CN102390451A - 一种仿骆驼足机械足装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿骆驼足机械足装置，包括机械接口、踝关节、脚掌；机械接口将机械足与机器人的腿部固定，具有快速更换功能对机器人的各种足端进行快速更换。踝关节固定于机械接口下方，具有沿水平面两个方向轴自由转动的功能，使脚掌可相对于机器人具有两自由度转动。脚掌安装在踝关节下方，完成与地面接触，模拟骆驼足变形等功能。本发明能够模拟骆驼足在沙漠、软土等地行走时的面积扩展、下凹固沙、旋转蹬沙、旋转出沙等功能，改善腿式机器人在上述地貌行走特性，并能通过快速更换接口对不同种类足端进行快速更换。

Description

一种仿骆驼足机械足装置

技术领域

本发明涉及一种仿骆驼机械足装置，属于机械设计领域。

背景技术

传统的移动机器人可分为轮式机器人与腿式机器人。腿式机器人相对于轮式机器人，可以采用不同步态及与地面不同接触方式，具有可避障与可适应复杂地貌等特点。其中腿式机器人与地面的不同接触方式通过不同的机械足来实现。传统机械足一般为球面足或简单平面、曲面足，辅以弹簧等减震装置。此类机械足结构与功能简单，适合在刚性平整地面上行走，但在复杂路面上行走效果较差，如传统机械足在沙地、软土地行走时，会产生下陷过深、支撑点打滑、推动力不足、出足困难等现象。目前国内外对具有特殊地貌适应性的机械足研究甚少，不能满足科研需求，需要进一步发掘研究。

发明内容

本发明针对上述传统机械足在沙地、软土地面行走困难问题，提出了一种仿骆驼足机械足装置，适合腿式、轮腿式机器人行走步态模式下在沙地、软土等地面行走。

一种仿骆驼足机械足装置，包括机械接口、踝关节和脚掌；

机械接口将机械足与机器人的腿部固定，分为接口外壳、接口内壳和快速更换系统，其中接口外壳与机器人腿部连接，接口内壳套在接口外壳内，与仿生足踝关节固连，只有一个移动自由度，通过快速更换系统的插销对机械足进行快速固定和拆卸；踝关节固定于机械接口下方，包括一对相互垂直的转动关节，具有沿水平面两个方向轴自由转动的功能，使脚掌能够相对于机器人具有两自由度转动；脚掌安装在踝关节下方，上板与下板通过连杆板与摇杆板链接，内部通过回位弹簧与承载弹簧支承，并通过脚掌导杆导引运动轨迹。

所述的机械接口包括接口外壳、接口内壳、预紧弹簧、预紧弹簧导杆和插销；所述的快速更换系统是指预紧弹簧、预紧弹簧导杆和插销；接口外壳左右两侧通过螺钉与机器人腿部连接，上端打有螺纹通孔，安装预紧弹簧倒杆，预紧弹簧倒杆外围安装预紧弹簧，下端安装插销，预紧弹簧、插销均能沿预紧弹簧倒杆上下移动，接口内壳与接口外壳内壁四面接触，底部开通孔固定插销的四个插头，并开有通孔连接踝关节的上关节。

所述的踝关节包括上关节、下关节、短轴、长轴和支承座；上关节上表面开有通孔，通过螺钉与机械接口的接口内壳固定，上关节两侧也分别开有通孔，通孔与长轴配合，长轴两端有螺纹，通过螺母固定在上关节上，下关节与上关节接触的两侧开有通孔，长轴与下关节该处的通孔配合，下关节能够以长轴为轴自由转动；下关节的另外两侧也分别开有通孔，两个通孔分别与两个短轴配合，每个短轴穿过支承座一侧的通孔，短轴两端设有螺纹，通过螺母固定轴向位置，支承座可沿短轴自由转动；支承座的下表面四个顶点处开有通孔，通过螺钉与脚掌的上板固定相连，支承座中心开有圆形通孔，脚掌上板凸台与脚掌导杆从其中穿过。

所述的脚掌包括上板、圆柱销、连杆板、摇杆板、下板、回位弹簧、承载弹簧、脚掌导杆和垫片；上板上表面开有通孔，通过螺钉与踝关节的支承座下表面连接，上板上表面中心还设有凸台，凸台中心为通孔，上板与下板平行放置，上板左前、右前、后部三处通过连杆板、摇杆板与下板连接，上板与连杆板之间、连杆板与摇杆板之间、摇杆板与下板之间均通过圆柱销连接，圆柱销为紧配合固定，相邻板能够沿连接处圆柱销相对转动，左前、右前、后部三处形成三个铰链结构；上板下部与下板上部对应分布四组弹簧端头，用于安装回位弹簧，下板中心设有一个弹簧端头，弹簧端头上面开有螺纹通孔，用于固定脚掌导杆，脚掌导杆穿过上板上表面中心凸台的通孔，不受外力时脚掌导杆的导杆帽与凸台上表面接触，使整个机构只能沿脚掌导杆方向运动，脚掌导杆中间有一台阶，台阶下表面与垫片配合，垫片下表面与承载弹簧接触，承载弹簧安装在下板上表面中心弹簧端头与垫片之间，套在脚掌导杆外围。

本发明的优点在于：

(1)本发明所述的装置能够模拟骆驼足在行走中的快速扩展，下凹固沙，旋转蹬沙，旋转出沙等功能，大大改善腿式机器人在沙地，软土地等地面的行走性能；

(2)本发明所述的装置的机械接口方便对各种机械足进行快速切换。

附图说明

图1是本发明的一种仿骆驼足机械足的正视剖面图；

图2是本发明的一种仿骆驼足机械足的左视图；

图3是本发明的一种仿骆驼足机械足的俯视图；

图4是本发明机械接口结构示意图；

图5是本发明的踝关节结构示意图；

图6是本发明的脚掌初始状态(未接触地面)示意图；

图7是本发明的脚掌面积扩展状态示意图；

图8是本发明的脚掌承载状态示意图；

图9是本发明的脚掌无弹簧状态内部示意图。

图中：

1-机械接口            2-踝关节          3-脚掌

101-接口外壳          102-接口内壳      103-预紧弹簧

104-预紧弹簧导杆      105-插销

201-上关节        202-下关节        203-短轴

204-长轴          205-支承座

301-上板          302-圆柱销        303-连杆板

304-摇杆板        305-下板          306-回位弹簧

307-承载弹簧      308-脚掌导杆      309-垫片

310-凸台          311-弹簧端头

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种仿骆驼足机械足装置，如图1、图2、图3所示，包括机械接口1、踝关节2和脚掌3；

机械接口1如图4所示，包括接口外壳101、接口内壳102、预紧弹簧103、预紧弹簧导杆104和插销105。

接口外壳101左右两侧通过螺钉与机器人腿部连接，上端打有螺纹通孔，安装预紧弹簧倒杆104，预紧弹簧倒杆104外围安装预紧弹簧103，下端安装插销105，预紧弹簧103、插销105均能沿预紧弹簧倒杆104上下移动，接口内壳102与接口外壳101内壁四面接触，底部开通孔固定插销105的四个插头，并开有通孔连接踝关节2的上关节201。

踝关节2如图5所示，包括上关节201、下关节202、短轴203、长轴204和支承座205。

上关节201上表面开有通孔(用于穿过螺钉)，通过螺钉与机械接口1的接口内壳102固定，上关节201两侧也分别开有通孔，通孔与长轴204配合，长轴204两端有螺纹，通过螺母固定在上关节201上，下关节202与上关节接触的两侧开有通孔，长轴204与下关节202中间的通孔配合，下关节202能够以长轴204为轴自由转动。下关节202的另外两侧也分别开有通孔，两个通孔分别与两个短轴203配合，每个短轴203穿过支承座205一侧的通孔，短轴203两端设有螺纹，通过螺母固定轴向位置，支承座205可沿短轴203自由转动。支承座205下表面开有通孔，通过螺钉与脚掌3的上板301固定相连。

脚掌3如图6、图7、图8、图9所示，包括上板301、圆柱销302、连杆板303、摇杆板304、下板305、回位弹簧306、承载弹簧307、脚掌导杆308和垫片309。

上板301上表面开有通孔，通过螺钉与踝关节2的固定板206连接，上板301上表面中心还设有凸台310，凸台310中心为通孔，上板301与下板305平行放置，如图3所示，上板301左前、右前、后部三处通过连杆板303、摇杆板304与下板305连接，上板301与连杆板303之间、连杆板303与摇杆板304之间、摇杆板304与下板305之间均通过圆柱销302连接，圆柱销302为紧配合固定，相邻板可沿连接处圆柱销302相对转动，左前、右前、后部三处形成三个铰链结构。所述的脚掌3的上板301与下板间305有三个运动链，两个在脚掌前部，向外侧倾斜，一个在脚掌后部，无倾斜角，整个脚掌3呈骆驼足状。上板301下部与下板305上部对应分布四组弹簧端头311，用于安装回位弹簧306，下板305中心设有一个弹簧端头311，弹簧端头311上面开有螺纹通孔，用于固定脚掌导杆308，脚掌导杆308穿过上板301上表面中心凸台310的通孔，不受外力时脚掌导杆308的导杆帽与凸台310上表面接触，使整个机构只能沿脚掌导杆308方向运动，脚掌导杆308中间有一台阶，台阶下表面与垫片309配合，垫片309下表面与承载弹簧307接触，承载弹簧307安装在下板305上表面中心弹簧端头311与垫片309之间，套在脚掌导杆308外围。所述的脚掌3在面积扩展状态只有回位弹簧306受压，在承载状态上板301沿脚掌导杆308运动压迫垫片309进而挤压承载弹簧307，两种弹簧同时受压，保证机构的运动及机构与弹簧的强度要求。

机器人更换机械足时，只需向上拔出插销105，退出接口内壳102，装上新足的内壳接口102，插入插销105即可。

脚掌3各工作状态可见图6至图9，具体为：

如图6所示，初始时脚掌3未接触地面，在回位弹簧306的作用下，上板301上表面中心凸台与脚掌导杆308导杆帽接触，脚掌3处于初始状态；如图7所示，当脚掌3下板305与地面接触时，脚掌3受挤压，回位弹簧306刚度很低，迅速变形至摇杆板304与下板305平行，脚掌3以最大面积接触地面，上板301下表面与垫片309接触，此时脚掌3处于面积扩展状态；如图8所示，当载荷进一步加大，刚度很大的承载弹簧307受力压缩，摇杆板304继续向下摇摆至设计位置，脚掌3呈下凹状，起到固沙作用，此时脚掌3处于承载状态。

如图9所示，随着机器人的向前移动，重心会前移，机械足与地面的受力分布也会随之前移，脚掌3相对于踝关节2下关节202缓慢转动，脚掌3前端略向下倾，可提供机器人足够的推力；当机械足抬起时，上板301在回位弹簧306与承载弹簧307的作用下迅速恢复初始形状，脚掌3的截面小于刚与地面接触时的面积扩展状态，可以防止挑沙现象，下板305与地面脱离，由于脚掌3质量分布的特性，重心偏前，所以脚掌3相对于踝关节2下关节202转动，跟部率先抬起，达到旋转出沙效果，进一步防止挑沙现象发生。

本发明参照骆驼足的行走特点，所述的仿骆驼足机械足装置具有以下功能：

1、仿驼足着地后能迅速扩大接地面积。为了避免足着地后，底部面积仍在扩展而破坏表层沙颗粒的接合强度，要求仿驼足着地后迅速变形，当足完全踏地时，以最大面积与地面接触。

2、当仿驼足完全接地后载荷进一步增大时，仿驼足底部能形成内凹的接地形状，防止沙承压后流动，起到固沙作用。

3、仿驼足在踏沙过程中重心前移，逐渐向前转动，增大推进力。

4、当仿驼足离地时，足部具有收缩作用，并且足跟先出沙，模拟“旋转出沙”效果，以减少足在出沙时的“挑沙”现象，减小出沙阻力。

本发明的一种仿骆驼足机械足装置，机械接口1将机械足与机器人的腿部固定，具有快速更换功能对机器人的各种足端进行快速更换。踝关节2固定于机械接口1下方，具有沿水平面两个方向轴自由转动的功能，使脚掌可相对于机器人具有两自由度转动。脚掌3安装在踝关节2下方，完成与地面接触，模拟骆驼足变形等功能。

本发明中踝关节2具有一对相互共面垂直的转轴，可使其连接的两部分在平面内两自由度相对转动，使脚掌3以固定姿态接触地面，并模拟骆驼足旋转蹬沙，旋转出沙的效果。所述的脚掌3具有上板301、下板305、连杆板303、摇杆板304及中间脚掌导杆308组成的单自由度闭环机构，该机构可模拟骆驼足面积扩展、下凹固沙等动作。

Claims (4)

1.一种仿骆驼足机械足装置，其特征在于，包括机械接口、踝关节和脚掌；

机械接口将机械足与机器人的腿部固定，分为接口外壳、接口内壳和快速更换系统，其中接口外壳与机器人腿部连接，接口内壳套在接口外壳内，与仿生足踝关节固连，只有一个移动自由度，通过快速更换系统的插销对机械足进行快速固定和拆卸；踝关节固定于机械接口下方，包括一对相互垂直的转动关节，具有沿水平面两个方向轴自由转动的功能，使脚掌能够相对于机器人具有两自由度转动；脚掌安装在踝关节下方，上板与下板通过连杆板与摇杆板链接，内部通过回位弹簧与承载弹簧支承，并通过脚掌导杆导引运动轨迹。

2.根据权利要求1所述的一种仿骆驼足机械足装置，其特征在于，所述的机械接口包括接口外壳、接口内壳、预紧弹簧、预紧弹簧导杆和插销；

接口外壳左右两侧通过螺钉与机器人腿部连接，上端打有螺纹通孔，安装预紧弹簧倒杆，预紧弹簧倒杆外围安装预紧弹簧，下端安装插销，预紧弹簧、插销均能沿预紧弹簧倒杆上下移动，接口内壳与接口外壳内壁四面接触，底部开通孔固定插销的四个插头，并开有通孔连接踝关节的上关节。

3.根据权利要求1所述的一种仿骆驼足机械足装置，其特征在于，所述的踝关节包括上关节、下关节、短轴、长轴和支承座；

上关节上表面开有通孔，通过螺钉与机械接口的接口内壳固定，上关节两侧也分别开有通孔，通孔与长轴配合，长轴两端有螺纹，通过螺母固定在上关节上，下关节与上关节接触的两侧开有通孔，长轴与下关节该处通孔配合，下关节能够以长轴为轴自由转动；下关节的另外两侧也分别开有通孔，两个通孔分别与两个短轴配合，每个短轴穿过支承座一侧的通孔，短轴两端设有螺纹，通过螺母固定轴向位置，支承座可沿短轴自由转动；支承座下表面四个顶点处开有通孔，通过螺钉与脚掌的上板固定相连，支承座中心开有圆形通孔，脚掌中的脚掌上板凸台与脚掌导杆从其中穿过。

4.根据权利要求1所述的一种仿骆驼足机械足装置，其特征在于，所述的脚掌包括上板、圆柱销、连杆板、摇杆板、下板、回位弹簧、承载弹簧、脚掌导杆和垫片；

上板上表面开有通孔，通过螺钉与踝关节的支承座下表面连接，上板上表面中心还设有凸台，凸台中心为通孔，上板与下板平行放置，上板左前、右前、后部三处通过连杆板、摇杆板与下板连接，上板与连杆板之间、连杆板与摇杆板之间、摇杆板与下板之间均通过圆柱销连接，圆柱销为紧配合固定，相邻板能够沿连接处圆柱销相对转动，左前、右前、后部三处形成三个铰链结构；上板下部与下板上部对应分布四组弹簧端头，用于安装回位弹簧，下板中心设有一个弹簧端头，弹簧端头上面开有螺纹通孔，用于固定脚掌导杆，脚掌导杆穿过上板上表面中心凸台的通孔，不受外力时脚掌导杆的导杆帽与凸台上表面接触，使整个机构只能沿脚掌导杆方向运动，脚掌导杆中间有一台阶，台阶下表面与垫片配合，垫片下表面与承载弹簧接触，承载弹簧安装在下板上表面中心弹簧端头与垫片之间，套在脚掌导杆外围。

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