一種柔性仿生機(jī)械足的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種柔性仿生機(jī)械足，包括小腿桿、腳踝組件和腳掌組件；所述腳踝組件包括連接上板、腳踝外殼和至少一個腳踝彈性體；所述腳掌組件包括后腳掌、前腳掌、前后腳掌連接架和前腳掌保護(hù)殼；所述腳踝彈性體包括上彈簧座、圓柱彈簧、前四桿機(jī)構(gòu)、后四桿機(jī)構(gòu)、下彈簧座、第一彈簧支承銷和第二彈簧支承銷。該機(jī)械足的前腳掌和后腳掌彈性連接構(gòu)成腳掌，前腳掌具有一定的轉(zhuǎn)動空間和柔性，可以更好的適應(yīng)地面地形的改變。腳踝彈性體采用兩個四桿機(jī)構(gòu)，將圓柱彈簧的單方向彈性變成了四桿機(jī)構(gòu)的四個角都具有柔性的特殊機(jī)構(gòu)，使得機(jī)械足的柔性大大加強(qiáng)，增強(qiáng)機(jī)器人行走穩(wěn)定性。
【專利說明】
一種柔性仿生機(jī)械足
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域，具體為一種柔性仿生機(jī)械足?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的移動機(jī)器人主要指多足類移動機(jī)器人和輪式機(jī)器人，其中輪式機(jī)器人包括履帶式移動機(jī)器人和輪腿復(fù)合式移動機(jī)器人。而多足類移動機(jī)器人以它優(yōu)良的地形適應(yīng)能力得到了業(yè)界的極大關(guān)注。隨著多足類機(jī)器人研究的不斷深入，對多足類機(jī)器人腿部柔性的要求越來越受到重視，具有優(yōu)異腿部柔性的多足類機(jī)器人在行走過程當(dāng)中可以有效減弱機(jī)器人足端與接觸地面之間的接觸力，緩和沖擊，延長機(jī)器人零部件的壽命，增強(qiáng)機(jī)器人零部件的可靠性；同時，具有柔性腿結(jié)構(gòu)的機(jī)器人能量利用率更高，行走過程當(dāng)中的傾覆穩(wěn)定性能更加良好。多足類機(jī)器人機(jī)械足的設(shè)計是多足類機(jī)器人單腿設(shè)計的重要一環(huán)，傳統(tǒng)的多足類機(jī)器人機(jī)械足的結(jié)構(gòu)較為簡單，一般情況下為平面結(jié)構(gòu)，球面結(jié)構(gòu)或者仿生足弓結(jié)構(gòu)，這些類型的機(jī)械足結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，無法提供給多足類機(jī)器人單腿足夠的柔性，已經(jīng)越來越不適應(yīng)多足類機(jī)器人的發(fā)展需要。專利號ZL201310006996.2公開了四足機(jī)器人棘輪足，柔性機(jī)構(gòu)的欠缺導(dǎo)致采用這種機(jī)械足的機(jī)器人無法由機(jī)械足提供機(jī)器人本身需要的柔性。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種柔性仿生機(jī)械足。該機(jī)械足的前腳掌和后腳掌彈性連接構(gòu)成腳掌，前腳掌具有一定的轉(zhuǎn)動空間和柔性，可以更好的適應(yīng)地面地形的改變。腳踝彈性體采用兩個四桿機(jī)構(gòu)，將圓柱彈簧的單方向彈性變成了四桿機(jī)構(gòu)的四個角都具有柔性的特殊機(jī)構(gòu)，使得機(jī)械足的柔性大大加強(qiáng)，增強(qiáng)機(jī)器人行走穩(wěn)定性。
[0004]本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是，提供一種柔性仿生機(jī)械足，包括小腿桿、 腳踝組件和腳掌組件;其特征在于所述腳踝組件包括連接上板、腳踝外殼和至少一個腳踝彈性體;所述腳掌組件包括后腳掌、前腳掌、前后腳掌連接架和前腳掌保護(hù)殼;所述小腿桿兩端開有連接孔，上端通過連接孔與多足類移動機(jī)器人連接，下端與連接上板的上端連接； 所述腳踝外殼上端、下端和前端開口，連接上板下端安裝到腳踝外殼的上端開口處，連接上板的外表面與腳踝外殼的內(nèi)表面配合;所述連接上板的下端通過腳踝外殼的上端開口與腳踝彈性體連接;腳踝彈性體通過腳踝外殼的下端開口與后腳掌連接;所述后腳掌通過前后腳掌連接架與前腳掌連接;所述前腳掌保護(hù)殼與前腳掌連接；
[0005]所述腳踝彈性體包括上彈簧座、圓柱彈簧、前四桿機(jī)構(gòu)、后四桿機(jī)構(gòu)、下彈簧座、第一彈簧支承銷和第二彈簧支承銷;所述前后腳掌連接架包括后腳掌連接架、旋轉(zhuǎn)軸、扭簧、 后腳掌彈簧支撐板和前腳掌連接架;所述前四桿機(jī)構(gòu)與后四桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和安裝方式完全相同;所述前四桿機(jī)構(gòu)由第一連桿、第二連桿、第三連桿和第四連桿組成;所述第一連桿、第二連桿、第三連桿和第四連桿依次連接，組成封閉的平行四邊形結(jié)構(gòu);所述上彈簧座的上端與連接上板的下端連接;所述第一連桿和第二連桿與上彈簧座的下端連接;所述下彈簧座的下端與后腳掌連接;所述第三連桿和第四連桿與下彈簧座的上端連接;第一連桿和第四連桿通過第一彈簧支承銷連接;第二連桿和第三連桿通過第二彈簧支承銷連接;所述圓柱彈簧的兩個簧腳分別緊固安裝于第一彈簧支承銷和第二彈簧支承銷上;所述旋轉(zhuǎn)軸的兩軸端安裝有后腳掌彈簧支撐板、前腳掌連接架和后腳掌連接架;所述扭簧嵌套在旋轉(zhuǎn)軸的軸肩上，扭簧的簧腳固定在后腳掌彈簧支撐板上;所述前腳掌連接架與前腳掌連接;所述后腳掌連接架與后腳掌連接。
[0006]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果在于:
[0007]1.前腳掌和后腳掌彈性連接構(gòu)成腳掌，改變了傳統(tǒng)仿生機(jī)械足整體式布局的缺陷，使該機(jī)械足在行走過程當(dāng)中，前腳掌具有一定的轉(zhuǎn)動空間和柔性，可以更好的適應(yīng)地面地形的改變，為采用本機(jī)械足的多足類移動機(jī)器人提供更好柔性。
[0008]2.以連接上板的光滑內(nèi)表面作為滑道，使小腿桿的運(yùn)動方向只有一個，有效防止了采用本機(jī)械足的多足類移動機(jī)器人行走過程當(dāng)中崴腳現(xiàn)象的發(fā)生。
[0009]3.采用了創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的腳踝彈性體，該腳踝彈性體采用兩個四桿機(jī)構(gòu)，將圓柱彈簧的單方向彈性變成了四桿機(jī)構(gòu)的四個角都具有柔性的特殊機(jī)構(gòu)，使得機(jī)械足的柔性大大加強(qiáng)，更加接近于哺乳動物腳掌的優(yōu)良性能，增強(qiáng)機(jī)器人行走穩(wěn)定性。【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明柔性仿生機(jī)械足一種實施例的整體結(jié)構(gòu)軸測示意圖；
[0011]圖2為本發(fā)明柔性仿生機(jī)械足一種實施例的整體結(jié)構(gòu)主視示意圖；
[0012]圖3為本發(fā)明柔性仿生機(jī)械足一種實施例的整體結(jié)構(gòu)主視局部內(nèi)部示意圖；
[0013]圖4為本發(fā)明柔性仿生機(jī)械足一種實施例的腳踝彈性體、前后腳掌連接架、前腳掌和后腳掌連接關(guān)系軸測示意圖；
[0014]圖5為本發(fā)明柔性仿生機(jī)械足一種實施例的腳踝彈性體軸測示意圖；
[0015]圖6為本發(fā)明柔性仿生機(jī)械足一種實施例的前后腳掌連接架軸測示意圖；(圖中: 1、小腿桿;2、腳踝組件;3、腳掌組件;21、連接上板;22、腳踝外殼;23、腳踝彈性體;31、后腳掌;32、前腳掌;33、前后腳掌連接架;34、前腳掌保護(hù)殼;231、上彈簧座;232、圓柱彈簧;233、 前四桿機(jī)構(gòu);234、后四桿機(jī)構(gòu);235、下彈簧座;236、第一彈簧支承銷;237、第二彈簧支承銷； 2331、第一連桿;2332、第二連桿;2333、第三連桿;2334、第四連桿;331、后腳掌連接架;332、 旋轉(zhuǎn)軸;333、扭簧;334、后腳掌彈簧支撐板;335、前腳掌連接架)【具體實施方式】
[0016]下面將對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0017]本發(fā)明提供了一種柔性仿生機(jī)械足(簡稱機(jī)械足，參見圖1-6)，包括小腿桿1、腳踝組件2和腳掌組件3;所述腳踝組件2包括連接上板21、腳踝外殼22和至少一個腳踝彈性體 23;所述腳掌組件3包括后腳掌31、前腳掌32、前后腳掌連接架33和前腳掌保護(hù)殼34;所述小腿桿1兩端開有連接孔，上端通過連接孔與多足類移動機(jī)器人單腿連接，下端通過銷與連接上板21的上端連接;所述腳踝外殼22上端開口，內(nèi)表面光滑，連接上板21下端安裝到腳踝外殼22上端開口處，連接上板21的外表面與腳踝外殼22的光滑內(nèi)表面配合，連接上板21能夠在腳踝外殼22的內(nèi)表面以一自由度滑動;腳踝外殼22的下端開口，腳踝彈性體23通過腳踝外殼22的下端開口與后腳掌31連接;所述連接上板21的下端通過腳踝彈性體23與后腳掌31 連接;腳踝外殼22的前端開口，用于為前腳掌保護(hù)殼34的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動預(yù)留空間，避免前腳掌32 抬起時前腳掌保護(hù)殼34卡死;所述后腳掌31通過前后腳掌連接架33與前腳掌32連接;所述前腳掌保護(hù)殼34通過螺釘與前腳掌32連接;本實施例中腳踝彈性體23為四個，在后腳掌31 上表面呈菱形分布；另一個實施例中腳踝彈性體23為三個，在后腳掌31上表面呈三角形分布；[〇〇18]所述腳踝彈性體23包括上彈簧座231、圓柱彈簧232、前四桿機(jī)構(gòu)233、后四桿機(jī)構(gòu) 234、下彈簧座235、第一彈簧支承銷236和第二彈簧支承銷237;所述前后腳掌連接架33包括后腳掌連接架331、旋轉(zhuǎn)軸332、扭簧333、后腳掌彈簧支撐板334和前腳掌連接架335;所述前四桿機(jī)構(gòu)233與后四桿機(jī)構(gòu)234的結(jié)構(gòu)和安裝方式完全相同；所述前四桿機(jī)構(gòu)233由第一連桿2331、第二連桿2332、第三連桿2333和第四連桿2334組成;所述第一連桿2331、第二連桿 2332、第三連桿2333和第四連桿2334依次連接，組成封閉的平行四邊形結(jié)構(gòu);所述上彈簧座 231的上端與連接上板21的下端連接;所述第一連桿2331和第二連桿2332通過銷與上彈簧座231的下端連接;所述下彈簧座235的下端與后腳掌31連接;所述第三連桿2333和第四連桿2334通過銷與下彈簧座235的上端連接;第一連桿2331和第四連桿2334通過第一彈簧支承銷236連接;第二連桿2332和第三連桿2333通過第二彈簧支承銷237連接;所述圓柱彈簧 232的兩個簧腳分別緊固安裝于第一彈簧支承銷236和第二彈簧支承銷237上;所述旋轉(zhuǎn)軸 332的兩軸端由內(nèi)至外依次安裝有后腳掌彈簧支撐板334、前腳掌連接架335和后腳掌連接架331;所述扭簧333嵌套在旋轉(zhuǎn)軸332的軸肩上，其簧腳固定在后腳掌彈簧支撐板334上;所述前腳掌連接架335與前腳掌32連接;所述后腳掌連接架331與后腳掌31連接。[〇〇19]本發(fā)明的工作原理和工作流程是:機(jī)械足著地的時候，前腳掌32和后腳掌31受外力作用，前腳掌32和后腳掌31繞著旋轉(zhuǎn)軸332做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，安裝在旋轉(zhuǎn)軸332上的扭簧333發(fā)生形變，使得由前腳掌32和后腳掌31構(gòu)成的整個腳掌具有柔性；同時，后腳掌31將足底受到的力傳遞到腳踝彈性體23上，而由機(jī)器人腿部通過小腿桿1傳來的力經(jīng)過連接上板21在腳踝外殼22的內(nèi)表面滑動，傳遞到腳踝彈性體23上。腳踝彈性體23接收來自連接上板21和后腳掌31的力的作用下，首先上彈簧座231和下彈簧座235擠壓前四桿機(jī)構(gòu)233和后四桿機(jī)構(gòu) 234發(fā)生形變，進(jìn)而帶動緊緊套在第一彈簧支承銷236和第二彈簧支承銷237上的圓柱彈簧 232發(fā)生拉伸形變，從而具有了一定柔性，同時由于此機(jī)械足腳踝部位腳踝彈性體23的存在，以及腳踝外殼22的光滑內(nèi)表面的滑道導(dǎo)向作用，引導(dǎo)著機(jī)器人小腿沿著滑道方向進(jìn)行緩沖運(yùn)動，從而既減緩了沖擊，又保證了機(jī)器人行走過程當(dāng)中的穩(wěn)定性，避免增大緩沖方向多變導(dǎo)致的滑動。
[0020]當(dāng)機(jī)械足抬起的時候，前腳掌32和后腳掌31繞著旋轉(zhuǎn)軸332做與機(jī)械足著地時旋轉(zhuǎn)方向相反的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，先前扭簧333發(fā)生的形變隨著機(jī)械足的抬起而消失；同理，腳踝彈性體23發(fā)生的形變也因為機(jī)械足的抬起而復(fù)位，即腳踝彈性體23內(nèi)部圓柱彈簧232復(fù)位，從而帶動前四桿機(jī)構(gòu)233和后四桿機(jī)構(gòu)234產(chǎn)生相反于機(jī)械足著地時的運(yùn)動，前四桿機(jī)構(gòu)233和后四桿機(jī)構(gòu)234沿腳踝外殼22的光滑內(nèi)表面推動上彈簧座231和下彈簧座235反向滑動， 直到圓柱彈簧232完全復(fù)位。[0021 ]本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。
【主權(quán)項】
1.一種柔性仿生機(jī)械足，包括小腿桿、腳踝組件和腳掌組件;其特征在于所述腳踝組件 包括連接上板、腳踝外殼和至少一個腳踝彈性體;所述腳掌組件包括后腳掌、前腳掌、前后 腳掌連接架和前腳掌保護(hù)殼;所述小腿桿兩端開有連接孔，上端通過連接孔與多足類移動 機(jī)器人連接，下端與連接上板的上端連接;所述腳踝外殼上端、下端和前端開口，連接上板 下端安裝到腳踝外殼的上端開口處，連接上板的外表面與腳踝外殼的內(nèi)表面配合;所述連 接上板的下端通過腳踝外殼的上端開口與腳踝彈性體連接;腳踝彈性體通過腳踝外殼的下 端開口與后腳掌連接;所述后腳掌通過前后腳掌連接架與前腳掌連接;所述前腳掌保護(hù)殼 與前腳掌連接；所述腳踝彈性體包括上彈簧座、圓柱彈簧、前四桿機(jī)構(gòu)、后四桿機(jī)構(gòu)、下彈簧座、第一彈 簧支承銷和第二彈簧支承銷;所述前后腳掌連接架包括后腳掌連接架、旋轉(zhuǎn)軸、扭簧、后腳 掌彈簧支撐板和前腳掌連接架;所述前四桿機(jī)構(gòu)與后四桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和安裝方式完全相 同；所述前四桿機(jī)構(gòu)由第一連桿、第二連桿、第三連桿和第四連桿組成;所述第一連桿、第二 連桿、第三連桿和第四連桿依次連接，組成封閉的平行四邊形結(jié)構(gòu);所述上彈簧座的上端與 連接上板的下端連接;所述第一連桿和第二連桿與上彈簧座的下端連接;所述下彈簧座的 下端與后腳掌連接;所述第三連桿和第四連桿與下彈簧座的上端連接;第一連桿和第四連 桿通過第一彈簧支承銷連接;第二連桿和第三連桿通過第二彈簧支承銷連接;所述圓柱彈 簧的兩個簧腳分別緊固安裝于第一彈簧支承銷和第二彈簧支承銷上;所述旋轉(zhuǎn)軸的兩軸端 安裝有后腳掌彈簧支撐板、前腳掌連接架和后腳掌連接架;所述扭簧嵌套在旋轉(zhuǎn)軸的軸肩 上，扭簧的簧腳固定在后腳掌彈簧支撐板上;所述前腳掌連接架與前腳掌連接;所述后腳掌 連接架與后腳掌連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性仿生機(jī)械足，其特征在于腳踝彈性體的數(shù)量為四個，在后 腳掌上表面呈菱形分布。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性仿生機(jī)械足，其特征在于腳踝彈性體的數(shù)量為三個，在后 腳掌上表面呈三角形分布。
【文檔編號】B62D57/032GK105947013SQ201610482910
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月23日
【發(fā)明人】張小俊, 史延雷, 孫凌宇, 王亞瓊, 張明路
【申請人】河北工業(yè)大學(xué)