[发明专利]一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种仿人机器人足部结构，尤其是涉及一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构。

背景技术

仿人机器人具有腿部行走功能，在非结构化环境中较轮式或履带式机器人具有难以比拟的性能优势，能适应不平、有障碍的非结构化地形，在医疗、服务和娱乐等领域有着广泛的应用前景，是机器人领域的研究热点之一。相比多足步行机构，仿人双足机器人具有更高的动作灵活性，移动盲区小，越障能力强，能够方便地上下台阶及通过不平整或较窄的路面，可以实现跑、跳及舞蹈、武术等高难动作。

仿人机器人是与人类最接近的一种机器人，双足步行是其关键技术之一，尽管目前在仿人机器人领域已经取得了很大的成果，但相对于人类行走，怎样提高其在行走过程中步态的稳定性、灵活性、行走速度以及独立性等仍然是个很大的挑战。足部在行走过程中与地面直接接触，直接受到地面的反作用力，因此，研究具有感知能力的足部结构具有重要意义。

为实现仿人机器人的步态控制，要求其足部具有顺应地面并能够吸收地面冲击的能力；能感知行走过程中地面的反力，或通过其他方式检测到零力矩点（ZMP）的位置。因此，仿人机器人的足部结构设计中，既要考虑对地面的适应性和吸收冲击的能力，还要综合考虑传感器的选型、布置与安装、传感器信号调理与处理等因素。

近年来，针对仿人机器人足部结构的研究，也取得了较为丰硕的成果。中国发明专CN1524664A公开了一宗用于移动式机器人的利用薄膜型压缩传感器的地面反作用力测量模块；中国发明专利CN1966338A公开了一种带有足趾关节的且具有力感知能力的仿人足底机构；中国发明专利CN 100593001C公开了一种仿人机器人足部冲击吸收机构，实现了冲击吸收机构柔性的连续可调；中国发明专利CN 101618549A公开了一种仿人机器人新型柔性足部系统；中国发明专利CN 101823517A公开了一种仿人机器人的柔性足部机构。然而，现有研究成果也存在着明显的局限，如：为充分考虑足部结构对地面的适应性和吸收冲击的能力导致足部结构比较复杂、受控性不强；没有考虑传感器的选型及布置，导致足部缺乏感知能力；现有设计通常采用六维力/力矩传感器来检测地面的反力和反力矩，进而得到零力矩点的位置，使足部的体积和重量增加，且价格高，使得其应用受到限制。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的问题；提供了一种结构紧凑、具有地面自适应和吸能缓冲装置的、能够较为准确测得机器人步行过程零力矩点的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，其特征在于，包括脚板、固定在脚板后端的后脚掌、通过脚掌连接件与脚板连接并能转动的前脚掌，所述脚板底部固定有由若干用于感知地面反力信息的传感器组成的传感器阵列，所述脚板上设有用于与机器人腿连接的连接组件。

在上述的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，所述的脚掌连接件包括一个扭簧以及固定在扭簧两端的固定板，其一端的固定板通过螺钉与前脚掌上设有的连接板固定在一起，其另一端的固定板通过螺钉与脚板固定在一起。

在上述的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，所述连接板底部固定有若干用于感知地面反力信息的传感器。

在上述的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，所述的脚板上位于后脚掌的衔接处对称设有至少两个用于吸收脚跟冲击的减震机构。

在上述的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，所述后脚掌和前脚掌底端均设有橡胶减震层。

在上述的一种基于模块化阵列传感器的仿人机器人足部结构，所述的用于感知地面反力信息的传感器采用直接与地面接触的PVDF压电薄膜传感器。

因此，本发明具有如下优点：基于PVDF压电薄膜传感器，采用阵列布置方式，以模块化的方法设计了结构紧凑、具有地面自适应和吸能缓冲装置的、能够较为准确测得机器人步行过程零力矩点的足部结构，本发明的每个PVDF压电薄膜传感器可以互换，在发生故障时，能够将故障元件拆下并更换。

附图说明

附图1是本发明的一种立体结构示意图。

附图2是本发明的一种主视结构示意图。

附图3是本发明的一种脚掌连接件的立体结构示意图。

附图4是本发明的另一种立体结构示意图（不包含减震机构）。

附图5是本发明中前脚掌的立体结构示意图。