一种具有足底感知能力的仿生二趾机械足

摘要

本发明公开一种具有足底感知能力的仿生二趾机械足，机械系统包括承载趾、辅助趾、支撑杆、传动轴、连接法兰盘；控制系统包括电源模块、复位模块、传感器模块、信号调理模块、微处理器及舵机模块；当足底外侧失稳区的足底压力超过设定的阈值时，微处理器将压力信号转换为驱动舵机转动的电信号，使辅助趾与承载趾分离成一定角度，起到辅助支撑的作用；同时通过划定优先级对足部是否失稳和失稳程度进行判断，控制辅助趾与承载趾分离的角度，起到节能作用。本发明以鸵鸟二趾足结构和触沙二趾姿态为仿生原型，通过机械设计与控制结合，对足部稳定状况进行判断，实现了二趾足部自适应辅助支撑的功能，提高足式机器人行走的稳定性、平顺性及节能性。

说明书

技术领域

本发明属于工程仿生领域，应用于双足机器人，具体涉及一种具有足底感知能力的仿生二趾机械足。

背景技术

相比轮式机器人，足式机器人因其在非常规地面优越的越障、通过性能，被广泛应用于深空探测、物资运输、抢险救援等领域。然而，当前足式机器人发展面临的主要问题是行走稳定性、平衡性及能耗问题，尤其是双足机器人，这也成为制约足式机器人发展的重要问题。

非洲鸵鸟是世界上现存最大、最重的平胸鸟类，常年生活在沙漠地区，不会飞翔，但能够持久、稳健地高速奔跑。鸵鸟是唯一一种二趾足鸟类，成年鸵鸟体重可达130-150kg。鸵鸟持续奔跑速度可达50-60km/h，可持续奔跑半小时而不累，冲刺时速超过70km/h，并且能够平稳转弯和制动。鸵鸟身体重量仅由二趾结构承担，再加上行走和奔跑产生的冲击力影响，鸵鸟必须对其足部二趾配合运动姿态进行及时调整，以达到平稳、节能及高速的运动。基于鸵鸟高效、平稳的运动特点，采用工程仿生技术，设计了一种具有足底感知能力的仿生二趾机械足。

发明内容

本发明公开一种具有足底感知能力的仿生二趾机械足，主要应用于双足机器人领域。该仿生机械足以鸵鸟二趾右足结构和触沙二趾姿态为仿生原型，通过机械设计与控制相结合，对足部稳定状况进行判断，实现了二趾足部自适应辅助支撑的功能，有利于提高足式机器人行走的稳定性、平顺性及节能性。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

一种具有足底感知能力的仿生二趾机械足，由机械系统和控制系统组成；机械系统包括承载趾、辅助趾、支撑杆、传动轴、连接法兰盘；承载趾与支撑杆固定连接，辅助趾部分插入承载趾内部且承载趾与辅助趾在趾后跟处通过传动轴转动连接，辅助趾与传动轴采用键连接，舵机与所述传动轴通过传动法兰盘连接，舵机通过舵机架固定在支撑杆上，承载趾足底外侧失稳区上由外向内依次并排黏贴有4个压力传感器。

进一步地，所述4个压力传感器均为薄膜压力传感器。

进一步地，所述承载趾和辅助趾的足底均黏贴有橡胶垫。

进一步地，所述承载趾与辅助趾在垂直方向上的间距为3mm。

进一步地，所述控制系统包括电源模块、复位模块、传感器模块、信号调理模块、微处理器及舵机模块；控制系统上电后，微处理器自动复位并初始化；微处理器进行足底压力信息扫描，通过传感器模块采集4个压力传感器的压力值信号并经过信号调理模块调理，将调理后的4个压力传感器15的压力值信号依次传输到微处理器ADC的4个端口；微处理器进行足底压力信息判断，当某一压力传感器采集的压力值大于其设定阈值时，微处理器产生舵机角度控制信号；通过舵机模块控制舵机转动相应角度，从而将辅助趾和承载趾分离一定角度，并延时一段时间等待足部和身体姿态调整，然后再进行下一轮的足底压力信息扫描和判断。

更进一步地，所述微处理器进行足底压力信息判断时对4个压力传感器划定优先级，微处理器按照优先级由高到低的顺序依次扫描4个压力传感器的压力值，当优先级高的压力传感器超出其阈值时，微处理器不再对比其优先级低的压力传感器进行扫描，而是直接产生舵机角度控制信号，驱动舵机转动相应角度，将辅助趾和承载趾分离。

更进一步地，所述压力传感器优先级为：根据压力传感器在承载趾足底外侧失稳区上的位置，最外侧位置的压力传感器优先级最高，按照压力传感器位置由外向内的顺序，对应位置的压力传感器优先级依次降低。

本发明的仿生原理：

在鸵鸟行走或奔跑过程中，当鸵鸟足触地时，第Ⅲ趾与第Ⅳ趾基本同时着地。但是，鸵鸟会根据身体和足的稳定状态来判断是否有必要调节第Ⅳ趾，以使自己的身体达到稳定、平衡和节能的效果。另外，根据鸵鸟在行走和慢跑时足底压力分布测试可知，第Ⅲ趾压力峰值先出现，随后第Ⅳ趾的压力峰值才出现。因此，鸵鸟身体的重量主要由第Ⅲ趾来支撑，第Ⅳ趾起到辅助支撑的作用。

根据ZMP理论，鸵鸟二趾右足的足底可分为稳定区和外侧失稳区、内侧失稳区。当右足的实际ZMP点位于足底内侧失稳区时，鸵鸟会通过双足的配合自适应调节机制，在下一个运动姿态，即左足触地时，通过分离左足的第Ⅳ趾来起到辅助支撑的作用。当右足的实际ZMP点位于足底外侧失稳区时，鸵鸟会通过自适应调节机制，在右足触地时通过分离右足的第Ⅳ趾来起到辅助支撑的作用。基于鸵鸟二趾足结构和触沙二趾姿态，设计了一种具有足底感知能力的仿生二趾机械足。

本发明的工作原理：

当机械足与地面相互接触后，薄膜压力传感器会感知足底压力大小和分布位置。当足底外侧失稳区压力超过设定的阈值时，信号转换模块会将压力信号转换为驱动舵机转动的电信号，从而将辅助趾和承载趾分离一定角度，起到辅助支撑的作用。另外，微处理器会根据足底外侧失稳区不同的位置是否超过设定的阈值来控制辅助趾和承载趾分离的角度大小，这起到了节能的作用。

基于鸵鸟二趾足结构和触沙二趾姿态，薄膜压力传感器被布置在足底外侧失稳区。由于实际ZMP点处于不同区域时能反映足部失稳的不同程度，因此，该仿生机械足的足底压力传感器按由外层到内层优先级别依次降低被划定为4个不同的优先级别。在机械足运动过程中，微处理器有选择地依次扫描压力传感器的压力值。当最外层第一压力传感器的压力值超出阈值时，微处理器跳过对内层3个压力传感器压力值的扫描和判断，直接驱动辅助趾转动，与承载趾呈40°夹角，如图7所示。当最外层第一压力传感器的压力值在阈值内，次外层第二压力传感器的压力值超出阈值时，微处理器跳过对内层2个传感器压力值的扫描和判断，直接驱动辅助趾转动，与承载趾呈30°夹角。依此类推，完成对4个压力传感器压力值的扫描和对承载趾的稳定状态进行判断。当4个压力传感器的输出值都在阈值内时，辅助趾不会转动，处于初始位置，如图6所示。

辅助趾转动到每个角度位置后，微处理器会控制辅助趾保持0.5秒，给足部和身体姿态的调整预留一定时间，然后再进行下一轮的扫描。当足部和身体调整到稳定状态后，失稳区的压力值会从外到内层依次恢复到阈值内，辅助趾恢复到初始状态。

本发明的有益效果：

本发明通过机械设计和控制原理相结合，根据足部和身体的稳定状态，基于足底压力感知，实现了二趾自适应分离，起到辅助支撑和节能的作用。同时，该仿生机械足结构简单、控制方便，有利于提高机器人行走的稳定性和平顺性，同时降低能量消耗，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的立体图。

图2是本发明的主视图。

图3是本发明的传动轴处剖视图。

图4是本发明的左视图。

图5是本发明的足底压力传感器布置图。

图6是本发明的二趾闭合状态俯视图。

图7是本发明的二趾分离状态俯视图。

图8是本发明的控制原理图。

图9是本发明的地面感知系统优先级别判断原理图。

图中：1-承载趾，2-辅助趾，3-支撑杆，4-舵机架，5-舵机，6-连接法兰盘，7-轴承端盖，8-传动轴，9-轴承，10-键，11-橡胶垫，12-第一压力传感器，13-第二压力传感器，14-第三压力传感器，15-第四压力传感器，16-稳态区，17-内侧失稳区，18-外侧失稳区。

具体实施方式

本发明公开一种具有足底感知能力的仿生二趾机械足。该仿生机械足主要由机械系统和控制系统组成。下面结合图1到图9，对本发明进行详细说明。

机械系统主要包括承载趾1、辅助趾2、支撑杆3、传动轴8、键10、连接法兰盘6、轴承9、轴承端盖7、舵机架4及橡胶垫11，如图1、图3、图5所示。对承载趾1和辅助趾2进行组合，辅助趾2部分插入承载趾1内部，且承载趾1与辅助趾2在垂直方向上的间距是3mm，如图4所示。承载趾1和支撑杆3采用螺栓进行固定，如图5所示。承载趾1和辅助趾2在趾后跟处采用传动轴8连接，辅助趾2与传动轴8之间采用键10驱动，辅助趾2仅保留水平面上的转动自由度，传动轴8采用轴承9进行定位。传动轴8上侧采用轴承端盖7固定，下端通过承载趾1进行定位。舵机5通过舵机架4固定在支撑杆3上，舵机5与传动轴8之间采用传动法兰盘6进行连接。承载趾1包括稳态区16、位于稳态区16外侧的外侧失稳区18和位于稳态区16内侧的内侧失稳区17，4个薄膜压力传感器12、13、14、15在同一水平线上由外向内依次黏贴在承载趾1足底外侧失稳区，如图5所示。为了降低薄膜压力传感器直接与地面接触，产生磨损、错位等问题，承载趾和辅助趾足底黏贴了2mm厚的橡胶垫11，起到了缓冲、保护的作用。

控制系统对压力传感器的信号进行处理，通过控制舵机转动来实现辅助趾的动作控制。控制系统主要包括电源模块、复位模块、RFP-604传感器模块、信号调理模块、ATmega128微处理器及JX-6221MG-180舵机模块等，控制原理如图8和图9所示。控制系统上电后，微处理器自动复位并初始化；微处理器初始化完成后，通过传感器模块采集第一压力传感器12至第四压力传感器15的压力值信号并经过信号调理模块调理，调理后的第一压力传感器12至第四压力传感器15的压力值信号依次传输到微处理器ADC的1至4号端口；压力值判断的优先级即按端口1—4顺序排列，当第1端口的压力值(即第一压力传感器12采集到的压力值)大于其设定阈值时，微处理器直接产生舵机角度控制信号，而不处理其他次优先级的压力信息，依此类推；微处理器产生对应的舵机角度控制信号后，通过舵机模块控制舵机转动相应角度并延时0.5秒等待足部和身体姿态调整，然后再进行下一轮的足底压力信息扫描和判断。

微处理器进行足底压力信息判断时对4个压力传感器采集的压力值划定优先级，微处理器按照优先级由高到低的顺序依次扫描4个压力传感器的压力值，当优先级高的压力传感器超出其阈值时，微处理器不再对比起优先级低的压力传感器进行扫描，而是直接产生舵机角度控制信号，驱动舵机转动相应角度，将辅助趾和承载趾分离至最大角度，从而起到快速动作的效果。当优先级高的压力传感器没有超出阈值时，微处理器再对次优先级的压力传感器进行判断，进而驱动辅助趾动作至设定位置。优先级划分为：根据压力传感器在承载趾足底外侧失稳区上的位置，最外侧位置的压力传感器(第一压力传感器12)优先级最高，按照压力传感器位置由外向内的顺序，对应位置的压力传感器优先级依次降低。

本发明的工作原理：

当机械足与地面相互接触后，薄膜压力传感器会感知足底压力大小和分布位置。当足底外侧失稳区压力超过设定的阈值时，信号转换模块会将压力信号转换为驱动舵机转动的电信号，从而将辅助趾和承载趾分离一定角度，起到辅助支撑的作用。另外，微处理器会根据足底外侧失稳区不同的位置是否超过设定的阈值来控制辅助趾和承载趾分离的角度大小，这起到了节能的作用。

基于鸵鸟二趾足结构和触沙二趾姿态，薄膜压力传感器被布置在足底外侧失稳区。由于实际ZMP点处于不同区域时能反映足部失稳的不同程度，因此，该仿生机械足的足底压力传感器按由外层到内层优先级别依次降低被划定为4个不同的优先级别。在机械足运动过程中，微处理器有选择地依次扫描压力传感器的压力值。当最外层第一压力传感器的压力值超出阈值时，微处理器跳过对内层3个压力传感器压力值的扫描和判断，直接驱动辅助趾转动，与承载趾呈40°夹角，如图7所示。当最外层第一压力传感器的压力值在阈值内，次外层第二压力传感器的压力值超出阈值时，微处理器跳过对内层2个传感器压力值的扫描和判断，直接驱动辅助趾转动，与承载趾呈30°夹角。依此类推，完成对4个压力传感器压力值的扫描和对承载趾的稳定状态进行判断。当4个压力传感器的输出值都在阈值内时，辅助趾不会转动，处于初始位置，如图6所示。

辅助趾转动到每个角度位置后，微处理器会控制辅助趾保持0.5秒，给足部和身体姿态的调整预留一定时间，然后再进行下一轮的扫描。当足部和身体调整到稳定状态后，失稳区的压力值会从外到内层依次恢复到阈值内，辅助趾恢复到初始状态。