一种行走机器人高适应性足端机构

摘要

本发明一种行走机器人高适应性足端机构属于机器人技术领域，涉及一种具有良好减震性能和自适应性的行走机器人足端结构。足端结构中，六个阻尼器呈并联结构，与小腿连接板采用十字万向节结构连接，与足端底部用球副结构进行连接；足底部分采用可复位防滑爪结构，抓取地面增加摩擦，半球形高弹性足底粘结在足端底部下板上，防止机器人行进中发生打滑现象。本发明实现了足端结构承载、减振、自复位、大附着力和高适应性的要求，足端机构在机器人运行中足端与地面接触面积增加、摩擦力增加，有效增加足端的附着力。可适应冰雪，泥泞和沙土等多种路况，增加机器人可环境适用性。

权利要求

1.一种行走机器人高适应性足端机构，其特征是，足端结构中，六个阻尼器呈并联结构，与小腿连接板采用十字万向节结构连接，与足端底部用球副结构进行连接；足底部分采用可复位防滑爪结构，抓取地面增加摩擦；半球形高弹性足底粘结在足端底部下板上，防止机器人行进中发生打滑现象，增加足端机构的附着力；

所述足端机构由小腿连接板(1)、阻尼器部件(3)、足端底部上板(7)、足端底部保护罩(8)、特制连接螺母(11)、防滑爪部件和半球形高弹性足底(10)构成；小腿连接板(1)上部分与足式机器人的小腿用螺栓连接，小腿连接板(1)下部分通过十字万向节(2)与六个阻尼器部件(3)连接；装有弹簧和活塞的阻尼器部件(3)的球头杆安装在球窝座(6)中；球副挡圈(4)和球窝座(6)具有四个均布通孔，四个球副挡圈连接螺钉(5)通过球副挡圈(4)通孔和球窝座(6)通孔将球副挡圈(4)和球窝座(6)固定在足端底部上板(7)上；

阻尼器部件(3)的球头与球窝座(6)上的球窝两者构成球副结构，球副之间为间隙配合；足端底部上板(7)上的中心连接螺栓杆穿过足端底部保护罩(8)上的孔与特制连接螺母(11)中心螺纹连接；特制连接螺母(11)的外轮廓上部为圆柱形，下部为圆锥形；足端底部弹簧(12)在足端底部下板(9)和特制连接螺母(11)之间，存在预紧力；推杆(13)圆形结构部分与特制连接螺母(11)接触，推杆(13)平面结构部分与防滑爪接触；足端底部下板(9)上均布三个矩形槽孔(9a)，三个防滑爪(15)的锯齿状平面一端分别安装在三个矩形槽孔(9a)中；

共有三个均布的防滑爪部件，每一个防滑爪部件由推杆滑轨(19)、推杆(13)、防滑爪(15)、防滑爪支座(17)、可固定扭簧防滑爪支座(16)、转动心轴(18)和扭簧(14)构成；推杆滑轨(19)上有四个通孔，用四个推杆滑杆连接螺钉(20)固定在足端底部下板(9)上，推杆滑轨(19)与推杆(13)形成移动副；推杆(13)与防滑爪(15)线接触；防滑爪支座(17)和可固定扭簧防滑爪支座(16)均有四个通孔，各自用四个防滑爪支座连接螺钉(21)固定在足端底部下板(9)上；防滑爪(15)一端通过转动心轴(18)与防滑爪支座(17)连接，另一端是锯齿状平面，防滑爪(15)在推杆(13)的作用下实现绕转动心轴(18)的转动，从槽孔伸出接触工作地面；扭簧(14)一端固定在可固定扭簧防滑爪支座(16)上，另一端固定在防滑爪(15)上；扭簧(14)使防滑爪自复位；半球形高弹性足底(10)粘结在足端底部下板(9)上。

说明书

一种行走机器人高适应性足端机构

技术领域

[0001] 本发明属于机器人技术领域，涉及一种具有良好减震性能和自适应性的行走机器人足端机构。

背景技术

[0002] 随着机器人技术的日益成熟，具有高自适应性、承受重载及代替人类在环境恶劣的工作成为机器人发展的重要趋势之一。基于对行走机器人的应用环境的考虑，对足端机构提出了苛刻的要求。行走机器人的足端结构不仅要求具有高的地形适应性，而且还应当具有一定缓冲减振的能力，以提高机器人的稳定性。一些发达国家在重载机器人研究方面已经取得了一定的成果，而国内在该方面的研究处于初级阶段。现有的发明专利，存在自由度少，自适应性差，或者不具备自复位性，减振功能较差，不利于足端机构的连续工作。专利公开号为CN104973157，发明人为王福吉等的发明专利“一种行走机器人足底快换机构”中公开了一种机器人足底快换机构，采用足底快换机构可以根据不同的路况更换不同的足底,但一些特殊工况下不适合临时换足底。专利公开号为CN201310029070.5，发明人高海波等的发明专利“重载多足机器人支撑腿足端机构”中公开了一种重载机器人的足部机构，可负重载，具有双重缓冲功能，能够解决崎岖地形下行走机器人行走中地面对支撑足的瞬间冲击，但是在足端自由度少。

发明内容

[0003] 本发明要克服现有技术的不足，发明了一种行走机器人高适应性足端机构。在足端结构中，六个阻尼器呈并联结构，实现足端机构的多自由度、减振和自复位，与小腿连接板采用十字万向节结构连接，与足端底部用球副结构进行连接；足底部分采用可复位防滑爪结构，抓取地面增加摩擦；半球形高弹性足底粘结在足端底部下板上，增大附着力和摩擦，防止机器人行进中发生打滑现象。本发明实现了足端结构承载、减振、自复位、大附着力和高适应性的要求，可适用于多种路况。

[0004] 本发明采取的技术方案是一种行走机器人高适应性足端机构，其特征是，足端结构中，六个阻尼器呈并联结构，与小腿连接板采用十字万向节结构连接，与足端底部用球副结构进行连接；足底部分采用可复位防滑爪结构，抓取地面增加摩擦；半球形高弹性足底粘结在足端底部下板上，防止机器人行进中发生打滑现象，增加足端机构的附着力；

[0005] 所述足端机构由小腿连接板、阻尼器部件、足端底部上板、足端底部保护罩、特制连接螺母、防滑爪部件和半球形高弹性足底构成；小腿连接板上部分与行走机器人的小腿用螺栓连接方式连接，下部分与六个阻尼器部件采用十字万向节连接；装有弹簧和活塞的阻尼器部件的球头杆安装在球窝座中；阻尼器部件的球头与球窝座上的球窝两者构成球副结构，球副之间为间隙配合；球副挡圈和球窝座具有四个均布通孔，四个球副挡圈连接螺钉通过球副挡圈通孔和球窝座通孔将球副挡圈和球窝座固定在足端底部上板上；足端底部上板与足端机构上部分通过球副结构连接，足端底部上板下部分设计有一段连接螺纹穿过足端底部保护罩上的孔并且与特制连接螺母螺纹连接；足端底部弹簧固定在足端底部下板和特制连接螺母之间，存在预紧力；推杆圆形结构部分与特制连接螺母可接触，推杆平面结构部分与防滑爪接触；足端底部下板上均布有三个矩形槽孔，三个防滑爪的锯齿状平面一端分别安装在三个矩形槽孔中；

[0006] 共有三个均布的防滑爪部件，每一个防滑爪部件由推杆滑轨、推杆、滑爪、防滑爪支座、可固定扭簧防滑爪支座、转动心轴和扭簧构成；推杆滑轨上有四个通孔，用四个推杆滑杆连接螺钉固定在足端底部下板上，推杆滑轨与推杆形成移动副；推杆与防滑爪线接触；防滑爪支座和可固定扭簧防滑爪支座均有四个通孔，各自用四个防滑爪支座连接螺钉固定在足端底部下板上；防滑爪支座、可固定扭簧防滑爪支座、转动心轴和扭簧共同作用，防滑爪一端用转动心轴与防滑爪支座连接，另一端是锯齿状平面分别安装在三个矩形槽孔中；
防滑爪能在推杆的作用下实现绕转动心轴的转动，可从槽孔伸出抓取工作地面。扭簧一端固定在可固定扭簧防滑爪支座上，一端固定在防滑爪上；扭簧可以使防滑爪自复位；足端底部保护罩与足端底部下板螺纹连接；半球形高弹性足底粘结在足端底部下板上，防止机器人行进中发生打滑现象。

[0007] 本发明的有益效果是，采用并联结构实现足端机构的摆角、减振和自复位功能。采用半球形高弹性足底和防滑爪的装置能够在机器人运行中足端与地面接触面积增加、摩擦力增加，有效增加足端的附着力。足端机构可适应冰雪、泥泞和沙土等不同路况，增加机器人可环境适用性。

附图说明

[0008] 图1是行走机器人高适应性足端机构轴测图，图2是足端底部局部剖视图，图3足端底部轴测图，图4是足端底部机构俯视图，图5是足端底部机构的B-B剖视图，图6是小腿连接板1仰视图。图中：1-小腿连接板，2-十字万向节，3-阻尼器部件，4-球副挡圈，5-球副挡圈连接螺钉，6-球窝座，7-足端底部上板，8-足端底部保护罩，9-足端底部下板，9a-足端底部下板上的矩形槽孔，10-半球形高弹性足底，11-特制连接螺母，12-足端底部弹簧，13-推杆，14-扭簧，15-防滑爪，16-可固定扭簧防滑爪支座，17-防滑爪支座，18-转动心轴，19-推杆滑轨，20-推杆滑杆连接螺钉，21-防滑爪支座连接螺钉。

具体实施方式

[0009] 下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。

[0010] 附图1、2、3、4、5、6是本发明的一个实施例，机器人的足端机构由一个小腿连接板1、六个十字万向节2、六个阻尼器部件3、六个球副挡圈4、二十四个球副挡圈连接螺钉5、六个球窝座6，一个足端底部上板7、一个足端底部保护罩8、一个足端底部下板9、一个半球形高弹性足底10、一个特制连接螺母11、一个足端底部弹簧12、三个推杆13、三个扭簧14、三个防滑爪15、三个可固定扭簧防滑爪支座16，三个防滑爪支座17，三个转动心轴18，三个推杆滑轨19、十二个推杆滑杆连接螺钉20以及十二个防滑爪支座连接螺钉组成。

[0011] 小腿连接板1通过均布六个通孔与行走机器人小腿螺栓连接，六个阻尼器部件3构成并联结构，阻尼器部件3上装有弹簧和活塞机构，如图1所示。阻尼器部件3与小腿连接板1采用十字万向节2连接，小腿连接板1上的十字万向节位置分布情况如图6所示，阻尼器部件3可以相对小腿连接板1产生摆动运动。球副挡圈2周向均布四个通孔，并通过与球副挡圈连接螺钉5、球窝座6联合使用，使阻尼器部件3的球头固定在足底足端底部上板7上，构成球副结构，球副之间为间隙配合，可使阻尼器部件3可绕足底足端底部上板7摆动，球窝座分布情况如图1所示。在行走机器人爬坡时，六个阻尼器部件3根据地形特点发生变化，每个阻尼器部件3根据自身受到的力的不同，弹簧和活塞共同作用阻尼器部件3的长度和与小腿连接板
1的角度发生变化，以此来实现行走机器人爬坡的功能。足端机构与小腿产生的摆角在足端抬起时弹簧会使阻尼器部件3恢复到除状态，即足端机构自复位。阻尼器部件3的弹簧和活塞结构在足端结构接触到地面时实现减振缓解冲击的功能。采用并联结构设计足端机构，调整阻尼器部件3的结构参数以适应不同的最大载荷和不同坡度的地面。

[0012] 足端底部上板7的结构见图2，上部分有螺纹孔可以安装球窝座6和球副挡圈4，足端底部上板7中心安装的螺纹杆穿过足端底部保护罩8上的孔，与特制连接螺母11螺纹连接，足端底部弹簧12安装在足端底部下板9和特制连接螺母11之间，存在预紧力，可以实现在不受力的情况下端底部上板7与足端底部保护罩8存在一定的间隙，见图2和图5。图2、图3、图4和图5共同展示了足底防滑爪部件的结构特点和工作原理。推杆滑轨19上有四个通孔，用四个推杆滑杆连接螺钉20固定在足端底部下板9上。推杆13圆形结构部分与特制连接螺母11的外圆锥面接触，推杆13平面结构部分与防滑爪接触。防滑爪支座17和可固定扭簧防滑爪支座16均有两个通孔，各自用两个防滑爪支座连接螺钉21固定在足端底部下板9上，防滑爪支座17、可固定扭簧防滑爪支座16、转动心轴18和扭簧14共同作用，将防滑爪15放置在足端底部下板9上，扭簧14一端固定在可固定扭簧防滑爪支座16上，一端固定在防滑爪15上。机器人运行过程中，足端机构踩到地面时，小腿上传来的力通过阻尼器部件3传到足端底部上板7上，则足端底部上板7带动特制连接螺母11压缩足端底部弹簧12，并且特制连接螺母11又推动三个推杆13，推杆13在推杆滑轨19上平移，推动防滑爪15实现绕转动心轴18的转动，防滑爪15从足端底部下板9上均布三个矩形槽孔9a中伸出，防滑爪15抓取地面可增加摩擦。机器人抬起足端机构时，则足端不受力足端底部弹簧12不受压缩使足端底部上板7和推杆13复位，防滑爪15在扭簧14的作用下自复位。足端底部保护罩8与足端底部下板9螺纹连接，足端底部保护罩8保护防护抓部件在机器人运行过程中不受到沙石、雨水的侵害，而且采用螺纹连接在防滑爪部件出现问题时可以容易打开足端底部保护罩8进行修理。橡胶材质半球形高弹性足底10与金属足端底部下板9在硫化过程中实现粘合，防止机器人行进中发生打滑现象。足端接触到崎岖的地面时，半球形高弹性足底10具有弹性，会根据地面形状进行变形，增加足底与地面的接触面积，有效增加足端机构的附着力。半球形高弹性足底10和防滑爪15共同作用下，本发明能够在崎岖的地面、冰雪路面以及泥泞路面上行走，实现足端机构的多环境应用。