一种足式机器人关节力矩检测机构及足式机器人的制作方法

1.本实用新型涉及机器人技术领域，尤其涉及一种足式机器人关节力矩检测机构及足式机器人。


背景技术：

2.足式机器人的足端周期性地触地、离地，当要求对足式机器人做位置估计时，就需要提供足部与地面的接触状态信息。这个信息对机器人的状态估计与控制极为重要。如果没有这个信息，足式机器人的状态估计和控制都会紊乱。
3.足式机器人的状态估计是足式机器人控制的基础，不同于轮式系统，足式机器人需要有足端是否着地的状态信息才能建立起准确的状态估计，进而对腾空相和着地相做不同的控制策略。
4.现有的解决该问题的方式有：规划好机器人整体的运动并将规划的触地状态提供给状态估计器，这种方式只在平整路面下成立，当遇到复杂地形时，规划的信息会由于提前或延迟触地被打乱，规划与实际执行会有很大的差别从而导致状态估计出错；使用关节信息与机身运动信息以及规划信息通过概率论的方式解算出触地的概率来做触地的检测，这种方式要求机器关节能提供比较准确的速度信息和力矩信息，极大地提高了系统的成本，且对应不同的硬件需要微调参数才能使表现一致，参数调整的过程较为繁琐，在现实中应用较少。使用硬件传感器做触地检测是现在腿足式机器人最常见的方式，常用的传感器有力矩传感器，力传感器，气压液压传感器，微动开关等。目前，足式机器人足端触地检测的方式大概有三种：
5.1、在足底设计应变结构通过应变片将触地作用力反馈到控制器，进而判断足端与地面的接触状态；其缺点为足部的设计较为复杂，且线束从膝关节活动部位传导到主控制器导致了线束容易在旋转部件处产生磨损，这种传感器方案获取的信息基本只能用来提供与地面的接触状态而无法提供更多的有用信息。
6.2、为了避免线束磨损的问题而采用无线足底传感器方案，这种方案虽然避免了线束磨损问题，但是引入了无线信号稳定性的新问题，以及由于采用电池供电，需要频繁更换电池，不利于维护和使用。
7.3、在足端使用密封腔体并将气体通过气管导入到足式机器人上肢部分，但这种方式仍未解决在膝关节转动处的气管磨损问题，且将足底的设计与传感器设计耦合，提高了系统设计复杂度，同时需要腔体足够的变形才能产生稳定的触发信号，不适用于需要高力控带宽的场合，并且只能提供触地的状态信息而无法提供更多有用信息辅助控制。


技术实现要素：

8.本实用新型的目的在于提供一种足式机器人关节力矩检测机构及足式机器人，以解决现有技术中线束磨损、不利于维护、设计复杂且提供的信息单一的问题。
9.为达上述目的，本实用新型采用以下技术方案：
10.一方面，本实用新型提供一种足式机器人关节力矩检测机构，该足式机器人关节力矩检测机构包括：
11.大腿支座；
12.动力件，所述动力件固设于所述大腿支座；
13.小腿杆，所述小腿杆设有小腿曲柄，所述小腿杆通过所述小腿曲柄与所述大腿支座铰接；
14.膝关节连杆，所述膝关节连杆的一端与所述小腿曲柄铰接；所述膝关节连杆的另一端与所述动力件通过膝关节曲柄传动连接；所述膝关节连杆设有检测固定部；
15.检测组件，所述检测组件设于所述检测固定部，用于检测所述膝关节连杆在传递动力时产生的应变。
16.作为优选地，所述检测组件包括应变片，所述应变片用于检测所述膝关节连杆在传递动力时产生的应变。
17.作为优选地，所述大腿支座设有安装部，所述安装部用于安装信号处理组件，所述信号处理组件和所述检测组件通过线束电连接。
18.作为优选地，所述大腿支座设有大腿铰接孔，所述小腿曲柄的一端设有第一铰接孔，销轴穿过所述第一铰接孔和所述大腿铰接孔后将所述小腿杆铰接于所述大腿支座。
19.作为优选地，所述小腿曲柄设有第二铰接孔，销钉穿过所述膝关节连杆的通孔和所述第二铰接孔后将所述膝关节连杆和所述小腿杆铰接。
20.作为优选地，所述大腿支座包括左支座和右支座，所述大腿铰接孔包括设于所述左支座的第一沉头孔和设于所述右支座的第二沉头孔，销轴依次穿过所述第一沉头孔、所述第一铰接孔和所述第二沉头孔后将所述小腿杆铰接于所述左支座和所述右支座之间。
21.作为优选地，所述销轴包括第一销轴连接件和第二销轴连接件，所述第一销轴连接件的一端设有螺孔，所述第一销轴连接件穿过所述第一沉头孔、所述第一铰接孔和所述第二沉头孔后，所述第二销轴连接件能拧入所述螺孔内。
22.作为优选地，所述第二销轴连接件的一端设有螺帽，所述螺帽设有一字槽或十字槽。
23.作为优选地，还包括两个轴承；所述左支座和所述右支座均设有安装座，两个所述轴承分别设于两个所述安装座内，所述销轴穿设于两个所述轴承的内圈。
24.另一方面，本实用新型提供一种足式机器人，包括上述任一方案中的足式机器人关节力矩检测机构。
25.本实用新型的有益效果为：
26.本实用新型提供一种足式机器人关节力矩检测机构，该足式机器人关节力矩检测机构将大腿支座和小腿杆通过膝关节连杆连接，在膝关节连杆的检测固定部设置检测组件，以对膝关节连杆在传递动力时产生的应变进行检测。并将检测到的信号经过信号处理组件处理后作为动力件输出的参考信息。另外，由于小腿杆的足端与地面接触后会产生接触力，进而膝关节连杆上产生拉压力形变，因此，该信号也可以作为判断足端是否与地面接触的依据。检测组件固定于大腿支座，不存在线束与膝关节的相对运动，避免线束受到磨损，提高了检测机构的可靠性和耐久性。也不需要为无线传感器更换电池，有利于维护。本实用新型与足端的设计解耦，不增加腿足系统的复杂度，使得腿足系统的结构设计更为简
单，成本低廉。
附图说明
27.图1为本实用新型实施例中足式机器人关节力矩检测机构的结构示意图。
28.图中：
29.1、大腿支座；11、左支座；111、第一沉头孔；12、右支座；121、安装部；122、安装座；13、动力件；
30.2、小腿杆；21、小腿曲柄；211、第一铰接孔；212、第二铰接孔；
31.3、检测组件；31、线束；
32.41、第一销轴连接件；42、第二销轴连接件；
33.5、膝关节连杆；51、膝关节曲柄；
34.6、信号处理组件。
具体实施方式
35.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
36.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置，而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
37.在本实用新型的描述中，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；可以是直接相连，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，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
38.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
39.如图1所示，本实施例提供一种足式机器人关节力矩检测机构，该足式机器人关节力矩检测机构包括大腿支座1、动力件13、小腿杆2、膝关节连杆5和检测组件3，其中，动力件13固设于大腿支座1；小腿杆2设有小腿曲柄21，小腿杆2通过小腿曲柄21和大腿支座1铰接；
膝关节连杆5的一端和小腿曲柄21铰接；膝关节连杆5的另一端和动力件13通过膝关节曲柄51传动连接；可选地，膝关节曲柄51和动力件13的输出端固接，膝关节曲柄51设有曲柄铰接孔，膝关节曲柄51通过曲柄铰接孔和膝关节连杆5的另一端铰接。膝关节连杆5设有检测固定部；检测组件3设于检测固定部，用于检测膝关节连杆5在传递动力时产生的应变。
40.本实施例中，该足式机器人关节力矩检测机构将大腿支座1和小腿杆2通过膝关节连杆5连接，在膝关节连杆5的检测固定部设置检测组件3，以对膝关节连杆5在传递动力时产生的应变进行检测。并将检测到的信号经过信号处理组件6处理后作为动力件13输出的参考信息。另外，由于小腿杆2的足端与地面接触后作用力传递至膝关节连杆5，膝关节连杆5产生拉压力形变，因此，该信息也可以作为判断足端是否与地面接触的依据。检测组件3固定于大腿支座1，不存在线束31与膝关节的相对运动，避免线束31受到磨损，提高了检测机构的可靠性和耐久性。也不需要为无线传感器更换电池，有利于维护。本实用新型与足端的设计解耦，不增加腿足系统的复杂度，使得腿足系统的结构设计更为简单，成本低廉。
41.作为优选，本实施例中，检测组件3包括应变片，应变片用于检测膝关节连杆5产生的应变。该设置实现了对膝关节连杆5在传递动力时产生的应变的检测，且易组装、成本低。另外，在其他实施例中，检测组件3还可以包括压电薄膜传感器，但并不以此为限。需要说明的是，应变片和压电薄膜传感器均为本领域的常规设置，因此，其具体结构和工作原理在此不再赘述。
42.可选地，膝关节连杆5设有凹槽，应变片贴设于凹槽内。该设置能避免应变片受到内部线路的剐蹭，避免误检测，提高检测的精准度。
43.本实施例中，可选地，大腿支座1设有安装部121，安装部121用于安装信号处理组件6,信号处理组件6和检测组件3通过线束31电连接。该设置有利于提高信号处理组件6的安装效率。进一步地，安装部121为凸缘结构，安装部121围设于信号处理组件6的外周，图中未示出。该设置使得信号处理组件6固定的更加牢固，且能抵抗更大的冲击。
44.在其他实施例中，可选地，膝关节连杆5设有放置部，放置部用于安装信号处理组件6。如此设置使得信号处理组件6与检测组件3之间的线束31和膝关节连杆5相对静止，提高了此段线束31的耐久度。
45.关于大腿支座1和小腿杆2的铰接，本实施例中，具体地，大腿支座1设有大腿铰接孔，小腿曲柄21的一端设有第一铰接孔211，销轴穿过第一铰接孔211和大腿铰接孔后将小腿杆2铰接于大腿支座1。该设置实现了小腿杆2和大腿支座1的铰接，且结构简单，成本低。
46.进一步地，小腿曲柄21设有第二铰接孔212，销钉穿过膝关节连杆5的通孔和第二铰接孔212后将膝关节连杆5和小腿杆2铰接。本实施例中，动力件13为电机，电机的输出端和膝关节曲柄51固接。借助上述设置，膝关节连杆5的两端分别与小腿曲柄21和膝关节曲柄51铰接，形成平行四边形或者反平行四边形的动力传递结构。需要说明的是，电机的输出端和膝关节曲柄51的连接方式，为本领域的常规设置，因此，二者的具体连接方式在此不再赘述。
47.作为优选，大腿支座1包括左支座11和右支座12，大腿铰接孔包括设于左支座11的第一沉头孔111和设于右支座12的第二沉头孔，销轴依次穿过第一沉头孔111、第一铰接孔211和第二沉头孔后将小腿杆2铰接于左支座11和右支座12之间。借助上述设置，使得小腿杆2位于左支座11和右支座12之间，有利于提高作用力传递的稳定性。
48.本实施例中，可选地，销轴包括第一销轴连接件41和第二销轴连接件42，第一销轴连接件41的背离其螺帽的一端设有螺孔，第一销轴连接件41穿过第一沉头孔111、第一铰接孔211和第二沉头孔后，第二销轴连接件42能拧入螺孔内。该设置提高了销轴的安装效率。
49.进一步地，第二销轴连接件42的一端设有螺帽，螺帽设有一字槽或十字槽。该设置使得只需要螺丝刀即可完成第一销轴连接件41和第二销轴连接件42的安装，简化安装工艺，提高了安装效率。
50.再进一步地，足式机器人关节力矩检测机构还包括两个轴承；左支座11和右支座12均设有安装座122，两个轴承分别设于两个安装座122内，销轴穿设于两个轴承的内圈。该设置使得小腿杆2和大腿支座1之间的相对转动更加流畅。
51.接下来对工作过程进行介绍，当膝关节连杆5传递动力件13的动力时，沿着动力传递方向产生拉压形变，该形变被应变片转化成电压信号，经过信号处理组件6转化成沿动力传递方向的拉压力大小，该信号被传递到控制器，控制器根据当前膝关节的旋转角度将该信号转化成膝关节的输出力矩信息，可作为膝关节的力矩闭环使用。此方式避免了使用电机力矩估计输出法兰力矩的准确性问题，同时，有效地提高了膝关节的动力件13的力矩追踪准确度。
52.另外，经过信号处理组件6处理后的信号也可直接提供给控制器。由于小腿杆2的足端与地面有接触力存在时，会在膝关节连杆5上产生拉压力形变，可根据该信息作为判断足端是否与地面有接触的依据。也可将该信息与腿足动力学联合起来使用，当检测到形变转换成的力矩信息与动力学规划的膝关节力矩存在明显差别时，说明有外力存在，进而可认为足端已经与地面已经有作用力存在。
53.需要说明的是，信号处理组件6和控制器为本领域的常规设置，其结构和工作原理在此不再赘述。控制器的控制原理也为本领域的常规设置，其控制原理在此不再赘述。
54.在其他实例中，检测组件3还可以设置于小腿杆2，用于检测小腿杆2的足部与地面接触时小腿杆2产生的应变，优选地，检测组件3包括应变片。借助上述设置，能避免检测组件3和足部的耦合设计，降低设计难度，提高设计效率。
55.本实施例还提供一种足式机器人，包括上述方案中的足式机器人关节力矩检测机构。
56.显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为了清楚说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。