[发明专利]一种可调刚度的气囊式机器人腿缓冲机构

说明书

技术领域

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

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。

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。

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。

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

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。

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：

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。

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。

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。

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。

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