本實用新型屬于機器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有仿生足趾關(guān)節(jié)的完全被動雙足步行機。

背景技術(shù)：

由于雙足步行機器人具有類人的行走特征，能夠快速適應(yīng)人類生存環(huán)境，從而更好地服務(wù)人類。因此，近年來，有關(guān)雙足步行機器人的研究工作在世界范圍內(nèi)得到廣泛開展。

完全被動雙足機器人是雙足步行機器人的一種，其能夠利用自身重力實現(xiàn)在斜坡上的穩(wěn)定行走，與傳統(tǒng)的主動步行機器人相比具有步態(tài)自然、結(jié)構(gòu)簡單、低能耗的優(yōu)點。完全被動雙足機器人雖然具有顯著的節(jié)能效果(僅靠重力行走)，但其只能在斜面上行走，實用性欠佳，故研究人員開始著手半被動雙足機器人的研發(fā)。美國康奈爾大學(xué)(Cornell University)、麻省理工學(xué)院(Massachusetts Institute of Technology)、荷蘭戴爾福特理工大學(xué)(Delft University of Technology)等開發(fā)出系列半被動雙足機器人，都達到了比較理想的能耗指標(biāo)，十分節(jié)能，但所開發(fā)樣機所采用的軀干等分機構(gòu)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，這增加了整機的能耗，加大了制作物理樣機的難度。

同時，現(xiàn)有的半被動雙足機器人多使用弧型的整體足，弧型整體足雖然能夠?qū)崿F(xiàn)在水平路面上的行走，但其適應(yīng)復(fù)雜路面的能力較差，不利于行走性能的進一步提升。而人類行走高效節(jié)能，一直是半被動雙足機器人的學(xué)習(xí)藍(lán)本，但人類腳掌與現(xiàn)有半被動雙足機器人的整體剛性結(jié)構(gòu)腳掌不同，其具有跖趾關(guān)節(jié)，且該關(guān)節(jié)與冠狀面呈一定角度(20°-40°)，研究表明，腳趾在人類行走過程中可以實現(xiàn)彈性啟動，在運動觸地過程中，能夠協(xié)同跖部適應(yīng)路面地形的變化，具有重要的生物運動功能特征，因此，基于人體跖趾關(guān)節(jié)特征啟發(fā)，在半被動雙足機器人腳掌上設(shè)計具有類人的跖趾關(guān)節(jié)將有利于提升其行走性能及地形適應(yīng)能力。

綜觀上述半被動行走的研究現(xiàn)狀及人體跖趾關(guān)節(jié)的優(yōu)異生物結(jié)構(gòu)特征，急需一種軀干等分機構(gòu)結(jié)構(gòu)更加簡潔、行走性能好、地形適應(yīng)能力強的完全被動雙足步行機。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有半被動雙足步行機普遍存在的軀干等分機構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、地形適應(yīng)能力差的問題，而提供一種具有仿生跖趾關(guān)節(jié)的半被動雙足步行機，該半被動雙足步行機具有結(jié)構(gòu)更加簡潔、行走性能好、地形適應(yīng)能力強的特點。

本實用新型包括髖部總成、腿部總成和足部總成。

所述的髖部總成包含第一機架、第二機架、上肢、第一軸、第一齒輪、髖腿連接件、舵機等。其中，第二機架、第三機架、一對第四機架、一對第五機架由內(nèi)向外對稱地布置在第一機架的兩側(cè)，同時，第二機架、第三機架通過第一內(nèi)六角螺釘與與第六機架固連。第一軸布置在第三機架、與第三機架同側(cè)的第四機架之間，并與第三機架、第四機架構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，第一齒輪、第八齒輪固連在第一軸的兩端。第二軸布置在第二機架和與第二機架同側(cè)的第四機架之間，并與第二機架、第四機架構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，第二齒輪、第三齒輪固連在第二軸的兩端。兩個第三軸分別布置在同側(cè)的第四機架、第五機架之間，并與第四機架、第五機架構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，第四齒輪、第九齒輪分別布置在兩側(cè)的第四機架、第五機架之間，并分別與對稱分布的兩個第三軸固連，同樣對稱分布的上肢分別固連在兩側(cè)的第三軸的一端。第四軸一端與第五齒輪固連，另一端與第二機架構(gòu)成轉(zhuǎn)動副。第五軸布置在第二機架、第三機架之間并與第二機架、第三機架構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，第六齒輪、第七齒輪分布在第二機架、第三機架之間并與第五軸固連。這里，第一齒輪與第七齒輪嚙合，第五齒輪分別與兩側(cè)的第二齒輪、第六齒輪嚙合，第三齒輪與第四齒輪嚙合，第八齒輪與第九齒輪嚙合。第三齒輪、第四齒輪、第八齒輪、第九齒輪模數(shù)、齒數(shù)等齒輪參數(shù)一致，第一齒輪、第七齒輪模數(shù)、齒數(shù)等齒輪參數(shù)一致，第五齒輪、第二齒輪、第六齒輪模數(shù)、齒數(shù)等齒輪參數(shù)一致。對稱分布的髖腿連接件分別與第一軸、第二軸固連。最后，步行機的動力由舵機通過第十齒輪與第七齒輪的嚙合來傳遞，這里，舵機通過對稱分布的兩對螺母、內(nèi)六角螺栓固定在第六機架上。

所述的腿部總成包含第一連桿、第一圓柱銷、第二連桿、第二圓柱銷和第三連桿。其中，兩個第一連桿的一端與髖腿連接件固連，另一端通過第一圓柱銷與第二連桿固連，第三連桿則通過第二圓柱銷與第二連桿固連。第一連桿、第二連桿、第三連桿均分布有等距的銷孔，方便第一圓柱銷、第二圓柱銷以插接的形式對步行機腿部長度進行調(diào)節(jié)。

所述的足部總成分為左右兩個部分，包含腿足連接件、第一拉簧、第二拉簧、第三拉簧、第四拉簧、右腳掌、第一足趾連接件、扭簧、第二足趾連接件、仿生右腳趾、左腳掌、仿生左腳趾等。其中，腿足連接件用于足部與第三連桿的連接。四個一組的第一吊環(huán)螺釘均勻地布置在腿足連接件上。第二吊環(huán)螺釘對應(yīng)第一吊環(huán)螺釘同樣均勻分別布置在右腳掌、左腳掌的中部。第一吊環(huán)螺釘與第二吊環(huán)螺釘之間分別布置有第一拉簧、第二拉簧、第三拉簧、第四拉簧，其中第一拉簧與第三拉簧對稱布置在足部的冠狀面，為了利于步行機的在冠狀面內(nèi)的側(cè)擺運動，第一拉簧的剛度較大，是第三拉簧剛度的1.1～1.2倍。第二拉簧、第四拉簧布置在足部的矢狀面。兩個球鉸上端以螺紋連接的形式固連在腿足連接件上，下端通過第二內(nèi)六角螺釘分別固定在右腳掌和左腳掌上，球鉸可以模擬人類腳踝的功能。兩個第一足趾連接件通過螺釘分別與右腳掌、左腳掌固連，兩個第二足趾連接件分別固定在仿生右腳趾、仿生左腳趾的中上部。第一足趾連接件與轉(zhuǎn)軸固連，第二足趾連接件與轉(zhuǎn)軸鉸接。轉(zhuǎn)軸同時穿過扭簧，通過扭簧對第一足趾連接件與第二足趾連接件的作用來實現(xiàn)仿生右腳趾與仿生左腳趾的運動和復(fù)位。第一足趾連接件、扭簧、第二足趾連接件、構(gòu)成了仿生跖趾關(guān)節(jié)的連接部分。

本實用新型的工作過程和原理：

在具體的實施過程中，通過控制舵機的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)步行機的行進，既步行機的左右腿輪流向前邁進。由于第一齒輪、第七齒輪模數(shù)、齒數(shù)等齒輪參數(shù)一致，第五齒輪、第二齒輪、第六齒輪模數(shù)、齒數(shù)等齒輪參數(shù)一致，故步行機的左右側(cè)腿擺動速度一致但擺動方向相反，這樣可以使步行機的髖部總成時刻保持在左右兩腿在矢狀面的角平分線上，這樣有利于提高步行機的行走穩(wěn)定性。而第三齒輪與第四齒輪，第八齒輪與第九齒輪的使用，改變了旋轉(zhuǎn)的方向，實現(xiàn)了上肢與對側(cè)腿擺動方向一致。這一類人特征，可以有效減少步行機繞支撐腿轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象。仿生右腳趾和仿生左腳趾的存在可以實現(xiàn)步行機在行走過程中的彈性啟動，同時也有助于提高步行機對不同地面的適應(yīng)能力，其中，仿生右腳趾的旋轉(zhuǎn)軸在逆時針方向與步行機冠狀面的角度是20°-40°，仿生左腳趾的旋轉(zhuǎn)軸在順時針方向與步行機冠狀面的角度是20°-40°。

本實用新型的有益效果：

1、半被動步行機通過使用齒輪組，實現(xiàn)了步行機髖部時刻保持在左右兩腿在矢狀面上的角平分線上，有利于提升行走的穩(wěn)定性。

2、半被動步行機在沒有增加任何額外驅(qū)動的情況下，加入上肢，上肢擺動方向與對側(cè)腿擺動方向相同，可以減少步行機繞支撐腿轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象。

3、仿生足趾(仿生跖趾關(guān)節(jié))的存在實現(xiàn)步行機在行走過程中的彈性啟動的同時，可以使步行機的地面適應(yīng)能力有所提高。

附圖說明

圖1為本實用新型的立體示意圖。

圖2為本實用新型的后視圖。

圖3為本實用新型的主視圖。

圖4為圖3中的A-A向剖視圖。

圖5為本實用新型的行走狀態(tài)示意圖。

其中：1-髖部總成；11-第一機架；12-第二機架；13-第三機架；14-第四機架；15-第五機架；16-上肢；17-第一軸；18-第一齒輪；19-第二齒輪；110-第二軸；111-第三齒輪；112-第三軸；113-第四齒輪；114-第四軸；115-第五齒輪；116-第六齒輪；117-第五軸；118-第七齒輪；119-第八齒輪；120-第九齒輪；121-髖腿連接件；122-第十齒輪；123-舵機；124-第六機架；125-螺母；126-內(nèi)六角螺栓；127-第一內(nèi)六角螺釘；2-腿部總成；21-第一連桿；22-第一圓柱銷；23-第二連桿；24-第二圓柱銷；25-第三連桿；3-足部總成；31-腿足連接件；32-第一吊環(huán)螺釘；33-第一拉簧；34-第二拉簧；35-第三拉簧；36-球鉸；37-第二吊環(huán)螺釘；38-第二內(nèi)六角螺釘；39-第四拉簧；310-右腳掌；311-第一足趾連接件；312-螺釘；313-扭簧；314-第二足趾連接件；315-仿生右腳趾；316-左腳掌；317-轉(zhuǎn)軸；318-仿生左腳趾。

具體實施方式

請參閱圖1、圖2、圖3、圖4及圖5所示，本實施例包括髖部總成1、腿部總成2和足部總成3。

所述的髖部總成1包含第一機架11、第二機架12、上肢16、第一軸17、第一齒輪18、髖腿連接件121、舵機123等。其中，第二機架12、第三機架13、一對第四機架14、一對第五機架15由內(nèi)向外對稱地布置在第一機架11的兩側(cè)，同時，第二機架12、第三機架13通過第一內(nèi)六角螺釘與127與第六機架124固連。第一軸17布置在第三機架13、與第三機架13同側(cè)的第四機架14之間，并與第三機架13、第四機架14構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，第一齒輪18、第八齒輪119固連在第一軸17的兩端。第二軸110布置在第二機架12和與第二機架12同側(cè)的第四機架14之間，并與第二機架12、第四機架14構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，第二齒輪19、第三齒輪111固連在第二軸110的兩端。兩個第三軸112分別布置在同側(cè)的第四機架14、第五機架15之間，并與第四機架14、第五機架15構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，第四齒輪113、第九齒輪120分別布置在兩側(cè)的第四機架14、第五機架15之間，并分別與對稱分布的兩個第三軸112固連，同樣對稱分布的上肢16分別固連在兩側(cè)的第三軸112的一端。第四軸114一端與第五齒輪115固連，另一端與第二機架12構(gòu)成轉(zhuǎn)動副。第五軸117布置在第二機架12、第三機架13之間并與第二機架12、第三機架13構(gòu)成轉(zhuǎn)動副，第六齒輪116、第七齒輪118分布在第二機架12、第三機架13之間并與第五軸117固連。這里，第一齒輪18與第七齒輪118嚙合，第五齒輪115分別與兩側(cè)的第二齒輪19、第六齒輪116嚙合，第三齒輪111與第四齒輪113嚙合，第八齒輪119與第九齒輪120嚙合。第三齒輪111、第四齒輪113、第八齒輪119、第九齒輪120模數(shù)、齒數(shù)等齒輪參數(shù)一致，第一齒輪18、第七齒輪118模數(shù)、齒數(shù)等齒輪參數(shù)一致，第五齒輪115、第二齒輪19、第六齒輪116模數(shù)、齒數(shù)等齒輪參數(shù)一致。對稱分布的髖腿連接件121分別與第一軸17、第二軸110固連。最后，步行機的動力由舵機123通過第十齒輪122與第七齒輪118的嚙合來傳遞，這里，舵機123通過對稱分布的兩對螺母125、內(nèi)六角螺栓126固定在第六機架124上。

所述的腿部總成2包含第一連桿21、第一圓柱銷22、第二連桿23、第二圓柱銷24和第三連桿25。其中，兩個第一連桿21的一端與髖腿連接件121固連，另一端通過第一圓柱銷22與第二連桿23固連，第三連桿25則通過第二圓柱銷24與第二連桿23固連。第一連桿21、第二連桿23、第三連桿25均分布有等距的銷孔，方便第一圓柱銷22、第二圓柱銷24以插接的形式對步行機腿部長度進行調(diào)節(jié)。

所述的足部總成3分為左右兩個部分，包含腿足連接件31、第一拉簧33、第二拉簧34、第三拉簧35、第四拉簧39、右腳掌310、第一足趾連接件311、扭簧313、第二足趾連接件314、仿生右腳趾315、左腳掌316、仿生左腳趾318等。其中，腿足連接件31用于足部與第三連桿25的連接。四個一組的第一吊環(huán)螺釘32均勻地布置在腿足連接件31上。第二吊環(huán)螺釘37對應(yīng)第一吊環(huán)螺釘32同樣均勻分別布置在右腳掌310、左腳掌316的中部。第一吊環(huán)螺釘32與第二吊環(huán)螺釘37之間分別布置有第一拉簧33、第二拉簧34、第三拉簧35、第四拉簧39，其中第一拉簧33與第三拉簧35對稱布置在足部的冠狀面，為了利于步行機的在冠狀面內(nèi)的側(cè)擺運動，第一拉簧33的剛度較大，是第三拉簧35剛度的1.1～1.2倍。第二拉簧34、第四拉簧39布置在足部的矢狀面。兩個球鉸36上端以螺紋連接的形式固連在腿足連接件31上，下端通過第二內(nèi)六角螺釘38分別固定在右腳掌310和左腳掌316上，球鉸36可以模擬人類腳踝的功能。兩個第一足趾連接件311通過螺釘312分別與右腳掌310、左腳掌316固連，兩個第二足趾連接件314分別固定在仿生右腳趾315、仿生左腳趾318的中上部。第一足趾連接件311與轉(zhuǎn)軸317固連，第二足趾連接件314與轉(zhuǎn)軸317鉸接。轉(zhuǎn)軸317同時穿過扭簧313，通過扭簧313對第一足趾連接件311與第二足趾連接件314的作用來實現(xiàn)仿生右腳趾315與仿生左腳趾318的運動和復(fù)位。第一足趾連接件311、扭簧313、第二足趾連接件314、構(gòu)成了仿生跖趾關(guān)節(jié)的連接部分。

在具體的實施過程中，通過控制舵機123的正反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)步行機的行進，既步行機的左右腿輪流向前邁進。由于第一齒輪18、第七齒輪118模數(shù)、齒數(shù)等齒輪參數(shù)一致，第五齒輪115、第二齒輪19、第六齒輪116模數(shù)、齒數(shù)等齒輪參數(shù)一致，故步行機的左右側(cè)腿擺動速度一致但擺動方向相反，這樣可以使步行機的髖部總成1時刻保持在左右兩腿在矢狀面的角平分線上，這樣有利于提高步行機的行走穩(wěn)定性。而第三齒輪111與第四齒輪113，第八齒輪119與第九齒輪120的使用，改變了旋轉(zhuǎn)的方向，實現(xiàn)了上肢與對側(cè)腿擺動方向一致。這一類人特征，可以有效減少步行機繞支撐腿轉(zhuǎn)動的現(xiàn)象。仿生右腳趾315和仿生左腳趾318的存在可以實現(xiàn)步行機在行走過程中的彈性啟動，同時也有助于提高步行機對不同地面的適應(yīng)能力，其中，仿生右腳趾315的旋轉(zhuǎn)軸在逆時針方向與步行機冠狀面的角度是20°-40°，仿生左腳趾318的旋轉(zhuǎn)軸在順時針方向與步行機冠狀面的角度是20°-40°。