一种可调刚度的气囊式机器人腿缓冲机构

摘要

一种可调刚度的气囊式机器人腿缓冲机构，包括连接块、气囊、腿外筒、伸缩杆和力传感器，连接块安装在腿外筒的上端，伸缩杆安装在腿外筒内，伸缩杆的下部伸出腿外筒，伸缩杆的上端活塞部与腿外筒内顶部之间的空间为油室，油室通过一隔板分为上下两部分，上部设置有气囊，下部贮存有液压油并与外部的压力调节回路相连，隔板上设有阻尼孔，伸缩杆的下端安装有用来测量足与地面之间的接触力的大小和方向的力传感器。本发明可根据传感装置检测到的地面硬度信息在线调节空气弹簧的刚度，减小地面对机器人的冲击力，提高机器人动步态行走的稳定性，使机器人行走在最稳定的状态。

权利要求

1.一种可调刚度的气囊式机器人腿缓冲机构，包括连接块、气囊、腿外筒、伸缩杆和力传感器，连接块安装在腿外筒的上端，其特征在于：伸缩杆安装在腿外筒内，伸缩杆的下部伸出腿外筒，伸缩杆的上端活塞部与腿外筒内顶部之间的空间为油室，油室通过一隔板分为上下两部分，油室上部设置有预先充气的封闭气囊，油室下部贮存有液压油并与外部的压力调节回路相连，隔板上设有阻尼孔，伸缩杆的下端安装有用来测量足与地面之间的接触力的大小和方向的力传感器；压力调节回路中的电液伺服阀根据压力传感器测量的油室内液压油压力和由地面硬度决定的气囊的弹簧刚度所对应的液压油压力快速调整油室内的油量。

2.根据权利要求1所述的可调刚度的气囊式机器人腿缓冲机构，其特征在于：所述压力调节回路包括恒压油源、电液伺服阀、液控单向阀和压力传感器，恒压油源、电液伺服阀和液控单向阀依次连接，液控单向阀与油室下部连接，压力传感器安装在油室下部与液控单向阀之间。

3.根据权利要求1所述的可调刚度的气囊式机器人腿缓冲机构，其特征在于：所述力传感器的外部罩有橡胶套。

说明书

一种可调刚度的气囊式机器人腿缓冲机构

技术领域

[0001] 本发明涉及一种液压驱动的仿哺乳类动物移动机器人的腿缓冲机构，属于多足移动机器人技术领域。

背景技术

[0002] 目前，轮式和履带式移动机器人的相关技术已得到充分发展，已有不少各种各样的移动机器人产品被应用到娱乐、反恐排爆、危险环境作业以及军事等领域。轮式机器人具有摩擦阻力小、速度快等优点，但只适应于平坦的地面环境，越障能力差。履带式机器人对环境的适应能力强，可翻越障碍、攀爬楼梯、跨越壕沟等，但传动效率低。无轮是轮式机器人还是履带式机器人都只能在地球上不到一半的陆地上行走，而人类和动物却可以在陆地上的任何地方行走。因此，腿式移动机器人比轮式和履带式移动机器人具有更强的环境适应能力。

[0003] 20世纪60年代出现由生命科学与工程技术科学相互渗透、相互结合的仿生学(Bionics)。也就是从这时起，美国率先开展了仿生机器人的研究，并在1968年由美国通用电气公司的Mosher研制出了世界上第一台现代意义上的、具有控制功能的四足步行机器人。1977年，美国俄亥俄州立大学的Robert McGhee研制了世界上第一台数字计算机控制的步行仿生机器人。从20世纪80年代起，美国、日本、加拿大、瑞士、德国等国家的研究机构均开始研究仿哺类动物腿式移动机器人，另有很多机构研究仿爬行类动物移动机器人。

[0004] 四足仿哺乳类动物机器人是一个具有复杂动力学问题的多体系统。机器人在静步态行走时有三条腿支撑地面，一般可保持稳定；但在动步态行走时只有两条腿支撑地面，足落地时受到的地面冲击力极易使机器人跌倒。因此，动态行走稳定问题是四足仿哺乳类动物机器人的一个难题。目前解决这一难题的主要途径是研制出新型的弹性和柔韧性机械系统。

[0005] 发表于1999年7月份《上海交通大学学报》的文献《四足步行机器人中一种新型腿结构缓冲特性》介绍了一种弹性步行机构，该机构由四组并联弹性元件和以机器人腿外壳为机架的四连杆机构复合而成，其工作原理是：步行机器人足着地时，机体由于下踩的惯性，通过机器人腿带动下连杆压缩弹簧向下运动，下连杆又带动上连杆摆动，由于弹簧导向杆与支撑足相连，则上连杆的上铰链与静止端连接。在上、下连杆由于弹簧的压缩而呈一条直线时，连杆机构到达死点位置，通过控制电磁铁吸住下连杆以使连杆机构保持在死点位置，从而把弹簧中吸收的冲击能锁定在弹性腿中。然后在一定步态下控制弹性腿中的电磁吸盘使其失电而使弹性腿中存储的能量释放出来，辅助机器人抬腿摆动。该机构在一定程度上缓解了足落地时受到的地面冲击力，但结构复杂，且弹簧刚度不能根据不同硬度的地面环境进行在线调节。

发明内容

[0006] 本发明针对现有腿式移动机器人的腿结构缓冲技术存在的不足，提供一种可根据地面硬度调节弹簧刚度的气囊式机器人腿缓冲机构，该机构可用于液压驱动的多足机器人腿部末节，减小地面对机器人的冲击力，提高机器人动步态行走的稳定性。

[0007] 本发明一种可调刚度的气囊式机器人腿缓冲机构采用以下技术解决方案：

[0008] 该机器人腿缓冲机构包括连接块、气囊、腿外筒、伸缩杆和力传感器，连接块安装在腿外筒的上端，伸缩杆安装在腿外筒内，伸缩杆的下部伸出腿外筒，伸缩杆的上端活塞部与腿外筒内顶部之间的空间为油室，油室通过一隔板分为上下两部分，上部设置有气囊，下部贮存有液压油并与外部的压力调节回路相连，隔板上设有阻尼孔，伸缩杆的下端安装有用来测量足与地面之间的接触力的大小和方向的力传感器。

[0009] 压力调节回路包括恒压油源、电液伺服阀、液控单向阀和压力传感器，恒压油源、电液伺服阀和液控单向阀依次连接，液压单向阀与油室下部连接，压力传感器安装在油室下部与液压单向阀之间，用来测量油室内液压油的压力，并传送给机器人的控制系统。

[0010] 所述力传感器的外部罩有橡胶套，用来增加足与地面间的摩擦力，并起一定的缓冲和减振作用。

[0011] 该缓冲机构作为多足机器人腿的末节，连接块用来与腿部的其它部分相连接。伸缩杆可在腿外筒内往复直线运动，通过安装在腿外筒与伸缩杆之间的直线轴承来减小摩擦。油室中的气囊用来吸收地面对机器人的冲击力，使机器人保持稳定，阻尼孔用来消耗地面对机器人的冲击能量，阻尼孔的大小可根据需要设置，通过改变油室内液压油的贮存量改变气囊的初压力，调节其刚度。

[0012] 本发明直接利用机器人驱动系统的液压油源，机器人控制系统可根据传感装置检测到的地面硬度信息在线调节空气弹簧的刚度，减小地面对机器人的冲击力，提高机器人动步态行走的稳定性，使机器人行走在最稳定的状态。本发明结构简单、紧凑，可应用于液压驱动的双足、四足、六足或八足等仿生机器人上。

附图说明

[0013] 图1是本发明可调刚度的气囊式机器人腿缓冲机构的结构示意图。

[0014] 图2是本发明中的压力调节回路原理示意图。

[0015] 图3是本发明的气囊弹簧刚度调节的原理框图。

[0016] 图中：1.连接块，2.气囊，3.腿外筒，4.阻尼孔，5.液压油接口，6.油室，7.油封，8.直线轴承，9.轴套，10.直线轴承，11.透盖，12.防尘密封圈，13.伸缩杆，14.压力传感器，15.橡胶套，16.压力传感器，17.液控单向阀，18.电液伺服阀，19.恒压油源，20.油箱。

具体实施方式

[0017] 本发明的结构如图1所示，主要包括连接块1、气囊2、腿外筒3、伸缩杆13、力传感器14和橡胶套15。本发明作为机器人腿部的末节，连接块1安装在腿外筒3的上端，用来与机器人腿部其它部分相连接。伸缩杆13通过直线轴承8和10定位安装在腿外筒3内，其下部伸出腿外筒3，两个直线轴承8和10之间设有起隔离定位作用的轴套9，伸缩杆13可相对腿外筒3做往复直线运动。透盖11对直线轴承10起定位作用，内嵌的防尘密封圈12防止灰尘从伸缩杆13与透盖11之间的间隙进入直线轴承10。伸缩杆13的上端活塞部与腿外筒3内顶端之间的空间为油室6。油室6的中部设置有横向的隔板，隔板上开有阻尼孔4。隔板上方装有预先充气的封闭气囊2，用来缓冲地面对机器人的冲击，油室6内贮存有液压油。阻尼孔4增加液压油从隔板一侧流向另一侧的阻力，消耗地面对机器人的冲击能量。阻尼孔4的大小根据需要加工，较大的阻尼孔4阻力较小，气囊2在机器人落地时吸收的能量可在机器人离地时作为动力输出。由于油室6的容积一定，当向油室6充油时，气囊2被进一步压缩，气囊2内的气体压力升高，其弹簧刚度相应增大。伸缩杆13上端活塞部安装有油封7，用来封闭油室6内的液压油，保持油室内的压力。液压油接口5与图2所示的压力调节液压回路相连。伸缩杆13的下端安装有力传感器14，用来测量机器人足与地面之间的接触力的大小和方向，并提供给机器人控制系统。力传感器14外部罩有橡胶套
15，用来增加足与地面间的摩擦力，并起一定的缓冲和减振作用。

[0018] 与油室6连接的压力调节回路如图2所示。图中恒压油源19和油箱20均采用机器人液压驱动系统的恒压油源和油箱，也可单独设置。油室6与液压单向阀17之间安装有压力传感器16，用来测量油室6内液压油的压力，并传送给机器人的控制系统。液控单向阀17用来切断液压油从油室6向电液伺服阀18的通路，防止机器人在落地瞬间油室6内液压油过高的压力冲击电液伺服阀18。但在主动调节油室6内压力时，液控单向阀17可在电液伺服阀18的控制下双向流通。电液伺服阀18根据压力传感器16测量的油室6内液压油压力和由地面硬度决定的气囊2的弹簧刚度所对应的液压油压力快速调整油室6内的油量。

[0019] 气囊2的弹簧刚度调整过程如图3所示。气囊2的弹簧刚度与其内的气体压力有关，气体压力与油室6内的液压油的压力是相同的。油室6内液压油压力的调节须在腿位于悬空相时进行，因为此时压力传感器16测量的压力是气囊2内气体的静态压力。控制系统根据地面信息确定最佳弹簧刚度，并根据该弹簧刚度对应的气体压力与压力传感器16测量的压力相比较，然后向电液伺服阀18发出相应的电流信号。电液伺服阀18根据电流信号迅速调整油室6内的油量，直至压力传感器16测量的压力与最佳弹簧刚度对应的气体压力相等。