CN104228995A - 一种仿岩羊机械足 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿岩羊机械足装置,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，具有两个对称的转轴，使足部两个脚掌可以绕轴转动，脚掌安装在踝关节下方，完成与地面接触，模拟岩羊足变形等功能，本发明能够模拟岩羊足在岩石表面攀爬时，蹄瓣张开嵌入石缝，包夹岩石，钩挂岩石突起等功能，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

一种仿岩羊机械足

技术领域

本发明属于机械设计领域，涉及一种仿岩羊机械足。

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，如传统机械足在岩石表面、大坡度、不平整地面行走时，会产生落地不稳、支撑点打滑、推动力不足、行走困难等现象。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，需要进一步研究。

发明内容

本发明针对上述传统机械足在岩石表面、大坡度、不平整地面行走困难问题，提出了一种仿岩羊机械足装置，适合腿式、轮腿式机器人行走步态模式下在岩石、大坡度等地面行走。

一种仿岩羊机械足，包括机械接口、踝关节和脚掌，其特征在于：

机械接口将机械足与机器人的腿部连接，包括与机器人腿部以及踝关节连接的至少一个连接部件，以及快速更换系统；

踝关节固定于机械接口下方，包括固定部件、一对对称的转轴和扭簧，固定部件与机械接口连接并安装有转轴和扭簧，扭簧套于转轴上，一端连接于固定部件上，另一端连接于脚掌的蹄掌上，转轴与水平面形成一定角度，将脚掌绕水平轴与绕铅垂轴两个方向的转动合成为一个转动；

脚掌包括两个蹄掌，通过与转轴连接而安装在踝关节下方，可以通过转轴分别绕踝关节转动，并通过与之连接的扭簧增大转动阻尼，蹄掌中空，里面塞入柔性材料制成的蹄垫，增大脚掌底部柔软度，整个脚掌模拟岩羊蹄掌的运动。

所述的至少一个连接部件包括接口内壳和接口外壳，所述的接口内壳与机器人的腿部连接，且只有一个移动自由度，所述的接口外壳通过螺栓与踝关节固连。

接口外壳两侧通过螺钉与机械足踝关节固连，接口内壳套在接口外壳内，上端开有四个通孔，通过螺栓与机器人的腿部固连，接口内壳和接口外壳两侧开有直槽口；所述的快速更换系统为弹簧扣结构，包括快换杆、金属垫片和弹簧扣，通过该弹簧扣结构对机械足进行快速固定和拆卸，快换杆能够在直槽口内移动，接口外壳两侧同时开有弹簧扣槽，弹簧扣通过卡入固定或通过掰开拆卸。

踝关节的所述固定部件包括中心板和铰链盖，中心板两侧开有通孔，通过螺钉与机械接口的接口外壳固定，中心板下端开有通孔，通过螺钉与铰链盖固定；铰链盖下端开有用以安装转轴的通孔，转轴末端有螺纹，拧上螺母即固定在铰链盖下端开设的通孔里；铰链盖侧方具有用来连接扭簧末端的通孔，扭簧套于转轴上，一端靠在转轴端部的挡片上，并通过伸出的支脚连接于铰链盖侧方的通孔上，扭簧的另一端连接于脚掌的蹄掌上；铰链盖、转轴和扭簧均为两个且对称。

脚掌的蹄掌有两个且对称，内部中空，上端开有铰链孔，穿入转轴并可绕转轴转动，铰链孔旁开有用于连接扭簧末端的通孔，使蹄掌绕转轴转动时受到扭簧的阻力；蹄掌内侧开有螺钉孔，由柔性材料制成的蹄垫开有与蹄掌螺钉孔对应的螺钉通孔，塞入蹄掌内腔后，螺钉穿过上述螺钉孔和螺钉通孔将蹄掌与蹄垫固定，蹄垫略凸出蹄掌底部，增大触地柔软度。

所述的柔性材料制成的蹄垫为橡胶蹄垫，橡胶蹄垫中部略内凹，橡胶柔软踩在岩石尖点上会内凹，包夹住岩石表面，使脚掌不易滑动；两个对称的蹄掌前端较尖，能够嵌入石缝中，来固定足部；蹄掌绕转轴向后转动时，后端合拢，同时后端将高于前端，形成的夹角可以在下坡时钩挂住岩石凸起，防止滑动；蹄掌绕转轴向前转动时前端合拢，同时前端高于后端，便于在上坡时钩挂住岩石凸起，防止滑动。

本发明的优点在于：

(1)本发明所述的装置能够模拟岩羊足在岩石表面、大坡度、不平整地面行走中的蹄掌张开，嵌入石缝，包夹岩石，钩挂岩石突起等功能，大大改善腿式机器人在岩石表面、大坡度、不平整等地面的行走性能；

(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是本发明的一种仿岩羊机械足的正视图；

图2是本发明的一种仿岩羊机械足的正视半剖图；

图3是本发明的一种仿岩羊机械足的侧视图；

图4是本发明的一种仿岩羊机械足的俯视图；

图5是本发明机械接口结构示意图；

图6是本发明的踝关节结构示意图；

图7是本发明的脚掌结构(未变形)示意图；

图8、图9是本发明的脚掌机构(着地变形)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-快换杆

104-弹簧扣     105-机器人的腿部

201-中心板     202-铰链盖       203-转轴

204-扭簧

301-蹄掌       302-橡胶蹄掌

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。

本发明是一种仿岩羊机械足装置，如图1、图2、图3、图4所示，包括机械接口1、踝关节2和脚掌3；

机械接口1如图5所示，包括接口外壳101、接口内壳102、快换杆103、弹簧扣104和机器人的腿部105。

接口外壳101两侧通过螺钉与机械足踝关节固连，两侧开有直槽口，快换杆103可以在槽口内移动，两侧同时开有弹簧扣槽，弹簧扣104可以卡入固定，也可以掰开拆卸；接口内壳102套在接口外壳101内，两侧开有相应槽口，快换杆103可在槽口内移动，接口内壳102上端开有四个通孔，通过螺栓与机器人的腿部105固连。

踝关节2如图6所示，包括中心板201、铰链盖202、转轴203和扭簧204。

中心板201两侧开有通孔，通过螺钉与机械接口的接口外壳101固定，中心板201下端也开有通孔，通过螺钉与铰链盖202固定；铰链盖202下端开有通孔，可以安装转轴203，铰链盖202还有一个通孔用来固定扭簧204末端；转轴203末端有螺纹，拧上螺母即固定在铰链盖通孔里；转轴的另一端安装扭簧204；扭簧204的另一个末端固定在脚掌3上。铰链盖202、转轴203和扭簧204均有两个，且对称。

脚掌3如图7、图8所示，包括蹄掌301和橡胶蹄垫302。

蹄掌3有两个，且对称，内部中空，上端开有铰链孔，穿入转轴203，可绕轴转动，铰链孔旁还开有通孔，用于固定扭簧204末端，使蹄掌301绕轴转动时受到扭簧204的阻力，内侧开有螺钉孔；橡胶蹄垫302塞入蹄掌301内孔，开有相应螺钉通孔，通过螺钉与蹄掌301固定，橡胶蹄垫302略凸出蹄掌301底部，增大触地柔软度。

橡胶蹄垫302中部略内凹，橡胶柔软踩在岩石尖点上会内凹，包夹住岩石表面，使脚掌3不易滑动；蹄掌301前端较尖，能够嵌入石缝中，来固定足部；蹄掌301可以绕转轴203转动，向后转动见图8，蹄掌301后端合拢，同时后端将高于前端，形成的夹角可以在下坡时钩挂住岩石凸起，防止滑动；向前转动见图9，蹄掌301前端合拢，同时前端高于后端，便于在上坡时钩挂住岩石凸起，防止滑动。

机器人更换机械足时，只需向外掰开弹簧扣104，拉开快换杆103，即可向上拔出接口内壳102，装上新足的外壳接口101，推动快换杆，弹簧扣104划入接口外壳101的弹簧扣槽内。

本发明参照岩羊足的攀岩特点，所述的仿岩羊机械足装置具有以下功能：

1、仿岩羊足前端尖利，能嵌入石缝中固定足部，防止滑动。

2、仿岩羊足在小坡度行走时，底部橡胶柔软，能包夹住地面凸起，防止滑动。

3、仿岩羊足在上坡时，蹄掌绕转轴转动，使其前端高于后端，同时前端合拢，便于钩挂住岩石凸起，利于攀爬。

4、仿岩羊足在下坡时，蹄掌绕转轴转动，使其前端低于后端，同时后端合拢，能够包夹住岩石凸起，防止下滑。

本发明的一种仿岩羊机械足装置，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，具有沿两个对称转轴自由转动的功能，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，模拟岩羊足变形等功能。

Claims (6)

1.一种仿岩羊机械足，包括机械接口、踝关节和脚掌，其特征在于：

机械接口将机械足与机器人的腿部连接，包括与机器人腿部以及踝关节连接的至少一个连接部件，以及快速更换系统；

踝关节固定于机械接口下方，包括固定部件、一对对称的转轴和扭簧，固定部件与机械接口连接并安装有转轴和扭簧，扭簧套于转轴上，一端连接于固定部件上，另一端连接于脚掌的蹄掌上，转轴与水平面形成一定角度，将脚掌绕水平轴与绕铅垂轴两个方向的转动合成为一个转动；

脚掌包括两个蹄掌，通过与转轴连接而安装在踝关节下方，可以通过转轴分别绕踝关节转动，并通过与之连接的扭簧增大转动阻尼，蹄掌中空，里面塞入柔性材料制成的蹄垫，增大脚掌底部柔软度，整个脚掌模拟岩羊蹄掌的运动。

2.根据权利要求1所述的一种仿岩羊机械足，其特征在于，所述的至少一个连接部件包括接口内壳和接口外壳，所述的接口内壳与机器人的腿部连接，且只有一个移动自由度，所述的接口外壳通过螺栓与踝关节固连。

3.根据权利要求2所述的一种仿岩羊机械足，其特征在于，接口外壳两侧通过螺钉与机械足踝关节固连，接口内壳套在接口外壳内，上端开有四个通孔，通过螺栓与机器人的腿部固连，接口内壳和接口外壳两侧开有直槽口；所述的快速更换系统为弹簧扣结构，包括快换杆、金属垫片和弹簧扣，通过该弹簧扣结构对机械足进行快速固定和拆卸，快换杆能够在直槽口内移动，接口外壳两侧同时开有弹簧扣槽，弹簧扣通过卡入固定或通过掰开拆卸。

4.根据权利要求1所述的一种仿岩羊机械足，其特征在于，踝关节的所述固定部件包括中心板和铰链盖，中心板两侧开有通孔，通过螺钉与机械接口的接口外壳固定，中心板下端开有通孔，通过螺钉与铰链盖固定；铰链盖下端开有用以安装转轴的通孔，转轴末端有螺纹，拧上螺母即固定在铰链盖下端开设的通孔里；铰链盖侧方具有用来连接扭簧末端的通孔，扭簧套于转轴上，一端靠在转轴端部的挡片上，并通过伸出的支脚连接于铰链盖侧方的通孔上，扭簧的另一端连接于脚掌的蹄掌上；铰链盖、转轴和扭簧均为两个且对称。

5.根据权利要求1所述的一种仿岩羊机械足，其特征在于，脚掌的蹄掌有两个且对称，内部中空，上端开有铰链孔，穿入转轴并可绕转轴转动，铰链孔旁开有用于连接扭簧末端的通孔，使蹄掌绕转轴转动时受到扭簧的阻力；蹄掌内侧开有螺钉孔，由柔性材料制成的蹄垫开有与蹄掌螺钉孔对应的螺钉通孔，塞入蹄掌内腔后，螺钉穿过上述螺钉孔和螺钉通孔将蹄掌与蹄垫固定，蹄垫略凸出蹄掌底部，增大触地柔软度。

6.根据权利要求1所述的一种仿岩羊机械足，其特征在于，所述的柔性材料制成的蹄垫为橡胶蹄垫，橡胶蹄垫中部略内凹，橡胶柔软踩在岩石尖点上会内凹，包夹住岩石表面，使脚掌不易滑动；两个对称的蹄掌前端较尖，能够嵌入石缝中，来固定足部；蹄掌绕转轴向后转动时，后端合拢，同时后端将高于前端，形成的夹角可以在下坡时钩挂住岩石凸起，防止滑动；蹄掌绕转轴向前转动时前端合拢，同时前端高于后端，便于在上坡时钩挂住岩石凸起，防止滑动。