CN106347519B - 一种自适应沙地仿生机械足 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自适应沙地仿生机械足，主要应用在沙地上行走的足式机器人，由支架、直线电机、连接件、第一足趾、第二足趾、弹性面料和缓冲机构等组成；连接件由第一连接件、第二连接件、销轴和螺柱组成，缓冲机构由支架、足底、弹簧和连接柱组成，模拟鸵鸟跗跖关节，起到缓冲减震的作用。本发明可以实现机器人在沙地行走时足部落地两趾分开，弹性面料舒张，增大了接地面积，提高了机器人稳定性；抬起时，两趾闭合且重合一定的面积，弹性面料收缩，减小运动过程中受力面积。同时，第一足趾、第二足趾底部设计有凹槽结构，与弹性面料配合，能够实现固沙、限流的功能，能提高足式机器人步态稳定性和牵引性能。
Description
技术领域
本发明涉及足式机器人领域，具体涉及在沙地行走的机器人足部。
背景技术
机器人研究一直是机械领域的热门方向，当前机器人的移动方式主要为轮式、履带式和足式。轮式机器人效率高、操作方便，但沙地通过性较差。履带式机器人虽然可以在沙地、泥地行驶，运行稳定，履带板厚重，能耗大，速度慢。相对于前两种机器人，足式机器人由于步态灵活，越障性强，可适应多种不同地面，尤其在沙地等松软地面有良好的通过性能，因而备受关注。
传统的足式机器人大部分只注重在硬地面的行走，足部结构简单，适应性差。在沙地行走时足部会陷入沙中，导致足式机器人不能在沙地中正常行走。随着研究的深入，足式机器人必将要适应更多类型的地面，沙地地面就是其中的一种。传统的足式机器人已经不能满足在沙地上行走的需求。因此，如何使足式机器人能在沙地中稳定的行走是一个急需解决的问题。
非洲鸵鸟身高约为2.4m-2.8m，体重130kg-150kg。鸵鸟足部仅有两趾，主要与地面接触的是第Ⅲ趾，其与地面接触的有效长度不足20cm。但它在重载的情况下，能在沙地上高速、平稳的奔跑。速度能达到50—60Km/h，耐力持久，能持续30分钟。这得益于其优良的足部结构。其中跖趾关节起到缓冲减震的作用；第Ⅲ趾底面有凹槽结构，且与第Ⅳ趾之间的配合起到固沙、限流作用，从而提高了鸵鸟的抓地能力，一定程度上提高了鸵鸟的抗滑能力。当鸵鸟足部触地时，第Ⅲ趾和第Ⅳ趾张开；离地时，两趾合并减少奔跑过程中的阻力。两趾与蹼的配合，增大了与沙地的接触面积，提高了鸵鸟的牵引性能和步态的稳定性。以上无论是足趾独特的形貌特征，还是各个足趾部分的相互配合，都有助于鸵鸟在沙地上主动越沙、高速平稳的奔跑。
发明内容
本发明基于工程仿生学原理，以与地面直接接触的鸵鸟足为仿生原型。通过研究鸵鸟第Ⅲ趾和第Ⅳ趾的结构特点，以及二者之间的相互配合策略，设计出一种仿生机械足，能够实现在沙地中固沙、限流、稳定行走的功能。该机械足结构简单，控制方便，易于安装，固沙限流效果好。因此，本发明为研究足式机器人在沙地上稳定的行走提供了新的研究思路。
为了更好的解决足式机器人在沙地上正常行走的问题，本发明模仿鸵鸟第Ⅲ趾与第Ⅳ趾结构和功能特征，设计出一种自适应沙地仿生机械足，旨在使足式机器人在沙地中能高效、平稳的行走。
本发明包括支架、第一销轴、第二销轴、弹簧、足底、第一螺柱、螺母、垫片、第二连接件、第二螺柱、第二足趾、直线电机、第一连接件、第三销轴、连杆、第四销轴、第一足趾、矩形铁片、弹性面料和连接柱、第三螺柱。
支架上端通过螺纹或卡装的方式与机器人腿部相连；支架为中空结构，连接柱穿套支架下端，支架能沿连接柱上下运动，连接柱与足底为螺纹连接连接，弹簧套装在连接柱上，通过足底来调节弹簧的预紧力，当足部触底时弹簧可以起到减震、节能的作用。
直线电机上端与支架通过第一销轴铰连接，直线电机下端通过第二销轴与第一连接件铰连接；第一连接件下端与两个连杆均通过第三销轴铰连接，各连杆与第二连接件均通过第四销轴铰连接。
两个第二连接件分别与第一足趾和第二足趾上的第三螺柱相连接，通过螺母和垫片固定；连接件绕第三螺柱能转动，以保证第一足趾和第二足趾正常运动。
第一足趾和第二足趾和足底均通过第一螺柱铰连接，第一足趾和第二足趾相对足底能够左右转动，第一足趾和第二足趾共处于同一平面中。直线电机上下的往复运动能带动第一足趾和第二足趾张开或闭合。
矩形铁片被弹性面料两侧包裹，在矩形铁片的两端开有圆孔，第一足趾和第二足趾在对应的位置开有螺纹孔，通过第二螺柱把两个矩形铁片分别固定在第一足趾和第二足趾上面，进而把弹性面料固定在第一足趾和第二足趾的表面，第一足趾和第二足趾张开或闭合，带动弹性面料的舒张或收缩。弹性面料为氨纶纤维。第一足趾和第二足趾底部具有凹槽结构。
直线电机的往复运动，经第一连接件、连杆、第二连接件传动，从而带动第一足趾和第二足趾张开闭合。
支架起到支撑电机的作用，支架为中空结构，连接柱穿过支架通过螺纹与足底相连，弹簧套装在连接柱上，模拟了鸵鸟的跖趾关节在运动时垂直位移变化具有的缓冲、减震功能。当足部触地时会产生冲击，安装弹簧有缓冲、减震的作用；当足部抬起时，弹簧释放能量起到节能的作用。
仿生机械足第一足趾和第二足趾通过第一螺柱与足底铰连接，相对于足底可以转动。第一足趾、第二足趾底部有相同的凹槽结构起到固沙的作用。直线电机的向下运动时，第一足趾和第二足趾之间的角度增大。同时，第一足趾和第二足趾被分开且弹性面料被拉伸，增大了与地面的接触面积。直线电机向上运动时，第一足趾和第二足趾中间部分重合在一起，弹性面料恢复原状，减少了足部在运动中的受力面积。第一足趾和第二足趾一张一闭，一方面是增大了固沙面积，限制了沙粒的流动，另一方面减少了足部运动的阻力。这些有助于机器人稳定行走，提升了沙地通过性能。
本发明的有益效果：
第一足趾和第二足趾落地张开，增大与地面的接触面积，有助于足式机器人保持平衡，提高步态稳定性；抬脚收回，减小运动中的受力面积，有助于减小运动过程中的阻力。
不仅有第一足趾和第二足趾底部凹槽固沙，也有第一足趾和第二足趾配合固沙、限流，固沙结构叠加，效果明显，有效限制机器人滑移，提高了机器人的牵引性和沙地面通过性。
支架、连接柱、足底和弹簧构成减震机构，可以吸收足部落地时产生的冲击，当足部离地时释放能量，有缓冲、减震、节能的作用。
附图说明
图1是本发明闭合时的立体示意图。
图2是本发明张开时的立体示意图。
图3是本发明的连接柱与支架和足底配合的剖面图。
图4是本发明的第一足趾的主视图。
图5是本发明的第一足趾的左视图。
图6是本发明的第二足趾的主视图。
图7是本发明的第二足趾的左视图。
其中：1-支架，2-第一销轴，3-第二销轴，4-弹簧，5-足底，6-第一螺柱，7-螺母，8-垫片，9-第二连接件，10-第二螺柱，11-第二足趾，12-直线电机，13-第一连接件，14-第三销轴，15-连杆，16-第四销轴，17-第一足趾，18-矩形铁片，19-弹性面料，20-连接柱，21-第三螺柱。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，本发明包括支架1、第一销轴2、第二销轴3、弹簧4、足底5、第一螺柱6、螺母7、垫片8、第二连接件9、第二螺柱10、第二足趾11、直线电机12、第一连接件13、第三销轴14、连杆15、第四销轴16、第一足趾17、矩形铁片18、弹性面料19和连接柱20、第三螺柱21。
支架1上端通过螺纹或卡装的方式与机器人腿部相连；支架1为中空结构，连接柱20穿套支架1下端，支架1能沿连接柱20上下运动，连接柱20与足底5为螺纹连接连接，弹簧4套装在连接柱20上，通过足底5来调节弹簧4的预紧力，当足部触底时弹簧4可以起到减震、节能的作用。
直线电机12上端与支架1通过第一销轴2铰连接，直线电机12下端通过第二销轴3与第一连接件13铰连接；第一连接件13下端与两个连杆15均通过第三销轴14铰连接，各连杆15与第二连接件9均通过第四销轴16铰连接。
两个第二连接件9分别与第一足趾17和第二足趾11上的第三螺柱21相连接，通过螺母7和垫片8固定；连接件9绕第三螺柱21能转动，以保证第一足趾17和第二足趾11正常运动。
第一足趾17和第二足趾11和足底5均通过第一螺柱6铰连接，第一足趾17和第二足趾11相对足底5能够左右转动，第一足趾17和第二足趾11共处于同一平面中。直线电机12上下的往复运动能带动第一足趾17和第二足趾11张开或闭合。
矩形铁片18被弹性面料19两侧包裹，在矩形铁片18的两端开有圆孔，第一足趾17和第二足趾11在对应的位置开有螺纹孔，通过第二螺柱10把两个矩形铁片18分别固定在第一足趾17和第二足趾11上面，进而把弹性面料19固定在第一足趾17和第二足趾11的表面，第一足趾17和第二足趾11张开或闭合，带动弹性面料19的舒张或收缩。弹性面料19为氨纶纤维。
第一足趾17和第二足趾11底部具有凹槽结构。
第一足趾17与第二足趾11除去中间的重合部分，其大小比例为1:1。第一足趾17与第二足趾11的最宽处与其长度比例为1:2.5。第一足趾17长度与整个机械足的高度比为1:1.5。
Claims (3)
1.一种自适应沙地仿生机械足，其特征在于：包括支架(1)、第一销轴(2)、第二销轴(3)、弹簧(4)、足底(5)、第一螺柱(6)、螺母(7)、垫片(8)、第二连接件(9)、第二螺柱(10)、第二足趾(11)、直线电机(12)、第一连接件(13)、第三销轴(14)、连杆(15)、第四销轴(16)、第一足趾(17)、矩形铁片(18)、弹性面料(19)和连接柱(20)、第三螺柱(21)；
支架(1)上端通过螺纹或卡装的方式与机器人腿部相连；支架(1)为中空结构，连接柱(20)穿套支架(1)下端，支架(1)能沿连接柱(20)上下运动，连接柱(20)与足底(5)为螺纹连接连接，弹簧(4)套装在连接柱(20)上，通过足底(5)来调节弹簧(4)的预紧力，当足部触底时，弹簧(4)可以起到减震、节能的作用；
直线电机(12)上端与支架(1)通过第一销轴(2)铰连接，直线电机(12)下端通过第二销轴(3)与第一连接件(13)铰连接；第一连接件(13)下端与两个连杆(15)均通过第三销轴(14)铰连接，各连杆(15)与第二连接件(9)均通过第四销轴(16)铰连接；
两个第二连接件(9)分别与第一足趾(17)和第二足趾(11)上的第三螺柱(21)相连接，通过螺母(7)和垫片(8)固定；连接件(9)绕第三螺柱(21)能转动，以保证第一足趾(17)和第二足趾(11)正常运动；
第一足趾(17)和第二足趾(11)和足底(5)均通过第一螺柱(6)铰连接，第一足趾(17)和第二足趾(11)相对足底(5)能够左右转动，第一足趾(17)和第二足趾(11)共处于同一平面中；直线电机(12)上下的往复运动能带动第一足趾(17)和第二足趾(11)张开或闭合；
矩形铁片(18)被弹性面料(19)两侧包裹，在矩形铁片(18)的两端开有圆孔，第一足趾(17)和第二足趾(11)在对应的位置开有螺纹孔，通过第二螺柱(10)把两个矩形铁片(18)分别固定在第一足趾(17)和第二足趾(11)上面，进而把弹性面料(19)固定在第一足趾(17)和第二足趾(11)的表面，第一足趾(17)和第二足趾(11)张开或闭合，带动弹性面料(19)的舒张或收缩。
2.根据权利要求1所述的一种自适应沙地仿生机械足，其特征在于：所述的第一足趾(17)和第二足趾(11)底部具有凹槽结构。
3.根据权利要求1所述的一种自适应沙地仿生机械足，其特征在于：第一足趾(17)与第二足趾(11)除去中间的重合部分，其大小比例为1:1；第一足趾(17)与第二足趾(11)的最宽处与其长度比例为1:2.5；第一足趾(17)长度与整个机械足的高度比为1:1.5。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180727 |