一種具有仿生距?腿、距?跟關節(jié)的完全被動雙足步行機的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種具有仿生距?腿、距?跟關節(jié)的完全被動雙足步行機，包括髖部總成、腿部總成、距?腿關節(jié)總成、距?跟關節(jié)總成、左腳掌、右腳掌、腳趾總成，腿部總成布置在髖部總成和距?腿關節(jié)總成之間，構成步行機的主體部分；距?跟關節(jié)總成布置在距?腿關節(jié)總成與腳掌之間，腳趾總成分布在腳掌的兩側。本發(fā)明的足部關節(jié)主要包含距?腿關節(jié)總成與距?跟關節(jié)總成，步行機的足部關節(jié)模擬人類足部的踝關節(jié)、距跟關節(jié)在空間內的生理角度進行設計。同時腳趾在彈簧的作用下可以實現(xiàn)行走過程中的彈性啟動。本發(fā)明通過利用被動行走原理以及引入仿生距?腿、距?跟關節(jié)得到了行走能效最優(yōu)和提高雙足步行機行走穩(wěn)定性和自然性的有益效果。
【專利說明】
一種具有仿生距-腿、距-跟關節(jié)的完全被動雙足步行機
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于機器人領域，具體涉及一種具有仿生距-腿、距-跟關節(jié)的完全被動雙足步行機。
【背景技術】
[0002]由于雙足步行機器人具有與人類十分接近的形態(tài)及運動特征，適合在日常生活中代替人類完成一系列繁雜、危險的工作。因此，近年來，有關雙足步行機器人的研究工作得到廣泛開展。然而，傳統(tǒng)的基于主動控制的雙足步行機器人大多采用跟蹤預設關節(jié)軌跡的控制方法，雖然可以實現(xiàn)類人行走和跑動，但由于行走機理與人類存在差異，所以普遍存在能耗高、能效低等問題。
[0003]上世紀八十年代，加拿大學者T.McGeer提出了被動動力學理論，由此有了“機器人被動行走”的概念。之后，一系列基于此概念的雙足步行機應運而生。文獻調研表明，現(xiàn)有的完全被動雙足步行機相比主動控制步行機雖然具有行走效率高的特點，如荷蘭delft大學的Simplest Walker、美國cornel I大學的有膝被動雙足機器人等，但現(xiàn)有步行機的下肢膝關節(jié)、踝關節(jié)多為單軸理想鉸連接，僅能實現(xiàn)矢狀平面內的旋轉運動，由此造成了其行走穩(wěn)定性差、步態(tài)不自然的技術問題。
[0004]而人類的足部關節(jié)含有距-腿關節(jié)、距-跟關節(jié)等多個主要大關節(jié)。距-腿關節(jié)由脛、腓骨端關節(jié)面與距骨滑車構成，可以在人體行走中完成特定動作。生物運動力學研究表明，距-跟關節(jié)是保持足部穩(wěn)定的樞軸，它承受并傳導人體的體重，轉換下肢的旋轉效應，并協(xié)同和輔助踝關節(jié)的運動。同時，距-腿關節(jié)、距-跟關節(jié)在行走過程中的運動旋轉軸分別在水平面、矢狀面內也形成了一定的偏角，這均有利于提高行走的穩(wěn)定性、步態(tài)的自然性以及側向運動的能力，由此為完全被動行走步行機實現(xiàn)節(jié)能、穩(wěn)定自然行走提供了天然的學習藍本。
[0005]綜觀上述被動行走的研究現(xiàn)狀及人體踝關節(jié)的優(yōu)異生物結構特征，急需一種穩(wěn)定性更好、步態(tài)更自然的完全被動雙足步行機。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有完全被動雙足步行機普遍存在的穩(wěn)定性差、步態(tài)不自然的問題，而提供一種具有距-腿關節(jié)、距-跟關節(jié)的完全被動雙足步行機，該完全被動雙足步行機具有耗能低、穩(wěn)定性好、步態(tài)自然等特點。
[0007]本發(fā)明包括髖部總成、腿部總成、距-腿關節(jié)總成、距-跟關節(jié)總成、左腳掌、右腳掌、腳趾總成；腿部總成布置在髖部總成和距-腿關節(jié)總成之間，構成步行機的主體部分；距-跟關節(jié)總成布置在距-腿關節(jié)總成與腳掌之間，腳趾總成分布在腳掌的兩側;腳掌包括左腳掌和右腳掌；
[0008]所述的髖部總成包含配重、髖部橫梁、第一軸承座、髖部連接件等。其中，配重通過配重固定銷插接在髖部橫梁上，第一軸承座對稱分布，分別通過第一圓柱銷插接在髖部橫梁上，髖關節(jié)軸的旋轉運動及空間相對位置由第一軸承座、成對使用的第一深溝球軸承、卡簧共同確定，髖部連接件由第二圓柱銷與髖關節(jié)軸確定固連關系；
[0009]所述的腿部總成包含第一彈簧掛件、圓管，對稱分布的圓管構成雙足步行機的腿部主體部分，圓管通過第四圓柱銷插接在髖部連接件上，同時，第一彈簧掛件通過第三圓柱銷插接在圓管上。
[0010]所述的距-腿關節(jié)總成同樣對稱分布，距-腿關節(jié)總成包含腿部連接件、第一距-腿關節(jié)構件、第二距-腿關節(jié)構件，腿部連接件通過第五圓柱銷固連在圓管上，成對使用的第一螺栓、第一螺母使第一距-腿關節(jié)構件與腿部連接件固連在一起，成對使用的第三螺母、第三螺栓使對稱分布的第二軸承座固連在第二距-腿關節(jié)構件上。第一距-腿關節(jié)構件的旋轉運動及空間相對位置由第二軸承座和嵌入其中的第二深溝球軸承共同確定。由于第二距-腿關節(jié)構件在裝配時在水平面內具有偏角，偏角范圍為11°?17°，這就使距-腿關節(jié)的旋轉軸在水平面內具有這一偏角，在確定第二距-腿關節(jié)構件偏轉的角度之后，可用成對使用的第二螺栓、第二螺母使第二距-腿關節(jié)構件保持確定的位置。第二彈簧掛件通過第七圓柱銷固連在第一距-跟關節(jié)構件上。對稱布置的第一彈簧布置在第一彈簧掛件、第二彈簧掛件之間，在雙足步行機行走的過程中起到能量轉化、輔助行走的作用。
[0011]所述的距-跟關節(jié)總成位于距-腿關節(jié)總成的下方，距-跟關節(jié)總成包含第一距-跟關節(jié)構件、第一連接軸、腳部連接件，在雙足步行機的左右兩足中，腳部連接件通過成對使用的第五螺栓、第五螺母分別固連在左腳掌、右腳掌上。同時，第五螺栓、第五螺母還起到將第四軸承座固連在腳部連接件上的作用。而第三軸承座則通過成對使用的第四螺栓、第四螺母固連在腳部連接件上。這里，通過更換不同的腳部連接件可以使距-跟關節(jié)的旋轉軸在矢狀面形成不同的偏角，偏角范圍為42°?45°。通過第六圓柱銷，第一距-跟關節(jié)構件與第一連接軸形成相對確定的運動關系。而第一連接軸的旋轉運動和空間相對位置關系由嵌入第三軸承座的第三深溝球軸承及嵌入第四軸承座的角接觸球軸承確定。通過第六圓柱銷的插接作用，第三彈簧掛件固連在第一連接軸上，同時也使距-跟關節(jié)構件保持確定的空間相對位置。對稱分布的第二彈簧布置在第三彈簧掛件與鉸接在左腳掌、右腳掌上的第三彈簧掛件之間，同樣起到能量轉化和輔助行走的作用。
[0012]所述的距-跟關節(jié)總成位于腳掌的兩側且對稱分布，距-跟關節(jié)總成包含第三彈簧、腳趾構件、腳趾，腳趾構件通過成對使用的第六螺栓、第六螺母分別固連在左腳掌、右腳掌上，腳趾通過第二連接軸與腳趾構件形成鉸接。第四彈簧掛件成對使用，以螺紋連接的方式分別與腳趾、左腳掌、右腳掌固連。成對的第四彈簧掛件之間布置有第三彈簧，第三彈簧的使用可使雙足步行機在被動行走中實現(xiàn)行走過程中的彈性啟動，使步態(tài)更加接近人類。
[0013]本發(fā)明的工作過程和原理:
[0014]應使完全被動雙足步行機置于具有一定傾斜角度的斜面之上。首先應該給予擺動腿一定的初速度，當擺動腿觸地后變?yōu)橹瓮?，完全被動雙足步行機將會隨著支撐腿在距-腿關節(jié)的轉動而在矢狀面內有一個向前的運動。同時，在第二彈簧的作用下，完全被動雙足步行機的支撐腿會隨著距-跟關節(jié)的轉動而在冠狀面內有一個側擺的運動。當擺動腿再一次與地面碰撞時，原支撐腿變?yōu)樾碌臄[動腿，半個周期步行完成。完全被動雙足步行機將按此規(guī)律連續(xù)工作，最終完成完全被動行走。
[0015]本發(fā)明的有益效果:
[0016]1、仿生距-腿關節(jié)、仿生距-跟關節(jié)的采用，使步行機在完成3D行走的同時，可以有效提尚完全被動雙足步彳丁機的彳丁走穩(wěn)定性和自然性。
[0017]2、完全被動雙足步行機中含有彈簧作用的腳趾，可以實現(xiàn)行走過程中腳尖離地時的彈性啟動，使步態(tài)更加接近人類。
[0018]3、完全被動雙足步行機可有效地利用重力勢能完成被動行走，將行走能效最優(yōu)化。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的立體示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明的主視圖。
[0021]圖3為本發(fā)明的左視圖。
[0022]圖4為圖3的局部剖視圖。
[0023]圖5為圖2的A-A視圖。
[0024]其中:1-髖部總成；11-配重；12-配重固定銷；13-髖部橫梁；14-第一軸承座；15-第一圓柱銷；16-第一深溝球軸承；17-髖關節(jié)軸；18-卡簧；19-第二圓柱銷；110-髖部連接件；2-腿部總成；21-第一彈簧掛件；22-第三圓柱銷；23-第四圓柱銷；24-圓管;3-距-腿關節(jié)總成;31-腿部連接件;32-第一螺栓;33-第一螺母;34-第一距-腿關節(jié)構件;35-第二螺栓;36-第二螺母;37-第五圓柱銷；38-第三螺母;39-第三螺栓;310-第二深溝球軸承;311-第二軸承座;312-第二彈簧掛件;313-第一彈簧;314-第二距-腿關節(jié)構件;4-距-跟關節(jié)總成;41-第一距-跟關節(jié)構件;42-第三軸承座；43-第三深溝球軸承；44-第六圓柱銷；45-第四軸承座;46-第三彈簧掛件;47-第一連接軸;48-角接觸球軸承;49-第七圓柱銷;410-第四螺栓；411-第四螺母;412-第五螺栓;413-第五螺母;414-腳部連接件;415-第二彈簧;416-第三彈簧掛件;5-左腳掌;6-右腳掌;7-腳趾總成;71-第四彈簧掛件;72-第三彈簧;73-第六螺栓；74-第六螺母;75-腳趾構件;76-第二連接軸;77-腳趾。
【具體實施方式】
[0025]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、距-腿關節(jié)總成3、距-跟關節(jié)總成4、左腳掌5、右腳掌6、腳趾總成7;腿部總成2布置在髖部總成I和距-腿關節(jié)總成3之間，構成步行機的主體部分;距-跟關節(jié)總成4布置在距-腿關節(jié)總成3與腳掌之間，腳趾總成7分布在腳掌的兩側;腳掌包括左腳掌5和右腳掌6。
[0026]所述的髖部總成I包含配重11、髖部橫梁13、第一軸承座14、髖部連接件110，配重11通過配重固定銷12插接在髖部橫梁13上，第一軸承座14對稱分布，分別通過第一圓柱銷15插接在髖部橫梁13上，髖關節(jié)軸17的旋轉運動及空間相對位置由第一軸承座14、成對使用的第一深溝球軸承16、卡簧18共同確定，髖部連接件110由第二圓柱銷19與髖關節(jié)軸17確定固連關系；
[0027]所述的腿部總成2包含第一彈簧掛件21、圓管24，對稱分布的圓管24構成雙足步行機的腿部主體部分，圓管24通過第四圓柱銷23插接在髖部連接件110上;第一彈簧掛件21通過第三圓柱銷22插接在圓管24上；
[0028]所述的距-腿關節(jié)總成3對稱分布，距-腿關節(jié)總成3包含腿部連接件31、第一距-腿關節(jié)構件34、第二距-腿關節(jié)構件314，腿部連接件31通過第五圓柱銷37固連在圓管24上，成對使用的第一螺栓32、第一螺母33使第一距-腿關節(jié)構件34與腿部連接件31固連在一起，成對使用的第三螺母38、第三螺栓39使對稱分布的第二軸承座311固連在第二距-腿關節(jié)構件314上;第一距-腿關節(jié)構件34的旋轉運動及空間相對位置由第二軸承座311和嵌入其中的第二深溝球軸承310共同確定怕；由于第二距-腿關節(jié)構件314在裝配時在水平面內有偏角，偏角范圍為11°?17°，這就使距-腿關節(jié)的旋轉軸在水平面內具有這一偏角，在確定第二距-腿關節(jié)構件314偏轉的角度之后，成對使用的第二螺栓35、第二螺母36使第二距-腿關節(jié)構件314保持確定的位置;第二彈簧掛件312通過第七圓柱銷49固連在第一距-跟關節(jié)構件41上;對稱布置的第一彈簧313布置在第一彈簧掛件21、第二彈簧掛件312之間，在雙足步行機行走的過程中起到能量轉化、輔助行走的作用；
[0029]所述的距-跟關節(jié)總成4位于距-腿關節(jié)總成3的下方，距-跟關節(jié)總成4包含第一距-跟關節(jié)構件41、第一連接軸47、腳部連接件414;在雙足步行機的左右兩足中，腳部連接件414通過成對使用的第五螺栓412、第五螺母413分別固連在左腳掌5、右腳掌6上，第五螺栓412、第五螺母413還起到將第四軸承座45固連在腳部連接件414上的作用；而第三軸承座42則通過成對使用的第四螺栓410、第四螺母411固連在腳部連接件414上，通過更換不同的腳部連接件414可以使距-跟關節(jié)的旋轉軸在矢狀面形成偏角；偏角范圍為42°?45°;通過第六圓柱銷44，第一距-跟關節(jié)構件41與第一連接軸47形成相對確定的運動關系；而第一連接軸47的旋轉運動和空間相對位置關系由嵌入第三軸承座42的第三深溝球軸承43及嵌入第四軸承座45的角接觸球軸承48確定;通過第六圓柱銷44的插接作用，第三彈簧掛件46固連在第一連接軸47上，使距-跟關節(jié)構件41保持確定的空間相對位置;對稱分布的第二彈簧415布置在第三彈簧掛件46與鉸接在左腳掌5、右腳掌6上的第三彈簧掛件416之間，同樣起到能量轉化和輔助行走的作用。
[0030]所述的腳趾總成7位于腳掌的兩側且對稱分布，包含第三彈簧72、腳趾構件75、腳趾77，腳趾構件75通過成對使用的第六螺栓73、第六螺母74分別固連在左腳掌5、右腳掌6上，腳趾77通過第二連接軸76與腳趾構件75形成鉸接;第四彈簧掛件71成對使用，以螺紋連接的方式分別與腳趾77、左腳掌5、右腳掌6固連;成對的第四彈簧掛件71之間布置有第三彈簧72，第三彈簧72的使用可使雙足步行機在被動行走中實現(xiàn)行走過程中的彈性啟動，使步態(tài)更加接近人類。
【主權項】
1.一種具有仿生距-腿、距-跟關節(jié)的完全被動雙足步行機，其特征在于:包括髖部總成(I)、腿部總成(2)、距-腿關節(jié)總成(3)、距-跟關節(jié)總成(4)、左腳掌(5)、右腳掌(6)、腳趾總成(7);腿部總成(2)布置在髖部總成(I)和距-腿關節(jié)總成(3)之間，構成步行機的主體部分;距-跟關節(jié)總成(4)布置在距-腿關節(jié)總成(3)與腳掌之間，腳趾總成(7)分布在腳掌的兩偵L腳掌包括左腳掌(5)和右腳掌(6); 所述的髖部總成(I)包含配重(U)、髖部橫梁(13)、第一軸承座(14)、髖部連接件(110)，配重(11)通過配重固定銷(12)插接在髖部橫梁(13)上，第一軸承座(14)對稱分布，分別通過第一圓柱銷(15)插接在髖部橫梁(13)上，髖關節(jié)軸(17)的旋轉運動及空間相對位置由第一軸承座(14)、成對使用的第一深溝球軸承(16)、卡簧(18)共同確定，髖部連接件(110)由第二圓柱銷(19)與髖關節(jié)軸(17)確定固連關系； 所述的腿部總成(2)包含第一彈簧掛件(21)和圓管(24)，對稱分布的圓管(24)構成雙足步行機的腿部主體部分，圓管(24)通過第四圓柱銷(23)插接在髖部連接件(110)上，第一彈簧掛件(21)通過第三圓柱銷(22)插接在圓管(24)上； 所述的距-腿關節(jié)總成(3)對稱分布，距-腿關節(jié)總成(3)包含腿部連接件(31)、第一距-腿關節(jié)構件(34)、第二距-腿關節(jié)構件(314)，腿部連接件(31)通過第五圓柱銷(37)固連在圓管(24)上，成對使用的第一螺栓(32)、第一螺母(33)使第一距-腿關節(jié)構件(34)與腿部連接件(31)固連在一起;成對使用的第三螺母(38)、第三螺栓(39)使對稱分布的第二軸承座(311)固連在第二距-腿關節(jié)構件(314)上;第一距-腿關節(jié)構件(34)的旋轉運動及空間相對位置由第二軸承座(311)和嵌入其中的第二深溝球軸承(310)共同確定；由于第二距-腿關節(jié)構件(314)在裝配時在水平面內有偏角，這就使距-腿關節(jié)的旋轉軸在水平面內具有這一偏角;在確定第二距-腿關節(jié)構件(314)偏轉的角度之后，成對使用的第二螺栓(35)、第二螺母(36)使第二距-腿關節(jié)構件(314)保持確定的位置;第二彈簧掛件(312)通過第七圓柱銷(49)固連在第一距-跟關節(jié)構件(41)上;對稱布置的第一彈簧(313)布置在第一彈簧掛件(21)和第二彈簧掛件(312)之間，在雙足步行機行走的過程中起到能量轉化、輔助行走的作用； 所述的距-跟關節(jié)總成(4)位于距-腿關節(jié)總成(3)的下方，距-跟關節(jié)總成(4)包含第一距-跟關節(jié)構件(41)、第一連接軸(47)、腳部連接件(414)，在雙足步行機的左右兩足中，腳部連接件(414)通過成對使用的第五螺栓(412)、第五螺母(413)分別固連在左腳掌(5)、右腳掌(6)上；第五螺栓(412)、第五螺母(413)還起到將第四軸承座(45)固連在腳部連接件(414)上的作用;而第三軸承座(42)則通過成對使用的第四螺栓(410)、第四螺母(411)固連在腳部連接件(414)上;通過更換不同的腳部連接件(414)可以使距-跟關節(jié)的旋轉軸在矢狀面形成偏角;通過第六圓柱銷(44)，第一距-跟關節(jié)構件(41)與第一連接軸(47)形成相對確定的運動關系；而第一連接軸(47)的旋轉運動和空間相對位置關系由嵌入第三軸承座(42)的第三深溝球軸承(43)及嵌入第四軸承座(45)的角接觸球軸承(48)確定;通過第六圓柱銷(44)的插接作用，第三彈簧掛件(46)固連在第一連接軸(47)上，使距-跟關節(jié)構件(41)保持確定的空間相對位置;對稱分布的第二彈簧(415)布置在第三彈簧掛件(46)與鉸接在左腳掌(5)、右腳掌(6)上的第三彈簧掛件(416)之間，同樣起到能量轉化和輔助行走的作用； 所述的腳趾總成(7)位于腳掌的兩側且對稱分布，腳趾總成(7)包含第三彈簧(72)、腳趾構件(75)、腳趾(77)，腳趾構件(75)通過成對使用的第六螺栓(73)、第六螺母(74)分別固連在左腳掌(5)、右腳掌(6)上，腳趾(77)通過第二連接軸(76)與腳趾構件(75)形成鉸接;第四彈簧掛件(71)成對使用，以螺紋連接的方式分別與腳趾(77)、左腳掌(5)、右腳掌(6)固連;成對的第四彈簧掛件(71)之間布置有第三彈簧(72)，第三彈簧(72)的使用可使雙足步行機在被動行走中實現(xiàn)行走過程中的彈性啟動，使步態(tài)更加接近人類。2.根據(jù)權利要求1所述的一種具有仿生距-腿、距-跟關節(jié)的完全被動雙足步行機，其特征在于:所述的第二距-腿關節(jié)構件(314)在裝配時在水平面內偏角的范圍為11°?17°。3.根據(jù)權利要求1所述的一種具有仿生距-腿、距-跟關節(jié)的完全被動雙足步行機，其特征在于:所述距-跟關節(jié)的旋轉軸在矢狀面內偏角的范圍為42°?45°。
【文檔編號】B62D57/032GK106080831SQ201610561370
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月18日
【發(fā)明人】錢志輝, 周亮, 任雷, 任露泉
【申請人】吉林大學