專利名稱：一種仿駱駝足機(jī)械足裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種仿駱駝機(jī)械足裝置，屬于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的移動(dòng)機(jī)器人可分為輪式機(jī)器人與腿式機(jī)器人。腿式機(jī)器人相對于輪式機(jī)器人，可以采用不同步態(tài)及與地面不同接觸方式，具有可避障與可適應(yīng)復(fù)雜地貌等特點(diǎn)。其中腿式機(jī)器人與地面的不同接觸方式通過不同的機(jī)械足來實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)機(jī)械足一般為球面足或簡單平面、曲面足，輔以彈簧等減震裝置。此類機(jī)械足結(jié)構(gòu)與功能簡單，適合在剛性平整地面上行走，但在復(fù)雜路面上行走效果較差，如傳統(tǒng)機(jī)械足在沙地、軟土地行走時(shí)，會(huì)產(chǎn)生下陷過深、支撐點(diǎn)打滑、推動(dòng)力不足、出足困難等現(xiàn)象。目前國內(nèi)外對具有特殊地貌適應(yīng)性的機(jī)械足研究甚少，不能滿足科研需求，需要進(jìn)一步發(fā)掘研究。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對上述傳統(tǒng)機(jī)械足在沙地、軟土地面行走困難問題，提出了一種仿駱駝足機(jī)械足裝置，適合腿式、輪腿式機(jī)器人行走步態(tài)模式下在沙地、軟土等地面行走。一種仿駱駝足機(jī)械足裝置，包括機(jī)械接口、踝關(guān)節(jié)和腳掌；機(jī)械接口將機(jī)械足與機(jī)器人的腿部固定，分為接口外殼、接口內(nèi)殼和快速更換系統(tǒng)，其中接口外殼與機(jī)器人腿部連接，接口內(nèi)殼套在接口外殼內(nèi)，與仿生足踝關(guān)節(jié)固連，只有一個(gè)移動(dòng)自由度，通過快速更換系統(tǒng)的插銷對機(jī)械足進(jìn)行快速固定和拆卸；踝關(guān)節(jié)固定于機(jī)械接口下方，包括一對相互垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，具有沿水平面兩個(gè)方向軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，使腳掌能夠相對于機(jī)器人具有兩自由度轉(zhuǎn)動(dòng)；腳掌安裝在踝關(guān)節(jié)下方，上板與下板通過連桿板與搖桿板鏈接，內(nèi)部通過回位彈簧與承載彈簧支承，并通過腳掌導(dǎo)桿導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)軌跡。所述的機(jī)械接口包括接口外殼、接口內(nèi)殼、預(yù)緊彈簧、預(yù)緊彈簧導(dǎo)桿和插銷；所述的快速更換系統(tǒng)是指預(yù)緊彈簧、預(yù)緊彈簧導(dǎo)桿和插銷；接口外殼左右兩側(cè)通過螺釘與機(jī)器人腿部連接，上端打有螺紋通孔，安裝預(yù)緊彈簧倒桿，預(yù)緊彈簧倒桿外圍安裝預(yù)緊彈簧，下端安裝插銷，預(yù)緊彈簧、插銷均能沿預(yù)緊彈簧倒桿上下移動(dòng)，接口內(nèi)殼與接口外殼內(nèi)壁四面接觸，底部開通孔固定插銷的四個(gè)插頭，并開有通孔連接踝關(guān)節(jié)的上關(guān)節(jié)。所述的踝關(guān)節(jié)包括上關(guān)節(jié)、下關(guān)節(jié)、短軸、長軸和支承座；上關(guān)節(jié)上表面開有通孔， 通過螺釘與機(jī)械接口的接口內(nèi)殼固定，上關(guān)節(jié)兩側(cè)也分別開有通孔，通孔與長軸配合，長軸兩端有螺紋，通過螺母固定在上關(guān)節(jié)上，下關(guān)節(jié)與上關(guān)節(jié)接觸的兩側(cè)開有通孔，長軸與下關(guān)節(jié)該處的通孔配合，下關(guān)節(jié)能夠以長軸為軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)；下關(guān)節(jié)的另外兩側(cè)也分別開有通孔， 兩個(gè)通孔分別與兩個(gè)短軸配合，每個(gè)短軸穿過支承座一側(cè)的通孔，短軸兩端設(shè)有螺紋，通過螺母固定軸向位置，支承座可沿短軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)；支承座的下表面四個(gè)頂點(diǎn)處開有通孔，通過螺釘與腳掌的上板固定相連，支承座中心開有圓形通孔，腳掌上板凸臺(tái)與腳掌導(dǎo)桿從其中穿過。所述的腳掌包括上板、圓柱銷、連桿板、搖桿板、下板、回位彈簧、承載彈簧、腳掌導(dǎo)桿和墊片；上板上表面開有通孔，通過螺釘與踝關(guān)節(jié)的支承座下表面連接，上板上表面中心還設(shè)有凸臺(tái)，凸臺(tái)中心為通孔，上板與下板平行放置，上板左前、右前、后部三處通過連桿板、搖桿板與下板連接，上板與連桿板之間、連桿板與搖桿板之間、搖桿板與下板之間均通過圓柱銷連接，圓柱銷為緊配合固定，相鄰板能夠沿連接處圓柱銷相對轉(zhuǎn)動(dòng)，左前、右前、后部三處形成三個(gè)鉸鏈結(jié)構(gòu)；上板下部與下板上部對應(yīng)分布四組彈簧端頭，用于安裝回位彈簧，下板中心設(shè)有一個(gè)彈簧端頭，彈簧端頭上面開有螺紋通孔，用于固定腳掌導(dǎo)桿，腳掌導(dǎo)桿穿過上板上表面中心凸臺(tái)的通孔，不受外力時(shí)腳掌導(dǎo)桿的導(dǎo)桿帽與凸臺(tái)上表面接觸，使整個(gè)機(jī)構(gòu)只能沿腳掌導(dǎo)桿方向運(yùn)動(dòng)，腳掌導(dǎo)桿中間有一臺(tái)階，臺(tái)階下表面與墊片配合，墊片下表面與承載彈簧接觸，承載彈簧安裝在下板上表面中心彈簧端頭與墊片之間，套在腳掌導(dǎo)桿外圍。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明所述的裝置能夠模擬駱駝足在行走中的快速擴(kuò)展，下凹固沙，旋轉(zhuǎn)蹬沙，旋轉(zhuǎn)出沙等功能，大大改善腿式機(jī)器人在沙地，軟土地等地面的行走性能；(2)本發(fā)明所述的裝置的機(jī)械接口方便對各種機(jī)械足進(jìn)行快速切換。


圖1是本發(fā)明的一種仿駱駝足機(jī)械足的正視剖面圖；圖2是本發(fā)明的一種仿駱駝足機(jī)械足的左視圖；圖3是本發(fā)明的一種仿駱駝足機(jī)械足的俯視圖；圖4是本發(fā)明機(jī)械接口結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明的踝關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)示意圖；圖6是本發(fā)明的腳掌初始狀態(tài)(未接觸地面)示意圖；圖7是本發(fā)明的腳掌面積擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)示意圖；圖8是本發(fā)明的腳掌承載狀態(tài)示意圖；圖9是本發(fā)明的腳掌無彈簧狀態(tài)內(nèi)部示意圖。圖中ι-機(jī)械接口2-踝關(guān)節(jié)3-腳掌
101-接口外殼102-接口內(nèi)殼103-預(yù)緊彈簧
104-預(yù)緊彈簧導(dǎo)桿105-插銷
201-上關(guān)節(jié)202--下關(guān)節(jié)203--短軸
204-長軸205--支承座
301-上板302--圓柱銷303--連桿板
304-搖桿板305--下板306--回位彈簧
307-承載彈簧308--腳掌導(dǎo)桿309--墊片
310-凸臺(tái)311--彈簧端頭
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明是一種仿駱駝足機(jī)械足裝置，如圖1、圖2、圖3所示，包括機(jī)械接口 1、踝關(guān)節(jié)2和腳掌3 ；機(jī)械接口 1如圖4所示，包括接口外殼101、接口內(nèi)殼102、預(yù)緊彈簧103、預(yù)緊彈簧導(dǎo)桿104和插銷105。接口外殼101左右兩側(cè)通過螺釘與機(jī)器人腿部連接，上端打有螺紋通孔，安裝預(yù)緊彈簧倒桿104，預(yù)緊彈簧倒桿104外圍安裝預(yù)緊彈簧103，下端安裝插銷105，預(yù)緊彈簧 103、插銷105均能沿預(yù)緊彈簧倒桿104上下移動(dòng)，接口內(nèi)殼102與接口外殼101內(nèi)壁四面接觸，底部開通孔固定插銷105的四個(gè)插頭，并開有通孔連接踝關(guān)節(jié)2的上關(guān)節(jié)201。踝關(guān)節(jié)2如圖5所示，包括上關(guān)節(jié)201、下關(guān)節(jié)202、短軸203、長軸204和支承座 205。上關(guān)節(jié)201上表面開有通孔(用于穿過螺釘)，通過螺釘與機(jī)械接口 1的接口內(nèi)殼102固定，上關(guān)節(jié)201兩側(cè)也分別開有通孔，通孔與長軸204配合，長軸204兩端有螺紋， 通過螺母固定在上關(guān)節(jié)201上，下關(guān)節(jié)202與上關(guān)節(jié)接觸的兩側(cè)開有通孔，長軸204與下關(guān)節(jié)202中間的通孔配合，下關(guān)節(jié)202能夠以長軸204為軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。下關(guān)節(jié)202的另外兩側(cè)也分別開有通孔，兩個(gè)通孔分別與兩個(gè)短軸203配合，每個(gè)短軸203穿過支承座205 —側(cè)的通孔，短軸203兩端設(shè)有螺紋，通過螺母固定軸向位置，支承座205可沿短軸203自由轉(zhuǎn)動(dòng)。支承座205下表面開有通孔，通過螺釘與腳掌3的上板301固定相連。腳掌3如圖6、圖7、圖8、圖9所示，包括上板301、圓柱銷302、連桿板303、搖桿板 304、下板305、回位彈簧306、承載彈簧307、腳掌導(dǎo)桿308和墊片309。上板301上表面開有通孔，通過螺釘與踝關(guān)節(jié)2的固定板206連接，上板301上表面中心還設(shè)有凸臺(tái)310，凸臺(tái)310中心為通孔，上板301與下板305平行放置，如圖3所示，上板301左前、右前、后部三處通過連桿板303、搖桿板304與下板305連接，上板301與連桿板303之間、連桿板303與搖桿板304之間、搖桿板304與下板305之間均通過圓柱銷302 連接，圓柱銷302為緊配合固定，相鄰板可沿連接處圓柱銷302相對轉(zhuǎn)動(dòng)，左前、右前、后部三處形成三個(gè)鉸鏈結(jié)構(gòu)。所述的腳掌3的上板301與下板間305有三個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈，兩個(gè)在腳掌前部，向外側(cè)傾斜，一個(gè)在腳掌后部，無傾斜角，整個(gè)腳掌3呈駱駝足狀。上板301下部與下板305上部對應(yīng)分布四組彈簧端頭311，用于安裝回位彈簧306，下板305中心設(shè)有一個(gè)彈簧端頭311，彈簧端頭311上面開有螺紋通孔，用于固定腳掌導(dǎo)桿308，腳掌導(dǎo)桿308穿過上板301上表面中心凸臺(tái)310的通孔，不受外力時(shí)腳掌導(dǎo)桿308的導(dǎo)桿帽與凸臺(tái)310上表面接觸，使整個(gè)機(jī)構(gòu)只能沿腳掌導(dǎo)桿308方向運(yùn)動(dòng)，腳掌導(dǎo)桿308中間有一臺(tái)階，臺(tái)階下表面與墊片309配合，墊片309下表面與承載彈簧307接觸，承載彈簧307安裝在下板305上表面中心彈簧端頭311與墊片309之間，套在腳掌導(dǎo)桿308外圍。所述的腳掌3在面積擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)只有回位彈簧306受壓，在承載狀態(tài)上板301沿腳掌導(dǎo)桿308運(yùn)動(dòng)壓迫墊片309進(jìn)而擠壓承載彈簧307，兩種彈簧同時(shí)受壓，保證機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)及機(jī)構(gòu)與彈簧的強(qiáng)度要求。機(jī)器人更換機(jī)械足時(shí)，只需向上拔出插銷105，退出接口內(nèi)殼102，裝上新足的內(nèi)殼接口 102，插入插銷105即可。腳掌3各工作狀態(tài)可見圖6至圖9，具體為如圖6所示，初始時(shí)腳掌3未接觸地面，在回位彈簧306的作用下，上板301上表面中心凸臺(tái)與腳掌導(dǎo)桿308導(dǎo)桿帽接觸，腳掌3處于初始狀態(tài)；如圖7所示，當(dāng)腳掌3下板 305與地面接觸時(shí)，腳掌3受擠壓，回位彈簧306剛度很低，迅速變形至搖桿板304與下板305平行，腳掌3以最大面積接觸地面，上板301下表面與墊片309接觸，此時(shí)腳掌3處于面積擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)；如圖8所示，當(dāng)載荷進(jìn)一步加大，剛度很大的承載彈簧307受力壓縮，搖桿板 304繼續(xù)向下?lián)u擺至設(shè)計(jì)位置，腳掌3呈下凹狀，起到固沙作用，此時(shí)腳掌3處于承載狀態(tài)。如圖9所示，隨著機(jī)器人的向前移動(dòng)，重心會(huì)前移，機(jī)械足與地面的受力分布也會(huì)隨之前移，腳掌3相對于踝關(guān)節(jié)2下關(guān)節(jié)202緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，腳掌3前端略向下傾，可提供機(jī)器人足夠的推力；當(dāng)機(jī)械足抬起時(shí)，上板301在回位彈簧306與承載彈簧307的作用下迅速恢復(fù)初始形狀，腳掌3的截面小于剛與地面接觸時(shí)的面積擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)，可以防止挑沙現(xiàn)象，下板 305與地面脫離，由于腳掌3質(zhì)量分布的特性，重心偏前，所以腳掌3相對于踝關(guān)節(jié)2下關(guān)節(jié) 202轉(zhuǎn)動(dòng)，跟部率先抬起，達(dá)到旋轉(zhuǎn)出沙效果，進(jìn)一步防止挑沙現(xiàn)象發(fā)生。本發(fā)明參照駱駝足的行走特點(diǎn)，所述的仿駱駝足機(jī)械足裝置具有以下功能1、仿駝足著地后能迅速擴(kuò)大接地面積。為了避免足著地后，底部面積仍在擴(kuò)展而破壞表層沙顆粒的接合強(qiáng)度，要求仿駝足著地后迅速變形，當(dāng)足完全踏地時(shí)，以最大面積與地面接觸。2、當(dāng)仿駝足完全接地后載荷進(jìn)一步增大時(shí)，仿駝足底部能形成內(nèi)凹的接地形狀， 防止沙承壓后流動(dòng)，起到固沙作用。3、仿駝足在踏沙過程中重心前移，逐漸向前轉(zhuǎn)動(dòng)，增大推進(jìn)力。4、當(dāng)仿駝足離地時(shí)，足部具有收縮作用，并且足跟先出沙，模擬“旋轉(zhuǎn)出沙”效果， 以減少足在出沙時(shí)的“挑沙”現(xiàn)象，減小出沙阻力。本發(fā)明的一種仿駱駝足機(jī)械足裝置，機(jī)械接口 1將機(jī)械足與機(jī)器人的腿部固定， 具有快速更換功能對機(jī)器人的各種足端進(jìn)行快速更換。踝關(guān)節(jié)2固定于機(jī)械接口 1下方， 具有沿水平面兩個(gè)方向軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，使腳掌可相對于機(jī)器人具有兩自由度轉(zhuǎn)動(dòng)。腳掌3安裝在踝關(guān)節(jié)2下方，完成與地面接觸，模擬駱駝足變形等功能。本發(fā)明中踝關(guān)節(jié)2具有一對相互共面垂直的轉(zhuǎn)軸，可使其連接的兩部分在平面內(nèi)兩自由度相對轉(zhuǎn)動(dòng)，使腳掌3以固定姿態(tài)接觸地面，并模擬駱駝足旋轉(zhuǎn)蹬沙，旋轉(zhuǎn)出沙的效果。所述的腳掌3具有上板301、下板305、連桿板303、搖桿板304及中間腳掌導(dǎo)桿308組成的單自由度閉環(huán)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)可模擬駱駝足面積擴(kuò)展、下凹固沙等動(dòng)作。
權(quán)利要求
1.一種仿駱駝足機(jī)械足裝置，其特征在于，包括機(jī)械接口、踝關(guān)節(jié)和腳掌；機(jī)械接口將機(jī)械足與機(jī)器人的腿部固定，分為接口外殼、接口內(nèi)殼和快速更換系統(tǒng)，其中接口外殼與機(jī)器人腿部連接，接口內(nèi)殼套在接口外殼內(nèi)，與仿生足踝關(guān)節(jié)固連，只有一個(gè)移動(dòng)自由度，通過快速更換系統(tǒng)的插銷對機(jī)械足進(jìn)行快速固定和拆卸；踝關(guān)節(jié)固定于機(jī)械接口下方，包括一對相互垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，具有沿水平面兩個(gè)方向軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，使腳掌能夠相對于機(jī)器人具有兩自由度轉(zhuǎn)動(dòng)；腳掌安裝在踝關(guān)節(jié)下方，上板與下板通過連桿板與搖桿板鏈接，內(nèi)部通過回位彈簧與承載彈簧支承，并通過腳掌導(dǎo)桿導(dǎo)引運(yùn)動(dòng)軌跡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿駱駝足機(jī)械足裝置，其特征在于，所述的機(jī)械接口包括接口外殼、接口內(nèi)殼、預(yù)緊彈簧、預(yù)緊彈簧導(dǎo)桿和插銷；接口外殼左右兩側(cè)通過螺釘與機(jī)器人腿部連接，上端打有螺紋通孔，安裝預(yù)緊彈簧倒桿，預(yù)緊彈簧倒桿外圍安裝預(yù)緊彈簧，下端安裝插銷，預(yù)緊彈簧、插銷均能沿預(yù)緊彈簧倒桿上下移動(dòng)，接口內(nèi)殼與接口外殼內(nèi)壁四面接觸，底部開通孔固定插銷的四個(gè)插頭，并開有通孔連接踝關(guān)節(jié)的上關(guān)節(jié)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿駱駝足機(jī)械足裝置，其特征在于，所述的踝關(guān)節(jié)包括上關(guān)節(jié)、下關(guān)節(jié)、短軸、長軸和支承座；上關(guān)節(jié)上表面開有通孔，通過螺釘與機(jī)械接口的接口內(nèi)殼固定，上關(guān)節(jié)兩側(cè)也分別開有通孔，通孔與長軸配合，長軸兩端有螺紋，通過螺母固定在上關(guān)節(jié)上，下關(guān)節(jié)與上關(guān)節(jié)接觸的兩側(cè)開有通孔，長軸與下關(guān)節(jié)該處通孔配合，下關(guān)節(jié)能夠以長軸為軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)；下關(guān)節(jié)的另外兩側(cè)也分別開有通孔，兩個(gè)通孔分別與兩個(gè)短軸配合，每個(gè)短軸穿過支承座一側(cè)的通孔，短軸兩端設(shè)有螺紋，通過螺母固定軸向位置，支承座可沿短軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)；支承座下表面四個(gè)頂點(diǎn)處開有通孔，通過螺釘與腳掌的上板固定相連，支承座中心開有圓形通孔，腳掌中的腳掌上板凸臺(tái)與腳掌導(dǎo)桿從其中穿過。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿駱駝足機(jī)械足裝置，其特征在于，所述的腳掌包括上板、圓柱銷、連桿板、搖桿板、下板、回位彈簧、承載彈簧、腳掌導(dǎo)桿和墊片；上板上表面開有通孔，通過螺釘與踝關(guān)節(jié)的支承座下表面連接，上板上表面中心還設(shè)有凸臺(tái)，凸臺(tái)中心為通孔，上板與下板平行放置，上板左前、右前、后部三處通過連桿板、搖桿板與下板連接，上板與連桿板之間、連桿板與搖桿板之間、搖桿板與下板之間均通過圓柱銷連接，圓柱銷為緊配合固定，相鄰板能夠沿連接處圓柱銷相對轉(zhuǎn)動(dòng)，左前、右前、后部三處形成三個(gè)鉸鏈結(jié)構(gòu)；上板下部與下板上部對應(yīng)分布四組彈簧端頭，用于安裝回位彈簧，下板中心設(shè)有一個(gè)彈簧端頭，彈簧端頭上面開有螺紋通孔，用于固定腳掌導(dǎo)桿，腳掌導(dǎo)桿穿過上板上表面中心凸臺(tái)的通孔，不受外力時(shí)腳掌導(dǎo)桿的導(dǎo)桿帽與凸臺(tái)上表面接觸，使整個(gè)機(jī)構(gòu)只能沿腳掌導(dǎo)桿方向運(yùn)動(dòng)，腳掌導(dǎo)桿中間有一臺(tái)階，臺(tái)階下表面與墊片配合，墊片下表面與承載彈簧接觸，承載彈簧安裝在下板上表面中心彈簧端頭與墊片之間，套在腳掌導(dǎo)桿外圍。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種仿駱駝足機(jī)械足裝置，包括機(jī)械接口、踝關(guān)節(jié)、腳掌；機(jī)械接口將機(jī)械足與機(jī)器人的腿部固定，具有快速更換功能對機(jī)器人的各種足端進(jìn)行快速更換。踝關(guān)節(jié)固定于機(jī)械接口下方，具有沿水平面兩個(gè)方向軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)的功能，使腳掌可相對于機(jī)器人具有兩自由度轉(zhuǎn)動(dòng)。腳掌安裝在踝關(guān)節(jié)下方，完成與地面接觸，模擬駱駝足變形等功能。本發(fā)明能夠模擬駱駝足在沙漠、軟土等地行走時(shí)的面積擴(kuò)展、下凹固沙、旋轉(zhuǎn)蹬沙、旋轉(zhuǎn)出沙等功能，改善腿式機(jī)器人在上述地貌行走特性，并能通過快速更換接口對不同種類足端進(jìn)行快速更換。
文檔編號(hào)B62D57/02GK102390451SQ201110312158
公開日2012年3月28日 申請日期2011年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月14日
發(fā)明者丁希侖, 張澈, 張群, 陳浩 申請人:北京航空航天大學(xué)