專利名稱：人形機器人的制作方法
技術領域：
本發明涉及機器人，特別是涉及一種具有雙腿并能直立行走的人形機器人。
背景技術：
在機器人領域，機器人腳必須具備的一個重要條件就是在其與地面接觸時應與地面產生有效的交互作用。當機器人腳的跟部接觸地面時會產生沖擊，該沖擊通過機器人的腳踝傳遞到機器人的軀體。這種沖擊可能破壞機器人的動平衡，使機器人的行走變得不穩定。同時，機器人腳跟接觸地面所產生的沖擊也可能造成機器人腳步的擺動，這種擺動傳遞到機器人的軀體，會使機器人的控制變得困難。
另一個涉及到機器人行走的問題就是地面上存在的一些小障礙物以及真實環境中的活動區域不如二維平面那樣平坦，這些信息不能夠被機器人的視覺系統識別，沒有包含在機器人的控制中。
因此，由于這些障礙物和不平坦區域的存在，機器人腳蹬在一個不同于初始計算的位置上(初始計算時是沒有考慮上面這些因素的)。結果，機器人行走變得不穩定，運動不連續。
大家都熟悉的人形機器人，比如P2、HRP或者WABIAN，它們都具有一個由彈性接合器連接的兩塊金屬板構成的腳。這些人形機器人腳的緩沖件由四個插入導軌的橡膠襯套構成，當力從基板傳遞到四個橡膠襯套時，四個橡膠襯套在垂直方向上產生彈性變形。此外，四個橡膠襯套起著機械低通濾波的作用，這樣可防止在對機器人腿的順應性控制中腳所產生的擺動。
然而，由于上面提到的傳統機器人腳具有固定的剛度，因此當其蹬在地面上或離開地面時非常困難。而且，機器人腳對存在于地面上的小障礙物或不平區域非常敏感，換句話說，機器人對地面上存在的小障礙物或不平區域的適應能力很差。
發明內容
為了解決上述的或其它的問題，本發明提出了一種人形機器人腳，其可使機器人行走更平穩，同時通過提高機器人的靜平衡和動平衡從而確保了機器人的靜平衡和動平衡并提高了機器人的穩定性。
根據本發明的一個方面，本發明提出了一種具有雙腿并能直立行走的人形機器人，其中每條腿均包括一個腳，該腳包括上板，在其上面安裝有踝關節，且該上板與人腳類似；以及下板，其固定于上板的下表面上并具有多個接觸地面并彼此分離的接觸部。
上板可以是具有一定硬度的金屬板或非金屬板。
下板可包括具有第一彈性的彈性板，其整個上表面接觸上板的下表面；以及具有第二彈性的第一到第三接觸部，這些接觸部從彈性板的下表面突出并接觸地面。
第一和第二彈性可以彼此相同也可以彼此不同。
彈性板和第一到第三接觸部可為單一體。
根據本發明的另一方面，下板可包括彈性板，其整個上表面接觸上板的下表面；以及具有預定彈性的第一到第三接觸部，這些接觸部從彈性板的下表面突出并接觸地面。其中，彈性板可由多個獨立體構成。有些獨立體的彈性不同于其它獨立體的彈性。
彈性板可包括第一片，其下表面結合于第一接觸部；第二片，其下表面結合于第二接觸部；第四片，其下表面結合于第三接觸部；以及第三片，其位于第一片、第二片及第三片之間。
第一接觸部和第一片、第二接觸部和第二片、以及第三接觸部和第四片都可為單一體。
第一片、第二片及第四片的彈性不同于第三片。
根據本發明的又一方面，下板可包括第一片，其上表面結合于上板的下表面，其下表面接觸地面；第二片，其上表面結合于上板的下表面，其下表面接觸地面，并與第一片分開；以及第三片，其上表面結合于上板的下表面，其下表面接觸地面，并與第一片、第二片分開。其中第一到第三片都是由多種具有不同彈性的材料層依次層疊在一起。
此外，第一片可包括第一接觸部和第一結合部，其中第一接觸部接觸地面，第一結合部結合于上板的下表面；第二片包括第二接觸部和第二結合部，其中第二接觸部接觸地面，第二結合部結合于上板的下表面；第三片包括第三接觸部和第三結合部，其中第三接觸部接觸地面，第三結合部結合于上板的下表面。
此外，第一到第三結合部可分別只位于第一到第三接觸部的預定區域上，這樣在上板和第一到第三結合部之間存在有空間。
彈性板可以是熱塑性橡膠板。
第一到第三結合部可以是熱塑性橡膠板。
通過結合附圖詳細描述優選實施例，本發明上面及其它的特點和優點將變得顯而易見，其中圖1是本發明一個實施例中能直立行走的人形機器人的下肢前視圖；圖2是圖1所示機器人腳的透視圖；圖3是圖2所示機器人腳從上側看時的分解透視圖；圖4是圖2所示機器人腳從底部看時的分解透視圖；圖5是構成圖3所示機器人腳的元件之一的底板的側視圖；圖6是本發明第二實施例的機器人腳的下板的平面圖；圖7是圖6所示機器人腳的透視圖，其中圖3所示上板安裝在圖6所示下板上；圖8是本發明第三實施例的機器人腳的下板的透視圖；圖9是圖8所示機器人腳的透視圖，其中圖3所示上板安裝在圖8所示下板上；圖10是本發明第四實施例的機器人腳的下板的透視圖；圖11是圖10所示機器人腳的透視圖，其中圖3所示上板安裝在圖10所示下板上；圖12和13是圖1所示人形機器人在移動一步時所測量的零轉矩點(ZMP)的軌跡曲線圖，其中零轉矩點是指人形機器人轉矩為零的那一點；圖14是圖1所示人形機器人在移動一步過程中安裝在機器人左腿上的六個致動器的運動變化曲線圖；圖15是圖1所示人形機器人在移動一步過程中安裝在機器人右腿上的六個致動器的運動變化曲線圖；
圖16是圖1所示人形機器人在行走過程(即機器人向前移動一步)中的機器人左右腳質心、機器人腰部質心、以及機器人質心沿Z軸方向的軌跡變化曲線圖；圖17是圖1所示人形機器人在向前移動一步過程中其左右腳質心沿垂直地面的方向(也就是垂直于Z-X平面的Y軸方向)的軌跡變化曲線圖；圖18是圖1所示人形機器人在向前移動一步過程中其腰部質心和機器人質心沿X軸方向的軌跡變化曲線圖，該圖顯示了當機器人向前移動一步時其在左右方向移動了多少；圖19是圖1所示人形機器人當其從離地面預定高度(比如離地面10mm高度)蹬向地面時，左腳質心沿Y軸方向的垂直位移曲線圖；圖20是當機器人行走時施加于圖1所示人形機器人腳部的應力的曲線圖，該機器人具有圖6所示機器人腳的下板。
具體實施例方式
參考圖1，本發明第一實施例的人形機器人其下部軀體10包括雙腿12和14以及腰部11。雙腿12和14分別包括大腿16和18、小腿20和22、腳踝24和26、以及腳30和31。由于腿12和14以及腳30和31都是完全一樣并且對稱形成的，因此下面只描述機器人一側的腿或腳。
參考圖2，本發明第一實施例的人形機器人腳30包括上板32和下板34。上板32安裝在下板34上。上板32上安裝有一個6-軸力傳感器。機器人的腳踝26固定在上板32上。上板32可以使用與形成機器人框架相同的材料或不同的材料形成。
例如，上板32可以是金屬扳，比如鋁合金板，或具有一定硬度的非金屬扳，比如塑料板。下板34包括一個可以緩減沖擊的特殊熱塑性橡膠板。橡膠板作為緩沖件起作用，其可以吸收機器人腳30蹬在地面時產生的沖擊。例如，當組成下板34的熱塑性橡膠的彈性模量大約為2MPa時，機器人腳30的平均硬度可達到大約5,000N/mm。
下板34包括具有預定厚度的橡膠板34a，其結合于上板32的下表面；以及第一到第三接觸部34b、34c、34d，它們位于橡膠板34a的底面并與地面實際接觸(參考圖4)。第一到第三接觸部34b、34c、34d從橡膠板34a的下底面向下突出一預定厚度，如圖4所示。由于在第一到第三接觸部34b、34c、34d之間有間隔，從而進一步提高了機器人的穩定性。也就是說，因為第一到第三接觸部34b、34c、34d之間存在間隔，因而即使機器人在路上行走碰到小障礙物或小的不平區域，也能保證機器人的穩定性。
這里，盡管橡膠板34a和第一到第三接觸部34b、34c、34d在描述中是彼此獨立的，但可以把它們結合成一個獨立的元件，下板34也可以成形為一體。也就是說，橡膠板34a和第一到第三接觸部34b、34c、34d可以加工成單一體。
上板32和下板34的橡膠板34a可以參照人腳被分隔成多個區域。
參見圖2，上板32的第一和第二部分U1、U2以及下板34的橡膠板34a的第一和第二部分L1、L2均對應于人腳的前部(包括腳趾)。上板32的第四部分U4和下板34的橡膠板34a的第四部分L4均對應于人腳的跟部。上板32的第三部分U3和下板34的橡膠板34a的第三部分L3均對應于人腳前部與跟部之間的弓形部分。下板34的橡膠板34a的第一部分L1由左區L1L、中區L1C以及右區L1R組成。第二部分L2由左區L2L、中區L2C以及右區L2R組成。第一部分L1的中區L1C對應于上板32的第一部分U1的中區U1C。第二部分L2的中區L2C對應于上板32的第二部分U2的中區U2C。下板34的第一接觸部分34b位于第一部分L1的右區L1R和第二部分L2的右區L2R的下底面。下板34的第二接觸部分34c位于第四部分L4的下底面。下板34的第三接觸部分34d位于第一部分L1的左區L1L和第二部分L2的左區L2L的下底面。第一和第三接觸部分34b、34d彼此分隔開同第一部分L1的中區L1C或第二部分L2的中區L2C大小的距離。同樣，第一和第三接觸部分34b、34d與第二接觸部分34c彼此分隔開同第三部分L3大小的距離。第二接觸部34c的中部被削尖到一定程度朝向橡膠板34a的前部。
圖5顯示了機器人腳的側面，具體地說是本發明第一實施例的下板34的側面。參見圖5，對應于人腳跟部的下板34的后部34e，也就是第二接觸部34c的后部，被加工成圓形。對應于人腳腳趾的第一和第三接觸部34b、34d的前部也被加工成圓形。通過將第二接觸部34c的后部以及第一和第三接觸部34b、34d的前部加工成圓形，當機器人腳30蹬在地面上時，就可減小對機器人腳30的沖擊，機器人腳30可以平穩地蹬在地面上。
機器人腳30的上板32大約230mm長(lf)、150mm寬(wf)，機器人腳30的下板34的長度235mm、寬度150mm、厚度12mm。長度lf、寬度wf或者厚度可以根據機器人的重量或尺寸以及腳30的形狀而不同，特別是當機器人站著不動或行走時腳30的尺寸是不同的。例如，如上所述，當下板34的第一和第三接觸部34b、34d的前部和第二接觸部34c的后部被加工成圓形時，第二接觸部34c的圓形部在機器人行走中可被用作機器人腳30的一部分。因此，機器人腳30的尺寸可由195mm×150mm(靜止)變化到235mm×150mm(行走)。機器人行走時腳30尺寸的增長(不同于靜止時腳的尺寸)意味著在機器人行走時腳30與地面之間的接觸面積增大了。結果，可以使機器人腳30(也就是機器人)避免所不希望的繞接觸區域的移動或轉動。機器人腳30和腳踝26可以彼此結合在一起，這樣機器人腳踝26的中心可以與機器人腳30的后端部隔開60mm。機器人腳踝26和腳30結合的位置根據機器人腳30的尺寸可以大于或小于60mm。
方程式1表示本發明第一實施例的機器人腳30的長度lf與機器人腿14的長度L的比率C1(以后稱之為第一比率)。方程式2表示機器人腳30的寬度wf與腰部上連接雙腿的兩點間距離A的比率C2(以后稱之為第二比率)。方程式3表示機器人腳30的寬度wf與機器人腳30的長度lf的比率C3(以后稱之為第三比率)。
C1＝(lf/L)×100％[方程式1]C2＝(wf/A)×100％[方程式2]C3＝(wf/lf)×100％ [方程式3]對于本發明第一實施例的機器人腳30，第一到第三比率C1、C2、C3分別為0.36-0.4、0.67、0.64-0.77。
<第二實施例>
在構成本發明第二實施例的機器人腳(以后稱之為第二機器人腳)的元件中，與第一實施例的機器人腳(以后稱之為第一機器人腳)相同的元件采用與第一機器人腳中相同的參考標記(或符號)。第二機器人腳的上板與第一機器人腳相同。因此，下面只描述第二機器人腳的下板。同樣的假設也適用于后面描述的第三、第四實施例。
參見圖6，第二機器人腳的下板40包括第一片到第四片L11、L22、L33、L44。第一片L11與圖3所示第一機器人腳的下板34中第一部分L1的右區L1R及第二部分L2的右區L2R相結合的元件相同并具有相同的功能，也就是說，第一接觸部34b位于第一片L11的下表面上。第一片L11和第一接觸部34b也可以做成一體。
第二片L22與圖3所示第一機器人腳的下板34中第一部分L1的左區L1L及第二部分L2的左區L2L相結合的元件相同。第三接觸部34d位于第二片L22的下表面上。第二片L22和第三接觸部34d也可以做成一體。
第三片L33與第一機器人腳的下板34中第一部分L1的中區L1C、第二部分L2的中區L2C及第三部分L3相結合的元件相同。
第四片L44與第一機器人腳的下板34的第四部分L4相同。第二接觸部34c位于第四片L44的下表面上。第四片L44和第二接觸部34c也可以做成一體。
與第一機器人腳的下板34不同，第一到第四片L11、L22、L33、L44均是獨立的片，這些片都結合于上板32上。然而整個形狀同圖中所示的第一機器人腳的下板34的形狀一樣。第一到第四片L11、L22、L33、L44也可由彈性不同的橡膠形成。例如，第一、第二及第四片L11、L22、L44均可由具有第一彈性的第一熱塑性橡膠形成，而第三片L33可由具有第二彈性的第二熱塑性橡膠形成。在此，第一彈性和第二彈性彼此不同。第一、第二片L11、L22的彈性、第三片L33的彈性以及第四片L44的彈性也可以彼此不同。圖7顯示了第二機器人腳，其中上板32結合于包含第一到第四片L11、L22、L33、L44的下板40上。
對于具有第二機器人腳的機器人，控制機器人腳的粘滯性和彈性的可能性就進一步提高了。具體地說，當機器人直立時，第二機器人腳的上板32可通過適當匹配第一到第四片L11、L22、L33、L44的彈性模量而處于水平面上。同樣，第二機器人腳的關節角度也可以更精確地被測量。
<第三實施例>
參見圖8，本發明第三實施例中結合于上板32的機器人腳(以后稱之為第三機器人腳)的下板50包括第五到第七片52、54及56。第五到第七片52、54及56彼此分隔開。
第五片52對應于圖6所示第二機器人腳中下板40的第一片L11。第六片54對應于第二機器人腳中下板40的第二片L22。第七片56對應于第二機器人腳中下板40的第四片L44。
第五片52包括第一結合部52a和第一接觸部52b，這兩部分依次疊放。第一結合部52a與圖3所示上板32的預定區域結合(第二片L22結合于此)。第一接觸部52b直接接觸地面。
第六片54包括第二結合部54a和第二接觸部54b，這兩部分依次疊放。第二結合部54a與上板32的預定區域結合(第一片L11結合于此)。第二接觸部54b直接接觸地面。
第七片56包括第三結合部56a和第三接觸部56b，這兩部分依次疊放。第三結合部56a與上板32的預定區域結合(第四片L44結合于此)。第三接觸部56b直接接觸地面。
在第五到第七片52、54、56中，第一到第三結合部52a、54a、56a均由具有第三彈性的橡膠形成，例如熱塑性橡膠。第一到第三接觸部52b、54b、56b均由具有第四彈性的橡膠形成，例如熱塑性橡膠。雖然當第三彈性和第四彈性相同時沒有任何問題，此時第五到第七片52、54、56中的每一片都是一個單獨元件，然而在這里，優選第三、第四彈性為不同。如圖9所示，第三機器人腳包括具有第五到第七片52、54、56的下板50和結合于下板50上的上板32。
同具有第二機器人腳的機器人一樣，具有第三機器人腳的機器人，其控制機器人的粘滯性和彈性的可能性就進一步提高了。特別地，當第一到第三結合部52a、54a、56a的彈性小于第一到第三接觸部52b、54b、56b的彈性時，就可以防止第三機器人腳蹬在地面上時所產生的擺動。由于第三機器人腳的下板50的硬度小于整個第三機器人腳的硬度，因此可以減小在第三機器人腳下板50下的小障礙物對第三機器人腳的影響。
<第四實施例>
參見圖10，本發明第四實施例中機器人腳(以后稱之為第四機器人腳)的下板60包括第八到第十片62、64、66，這些片彼此分隔開。第八片62包括第一結合部62a和第一接觸部62b，這兩部分依次疊放。第一結合部62a結合于上板32的下表面，并且位于第一接觸部62b的上表面的部分區域中，該第一接觸部62b接觸地面。第一接觸部62b與圖3所示第一機器人腳30的下板34的第三接觸部34d在尺寸和功能上都相同。因為第一結合部62a只位于第一接觸部62b的部分區域中，所以第一結合部62a和上板32的接觸面積小于第三實施例中第五片52的第一結合部52a與上板32的接觸面積。
在第一結合部62a和環繞第一結合部62a的第一接觸部62b之間有一臺階，其對應于第一結合部62a的厚度。如圖11所示，由于該臺階，在環繞第一結合部62a的上板32與第一接觸部62b之間就形成有間隙。在下面描述的第九片64和第十片66中也存在這樣的臺階和間隙。第八片62的第一結合部62a和第一接觸部62b是由具有不同物理特性的相同材料形成。例如，第一結合部62a是由具有第五彈性的熱塑性橡膠形成的第一橡膠板，第一接觸部62b是由具有第六彈性的熱塑性橡膠形成的第二橡膠板，該第六彈性不同于第五彈性。
第九片64包括第二結合部64a和第二接觸部64b，這兩部分依次疊放，其中第二結合部64a結合于上板32的下表面，而第二接觸部64b同第一接觸部62b一起接觸地面。第二結合部64a位于第二接觸部64b的上表面的部分區域中。因此，同第一結合部62a一樣，在第二結合部64a的周圍形成有臺階和間隙。第二接觸部64b的尺寸、位置及功能與第一機器人腳30的下板34的第一接觸部34b相同。第二結合部64a可由具有與第一結合部62a相同物理特性的材料形成，第二接觸部64b可由具有與第一接觸部62b相同物理特性的材料形成。
第十片66包括第三接觸部66b和第三結合部66a，第三接觸部66b接觸地面，第三結合部66a位于第三接觸部66b的上表面的部分區域中，并結合于上板32的下表面上。同第一結合部62a和第二結合部64a一樣，在第三結合部66a的周圍形成有臺階和間隔。第三接觸部66b的尺寸、位置及功能與第一機器人腳30的下板34的第二接觸部34c相同。第三結合部66a可由具有與第一結合部62a相同物理特性的材料形成，第三接觸部66b可由具有與第一接觸部62b相同物理特性的材料形成。圖11顯示了第四機器人腳，其中圖10所示的下板60與上板32依次疊放。參見圖11，可以看到，在上板32與第一到第三接觸部62a、64a、66a之間存在間隙G。對于具有第四機器人腳的機器人，由于臺階而使上板32和下板60之間存在間隙G，因此，與第一到第三機器人腳相比，第四機器人腳相對于俯仰軸和翻滾軸的轉動剛度可以被減小。這樣，第四機器人腳的下板60繞俯仰軸和翻滾軸可以提供小角度的變形。因此當第四機器人腳蹬在地面上時，腳的跟部可以與地面平穩接觸，從而可以減小小障礙物或不平表面的影響。
<典型實例>
本發明人制造了具有第二機器人腳、雙腿以及腰部的人形機器人，該人形機器人只有實際尺寸的80％。在該人形機器人的腳部安裝有6-軸力傳感器，用于測量在機器人靜止或行走時腳部對地面的反應力和力矩。在每條腿部安裝有六個致動器。在這種狀態下，機器人從一靜止狀態移動左腳，然后移動右腳到左腳的上述位置(即，右腳的腳跟蹬在地面上)，這一時間段作為機器人行走的一步。
圖12和13表示圖1所示人形機器人在移動一步時所測量的零轉矩點(ZMP)的軌跡，其中零轉矩點(ZMP)是指人形機器人轉矩為零的點。
兩足機器人的整體穩定性由ZMP決定。圖12所示第一條曲線G1表示人形機器人在6.5秒(sec)內(即人形機器人移動一步的時間段內)，ZMP在Z軸方向(即人形機器人向前移動的方向)的變化。圖13所示第二條曲線G2表示在上述時間段內ZMP在X軸方向的變化。ZMP在X-Z平面內的坐標(XZMP，ZZMP)由方程式4和5給出。
xzmp≅Σe=1n[mexe(y··e+g)-meyex··e]Σe=1nme(y··e+g)]]>[方程式4]zzmp≅Σe=1n[meze(y··e+g)-meyez··e]Σe=1nme(y··e+g)]]>[方程式5]在方程式4和5中，me表示當e＝1，2，...，n時的質量。(xe，ye，ze)表示當e＝1，2，...，n時質心的坐標。 表示當e＝1，2，...，n時質心的加速度。參見圖12所示的第一條曲線G1，可以看出，ZMP在Z軸方向的總位移大約為425mm。參見圖13所示的第二條曲線G2，可以看出，當人形機器人行走一步時，ZMP在X軸方向的最大偏移量大約為65mm。為了保持人形機器人行走時的穩定姿態，ZMP必須落在由人形機器人腳的尺寸所限定的穩定區域內。
圖14表示當人形機器人行走一步時安裝在人形機器人左腿上的六個致動器的運動變化。在圖14中，第三條和第四條曲線G3、G4分別表示安裝在機器人左腿左、右側的控制踝關節繞翻滾軸和俯仰軸轉動的致動器的運動變化。第五條和第六條曲線G5、G6分別表示安裝在機器人左腿左、右側的控制腰關節繞翻滾軸和俯仰軸轉動的致動器的運動變化。第七條曲線G7表示安裝在機器人左腿上的控制腰關節繞擺動軸轉動的致動器的運動變化。第八條曲線G8表示安裝在機器人左腿上的控制膝關節繞俯仰軸轉動的中心致動器的運動變化。
圖15表示當人形機器人行走一步時，安裝在人形機器人右腿上的六個致動器的運動變化。在圖15中，第九條和第十條曲線G9、G10分別表示安裝在機器人右腿左、右側的控制踝關節繞翻滾軸和俯仰軸轉動的致動器的運動變化。第十一條和第十二條曲線G11、G12分別表示安裝在機器人右腿左、右側的控制腰關節繞翻滾軸和俯仰軸轉動的致動器的運動變化。第十三條曲線G13表示安裝在機器人右腿上的控制膝關節繞俯仰軸轉動的中心致動器的運動變化。第十四條曲線G14表示安裝在機器人右腿上的控制腰關節繞擺動軸轉動的致動器的運動變化。
圖16表示當人形機器人向前移動一步時機器人左右腳質心、機器人腰部質心以及機器人質心在Z軸方向(即機器人前進的方向)軌跡的變化。在圖16中，第十五條曲線G15表示機器人左腳質心軌跡的變化，第十六條曲線G16表示機器人右腳質心軌跡的變化，第十七條曲線G17表示機器人腰部質心軌跡的變化，第十八條曲線G18表示機器人質心軌跡的變化。
圖17表示當人形機器人向前移動一步時機器人左右腳質心在垂直地面的方向上(即垂直Z-X平面的Y軸方向)軌跡的變化。在圖17中，第十九條曲線G19表示機器人右腳質心軌跡的變化，第二十條曲線G20表示機器人左腳質心軌跡的變化。
圖18表示人形機器人腰部質心和機器人質心沿X軸方向軌跡的變化，該變化顯示了當機器人向前移動一步時其在左右方向移動了多少。這里，從機器人前側看去，當機器人腰部質心和機器人質心移向左邊時，每個質心的移動量是負值，而當各質心移向右邊時，這些值變成正值。
在圖18中，第二十一條曲線G21表示機器人腰部的質心，而第二十二條曲線G22表示整個機器人的質心。參見第二十一條曲線G21和第二十二條曲線G22，可以看出，當機器人向前移動一步時，機器人腰部質心比整個機器人質心要更向左右移動。結果表明，當機器人行走時，機器人質心向左右方向的移動量不是很大，也就是說，機器人的行走更加平穩。圖19所示第二十三條曲線G23表示當人形機器人從離地面預定高度(比如離地面10mm高度)蹬向地面時，其左腳質心沿Y軸方向的垂直位移；由于機器人的初始位置離地10mm高，因此Y軸的零點(0)向上移動了10mm。
參見第二十三條曲線G23，機器人左腳從離地面10mm的高度蹬向地面0.2sec之后，機器人左腳在垂直方向(也就是Y軸方向)的移動沒有消失。這說明蹬在地面上之后，機器人左腳達到了0.2sec的短暫靜平衡。圖20所示為當機器人行走時施加到對應于人形機器人腳的跟部和腳趾部上的應力，即施加到下板40的第四片L44及第一和第二片L11、L22上的應力，此時機器人腳的下板采用圖6所示第二機器人腳的下板40。圖20所示應力是在機器人移動一步時所測量的。施加到下板40的第四片L44及第一、第二片L11、L22上的應力是一種指標，其決定了當機器人行走時，由地面傳來的沖擊力以及與該力相關的機器人穩定性。
在圖20中，第二十四條曲線G24表示當機器人移動一步時，施加到機器人腳的下板40的第一片L11和第二片L22上應力的變化。第二十五條曲線G25表示施加到機器人腳的跟部(即下板40的第四片L44)上應力的變化。
雖然第二十四條曲線G24表示施加于下板40的兩個區域(即第一片L11和第二片L22)上應力的變化，但結果卻似乎是施加于單一區域上應力的變化，這是因為下板40的第一片L11和第二片L22在幾何外形上幾乎非常對稱。也就是說，施加于下板40的第一片L11上的應力與施加于下板40的第二片L22上的應力相同，因而表示第一片L11和第二片L22上應力的變化的上述曲線就相同了。
參見第二十四條和第二十五條曲線G24、G25，可以看出在機器人腳蹬在地面上0.3sec之后，由機器人腳蹬在地面上時產生的沖擊力所引起的振動幾乎消失了。雖然以上描述了很多，但這些描述只可解釋為本發明的特定實施例，并不構成對本發明權利要求保護范圍的限制。例如，在不破壞機器人行走的穩定性的范圍內，本領域技術人員可以在構成機器人腳下板的接觸地面的部件上形成更多的孔，穿過這些孔可看到與上板接觸的那些部件。例如，在圖4中所示第一到第三接觸部34b、34c、34d上形成一些孔，橡膠板34a通過這些孔連接到上板32的下表面上。因此，盡管參照本發明的優選實施例對本發明進行了特別的圖示和描述，但本領域技術人員應當理解，在不脫離由所附權利要求書所限定的本發明的精神和范圍的情況下，可以對本發明進行形式和細節上的各種修改。
如上述，根據本發明，位于機器人腳的下板且接觸地面的部分是分隔開的。因此，使用該機器人腳可以減小地面上的一些小障礙物和不平地面對機器人的影響。結果，簡化了機器人的控制系統且使機器人行走更加穩定。
本發明的機器人腳還包括具有預定彈性的緩沖件或者是由具有不同彈性的部份構成的緩沖件，該緩沖件位于下板上。因此，當機器人行走時，來自地面的沖擊被緩沖件吸收，這樣沖擊就不會傳遞到機器人的軀體上。此外，還可以減小機器人腳蹬在地面時所產生的振動。因此可以獲得機器人的動平衡，從而使機器人的行走更加穩定和平滑。
權利要求
1.一種具有雙腿并能直立行走的人形機器人，其中每條腿均包括一只腳，該腳包括一上板，在其上面安裝有一踝關節，并且該上板與人類的腳類似；以及一下板，其連接到上板的一下表面上，并具有多個接觸地面并彼此分離的接觸部。
2.根據權利要求1所述人形機器人，其中所述上板是具有一定硬度的金屬板或非金屬板。
3.根據權利要求1所述人形機器人，其中所述下板包括具有第一彈性的一彈性板，其整個上表面接觸所述上板的下表面；以及具有第二彈性的第一到第三接觸部，這些接觸部從所述彈性板的下表面突出并接觸地面。
4.根據權利要求3所述人形機器人，其中所述第一和第二彈性彼此相同。
5.根據權利要求3所述人形機器人，其中所述第一和第二彈性彼此不同。
6.根據權利要求3所述人形機器人，其中所述彈性板和所述第一到第三接觸部為單一體。
7.根據權利要求1所述人形機器人，其中所述下板包括一彈性板，其整個上表面接觸所述上板的下表面；以及具有預定彈性的第一到第三接觸部，這些接觸部從所述彈性板的下表面突出以接觸地面。
8.根據權利要求7所述人形機器人，其中所述彈性板由多個獨立體構成。
9.根據權利要求8所述人形機器人，其中有些獨立體的所述彈性不同于其它獨立體。
10.根據權利要求8所述人形機器人，其中所述彈性板包括一第一片，其下表面連接到所述第一接觸部；一第二片，其下表面連接到所述第二接觸部；一第四片，其下表面連接到所述第三接觸部；以及一第三片，其位于所述第一片、所述第二片及所述第四片之間。
11.根據權利要求10所述人形機器人，其中所述第一接觸部和第一片、所述第二接觸部和第二片、以及所述第三接觸部和第四片都是單一體。
12.根據權利要求10所述人形機器人，其中所述第一片、第二片及第四片的彈性不同于所述第三片。
13.根據權利要求1所述人形機器人，其中所述下板包括一第一片，其上表面連接到上板的下表面，其下表面接觸地面；一第二片，其上表面連接到上板的下表面，其下表面接觸地面，并與所述第一片分開；以及一第三片，其上表面連接到上板的下表面，其下表面接觸地面，并與所述第一片、所述第二片分開。
14.根據權利要求13所述人形機器人，其中所述第一到第三片都是由多種具有不同彈性的材料層依次層疊在一起。
15.根據權利要求14所述人形機器人，其中所述第一片包括一第一接觸部和一第一結合部，該第一接觸部接觸地面，該第一結合部連接到所述上板的下表面；所述第二片包括一第二接觸部和一第二結合部，該第二接觸部接觸地面，該第二結合部連接到所述上板的下表面；以及所述第三片包括一第三接觸部和一第三結合部，該第三接觸部接觸地面，該第三結合部連接到所述上板的下表面。
16.根據權利要求15所述人形機器人，其中所述第一到第三結合部分別只位于所述第一到第三接觸部的預定區域上，因此所述上板和所述第一到第三結合部之間存在空間。
17.根據權利要求3所述人形機器人，其中所述彈性板是熱塑性橡膠板。
18.根據權利要求15所述人形機器人，其中所述第一到第三結合部都是熱塑性橡膠板。
19.根據權利要求7所述人形機器人，其中所述彈性板是熱塑性橡膠板。
全文摘要
本發明提出了一種具有雙腿并能直立行走的人形機器人。每條腿均包括一只腳，該腳包括在其上面安裝有踝關節且與人腳類似的上板以及下板，下板結合于上板的下表面上并具有多個接觸地面并彼此分離的接觸部。
文檔編號B25J5/00GK1676187SQ20051006972
公開日2005年10月5日 申請日期2005年3月31日 優先權日2004年3月31日
發明者利奧尼德·馬斯洛夫, 孫榮, 郭朱泳 申請人:三星電子株式會社