CN103434581B - 一种机器人的脚掌机构 - Google Patents

Abstract

本发明一种机器人的脚掌机构属于机器人技术领域，特别涉及一种提升多足机器人足部爬坡能力的脚掌机构。该脚掌机构由接触摩擦部分、主动抓地部分和与足联结部分组成。在接触摩擦部分中，采用具有复合花纹的足垫增大与接触面间的摩擦系数，提高机器人足部爬坡的稳定性，适应多种复杂山地环境。在主动抓地部分中，采用有齿形的爪齿块刺入进地面，增加机器人足部抓地力，从而对路况复杂的山地坡路具有更好的适应能力。在与足联结部分中，采用分离半环形压板结构可以实现脚掌与机器人足的便捷联结。该脚掌机构具备防滑、保护机器人足端的功能，可以作为一个通用模块来使用，调整、更换、维护简便，提高了机器人行走的稳定性、适应性和灵活性。

Description

一种机器人的脚掌机构

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种提升多足机器人足部爬坡能力的脚掌机构，具有良好的灵活性和适应性。

背景技术

多足式机器人可通过离散的落足点跨越障碍、攀登阶梯、跋涉沼泽等，具有较高的自适应性，但是固定不变的足部对多种路况、复杂地貌的适应性有所局限。

近年来，多足机器人以其行动的灵活性和环境适应性的优势而受到很大的关注。美国斯坦福大学模拟蟑螂研制成微小型机器人Spiny-Bot，它的脚上长有极微细的倒钩刺，“扣”住粗糙壁面上的凸缘，通过倒刺增加与墙壁接触面间的摩擦力，从而实现爬壁作业，但是在光滑表面移动能力受限；西北工业大学提出一种真空吸附式壁面爬壁机器人，脚上有一种由真空泵驱动的壁厚变化的软吸盘机构，通过真空吸附方式增加与墙壁接触面间的摩擦力，但是对于粗糙表面其功能受限。

公布号为CN102001370A，发明人为戴文钟的发明专利《机器人脚掌结构》中对双足式机器人的脚掌机构进行了设计。该脚掌机构仿照人体足弓结构，在有起伏的水平地面上可以稳定、大步距行走，具有良好的减振性能。但是其在爬坡过程中很难保证足够的抓地能力，尤其在具有沙石颗粒的山地斜坡路面上，脚掌与地面间的摩擦力过小而导致机体整体打滑。

公布号为CN103204190A，发明人为王福吉等的发明专利《一种机器人足部机构》中对多足机器人的足端结构进行了设计。该足端结构同时具有大角度摆动和减振的功能，可以在复杂地貌上实现一定程度的稳定行走。但是在爬较大角度斜坡的过程中足底橡胶与路面间的摩擦系数较低，爬坡性能受限。

发明内容

本发明要解决的技术难题是克服现有技术的不足，针对目前足式移动机器人领域缺少对复杂山地地貌缺少灵活适应性的现状，发明一种具有提升机器人足端抓地能力的脚掌机构，即通过楔形爪齿块与复位弹簧配合，爪齿结构在机器人足底实现灵活地张弛与缩回。该脚掌可以通用地安装在机器人的足部，辅助机器人在复杂的山地坡面上稳定行进。同时具有方便拆装和通用性强的特点，在不同地貌都可以实现快速、可靠抓地，提高机器人足部的摩擦力。

本发明采取的技术方案为一种机器人的脚掌机构，其特征是，脚掌机构采用抓地元件环形均布结构，脚掌机构由接触摩擦部分、主动抓地部分和与足联结部分组成；接触摩擦部分中，具有复合花纹的足垫1粘接在足底板2上，具有复合花纹的足垫1在中心区域A为半球形花纹，在主承载区域B为呈“人字形”的发散状越野花纹，在边界区域C为圆柱形花纹，将带有止口的足底板2通过十二个内六角螺钉14联接到基座3上；在主动抓地部分中，六个有齿形的爪齿块9分别布置在基座3上环形均布的楔形槽中，六个T形挂钩12的“一”字端分别嵌入基座3上环形均布的T形槽中，另一端分别与六个复位弹簧11相联，复位弹簧11的另一端与旋入爪齿块9的弹簧连接螺钉10相联，六个挡板4分别通过四个挡板联接螺钉5联接到基座3上；在与足联结部分中，机器人足部8放置在爪齿块9上，缓冲橡胶垫13粘接在基座3的上表面上，两个半环形压板6分别通过六个外六角螺钉7固定在基座3上，同时两个半环形压板6盖在机器人足部8的凸缘上。

本发明的有益效果是采用有复合花纹的足垫，增加脚掌接触面间的摩擦力，适应多种复杂山地环境；采用有齿形的爪齿块刺入地面，增加脚掌机构爬坡时的抓地力；采用分离压板的结构可以实现脚掌与机器人足的便捷联结。采用上述结构形式，使机器人足部整体在不同路面上都保持较强的抓地能力，从而使机器人足部对路况复杂的山地坡路具有更好的适应能力。该脚掌机构具备防滑、保护机器人足端的功能，可以作为一个通用模块来使用，调整、更换、维护简便，提高了机器人行走的稳定性、适应性和灵活性。

附图说明

图1是一种机器人的脚掌机构的轴侧视图，图2是一种机器人的脚掌机构的俯视图，图3是图2中的A-A剖视图，图4是图3中爪齿块9伸出后的剖视图，图5是图2中的B-B剖视图，图6是图5中的C方向视图。图中：1足垫，2足底板，3基座，4挡板，5挡板连接螺钉，6半环形压板，7外六角螺钉，8机器人足部，9爪齿块，10弹簧连接螺钉，11复位弹簧，12T形挂钩，13缓冲橡胶垫，14内六角螺钉。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式：该脚掌是独立于机器人足部的一个辅助装置，具有一定的通用性和普适性。采用复合花纹足垫提升足底接触面间的基本摩擦系数；采用有齿形的爪块结构刺入地面并实现张紧和把持的功能，提升机器人足端的抓地能力，进而增加足端整体的摩擦性能；采用拉簧结构实现爪齿块的快速复位工作，避免爪齿块复位速度过慢而导致机器人足部抬起后足底与地面发生干涉，影响机器人行走的稳定性；采用分开的两个半环形压板结构可以实现本脚掌与机器人足部的便捷联结，使得脚掌的更换、维护和升级更加灵活；在机器人足部与基座之间添加一层缓冲橡胶垫用以减缓足部下落造成的冲击和振动，减缓脚掌的疲劳损坏。

从附图1和附图2中可以看到共有六个爪齿块9环形分布均布于整个脚掌，可以满足机器人足底各向同性的要求，各个爪齿块9的使用损耗也将相似。环形均布结构还可以避免机器人足端落地时因各向异性导致的脚掌受力不均和落地不稳的现象。爪齿块9上的齿形仿照农业工具犁的尖端形状，具有较强的抓地性能。爪齿块9采用非实心的结构具有质量轻、强度高的优势，同时对内部的复位弹簧11还具有一定的封装保护作用，整体上可以承受一定的冲击载荷，安全可靠。

可以从附图6中看到，足垫1采用的花纹是由简单花纹组合成的复合形式花纹。附图6中的A区域是半球形花纹，在与接触面接触时依次触碰到球面的顶部、腰部，接触面积迅速扩大，同时半球花纹由于挤压变形会与周围半球配合在无花纹处形成空腔并产生一定的负压，从而快速增加抓地力，适于在如冰雪路面的较光滑路面行走。附图6中的B区域为呈“人字形”的发散状越野花纹，适于在松土路、泥雪路、泥泞的地面上行走，为机器人足部在起伏不平的地面上行进时提供绝大部分的摩擦力。附图6中C区域为圆柱形花纹，在与地面接触时，可以耙住底面，增加抓地性能。具有复合花纹的足垫1结合嵌入地面的爪齿块9，可以为机器人足部提供较强的抓地能力，大幅提高机器人足部对复杂路况的适应能力。

在附图3中，脚掌处于抬起状态，机器人足部8的活动范围为压板6的下边缘到缓冲橡胶垫13。如附图4中所示当机器人足部8落下时，爪齿块9受压沿基座3上的楔形槽方向滑动，从足垫1伸出并刺入地面，同时，复位弹簧11拉伸。爪齿块9齿形端刺入地面时，足垫1也会因为机器人足部8的踩压下而发生变形，爪齿的嵌入深度也有所增加。再结合足垫1的特殊复合型花纹可以很大增加脚掌与地面间的摩擦力。

如附图5所示，机器人足部8抬起时，复位弹簧11回缩，爪齿块9在复位弹簧11的作用下沿楔形槽方向快速收回，在此过程中爪齿块9的上表面始终保持与机器人足部8接触。当机器人足部8抬起至与两个半环形压板6接触后，脚掌与地面完全脱离，再之后机器人足部8带动整个脚掌抬升，最终实现机器人足端8与机器人脚掌的一致运动。

挡板4主要是对爪齿块9进行一定程度的封装，防止侧向杂物进入干扰爪齿块9的正常工作，并有在复位弹簧11失效后防止爪齿块9脱落的功能。缓冲橡胶垫13主要用于减缓足部下落造成的冲击和振动，减缓脚掌的疲劳损坏。

该脚掌机构具备防滑、保护机器人足端的功能，可以作为一个通用模块来使用，调整、更换、维护简便，提高了机器人行走的稳定性、适应性和灵活性。

Claims (1)

1.一种机器人的脚掌机构，其特征是，脚掌机构采用抓地元件环形均布结构，脚掌机构由接触摩擦部分、主动抓地部分和与足联结部分组成;

在接触摩擦部分中，具有复合花纹的足垫（1）粘接在足底板（2）上，具有复合花纹的足垫（1）在中心区域（A）为半球形花纹，在主承载区域（B）为呈“人字形”的发散状越野花纹，在边界区域（C）为圆柱形花纹，将带有止口的足底板（2）通过十二个内六角螺钉（14）联接到基座（3）上;

在主动抓地部分中，六个有齿形的爪齿块（9）分别布置在基座（3）上环形均布的楔形槽中，六个T形挂钩（12）的“一”字端分别嵌入基座（3）上环形均布的T形槽中，另一端与六个复位弹簧（11）分别相联，复位弹簧（11）的另一端与旋入爪齿块（9）的弹簧连接螺钉（10）相联，六个挡板（4）分别通过四个挡板联接螺钉（5）联接到基座（3）上;在与足联结部分中，机器人足部（8）放置在爪齿块（9）上，缓冲橡胶垫（13）粘接在基座（3）的上表面上，两个半环形压板（6）分别通过六个外六角螺钉（7）固定在基座（3）上，同时两个半环形压板（6）盖在机器人足部（8）的凸缘上。