一种适用于机器人脚部的辅助平衡装置及其平衡方法

摘要

本发明公开了一种适用于机器人脚部的辅助平衡装置及其平衡方法，包括：通过支撑腿部连接的驱动部和脚部，驱动部设置装配槽，装配槽内设置至少一个驱动装置，驱动装置连接外部的支撑腿部；支撑腿部包括通过转动轴连接的第一支撑腿和第二支撑腿，转动轴通过驱动装置驱动，第二支撑腿连接脚部；脚部底面设置凹槽，凹槽内部设置至少一个平衡组件；装配柱体设置贯穿的通孔，通孔内部设置配重滑块，装配柱体两端设置固定件，固定件上设置第一阻尼转轴和定滑轮；第一阻尼转轴连接的伸缩支架。通过控制系统命令各个驱动装置进行驱动，完成支撑腿部的伸缩调整，机器人在动作时始终保持平衡，防止身体部位出现倾斜发生侧翻现象，保证机器人站立的稳定性。

权利要求

1.一种适用于机器人脚部的辅助平衡装置，包括：通过支撑腿部连接的驱动部和脚部，其特征在于，

所述驱动部设置装配槽，所述装配槽内设置至少一个驱动装置，所述驱动装置连接外部的所述支撑腿部；所述支撑腿部包括通过转动轴连接的第一支撑腿和第二支撑腿，所述转动轴通过驱动装置驱动，所述第二支撑腿连接所述脚部；

所述脚部底面设置凹槽，所述凹槽内部设置至少一个平衡组件；

所述平衡组件包括：装配柱体以及设置在所述装配柱体两端的伸缩支架，所述装配柱体设置贯穿的通孔，所述通孔内部设置配重滑块，所述装配柱体两端设置固定件，所述固定件上设置第一阻尼转轴和定滑轮；所述第一阻尼转轴连接的伸缩支架，所述伸缩支架包括：通过第二阻尼转轴连接的第一转动杆和第二转动杆，所述第二转动杆上设置卷收器，所述卷收器通过预紧带连接所述配重滑块，所述第二转动杆连接下底板。

2.根据权利要求1所述的一种适用于机器人脚部的辅助平衡装置，其特征在于：所述第一支撑腿与所述第二支撑腿均由所述驱动装置驱动，且每个所述驱动装置连接控制系统。

3.根据权利要求1所述的一种适用于机器人脚部的辅助平衡装置，其特征在于：所述装配槽内部设置陀螺仪，所述陀螺仪连接控制系统。

4.根据权利要求1所述的一种适用于机器人脚部的辅助平衡装置，其特征在于：在所述第二转动杆上表面设置安装架，所述卷收器设置在所述安装架上。

5.根据权利要求1所述的一种适用于机器人脚部的辅助平衡装置，其特征在于：所述预紧带经过所述定滑轮连接所述卷收器和所述配重滑块。

6.根据权利要求1所述的一种适用于机器人脚部的辅助平衡装置，其特征在于：所述下底板底面设置由橡胶材质制成的防滑垫。

7.根据权利要求1所述的一种适用于机器人脚部的辅助平衡装置，其特征在于：第二传动杆通过铰接件连接所述下底板。

8.根据权利要求1所述的一种适用于机器人脚部的辅助平衡装置，其特征在于：所述通孔两端设置阻挡凸台，且所述阻挡凸台与所述预紧带不接触。

9.一种根据权利要求1所述的适用于机器人脚部的辅助平衡装置的平衡方法，其特征在于：

当机器人脚部以偏斜状态落地时，连接在下底板一侧的伸缩支架首先受到地面对下底板产生的作用力，此时，首先受到下底板作用力的一侧伸缩支架上的预紧带便会出现短时间的松弛现象；

与此同时，设置在同一装配柱体两端的伸缩支架上的两个卷收器同时收缩，一直处于张紧状态的另一个卷收器带动所述配重滑块沿所述通孔滑动，通过改变所述配重滑块在所述通孔内的位置，脚部的重心向配重滑块运动方向偏移，在卷收器的带动下，利用同一装配柱体两端的伸缩支架配合伸缩，使脚部快速调整到平衡状态。

10.根据权利要求9所述的一种适用于机器人脚部的辅助平衡装置的平衡方法，其特征在于：当凹槽的上顶面处于水平状态时，所述脚部为平衡状态。

说明书

一种适用于机器人脚部的辅助平衡装置及其平衡方法

技术领域

[0001] 本发明涉及机器人制造领域和机械装置平衡调节领域，一种适用于机器人脚部的辅助平衡装置及其平衡方法。

背景技术

[0002] 机器人是自动执行工作的机器装置，包括一切模拟人类行为或思想与模拟其他生物的机械。狭义上对机器人的定义还有很多分类法及争议，有些计算机程序甚至也被称为
机器人。在当代工业中，机器人指能自动运行任务的人造机器设备，用以取代或协助人类工
作，一般会是机电设备，由计算机程序或是电子电路控制。而步行机器人是具有人形的仿人
形机器人，目前，已经有机器人能够完成上台阶这一高难动作，它走的极为平稳，一步一个
台阶，令人赞叹不已。一般的步行机器人是通过它的身体的重力感应器和脚底的触觉传感
器把地面的状况传送至控制系统，控制系统则根据路面情况作出判断，进而平衡身体，稳定
地前后左右行走，它不仅能走平路，还可以走台阶和倾斜的路。它站立稳定，推不倒，脚底不
平也能保持身体的直立姿态。

[0003] 两足步行机器人适于在凸凹不平或有障碍的地面行走作业，比一般移动机器人灵活性强，机动性好。日本早稻田大学研制出第一台功能较全的两足步行机器人。外国一些学
者也研制出各种两足走行机器人模型。两足步行模型是一个变结构机构，单脚支撑为开式
链，双脚支撑为闭式链。支撑点的固定靠摩擦力来保证，质量分布和重量大小都直接影响静
态和动态的稳定性。为保证行走过程中姿态的稳定性，对行走步态应加严格的约束。

[0004] 机器人的脚部是机器人的重要组成部分，它决定着机器人能否正常平稳行走，尤其是在倾斜的地面时，更要注重其平衡。或者是机器人做一些高难度动作，如转弯，上台阶，
跳舞等，伴随着一些动作，机器人两脚之间的张合角度也会出现不同的变化，会出现两脚平
行、或是两脚之间呈锐角、直角、钝角等不同的角度，还如像人一样的内八和外八等情况，此
时机器人的两条腿会出现不同的弯曲状态，从而影响两脚与腿部的位置关系，然而，很多机
器人脚部都是以平板的特征接触地面，其脚部不能直接完成平衡的自调节，当机器人行走
在倾斜地面时，难以通过脚部对机器人平衡状态进行辅助调整，故而其行走的稳定性不能
得到更好的保证。

发明内容

[0005] 本发明克服了现有技术的不足，提供一种适用于机器人脚部的辅助平衡装置及其平衡方法。

[0006] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：包括：一种适用于机器人脚部的辅助平衡装置及其平衡方法，包括：通过支撑腿部连接的驱动部和脚部，所述驱动部设置装配
槽，所述装配槽内设置至少一个驱动装置，所述驱动装置连接外部的所述支撑腿部；所述支
撑腿部包括通过转动轴连接的第一支撑腿和第二支撑腿，所述转动轴通过驱动装置驱动，
所述第二支撑腿连接所述脚部。

[0007] 所述脚部底面设置凹槽，所述凹槽内部设置至少一个平衡组件；所述平衡组件包括：装配柱体以及设置在所述装配柱体两端的伸缩支架，所述装配柱体设置贯穿的通孔，所
述通孔内部设置配重滑块，所述装配柱体两端设置固定件，所述固定件上设置第一阻尼转
轴和定滑轮；所述第一阻尼转轴连接的伸缩支架，所述伸缩支架包括：通过第二阻尼转轴连
接的第一转动杆和第二转动杆，所述第二转动杆上卷收器，所述卷收器通过预紧带连接所
述配重滑块，所述第二转动杆连接下底板。

[0008] 本发明一个较佳实施例中，所述第一支撑腿与所述第二支撑腿均由所述驱动装置驱动，且每个所述驱动装置连接控制系统。

[0009] 本发明一个较佳实施例中，所述装配槽内部设置陀螺仪，所述陀螺仪连接控制系统。

[0010] 本发明一个较佳实施例中，在所述第二转动杆上表面设置安装架，所述卷收器设置在所述安装架上。

[0011] 本发明一个较佳实施例中，所述预紧带经过所述定滑轮连接所述卷收器和所述配重滑块。

[0012] 本发明一个较佳实施例中，所述下底板底面设置由橡胶材质制成的防滑垫。

[0013] 本发明一个较佳实施例中，第二传动杆通过铰接件连接所述下底板。

[0014] 本发明一个较佳实施例中，所述通孔两端设置阻挡凸台，且所述阻挡凸台与所述预紧带不接触。

[0015] 本发明所采取的第二种技术方案为：当机器人脚部以偏斜状态落地时，连接在下底板一侧的伸缩支架首先受到地面对下底板产生的作用力，此时，首先受到下底板作用力
的一侧伸缩支架上的预紧带便会出现短时间的松弛现象；

[0016] 与此同时，设置在同一所述支撑架组件上的两个卷收器同时收缩，一直处于张紧状态的另一个卷收器带动所述配重滑块沿所述通孔滑动，通过改变所述配重滑块在所述通
孔内的位置，脚部的重心向配重滑块运动方向偏移，在卷收器的带动下，利用同一装配柱体
两端的伸缩支架配合伸缩，使脚部快速调整到平衡状态。

[0017] 本发明一个较佳实施例中，当凹槽的上顶面处于水平状态时，所述脚部为平衡状态。

[0018] 本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：

[0019] （1）本发明根据人体工学对机器人脚部进行设计，能够高度模仿人类进行一些高难度动作，通过陀螺仪实时检测驱动部的平衡状态，提高机器人完成动作时的稳定性，通过
控制系统命令各个驱动装置进行驱动，完成支撑腿部的伸缩调整，进而保证机器人在进行
动作时始终保持平衡，防止因身体部位出现倾斜而发生侧翻现象，有效保证机器人的稳定
性。

[0020] （2）本发明通过预紧带、配重滑块和卷收器之间相互配合，完成对脚部平衡状态的调整，取代了传统的陀螺仪等电子仪器的使用，根据机械动作原理完成自动调节，不再需要
借助电子器件，机械结构更富有科技感。利用各构件之间作用力与反作用力的配合，实现对
伸缩支架的伸缩度调整，将机器人脚部状态的调整，作为机器人支撑腿部的辅助调整，进一
步提高机器人动作时的稳定性，进而确保机器人整体快速达到平衡状态，同时卷收器因受
力而收缩，能够进一步起到缓冲的效果，增强其抗震性能。

[0021] （3）本发明利用阻尼转轴能够自动控制转速的性质，当脚部落地的瞬间，由于阻尼转轴在转动时会产生一定的阻力，从而使伸缩脚架具有一定的缓冲效果，伸缩支架能够缓
冲脚部撞击地面的作用力，防止脚部与地面产生刚性碰撞，起到减震的作用。

[0022] （4）本发明通过安装架将卷收器设置在第二转动杆上，保证卷收器能够沿能够在安装架上自由旋转，当伸缩支架伸缩程度改变时，设置在其上方的预紧带方向随之改变，卷
收器能够根据预紧带的轴线方向的牵引力，灵活调整方向调整其开口方向，使卷收器开口
方向始终与预紧带的轴线方向始终一致，防止卷收器开口处与预紧带接触产生摩擦力，从
而降低配重构件的灵敏度，延长卷收器使用寿命。

[0023] （5）本发明通过在下底板底面设置若干防滑垫，能够增大下底板与地面之间的摩擦力，防止人行走时下底板出现侧滑现象，进而失去其平稳性，给人身安全造成威胁。且防
滑垫由橡胶材质制成，利用橡胶材质自身的性质，在保证增大摩擦力的同时，具有一定的韧
性，能够缓冲移动时的冲击效果。

附图说明

[0024] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本
发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，
还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0025] 图1为本发明优选实施例的立体结构图；

[0026] 图2为本发明优选实施例脚部的爆炸示意图；

[0027] 图3为本发明优选实施例平衡组件的透明示意图；

[0028] 图4为本发明优选实施例伸缩支架的立体结构图；

[0029] 图5为本发明优选实施例卷收器的放大示意图。

[0030] 具体地，100‑驱动部，110‑腔体，120‑陀螺仪，130‑驱动装置，

[0031] 210‑第一支撑腿，220‑第二支撑腿，

[0032] 300‑脚部，310‑装配柱体，311‑通孔，312‑配重滑块，313‑预紧带，314‑凸台，320‑伸缩支架，321‑第一转动杆，322‑第二阻尼转轴，323‑第二转动杆，324‑铰接件，325‑卷收
器，326‑安装架，330‑下底板，331‑防滑垫，332‑第一阻尼转轴，340‑凹槽。

具体实施方式

[0033] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他
实施例，都属于本发明保护的范围。

[0034] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的
具体实施例的限制。

[0035] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为
基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗
示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示
或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的
特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有
说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

[0036] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可
以是机械连接，也可以是电连接；可以直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两
个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在
本发明中的具体含义。

[0037] 如图1所示，一种适用于机器人脚部的辅助平衡装置，包括：通过支撑腿部连接的驱动部100和脚部300，驱动部100设置装配槽110，装配槽110内设置至少一个驱动装置130，
驱动装置130连接外部的支撑腿部；支撑腿部包括通过转动轴连接的第一支撑腿210和第二
支撑腿220，转动轴通过驱动装置130驱动，第二支撑腿220连接脚部300。

[0038] 如图2和图3所示，脚部300底面设置凹槽340，凹槽340内部设置至少一个平衡组件；平衡组件包括：装配柱体310以及设置在装配柱体310两端的伸缩支架320，装配柱体310
设置贯穿的通孔311，通孔311内部设置配重滑块312，装配柱体310两端设置固定件，固定件
上设置第一阻尼转轴332和定滑轮；第一阻尼转轴332连接的伸缩支架320，伸缩支架320包
括：通过第二阻尼转轴322连接的第一转动杆321和第二转动杆323，第二转动杆323上卷收
器325，卷收器325通过预紧带313连接配重滑块312，第二转动杆323连接下底板330。

[0039] 本发明一个较佳实施例中，根据人体工学对机器人脚部300进行设计，能够高度模仿人类进行一些高难度动作，在装配槽110内部设置陀螺仪120，陀螺仪120连接控制系统，
通过陀螺仪120实时检测驱动部100的平衡状态，提高机器人完成动作时的稳定性，第一支
撑腿210与第二支撑腿220均由驱动装置130驱动，可以选择电机作为驱动装置130，其驱动
方式并不加以限定，且每个驱动装置130连接控制系统，根据陀螺仪120检测的状态，控制系
统命令各个驱动装置130进行驱动，完成支撑腿部的伸缩调整，进而完成对脚部300状态的
调整，保证机器人在进行动作时始终保持平衡，防止因身体部位出现倾斜而发生侧翻现象，
有效保证机器人的稳定性。

[0040] 本发明一个较佳实施例中，通过预紧带313、配重滑块312和卷收器325之间相互配合，完成对脚部300平衡状态的调整，取代了传统的陀螺仪120等电子仪器的使用，根据机械
动作原理完成自动调节，不再需要借助电子器件，机械结构更富有科技感。利用各构件之间
作用力与反作用力的配合，完成伸缩支架320的伸缩度调整，进而实现对脚部300状态的调
整，确保脚部300快速达到平衡状态，将机器人脚部300状态的调整，作为机器人支撑腿部的
辅助调整，进一步提高机器人动作时的稳定性，同时卷收器325因受力而收缩，能够起到缓
冲的效果，增强其抗震性能。

[0041] 本发明一个较佳实施例中，在定滑轮腰部均设置凹槽340，能够引导预紧带313在凹槽340内运动，防止预紧带313从侧向滑出定滑轮，保证配重滑块312运动的灵敏性；在通
孔311的两端设置凸台314，通过在通孔311两端设置凸台314，有效防止配重滑块312脱离滑
轨，导致脚架无法达到平衡状态，进而破坏鞋底的平衡，凸台314的顶面低于预紧带313，且
与预紧带313不接触，保证预紧带313和凸台314之间不会出现摩擦力，进而确保配重滑块
312响应卷收器325的灵敏度。

[0042] 本发明一个较佳实施例中，通过阻尼转轴作为传动轴，连接第一转动杆321和第二转动杆323，利用阻尼转轴能够自动控制转速的性质，当脚部300落地的瞬间，阻尼转轴由于
具有一定的阻力，从而使伸缩脚架具有一定的缓冲效果，伸缩支架320能够缓冲脚部300撞
击地面的作用力，防止脚部300与地面产生刚性碰撞，起到减震的作用。

[0043] 本发明一个较佳实施例中，在第二转动杆323上表面设置安装架326，卷收器325设置在安装架326上，通过安装架326将卷收器325设置在第二转动杆323上，保证卷收器325能
够沿能够在安装架326上自由旋转，当伸缩支架320伸缩程度改变时，设置在其上方的预紧
带313方向随之改变，卷收器325能够根据预紧带313的轴线方向的牵引力，灵活调整方向调
整其开口方向，使卷收器325开口方向始终与预紧带313的轴线方向始终一致，防止卷收器
325开口处与预紧带313接触产生摩擦力，从而降低配重构件的灵敏度，延长卷收器325使用
寿命。

[0044] 本发明一个较佳实施例中，通过在下底板330底面设置若干防滑垫331，能够增大下底板330与地面之间的摩擦力，防止人行走时下底板330出现侧滑现象，进而失去其平稳
性，给人身安全造成威胁。且防滑垫331由橡胶材质制成，利用橡胶材质自身的性质，在保证
增大摩擦力的同时，具有一定的韧性，能够缓冲移动时的冲击效果。

[0045] 需要说明的是，当机器人两脚之间出现不同的张合角度，如两脚平行或是两脚之间呈锐角、直角、钝角等不同的角度时，此时两脚部300的各自受力情况与在倾斜地面时状
态相同，另一方面，机器人在行走时一脚着地，一脚不着地时，此时两脚部300的各自受力情
况与在倾斜地面时状态相也同，机器人的两个脚部300配合完成动作，实现机器人的稳定站
立。

[0046] 需要说明的是，下底板330与脚部300通过环形凸起连接在一起，环形凸起采用硅胶材质，在受到外力情况下，能够一定的范围内发生弹性形变，从而不影响伸缩支架320进
行伸缩。

[0047] 本发明一个较佳实施例中，第二传动杆通过铰接件324连接下底板330，通过铰接件324连接第二转动杆323和下底板330，能够保证下底板330在一定范围内灵活调节连接状
态，使下底板330和第二转动杆323之间始终保持正向作用力，防止因第二转动杆323因伸
缩，而使第二转动杆323和下底板330无法保持连接。

[0048] 本发明使用时，根据装配槽110内陀螺仪120的检测数据，控制系统的命令各个驱动装置130分别驱动支撑腿部各部件，在驱动部100始终保持平衡的状态下行走或做出复杂
动作，当机器人行走在不平整的地面，或两脚在非平行状态下行进时，脚部300会在偏斜状
态下落地，脚部300的凹槽340上表面会出现一定的倾斜角度，则设置在凹槽340上表面平衡
组件随之出现一定的倾斜角度，其中一侧的伸缩支架320首先受到下底板330对其产生的作
用力，此时，由于机器人自身的重力会迫使伸缩支架320收缩一定高度，受到下底板330作用
力的其中一侧伸缩支架320上的预紧带313便会出现短时间的松弛现象；与此同时，设置在
同一支撑架组件上的两个卷收器325同时收缩，一直处于张紧状态的另一个卷收器325带动
配重滑块312沿通孔311滑动，通过改变配重滑块312在通孔311内的位置，脚部300的重心向
配重滑块312运动方向偏移，在卷收器325的带动下，利用同一装配柱体310两端的伸缩支架
配合伸缩，使脚部300快速调整到平衡状态，辅助机器人支撑腿部的调整，使脚部平稳落地。
在第一阻尼转轴332和第二阻尼转轴322转动时，会产生一定的阻力，从而使伸缩脚架具有
一定的缓冲效果，伸缩支架320能够缓冲脚部300撞击地面的作用力，防止脚部300与地面产
生刚性碰撞，起到减震的作用。

[0049] 需要说明的是，当凹槽340的上顶面处于水平状态时，脚部300为平衡状态。

[0050] 综上：本发明通过伸缩支架320以及其中各部件之间的动作配合，有效提高脚部300的缓冲效果，同时通过卷收器325与配重滑块312之间的调整，实现快速调整脚部300平
衡状态功能。

[0051] 对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论
从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权
利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有
变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

[0052] 此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当
将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员
可以理解的其他实施方式。