CN104627264A - 柔性仿生机器人脚 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性仿生机器人脚，它包括：脚掌；脚趾组，该脚趾组包括前脚趾组和后脚趾组，前脚趾组和后脚趾组均具有脚趾机构，该脚趾机构包括支架、多个脚趾板和内侧活动缸，相邻的脚趾板铰接在一起，最内侧的脚趾板铰接在支架上，并且其中的脚趾板上滑动配装有滑块，内侧活动缸的一端与支架固定连接，另一端与滑块铰接，支架可转动地支承在脚掌上；脚蹼，相邻的脚趾机构之间通过该脚蹼相连接；脚趾转动机构，其设置在脚掌和脚趾机构之间以便驱动脚趾机构的支架相对于脚掌转动。本发明能够使机器人更加高效地在软土等环境下行走，能够防止土壤因过早出现塑性流动而使机器人脚下陷过深导致行走困难的现象。

Description

柔性仿生机器人脚
技术领域
本发明涉及一种柔性仿生机器人脚，属于机器人技术领域。
背景技术
目前，工业机器人技术较为成熟，而野外作业特种机器人在行走中仍存在较多困难，其中在沼泽，淤泥等野外作业环境，机器人对地形的适应问题尤其突出，存在易于沉陷等问题；传统的轮式机器人难以解决该问题；履带式机器人虽然可以大幅降低对地形的要求，但也存在灵活性差，维护成本高等缺点。沼泽生活的动物经过千万年的进化，能够在沼泽地上行走自如，为机器人研究提供了全新思路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种柔性仿生机器人脚，它能够使机器人更加高效地在软土等环境下行走，能够防止土壤因过早出现塑性流动而使机器人脚下陷过深导致行走困难的现象。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种柔性仿生机器人脚，它包括：
脚掌；
脚趾组，该脚趾组包括前脚趾组和后脚趾组，前脚趾组和后脚趾组均具有脚趾机构，该脚趾机构包括支架、多个脚趾板和内侧活动缸，相邻的脚趾板铰接在一起，最内侧的脚趾板铰接在支架上，并且其中的脚趾板上滑动配装有滑块，内侧活动缸的一端与支架固定连接，另一端与滑块铰接，支架可转动地支承在脚掌上；
脚蹼，相邻的脚趾机构之间通过该脚蹼相连接；
脚趾转动机构，其设置在脚掌和脚趾机构之间以便驱动脚趾机构的支架相对于脚掌转动。
进一步为了使其能够对地面具有缓冲减震的效果，每个所述的脚趾板的下侧还安装有减震结构，该减震结构包括支撑板和多组弹簧，弹簧的一端与相对应的脚趾板相连接，另一端与支撑板相连接。
进一步提供了缓冲减震效果最优时的弹簧的组数，每个减震结构上的弹簧为2～3组。
进一步为了使其压紧地面，起到限制土壤向外侧流动的作用，有效防止机器人脚进一步向下沉陷，避免脚趾发生侧滑现象，该柔性仿生机器人脚还包括压紧地面限流装置，该压紧地面限流装置包括限流板和安装在脚趾机构上的压紧地面装置，压紧地面装置包括外侧活动缸、连接板和外挡板，连接板的一端与最外侧的脚趾板相铰接，连接板的另一端与外挡板的一端相铰接，外挡板的另一端与最外侧的支撑板相铰接，所述的外侧活动缸的一端与支架相铰接，另一端与连接板相铰接，所述的限流板安装在相邻的两个脚趾机构上的外挡板之间。
进一步，外侧活动缸为活动缸或油缸或多级活动缸组或多级油缸组。
进一步为了更好地形成不同的脚趾弯曲形状，所述的支架包括上支架、转动支架和支架滑块，并且在转动支架上安装有支架活动缸，支架活动缸的活动端与支架滑块相铰接，支架滑块滑动配合在上支架上，上支架同时还铰接在转动支架上，所述的最内侧的脚趾板铰接在转动支架上。
进一步提供了一种脚趾转动机构的具体结构以便实现脚趾机构的转动，脚趾转动机构包括电机、减速机构、蜗轮蜗杆副、传动轴、水平锥齿轮和垂直锥齿轮和转动轴，电机与减速机构的输入轴相传动连接，减速机构的输出轴与蜗轮蜗杆副的蜗杆相传动连接，蜗轮蜗杆副的蜗轮套装在传动轴上，所述的垂直锥齿轮套装在传动轴上，水平锥齿轮与垂直锥齿轮相啮合，水平锥齿轮套装在转动轴上，所述的转动轴可转动地支承在脚掌上，所述的脚趾机构的支架与转动轴固定连接。
进一步，每个脚趾机构上的脚趾板为2～4个。
进一步，内侧活动缸为活动缸或油缸或多级活动缸组或多级油缸组。
进一步，所述的前脚趾组具有3～5个脚趾机构，所述的后脚趾组具有2～5个脚趾机构。
通过上述机构，形成一种柔性仿生机器人脚，当其与地面接触时，支架活动缸活塞向上运动推动上支架绕铰接点转动，使其外侧向下运动，调节脚趾的总体形状；内侧活动缸推动脚趾板运动，通过控制每个内侧活动缸的压力，从而形成不同的脚趾弯曲形状，其中弹簧起到缓冲减震的作用；同时，外侧活动缸推动连接板，使外挡板由水平变为倾斜，同时带动限流板倾斜，从而起到限制脚底土壤向外流动的作用；所述脚趾转动机构中的电机输出轴转动，经过减速机构与蜗杆相连，带动蜗轮转动，通过蜗轮带动垂直锥齿轮转动与水平锥齿轮转动，最终带动转动轴转动，从而带动脚趾机构转动；
本发明的有益效果是：脚趾通过内侧活动缸及脚趾转动机构，实现脚趾俯仰和水平角度的调整，可使脚底局部土壤呈三相压缩应力状态，从而起到增大脚底局部土壤的密度、提高其承载能力的作用，防止土壤因过早出现塑性流动而使机器人脚下陷更深，同时外挡板及限流板起到限制土壤向外侧流动的作用，有效防止机器人脚进一步向下沉陷，进一步弥补了现有机器人在软土环境下行走技术的不足。
附图说明
图1是本发明柔性仿生机器人脚的初始状态下的立体示意图；
图2是本发明脚趾机构的主视图；
图3是本发明的脚趾板与滑块装配示意图；
图4是本发明的脚趾转动机构与脚趾机构的连接示意图；
图5是本发明的脚趾机构弯曲状态示意图；
图6是本发明接触地面时的一种工作状态示意图；
其中，1-脚掌，3-脚蹼，4-脚趾转动机构，5-限流板；21-左前脚趾机构，22-中脚趾机构，23-右前脚趾机构，24-左后脚趾机构，25-右后脚趾机构，201-旋转支架，202-上支架，203-内侧活动缸，204-外侧活动缸，205-支架活动缸，206-支架滑块，207-脚趾板，208-滑块，209-支撑板，210-连接板，211-外挡板，212-弹簧，43-蜗杆，44-蜗轮，45-传动轴，46-水平锥齿轮，47-垂直锥齿轮，48-转动轴。
具体实施方式
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
如图1～6所示，一种柔性仿生机器人脚，它包括：
脚掌1；
脚趾组，该脚趾组包括前脚趾组和后脚趾组，前脚趾组和后脚趾组均具有脚趾机构，该脚趾机构包括支架、多个脚趾板207和内侧活动缸203，相邻的脚趾板207铰接在一起，最内侧的脚趾板207铰接在支架上，并且其中的脚趾板207上滑动配装有滑块208，内侧活动缸203的一端与支架固定连接，另一端与滑块208铰接，支架可转动地支承在脚掌1上；
脚蹼3，相邻的脚趾机构之间通过该脚蹼3相连接；
脚趾转动机构，其设置在脚掌1和脚趾机构之间以便驱动脚趾机构的支架相对于脚掌1转动。
每个所述的脚趾板207的下侧还安装有减震结构，该减震结构包括支撑板209和多组弹簧212，弹簧212的一端与相对应的脚趾板207相连接，另一端与支撑板209相连接。
每个减震结构上的弹簧212为2～3组。
柔性仿生机器人脚还包括压紧地面限流装置，该压紧地面限流装置包括限流板5和安装在脚趾机构上的压紧地面装置，压紧地面装置包括外侧活动缸204、连接板210和外挡板211，连接板210的一端与最外侧的脚趾板207相铰接，连接板210的另一端与外挡板211的一端相铰接，外挡板211的另一端与最外侧的支撑板209相铰接，外侧活动缸204的一端与支架相铰接，另一端与连接板210相铰接，限流板5安装在相邻的两个脚趾机构上的外挡板211之间。
外侧活动缸204为活动缸或油缸或多级活动缸组或多级油缸组。
支架包括上支架202、转动支架201和支架滑块206，并且在转动支架201上安装有支架活动缸205，支架活动缸205的活动端与支架滑块206相铰接，支架滑块206滑动配合在上支架202上，上支架202同时还铰接在转动支架201上，最内侧的脚趾板207铰接在转动支架201上。
脚趾转动机构包括电机、减速机构、蜗轮蜗杆副、传动轴45、水平锥齿轮46和垂直锥齿轮47和转动轴48，电机与减速机构的输入轴相传动连接，减速机构的输出轴与蜗轮蜗杆副的蜗杆43相传动连接，蜗轮蜗杆副的蜗轮44套装在传动轴45上，所述的垂直锥齿轮47套装在传动轴45上，水平锥齿轮46与垂直锥齿轮47相啮合，水平锥齿轮46套装在转动轴48上，转动轴48可转动地支承在脚掌1上，脚趾机构的支架与转动轴48固定连接。
每个脚趾机构上的脚趾板207为2～4个，但不限于此。
内侧活动缸203为活动缸或油缸或多级活动缸组或多级油缸组。
前脚趾组具有3～5个脚趾机构，后脚趾组具有2～5个脚趾机构。本实施例中前脚趾组为3个脚趾机构，分布在脚掌1的前侧分别为左前脚趾机构21，中脚趾机构22和右前脚趾机构23，所述的后脚趾组为2个脚趾机构，分布在脚掌1的后侧，分别为左后脚趾机构24和右后脚趾机构25。
本发明的工作原理如下：
如图5、图6所示，当支撑板209与地面接触时，支架活动缸205活塞向上运动推动上支架202绕铰接点转动，使其外侧向下运动，内侧活动缸203推动脚趾板205和支撑板207运动，通过控制内侧活动缸203的气压，从而形成不同的脚趾弯曲形状；其中弹簧212起到缓冲减震的作用，同时，外侧活动缸204推动连接板，使外挡板211由水平变为倾斜，同时带动限流板5倾斜，从而起到限制脚底土壤向外流动的作用；所述脚趾转动机构4中电机输出轴转动，经过减速机构与蜗杆43相连，带动蜗轮44转动，通过蜗轮44转动带动垂直锥齿轮47转动，同时水平锥齿轮46转动，以此带动转动轴48转动，从而带动左前脚趾机构21和右前脚趾机构23转动，与左后脚趾机构24和右后脚趾机构25转动，从而能够使机器人更加高效地在软土等环境下行走，能够防止土壤因过早出现塑性流动而使机器人脚下陷更深的现象。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性仿生机器人脚，其特征在于，它包括：
脚掌(1)；
脚趾组，该脚趾组包括前脚趾组和后脚趾组，前脚趾组和后脚趾组均具有脚趾机构，该脚趾机构包括支架、多个脚趾板(207)和内侧活动缸(203)，相邻的脚趾板(207)铰接在一起，最内侧的脚趾板(207)铰接在支架上，并且其中的脚趾板(207)上滑动配装有滑块(208)，内侧活动缸(203)的一端与支架固定连接，另一端与滑块(208)铰接，支架可转动地支承在脚掌(1)上；
脚蹼(3)，相邻的脚趾机构之间通过该脚蹼(3)相连接；
脚趾转动机构，其设置在脚掌(1)和脚趾机构之间以便驱动脚趾机构的支架相对于脚掌(1)转动。
2.根据权利要求1所述的柔性仿生机器人脚，其特征在于：每个所述的脚趾板(207)的下侧还安装有减震结构，该减震结构包括支撑板(209)和多组弹簧(212)，弹簧(212)的一端与相对应的脚趾板(207)相连接，另一端与支撑板(209)相连接。
3.根据权利要求2所述的柔性仿生机器人脚，其特征在于：每个减震结构上的所述的弹簧(212)为2～3组。
4.根据权利要求2所述的柔性仿生机器人脚，其特征在于：还包括压紧地面限流装置，该压紧地面限流装置包括限流板(5)和安装在脚趾机构上的压紧地面装置，压紧地面装置包括外侧活动缸(204)、连接板(210)和外挡板(211)，连接板(210)的一端与最外侧的脚趾板(207)相铰接，连接板(210)的另一端与外挡板(211)的一端相铰接，外挡板(211)的另一端与最外侧的支撑板(209)相铰接，所述的外侧活动缸(204)的一端与支架相铰接，另一端与连接板(210)相铰接，所述的限流板(5)安装在相邻的两个脚趾机构上的外挡板(211)之间。
5.根据权利要求4所述的柔性仿生机器人脚，其特征在于：所述的外侧活动缸(204)为活动缸或油缸或多级活动缸组或多级油缸组。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的柔性仿生机器人脚，其特征在于：所述的支架包括上支架(202)、转动支架(201)和支架滑块(206)，并且在转动支架(201)上安装有支架活动缸(205)，支架活动缸(205)的活动端与支架滑块(206)相铰接，支架滑块(206)滑动配合在上支架(202)上，上支架(202)同时还铰接在转动支架(201)上，所述的最内侧的脚趾板(207)铰接在转动支架(201)上。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的所述的柔性仿生机器人脚，其特征在于：脚趾转动机构包括电机、减速机构、蜗轮蜗杆副、传动轴(45)、水平锥齿轮(46)和垂直锥齿轮(47)和转动轴(48)，电机与减速机构的输入轴相传动连接，减速机构的输出轴与蜗轮蜗杆副的蜗杆(43)相传动连接，蜗轮蜗杆副的蜗轮(44)套装在传动轴(45)上，所述的垂直锥齿轮(47)套装在传动轴(45)上，水平锥齿轮(46)与垂直锥齿轮(47)相啮合，水平锥齿轮(46)套装在转动轴(48)上，所述的转动轴(48)可转动地支承在脚掌(1)上，所述的脚趾机构的支架与转动轴(48)固定连接。
8.根据权利要求1所述的柔性仿生机器人脚，其特征在于：每个脚趾机构上所述的脚趾板(207)为2～4个。
9.根据权利要求1所述的柔性仿生机器人脚，其特征在于：所述的内侧活动缸(203)为活动缸或油缸或多级活动缸组或多级油缸组。
10.根据权利要求1所述的柔性仿生机器人脚，其特征在于：所述的前脚趾组具有3～5个脚趾机构，所述的后脚趾组具有2～5个脚趾机构。
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