需要具有更多自由度适应空间不同表面，要求在不增加控制难度的前提下保证腿式机器人具有更小的体积和重量，为此本发明在采用传统的3自由度主动驱动的前提下，又增加了具有4个复位弹簧约束的3自由度的球关节，在满足6自由度的运动要求下实现空间表面自适应，也减小了腿式机器人完成6自由度运动控制的难度。

目前国内外对三维力传感器研究主要应用于机器人技术上，按测力原理可分为电阻应变式、电容式、压电式和光电式，按弹性体结构可以分为直接输出型和间接输出型，但设计原理及加工工艺都较为复杂。在弹性体结构设计中，主要采用梁式结构(专利200810025591.2韩玉林等)、筒式结构(专利200610016178.0刘波等)、框架式结构(专利03112680.4宋爱国等)等，虽然都能够实现三维力检测，但是在结构设计、计算原理及制造方面都较为复杂，主要表现在结构上不够紧凑，很难用于微小型的机器人三维力检测及腿部结构一体化小型设计。传统的四足、六足、八足机器人腿部常采用一维力传感器或压力开关检测腿部着地信号触发或静态稳定性评估，对于爬壁或粘附行走的多足腿式机器人而言，需要空间三维力粘附力感知，实现真正空间不同表面上稳定行走。采用三维力传感器与腿部结构一体化设计可大大减轻了腿式机器人的体积和重量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有力感知检测且自适应空间表面能力的仿生腿结构，该仿生腿结构可用于具有三维接触力检测及自适应空间表面粘附脚掌能力的多自由度微小型腿式机器人腿部一体化设计中。

一种具有三维力感知及空间表面自适应能力的仿生腿，包括机器人基座、髋关节、大腿、膝关节、小腿、足部；上述髋关节包括I号髋关节舵机、髋关节舵机支架和II号髋关节舵机；其中I号髋关节舵机与机器人基座相固连，髋关节舵机支架一端与I号髋关节舵机输出轴固连，另一端与基座销轴连接，II号髋关节舵机固定安装于髋关节舵机支架内部，且II号髋关节舵机输出轴轴线与I号髋关节舵机输出轴轴线垂直；上述膝关节包括膝关节舵机和膝关节舵机支架；其中膝关节舵机固定安装于膝关节舵机支架内部，且膝关节舵机输出轴轴线与II号髋关节舵机输出轴轴线平行；上述大腿一端与II号髋关节舵机的输出轴固连，另一端与膝关节舵机输出轴固连；上述小腿包括连接板和三维力传感器；其中三维力传感器通过连接板与膝关节舵机支架固连；上述足部包括复位弹簧、球关节和脚掌；其中脚掌通过球关节与三维力传感器相连，且复位弹簧分别与三维力传感器下端、球关节上端固连。

可以采用以下形式的三维力传感器以简化腿部结构，实现微小型的机器人三维力检测及腿部结构一体化小型设计。该三维力传感器包括传感器主体和应变片，其特征在于：所述传感器主体为长方体结构或四棱台结构或平行六面体结构；在上述传感器主体上沿竖直方向依次等间距排列4n个水平切割槽，n为自然数，该水平切割槽即沿传感器主体的一个侧面水平切入并不完全使传感器主体切断，设自上而下分别为第一个水平切割槽至第4n个水平切割槽；上述第一个水平切割槽至第4n个水平切割槽，其槽口切入面所对应的传感器主体侧面按顺时针或逆时针方式循环排列；上述所有水平切割槽竖直宽度均相等，所有水平切割槽根部与对应的未切断侧面间距相等或不相等；上述第一个水平切割槽至第4n个水平切割槽，连续的4个水平切割槽构成一个切割单元；一共形成n个切割槽单元；所述的应变片为4个相同的应变片，分别贴于长方体结构的四个侧面，每个应变片与相应的电阻构成独立的单臂电桥电路。

本发明的工作原理为：仿生腿通过三个舵机驱动关节，实现三个位置自由度运动，达到机器人运动所规划的仿生腿末端机器人脚掌在空间的某个位置，通过具有复位弹簧约束的自适应球关节实现三个姿态自由度转动与空间表面贴合，最终实现机器人脚掌在空间表面自适应的能力；在检测三维力时，当受力面中心点受到三维力，在三维力的作用下，贴有4个应变片的侧面发生变形，导致所述4个应变片的长度发生变化，最终引起每个应变片的电阻值发生变化，通过上述所述的在4个侧面组建相互独立单臂电桥电路，可检测长方体结构受力变形下各个单臂电桥的输出电压，通过输出的电压值及采用相关的解耦算法得到三维力大小与方向，可见仿生腿具有三维力感知及空间表面自适应能力。

本发明中三维力传感器切割槽宽度大小和切割槽底端与对应侧面间距大小对传感器的性能起到决定性影响。选择切割槽的宽度大小主要考虑在传感器受力状况下长方体结构或四棱台结构或平行六面体结构变形时能够满足应变片变形在允许的工作范围要求，同时也要考虑在传感器过载时起到过载保护的作用，其他尺寸及结构相同的情况下切割槽的宽度越大，应变片受力可变形量越大，过载保护效果越差；切割槽底端与对应侧面间距大小选择主要考虑传感器三维各项力的量程范围及相互关系，通过调整切割槽底端与对应侧面间距实现传感器三维各项受力的不同量程范围，其他尺寸及结构相同的情况下切割槽底端与对应侧面间距越大，传感器量程越大。

本发明与现有技术相比有如下优点：

1、本发明可以实现微小型腿式机器人仿生腿部三维力感知和空间表面自适应能力。

2、本发明的三维力传感器结构简单、工作原理清晰、加工方便、经济可行。

3、本发明的三维力传感器体积小、重量轻、解耦性强，满足微小型机器人仿生腿结构设计要求，为微小型腿式机器人自主力反馈控制提供必要的设备保障。

4、本发明的三维力传感器可实现三维力感知的微小型腿式机器人三维力检测及腿部结构一体化小型设计。

附图说明

图1是本发明具有三维力感知及空间表面自适应能力的仿生腿结构示意图。

图2是本发明具有三维力感知及空间表面自适应能力的仿生腿结构爆炸示意图。

图3是本发明具有三维力感知及空间表面自适应能力的仿生腿踝关节部分结构图。

图4是本发明具有三维力感知及空间表面自适应能力的仿生腿关节运动自由度示意图。

图5是本发明三维力传感器9长方体结构示意图。

图6是本发明三维力传感器切割槽区域分布图。

图7是本发明三维力传感器长方体结构示意图；其中图7-1是主视图，图7-2是左视图，图7-3是俯视图。

图8是本发明三维力传感器应变片布置示意图；其中图8-1是主视图，图8-2是左视图，图8-3是俯视图。

图9是本发明三维力传感器电路图。

图1-9中标号名称：1、基座；2、I号髋关节舵机；3、大腿；4、髋关节舵机支架；5、II号髋关节舵机；6、膝关节舵机支架；7、膝关节舵机；8、连接板；9、三维力传感器；10、复位弹簧；11、球关节端盖；12、球头；13、球关节垫片；14、脚掌；o为机器人基座坐标原点；x₀、y₀和z₀为机器人基座坐标轴；∑₁、∑₂、∑₃分别为髋关节、膝关节和踝关节坐标系；x₁、y₁和z₁为∑₁坐标轴；x₂、y₂和z₂为∑₂坐标轴；x₃、y₃和z₃为∑₃坐标轴；θ₁、θ₂、θ₃、θ₄、θ₅和θ₆分别绕坐标轴x₁、y₁、y₂、y₃、x₃和z₃的转角；L_x为长方体结构长；L_y为长方体结构宽；L_z为长方体结构高；A、B、C和D为4个侧面；E为受力面；F_x、F_y和F_z为传感器所受三维力；o₁为传感器所受三维力作用点；S_A、S_B、S_C和S_D为切割槽；l₁为一个切割单元分布长度；l_n为n个切割单元分布长度；b为切割槽宽度；a_n、b_n、c_n和d_n分别为切割槽S_A、S_B、S_C和S_D底端与侧面C、D、A和B在第n个切割周期内的间距；R_A、R_B、R_C和R_D为4个应变片；l_R1为应变片长度；l_R2为应变片宽度；U₁、U₂、U₃和U₄为单臂电桥输出电压；E为电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：

结合图1-9，本实施例为具有三维力感知及空间表面自适应能力的仿生腿，包括机器人基座1、I号髋关节舵机2、大腿3、髋关节舵机支架4、II号髋关节舵机5、膝关节舵机支架6、膝关节舵机7、连接板8、三维力传感器9、4根复位弹簧10、球关节端盖11、球头12、球关节垫片13和脚掌14。如图2所示，I号髋关节舵机2与机器人基座1相固连，I号髋关节舵机2转动输出转动轴与髋关节舵机支架4一端固连，髋关节舵机支架4另一端与机器人基座1销轴连接，II号髋关节舵机5置于髋关节舵机支架4内部通过螺钉固连，大腿3一端上部与II号髋关节舵机5输出转动轴固连，大腿3一端下部与髋关节舵机支架4底部销轴连接，大腿3另一端上部与膝关节舵机7输出转动轴固连，大腿3另一端下部与膝关节舵机支架6底部销轴连接，膝关节舵机7置于膝关节舵机支架6内部通过螺钉固连。

如图2-3所示，三维力传感器9与膝关节舵机支架6通过连接板8相互连接，三维力传感器9底端与球头12连接杆螺纹连接，球关节端盖11、球关节垫片13和机器人脚掌14通过4个螺栓固连，4根复位弹簧10上端通过1个螺栓与三维力传感器9下端固连，4根复位弹簧10下端分别与上述4个螺栓固连。如图4所示，具有三维力感知及空间表面自适应能力的仿生腿可实现6个自由度转动，包括由舵机驱动实现绕坐标轴x₁、y₁、y₂的主动旋转角度θ₁、θ₂、θ₃和由球头12具有的绕、y₃、x₃和z₃的被动旋转角度θ₄、θ₅和θ₆。由机器人机构学研究表明：绕坐标轴x₁、y₁、y₂主动旋转角度θ₁、θ₂、θ₃这3个自由度为位置自由度，决定了仿生腿末端机器人脚掌相对于机器人基座1在空间的位置坐标值；绕坐标轴y₃、x₃和z₃的被动旋转角度θ₄、θ₅和θ₆这3个自由度为姿态自由度，决定了仿生腿末端机器人脚掌相对于机器人基座1在空间的姿态角度值。由此可见，具有三维力感知及空间表面自适应能力的仿生腿有空间6自由度，在运动允许范围仿生腿末端机器人脚掌可达到空间任意位置，且由4根复位弹簧10约束的被动旋转角度θ₄、θ₅和θ₆这3个姿态自由度可实现任意姿态下与空间表面贴合，当与空间表面脱离时由4根复位弹簧10复位驱动又能恢复到初始状态，因此具有空间表面自适应能力。

如图5-9所示，三维力传感器9为一个长方体结构，所述的长方体结构为铝合金LY12材质，长为L_x，宽为L_y，高为L_z，具有4个在中心轴方向为顺时针(或逆时针)排列的侧面A、B、C和D；所述的侧面A、B、C和D分别有平行于受力面E的切割槽S_A、S_B、S_C和S_D；所述的切割槽S_A、S_B、S_C和S_D在中心轴方向为顺时针(或逆时针)排列，且在中心轴方向绕顺时针(或逆时针)转一圈为一个切割单元，分布长度为l₁，同理在中心轴方向顺时针(或逆时针)转n圈，则分布长度为l_n；所述的切割槽S_A、S_B、S_C和S_D的宽度为b，在n个切割周期单元内均布；所述的切割槽S_A、S_B、S_C和S_D底端与侧面C、D、A和B在第n个切割周期内的间距分别为a_n、b_n、c_n和d_n。

如图8所示，所述的侧面A、B、C和D在切割槽S_A、S_B、S_C和S_D处贴有应变片R_A、R_B、R_C和R_D；所述的应变片R_A、R_B、R_C和R_D位于侧面A、B、C和D上，且长度为l_R1、宽度为l_R2。

如图9所示，所述的应变片R_A、R_B、R_C和R_D分别组建相互独立的单臂电桥电路，连接点1和3分别与电源E两端连接，连接点2和4输出端电压分别为U₁、U₂、U₃和U₄。

如图5所示，所述受力面E的中心点受到三维力F_x、F_y和F_z，在三维力F_x、F_y和F_z的作用下，贴有应变片R_A、R_B、R_C和R_d的侧面A、B、C和D发生变形，导致所述应变片R_A、R_B、R_C和R_D的长度l_R1发生变化，最终引起应变片R_A、R_B、R_C和R_D的电阻值发生变化，通过上述所述的在每个侧面A、B、C和D组建相互独立单臂电桥，可检测长方体结构1受力变形下各个单臂电桥的输出电压U₁、U₂、U₃和U₄，通过输出电压U₁、U₂、U₃和U₄相关的解耦算法得到三维力大小与方向。

所述的解耦算法是通过输出电压U₁、U₂、U₃和U₄在相应方向上叠加，具体表达式：F_x＝k_x1U₁-k_x3U₃；F_y＝k_y1U₁-k_y3U₃；F_z＝K_z1U₁+k_z2U₂+k_z3U₃+k_z4U₄，其中k_x1、k_x3、k_y1、k_y3、k_z1、k_z2、k_z3、k_z4为修正系数，其值与所述的a_i、b_i、c_i、d_i(i＝1，2......n)与L_x或L_y的比例值有一定的相关性，具体设计时基于铝合金LY12材质的传感器主体结构，通过ANSYS仿真调整比例值关系选择传感器各项量程，经过传感器实际标定得到上述修正系数，最终通过上述输出电压U₁、U₂、U₃和U₄计算各项受力大小。由上述F_x、F_y和F_z表达式可见，基于输出电压U₁、U₂、U₃和U₄参数的力学计算简单，表明该传感器具有各项解耦性强的特点。因此空间表面自适应能力的仿生腿还具有三维力感知的能力。