剛?cè)狁詈暇彌_仿生足的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種四足機(jī)器人足，特別涉及一種剛?cè)狁詈暇彌_仿生足。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，仿生步行機(jī)器人獲得了快速發(fā)展并在社會(huì)的多個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，如農(nóng)業(yè)、軍事、星際探索、野外科考、搶險(xiǎn)救災(zāi)等。按步行足數(shù)目，步行機(jī)器人可劃分為單足、雙足、三足、四足、六足、八足甚至更多，其中偶數(shù)占絕大多數(shù)。而四足步行機(jī)器人相比其他類型，具有承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，易于控制等顯著特點(diǎn)，另外，四足機(jī)器人不僅能夠以靜態(tài)步行方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)路面及復(fù)雜地形上的行走，還可以動(dòng)態(tài)步行方式實(shí)現(xiàn)高速行走，因而得到世界范圍內(nèi)的極大關(guān)注，成為仿生機(jī)器人領(lǐng)域的研宄熱點(diǎn)。
[0003]四足步行機(jī)器人在動(dòng)態(tài)快速步行狀態(tài)下，由于腿機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)的剛性，使得其腿-足與地面接觸時(shí)，不可避免地會(huì)產(chǎn)生階躍式的接觸沖擊。日本、美國等國學(xué)者發(fā)現(xiàn)機(jī)器人的腳與地面接觸時(shí)造成的沖擊，往往會(huì)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)造成重大損傷，例如，損壞機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)或者傳動(dòng)齒輪，大大降低機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，使得機(jī)器人系統(tǒng)控制難度增大。因此，四足步行機(jī)器人腿-足的接觸力沖擊問題已經(jīng)成為國內(nèi)外這類機(jī)器人研宄廣泛關(guān)注的問題，降低腿-足接觸地面時(shí)的沖擊是此類機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。
[0004]機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中，其與地面的接觸沖擊主要由質(zhì)量、剛度、阻尼、觸地時(shí)間歷程和落地時(shí)各組件的速度決定，由于其質(zhì)量、擺動(dòng)速度和步行速度相對(duì)固定，因此通過減少機(jī)器人的質(zhì)量或降低擺動(dòng)速度和步行速度的方法來減少接觸沖擊比較困難。目前，大多采取在步行機(jī)器人的腿機(jī)構(gòu)中加入彈性阻尼元件或采用高彈性材料，以在一定程度上減少地面接觸對(duì)機(jī)器人的沖擊影響。而四足機(jī)器人的足部作為機(jī)體在運(yùn)動(dòng)過程中唯一并首先與地面發(fā)生沖擊作用的部位，目前并未受到過多考慮。現(xiàn)有的四足步行機(jī)器人的足部多為圓弧面或球形的整體剛性設(shè)計(jì)，難以保證高可靠度的接觸及緩沖效果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的目的是為了解決現(xiàn)有四足機(jī)器人腿-足系統(tǒng)緩沖性能差的問題，而提供一種能克服上述缺點(diǎn)的剛?cè)狁詈暇彌_仿生足。
[0006]本實(shí)用新型包括有耦合足底部、上部柔層、足頂部蓋板、扭轉(zhuǎn)彈簧和壓縮彈簧，耦合足底部的下端與地面接觸，耦合足底部的上端圓周方向通過螺栓固定在上部柔層的下端，上部柔層的上端圓周方向通過螺栓固定在足頂部蓋板的下端，足頂部蓋板的上端與機(jī)器人的下肢連接；耦合足底部包括有徑向足底板、底部柔層和側(cè)向足底板，徑向足底板的外部斜槽與底部柔層的內(nèi)部斜凸嚙合，底部柔層的外部斜凸與側(cè)向足底板的內(nèi)部斜槽嚙合，徑向足底板、底部柔層和側(cè)向足底板的嚙合面構(gòu)成剛?cè)狁詈系木彌_界面；上部柔層的下端凸臺(tái)與耦合足底部的上端凹槽嚙合，上部柔層的上端凸臺(tái)與耦合足底部的下端凹槽嚙合，第一層孔、第二層孔和第三層孔均勻分布在上部柔層的上端面，壓縮彈簧均勻安裝在第一層孔中，扭轉(zhuǎn)彈簧均勻安裝在第二層孔和第三孔中，上部柔層、壓縮彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧分別與足頂部蓋板和耦合足底部構(gòu)成剛?cè)狁詈系木彌_界面。
[0007]所述的上部柔層和底部柔層的材質(zhì)為橡膠，從而在仿生足的行走中起到緩沖減振作用。
[0008]本實(shí)用新型的工作原理和過程為:
[0009]本實(shí)用新型是根據(jù)具有優(yōu)良緩沖性能的趾行四足動(dòng)物-德國牧羊犬的足部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其材料特征得到的啟示。
[0010]陸地上的四足趾行動(dòng)物(如犬、貓)的足部在運(yùn)動(dòng)中與地面的接觸，均是通過足部的趾端及足墊共同作用而完成的。同時(shí)，對(duì)角小跑是陸地上多數(shù)四足動(dòng)物在奔跑時(shí)優(yōu)先采用的步態(tài)，該運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，地面對(duì)動(dòng)物足部的沖擊作用非常顯著，而德國牧羊犬在該步態(tài)模式下的運(yùn)動(dòng)尤為平穩(wěn)順暢，緩沖表現(xiàn)更為突出。
[0011]經(jīng)過觀察分析，發(fā)現(xiàn)，德國牧羊犬的足部主要由骨骼(掌骨和趾骨)、韌帶、肌肉及足墊組成，其中足墊又分為指墊和掌墊，呈離散分布結(jié)構(gòu)。犬的足墊為黏彈性的軟質(zhì)材料，而足部骨骼則具有較高的剛性特征，連接骨骼的韌帶及肌肉亦呈現(xiàn)黏彈特性。足墊位于掌骨及趾骨的正下方，當(dāng)?shù)孛媾c犬足部發(fā)生接觸作用時(shí)，沖擊力逐次通過足墊-骨骼-韌帶結(jié)構(gòu)，其由于各結(jié)構(gòu)的柔性-剛性-柔性特征及結(jié)合方式而發(fā)生一定程度的耗散及傳播方向的分散與改變，將沖擊力降低到適當(dāng)范圍，從而避免了沖擊力過大對(duì)下肢造成損傷。
[0012]基于德國牧羊犬的足部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其材料特征，本實(shí)用新型將仿生足設(shè)計(jì)為足頂部蓋板、徑向足底板和側(cè)向足底板三個(gè)剛性分體結(jié)構(gòu)，分體結(jié)構(gòu)間分別填充柔層和彈簧。本實(shí)用新型的各分體結(jié)構(gòu)組合后，整體外形仍保持半球形，保證了多種條件下其與地面接觸的穩(wěn)定性及較佳的環(huán)境適應(yīng)性。剛性分體結(jié)構(gòu)與柔層及彈簧形成剛-柔相間的耦合體，地面沖擊力作用于徑向足底板，徑向足底板沿著仿生足徑向向上移動(dòng)，將力傳遞至上部柔層中間區(qū)域，上部柔層發(fā)生變形，柔性層間的壓縮彈簧隨之被壓縮，柔層與壓縮彈簧共同作用吸收沖擊能量；同時(shí)徑向足底板帶動(dòng)側(cè)向底部柔層，將部分沖擊力通過底部柔層傳遞至側(cè)向足底板，改變了部分沖擊力的傳遞方向，側(cè)向足底板壓縮上部柔層外側(cè)，上部柔層外側(cè)及其內(nèi)嵌壓縮彈簧共同發(fā)生作用進(jìn)一步變形吸收、削弱沖擊力；上部柔層設(shè)置的扭轉(zhuǎn)彈簧保證徑向足底板、側(cè)向足底板與足頂部蓋板之間的剪切載荷的吸收與削弱，并確保壓縮彈簧工作正常。上部柔層將經(jīng)過削弱與吸收已經(jīng)降至合理范圍的的地面作用力傳遞至足頂部蓋板，進(jìn)而向腿部機(jī)構(gòu)傳遞。
[0013]本實(shí)用新型的有益效果:
[0014]通過剛性分體結(jié)構(gòu)與柔性連接的巧妙配合，耦合體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)剛性-柔性-剛性-柔性的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了地面沖擊力在徑向和側(cè)向方向的有效吸收與削弱，本實(shí)用新型整體表現(xiàn)出剛性支撐、柔性吸收的功能特點(diǎn)，從而具備良好的緩沖性能。
【附圖說明】
[0015]圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例的剖視圖。
[0017]圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例拆去足頂部蓋板的軸測(cè)視圖
[0018]圖4為圖2中A處的局部放大視圖。
[0019]其中:1 一徑向足底板；2—底部柔層；3—側(cè)向足底板；4一螺檢；5—上部柔層；6一足頂部蓋板；7—扭轉(zhuǎn)彈費(fèi)；8—壓縮彈費(fèi)；9一親合足底部；10一第一層孔；11 一第二層孔；12—第三層孔；13—內(nèi)側(cè)斜凸；14一外側(cè)斜凸；15—上端凸臺(tái)；16—下端凸臺(tái)。
【具體實(shí)施方式】
[0020]請(qǐng)參閱圖1、圖2、圖3和圖4所示，本實(shí)施例包括有耦合足底部9、上部柔層5、足頂部蓋板6、扭轉(zhuǎn)彈簧7和壓縮彈簧8，耦合足底部9的下端與地面接觸，耦合足底部9的上端圓周方向通過螺栓4固定在上部柔層5的下端，上部柔層5的上端圓周方向通過螺栓4固定在足頂部蓋板6的下端，足頂部蓋板6的上端與機(jī)器人的下肢連接；耦合足底部9包括有徑向足底板1、底部柔層2和側(cè)向足底板3，徑向足底板I的外部斜槽與底部柔層2的內(nèi)部斜凸13嚙合，底部柔層2的外部斜凸14與側(cè)向足底板3的內(nèi)部斜槽嚙合，徑向足底板1、底部柔層2和側(cè)向足底板3的嚙合面構(gòu)成剛?cè)狁詈系木彌_界面；上部柔層5的下端凸臺(tái)16與耦合足底部9的上端凹槽嚙合，上部柔層5的上端凸臺(tái)15與耦合足底部9的下端凹槽嚙合，第一層孔10、第二層孔11和第三層孔12均勻分布在上部柔層5的上端面，壓縮彈簧8均勻安裝在第一層孔10中，扭轉(zhuǎn)彈簧7均勻安裝在第二層孔11和第三孔12中，上部柔層5、壓縮彈簧8和扭轉(zhuǎn)彈簧7分別與足頂部蓋板6和耦合足底部9構(gòu)成剛?cè)狁詈系木彌_界面。
[0021]所述的上部柔層5和底部柔層2的材質(zhì)為橡膠，從而在仿生足的行走中起到緩沖減振作用。
[0022]本實(shí)施例的工作過程和原理:
[0023]本實(shí)施例將仿生足設(shè)計(jì)為足頂部蓋板6、徑向足底板I和側(cè)向足底板3三個(gè)剛性分體結(jié)構(gòu)，分體結(jié)構(gòu)間分別填充上部柔層5、底部柔層2、扭轉(zhuǎn)彈簧7和壓縮彈簧8。本實(shí)施例的各分體結(jié)構(gòu)組合后，整體外形仍保持半球形，保證了多種條件下其與地面接觸的穩(wěn)定性及較佳的環(huán)境適應(yīng)性。剛性分體結(jié)構(gòu)與上部柔層5、底部柔層2及扭轉(zhuǎn)彈簧和壓縮彈簧形成剛-柔相間的耦合體，地面沖擊力作用于徑向足底板1，徑向足底板3沿著仿生足徑向向上移動(dòng)，將力傳遞至上部柔層5中間區(qū)域，上部柔層5發(fā)生變形，上部柔層5間的壓縮彈簧8隨之被壓縮，上部柔層5與壓縮彈簧8共同作用吸收沖擊能量；同時(shí)徑向足底板I帶動(dòng)側(cè)向底部柔層2，將部分沖擊力通過底部柔層2傳遞至側(cè)向足底板3，改變了部分沖擊力的傳遞方向，側(cè)向足底板3壓縮上部柔層5外側(cè)，上部柔層5外側(cè)及其內(nèi)嵌壓縮彈簧8共同發(fā)生作用進(jìn)一步變形吸收、削弱沖擊力；上部柔層5設(shè)置的扭轉(zhuǎn)彈簧7保證徑向足底板1、側(cè)向足底板3與足頂部蓋板6之間的剪切載荷的吸收與削弱，并確保壓縮彈簧8工作正常。上部柔層5將經(jīng)過削弱與吸收已經(jīng)降至合理范圍的的地面作用力傳遞至足頂部蓋板6，進(jìn)而向腿部機(jī)構(gòu)傳遞。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種剛?cè)狁詈暇彌_仿生足，其特征在于:包括有耦合足底部(9)、上部柔層(5)、足頂部蓋板出)、扭轉(zhuǎn)彈簧(7)和壓縮彈簧(8)，耦合足底部(9)的下端與地面接觸，耦合足底部(9)的上端圓周方向通過螺栓(4)固定在上部柔層(5)的下端，上部柔層(5)的上端圓周方向通過螺栓(4)固定在足頂部蓋板￠)的下端，足頂部蓋板￠)的上端與機(jī)器人的下肢連接；耦合足底部(9)包括有徑向足底板(I)、底部柔層(2)和側(cè)向足底板(3)，徑向足底板(I)的外部斜槽與底部柔層⑵的內(nèi)部斜凸(13)嚙合，底部柔層(2)的外部斜凸(14)與側(cè)向足底板(3)的內(nèi)部斜槽嚙合，徑向足底板(I)、底部柔層(2)和側(cè)向足底板(3)的嚙合面構(gòu)成剛?cè)狁詈系木彌_界面；上部柔層(5)的下端凸臺(tái)(16)與耦合足底部(9)的上端凹槽嚙合，上部柔層(5)的上端凸臺(tái)(15)與耦合足底部(9)的下端凹槽嚙合，第一層孔(10)、第二層孔(11)和第三層孔(12)均勻分布在上部柔層(5)的上端面，壓縮彈簧(8)均勻安裝在第一層孔(10)中，扭轉(zhuǎn)彈簧(7)均勻安裝在第二層孔(11)和第三層孔(12)中，上部柔層(5)、壓縮彈簧⑶和扭轉(zhuǎn)彈簧(7)分別與足頂部蓋板(6)和耦合足底部(9)構(gòu)成剛?cè)狁詈系木彌_界面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種剛?cè)狁詈暇彌_仿生足，其特征在于:所述的上部柔層(5)和底部柔層(2)的材質(zhì)為橡膠。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種剛?cè)狁詈暇彌_仿生足，包括有耦合足底部、上部柔層、足頂部蓋板、扭轉(zhuǎn)彈簧和壓縮彈簧，徑向足底板、底部柔層和側(cè)向足底板的嚙合面構(gòu)成剛?cè)狁詈系木彌_界面，上部柔層、壓縮彈簧和扭轉(zhuǎn)彈簧分別與足頂部蓋板和耦合足底部構(gòu)成剛?cè)狁詈系木彌_界面。通過剛性分體結(jié)構(gòu)與柔性連接的巧妙配合，耦合體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)剛性-柔性-剛性-柔性的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了地面沖擊力在徑向和側(cè)向方向的有效吸收與削弱，本實(shí)用新型整體表現(xiàn)出剛性支撐、柔性吸收的功能特點(diǎn)，從而具備良好的緩沖性能。
【IPC分類】F16F15-04, B62D57-02
【公開號(hào)】CN204323524
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201420784457
【發(fā)明人】錢志輝, 苗懷彬, 梁威, 宋國風(fēng), 付君, 任露泉
【申請(qǐng)人】吉林大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2014年12月11日