CN104401416A - 刚柔耦合缓冲仿生足 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种刚柔耦合缓冲仿生足，包括有耦合足底部、上部柔层、足顶部盖板、扭转弹簧和压缩弹簧，径向足底板、底部柔层和侧向足底板的啮合面构成刚柔耦合的缓冲界面，上部柔层、压缩弹簧和扭转弹簧分别与足顶部盖板和耦合足底部构成刚柔耦合的缓冲界面。通过刚性分体结构与柔性连接的巧妙配合，耦合体结构呈现刚性-柔性-刚性-柔性的有机结合，实现了地面冲击力在径向和侧向方向的有效吸收与削弱，本发明整体表现出刚性支撑、柔性吸收的功能特点，从而具备良好的缓冲性能。

Description

刚柔耦合缓冲仿生足
技术领域
本发明涉及一种四足机器人足，特别涉及一种刚柔耦合缓冲仿生足。
背景技术
随着科学技术的进步，仿生步行机器人获得了快速发展并在社会的多个领域被广泛应用，如农业、军事、星际探索、野外科考、抢险救灾等。按步行足数目，步行机器人可划分为单足、双足、三足、四足、六足、八足甚至更多，其中偶数占绝大多数。而四足步行机器人相比其他类型，具有承载能力强、稳定性好，结构简单,易于控制等显著特点，另外，四足机器人不仅能够以静态步行方式实现结构路面及复杂地形上的行走，还可以动态步行方式实现高速行走，因而得到世界范围内的极大关注，成为仿生机器人领域的研究热点。
四足步行机器人在动态快速步行状态下，由于腿机构和关节的刚性，使得其腿-足与地面接触时，不可避免地会产生阶跃式的接触冲击。日本、美国等国学者发现机器人的脚与地面接触时造成的冲击，往往会对机器人系统造成重大损伤，例如，损坏机器人驱动电机或者传动齿轮，大大降低机器人运动的稳定性，使得机器人系统控制难度增大。因此，四足步行机器人腿-足的接触力冲击问题已经成为国内外这类机器人研究广泛关注的问题，降低腿-足接触地面时的冲击是此类机器人设计的重要环节。
机器人在运动过程中，其与地面的接触冲击主要由质量、刚度、阻尼、触地时间历程和落地时各组件的速度决定，由于其质量、摆动速度和步行速度相对固定，因此通过减少机器人的质量或降低摆动速度和步行速度的方法来减少接触冲击比较困难。目前，大多采取在步行机器人的腿机构中加入弹性阻尼元件或采用高弹性材料，以在一定程度上减少地面接触对机器人的冲击影响。而四足机器人的足部作为机体在运动过程中唯一并首先与地面发生冲击作用的部位，目前并未受到过多考虑。现有的四足步行机器人的足部多为圆弧面或球形的整体刚性设计，难以保证高可靠度的接触及缓冲效果。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有四足机器人腿-足系统缓冲性能差的问题，而提供一种能克服上述缺点的刚柔耦合缓冲仿生足。
本发明包括有耦合足底部、上部柔层、足顶部盖板、扭转弹簧和压缩弹簧，耦合足底部的下端与地面接触，耦合足底部的上端圆周方向通过螺栓固定在上部柔层的下端，上部柔层的上端圆周方向通过螺栓固定在足顶部盖板的下端，足顶部盖板的上端与机器人的下肢连接；耦合足底部包括有径向足底板、底部柔层和侧向足底板，径向足底板的外部斜槽与底部柔层的内部斜凸啮合，底部柔层的外部斜凸与侧向足底板的内部斜槽啮合，径向足底板、底部柔层和侧向足底板的啮合面构成刚柔耦合的缓冲界面；上部柔层的下端凸台与耦合足底部的上端凹槽啮合，上部柔层的上端凸台与耦合足底部的下端凹槽啮合，第一层孔、第二层孔和第三层孔均匀分布在上部柔层的上端面，压缩弹簧均匀安装在第一层孔中，扭转弹簧均匀安装在第二层孔和第三孔中，上部柔层、压缩弹簧和扭转弹簧分别与足顶部盖板和耦合足底部构成刚柔耦合的缓冲界面。
所述的上部柔层和底部柔层的材质为橡胶，从而在仿生足的行走中起到缓冲减振作用。
本发明的工作原理和过程为：
本发明是根据具有优良缓冲性能的趾行四足动物-德国牧羊犬的足部拓扑结构及其材料特征得到的启示。
陆地上的四足趾行动物(如犬、猫)的足部在运动中与地面的接触，均是通过足部的趾端及足垫共同作用而完成的。同时，对角小跑是陆地上多数四足动物在奔跑时优先采用的步态，该运动状态下，地面对动物足部的冲击作用非常显著，而德国牧羊犬在该步态模式下的运动尤为平稳顺畅，缓冲表现更为突出。
经过观察分析，发现，德国牧羊犬的足部主要由骨骼(掌骨和趾骨)、韧带、肌肉及足垫组成，其中足垫又分为指垫和掌垫，呈离散分布结构。犬的足垫为黏弹性的软质材料，而足部骨骼则具有较高的刚性特征，连接骨骼的韧带及肌肉亦呈现黏弹特性。足垫位于掌骨及趾骨的正下方，当地面与犬足部发生接触作用时，冲击力逐次通过足垫-骨骼-韧带结构，其由于各结构的柔性-刚性-柔性特征及结合方式而发生一定程度的耗散及传播方向的分散与改变，将冲击力降低到适当范围，从而避免了冲击力过大对下肢造成损伤。
基于德国牧羊犬的足部拓扑结构及其材料特征，本发明将仿生足设计为足顶部盖板、径向足底板和侧向足底板三个刚性分体结构，分体结构间分别填充柔层和弹簧。本发明的各分体结构组合后，整体外形仍保持半球形，保证了多种条件下其与地面接触的稳定性及较佳的环境适应性。刚性分体结构与柔层及弹簧形成刚-柔相间的耦合体，地面冲击力作用于径向足底板，径向足底板沿着仿生足径向向上移动，将力传递至上部柔层中间区域，上部柔层发生变形，柔性层间的压缩弹簧随之被压缩，柔层与压缩弹簧共同作用吸收冲击能量；同时径向足底板带动侧向底部柔层，将部分冲击力通过底部柔层传递至侧向足底板，改变了部分冲击力的传递方向，侧向足底板压缩上部柔层外侧，上部柔层外侧及其内嵌压缩弹簧共同发生作用进一步变形吸收、削弱冲击力；上部柔层设置的扭转弹簧保证径向足底板、侧向足底板与足顶部盖板之间的剪切载荷的吸收与削弱，并确保压缩弹簧工作正常。上部柔层将经过削弱与吸收已经降至合理范围的的地面作用力传递至足顶部盖板，进而向腿部机构传递。
本发明的有益效果：
通过刚性分体结构与柔性连接的巧妙配合，耦合体结构呈现刚性-柔性-刚性-柔性的有机结合，实现了地面冲击力在径向和侧向方向的有效吸收与削弱，本发明整体表现出刚性支撑、柔性吸收的功能特点，从而具备良好的缓冲性能。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的剖视图。
图3为本发明实施例拆去足顶部盖板的轴测视图
图4为图2中A处的局部放大视图。
其中：1—径向足底板；2—底部柔层；3—侧向足底板；4—螺栓；5—上部柔层；6—足顶部盖板；7—扭转弹簧；8—压缩弹簧；9—耦合足底部；10—第一层孔；11—第二层孔；12—第三层孔；13—内侧斜凸；14—外侧斜凸；15—上端凸台；16—下端凸台。
具体实施方式
请参阅图1、图2、图3和图4所示，本实施例包括有耦合足底部9、上部柔层5、足顶部盖板6、扭转弹簧7和压缩弹簧8，耦合足底部9的下端与地面接触，耦合足底部9的上端圆周方向通过螺栓4固定在上部柔层5的下端，上部柔层5的上端圆周方向通过螺栓4固定在足顶部盖板6的下端，足顶部盖板6的上端与机器人的下肢连接；耦合足底部9包括有径向足底板1、底部柔层2和侧向足底板3，径向足底板1的外部斜槽与底部柔层2的内部斜凸13啮合，底部柔层2的外部斜凸14与侧向足底板3的内部斜槽啮合，径向足底板1、底部柔层2和侧向足底板3的啮合面构成刚柔耦合的缓冲界面；上部柔层5的下端凸台16与耦合足底部9的上端凹槽啮合，上部柔层5的上端凸台15与耦合足底部9的下端凹槽啮合，第一层孔10、第二层孔11和第三层孔12均匀分布在上部柔层5的上端面，压缩弹簧8均匀安装在第一层孔10中，扭转弹簧7均匀安装在第二层孔11和第三孔12中，上部柔层5、压缩弹簧8和扭转弹簧7分别与足顶部盖板6和耦合足底部9构成刚柔耦合的缓冲界面。
所述的上部柔层5和底部柔层2的材质为橡胶，从而在仿生足的行走中起到缓冲减振作用。
本实施例的工作过程和原理：
本实施例将仿生足设计为足顶部盖板6、径向足底板1和侧向足底板3三个刚性分体结构，分体结构间分别填充上部柔层5、底部柔层2、扭转弹簧7和压缩弹簧8。本实施例的各分体结构组合后，整体外形仍保持半球形，保证了多种条件下其与地面接触的稳定性及较佳的环境适应性。刚性分体结构与上部柔层5、底部柔层2及扭转弹簧和压缩弹簧形成刚-柔相间的耦合体，地面冲击力作用于径向足底板1，径向足底板3沿着仿生足径向向上移动，将力传递至上部柔层5中间区域，上部柔层5发生变形，上部柔层5间的压缩弹簧8随之被压缩，上部柔层5与压缩弹簧8共同作用吸收冲击能量；同时径向足底板1带动侧向底部柔层2，将部分冲击力通过底部柔层2传递至侧向足底板3，改变了部分冲击力的传递方向，侧向足底板3压缩上部柔层5外侧，上部柔层5外侧及其内嵌压缩弹簧8共同发生作用进一步变形吸收、削弱冲击力；上部柔层5设置的扭转弹簧7保证径向足底板1、侧向足底板3与足顶部盖板6之间的剪切载荷的吸收与削弱，并确保压缩弹簧8工作正常。上部柔层5将经过削弱与吸收已经降至合理范围的的地面作用力传递至足顶部盖板6，进而向腿部机构传递。

Claims (2)

1.一种刚柔耦合缓冲仿生足，其特征在于：包括有耦合足底部(9)、上部柔层(5)、足顶部盖板(6)、扭转弹簧(7)和压缩弹簧(8)，耦合足底部(9)的下端与地面接触，耦合足底部(9)的上端圆周方向通过螺栓(4)固定在上部柔层(5)的下端，上部柔层(5)的上端圆周方向通过螺栓(4)固定在足顶部盖板(6)的下端，足顶部盖板(6)的上端与机器人的下肢连接；耦合足底部(9)包括有径向足底板(1)、底部柔层(2)和侧向足底板(3)，径向足底板(1)的外部斜槽与底部柔层(2)的内部斜凸(13)啮合，底部柔层(2)的外部斜凸(14)与侧向足底板(3)的内部斜槽啮合，径向足底板(1)、底部柔层(2)和侧向足底板(3)的啮合面构成刚柔耦合的缓冲界面；上部柔层(5)的下端凸台(16)与耦合足底部(9)的上端凹槽啮合，上部柔层(5)的上端凸台(15)与耦合足底部(9)的下端凹槽啮合，第一层孔(10)、第二层孔(11)和第三层孔(12)均匀分布在上部柔层(5)的上端面，压缩弹簧(8)均匀安装在第一层孔(10)中，扭转弹簧(7)均匀安装在第二层孔(11)和第三层孔(12)中，上部柔层(5)、压缩弹簧(8)和扭转弹簧(7)分别与足顶部盖板(6)和耦合足底部(9)构成刚柔耦合的缓冲界面。
2.根据权利要求1所述的一种刚柔耦合缓冲仿生足，其特征在于：所述的上部柔层(5)和底部柔层(2)的材质为橡胶。
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