CN106625590A - 缓冲节能与主动抗沉陷仿生机械足 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种缓冲节能与主动抗沉陷仿生机械足，由跗跖骨、跖趾关节、第二趾骨、第三趾骨、舵机和趾垫组成，跖趾关节由底座、支座、连杆、弹簧、水平滑块、第一趾骨、垂直滑块、销轴等组成。本发明以鸵鸟足为仿生原型。一方面，从鸵鸟足在沙地高速奔跑时触沙、越沙的运动形态考虑，设计了永久离地的跖趾关节，起到了储能、缓冲、节能的作用；另一方面，从材料组装方面考虑，趾骨选取刚性材料，趾垫选取橡胶材料，刚柔耦合对骨架起到了保护作用。另外，从鸵鸟足离沙姿态主动抗沉陷特性考虑，设计了舵机驱动趾骨依次离地，起到了主动抗沉陷的作用。本发明结构简单，且实现多重功能，有利于提高机器人在沙地等松软地面的行走能力。

Description

缓冲节能与主动抗沉陷仿生机械足

技术领域

本发明属于工程仿生技术领域，具体涉及一种缓冲节能与主动抗沉陷仿生机械足。

背景技术

随着机械设计和控制技术的发展，机器人已俨然成为一个研究热点。各国相继研究出不同的机器人，主要应用包括矿产采掘、星际探测、抢险救灾和军事侦查与反恐等。但是，当前机器人面向的环境多是硬地面，面向松软地面的机器人相对较少。足作为机器人的执行机构之一，精细化研究已显的尤为重要。足部设计的好坏，将对机器人的平衡性、通过性、牵引性等会产生深刻的影响。已经研究出的机械足多从支撑平衡、缓冲等方面考虑，主动抗沉陷的研究则相对较少。另外，缓冲、减振等功能多数是通过弹簧、套筒等组装，材料组装和构件组装等刚柔耦合应用则相对较少。

非洲鸵鸟，是一种不会飞，但是奔跑速度很快的鸟。鸵鸟常年生活在沙漠地带，体型巨大，体高1.75～2.75m，体重60～160kg，奔跑速度可达50km/h，持续半小时以上。在鸵鸟高速奔跑过程中，足作为与沙地直接接触的部位，独特的结构形貌、运动形态等起到了缓冲减振、抗冲击、节能、抗沉陷等作用。因此，选取鸵鸟足为仿生原型，从鸵鸟足的运动形态和材料组装等方面考虑，设计了一种缓冲节能与主动抗沉陷仿生机械足。

发明内容

本发明是基于工程仿生原理，以鸵鸟足为仿生原型，通过机械设计和控制相结合，设计了一种缓冲节能与主动抗沉陷仿生机械足，本发明一方面模仿鸵鸟跖趾关节的运动形态，起到了缓冲、减振、储能、节能等作用；另一方面，通过刚性和柔性材料组装，模仿鸵鸟足的骨架和足底趾垫，对整个机械结构起到了保护作用。同时，模仿鸵鸟足离沙姿态——趾骨依次离地，起到了主动抗沉陷的作用。该仿生机械足主要应用于机器人领域，尤其是提高机器人在松软地面的通过性具有较好的效果。

本发明包括跖趾关节、底座、支座、第一弹簧、销轴、垂直滑块、第二弹簧、连杆、跗跖骨、第一趾骨、水平滑块、第一舵机、第二趾骨、第二舵机、第三趾骨和法兰盘；

跖趾关节由底座、支座、垂直连杆、水平连杆、第一垂直弹簧、第二垂直弹簧、第一水平弹簧、第二水平弹簧、水平滑块、第一趾骨、垂直滑块和销轴组成，底座的垂直面安装有四个支座，四个支座分布在底座垂直面的四个角处，左侧和右侧的上下两个支座均穿设垂直连杆，两个垂直连杆上套设有第一垂直弹簧和第二垂直弹簧，第一垂直弹簧位于下方，第二垂直弹簧位于上方，垂直滑块套设在垂直连杆上，垂直滑块位于第一垂直弹簧与第二垂直弹簧之间；底座的水平面安装有四个支座，四个支座分布在底座水平面的四个角处，左侧和右侧的前后两个支座均穿设水平连杆，两个水平连杆上套设有第一水平弹簧和第二水平弹簧，第一水平弹簧位于内侧，第二水平弹簧位于外侧，水平滑块套设在水平连杆上，水平滑块位于第一水平弹簧与第二水平弹簧之间；第一趾骨的上端通过销轴与垂直滑块铰接，第一趾骨的下端通过销轴与水平滑块铰接；跗跖骨与垂直滑块固定连接在一起；当跗跖骨向下移动时，垂直滑块也会随之向下移动，压缩垂直方向上的第一垂直弹簧。第一趾骨上端会向下移动，从而驱动水平滑块沿着水平连杆向外侧移动，水平滑块外侧的第二水平弹簧被压缩，起到了储存能量的作用。压缩的第一垂直弹簧和第二水平弹簧要恢复原样，从而驱动水平滑块向内侧移动，在第一趾骨的作用下，垂直滑块会沿着垂直连杆向上移动，起到了释放能量、节能的作用。底座与第二趾骨之间安装第一舵机，第二趾骨与第三趾骨之间安装第二舵机，第一舵机安装在第二趾骨上，第一舵机的输出轴通过法兰盘与底座连接；第二舵机安装在第三趾骨上，第二舵机的输出轴通过法兰盘与第二趾骨连接。在一个跨步周期内，当机械足触地后，足底与土壤之间的摩擦力带动整个身体向前移动。推动身体向前运动将要完成时，足趾实现依次离地。第一舵机驱动底座旋转，实现底座离地。当底座离地完成时，第二舵机驱动第二趾骨旋转，实现第二趾骨离地。底座和第二趾骨依次离地起到了主动抗沉陷的作用。第三趾骨不离地，起到支点的作用。底座的底面安装有第一趾垫、第二趾骨的底面安装有第二趾垫、第三趾骨的底面安装有第三趾垫。安装方式为底座、第二趾骨、第三趾骨上钻有通孔，第一趾垫、第二趾垫和第三趾垫上的圆柱凸台插入这些孔中，辅助使用适量胶水，以达到固定趾垫的目的。

所述的第一垂直弹簧的刚度系数要大于第二垂直弹簧，第二水平弹簧的刚度系数要大于第一水平弹簧。

所述的第一趾垫、第二趾垫和第三趾垫材质为橡胶。

本发明从鸵鸟足的运动形态和材料组装等方面考虑，设计了永久离地的跖趾关节、依次离地的趾骨——底座和第二趾骨，同时柔性的橡胶趾垫——第一趾垫、第二趾垫和第三趾垫与刚性的趾骨耦合组装，实现了缓冲、节能、主动抗沉陷等功能。

本发明的仿生原理：

鸵鸟在奔跑时，由于鸵鸟自身身体较重，再加上奔跑时加速冲击，跖趾关节要承受巨大的冲击力。因此，要求跖趾关节要具有缓冲、减振、储能、放能等作用。其中，第一趾骨作为连接跗跖骨和第二趾骨的中间骨骼，其位置非常独特。第一趾骨上端可上下移动，下端可以左右移动，整体可以实现一个来回往复的摆动，这也是跖趾关节永久离地的一个原因。因此，设计了底座、支座、连杆、弹簧、水平滑块、第一趾骨、垂直滑块、销轴等构件，从运动形态、功能上来模仿跖趾关节。

当鸵鸟一个跨步快要结束时，鸵鸟足趾并不是整体瞬间离地，而是趾骨从脚后跟开始依次离地。足趾依次离地对主动抗沉陷起到了至关重要的作用。这也是鸵鸟在沙地能快速触沙、越沙，并且离沙时脚印非常浅的原因。因此，在底座与第二趾骨、第二趾骨与第三趾骨之间分别设计了舵机、法兰盘等构件，模仿鸵鸟足趾依次离地的运动形态，以达到主动抗沉陷的目的。

对鸵鸟足趾进行大体解剖，发现趾骨下面分布了三条圆柱型的趾垫。趾垫主要由脂肪构成。在鸵鸟高速奔跑时，脂肪起到了缓冲、减振、保护趾骨等作用。因此，设计了半圆柱型的趾垫，分别将其安装在底座、第二趾骨、第三趾骨下面。刚柔耦合，对骨架起到保护作用。

本发明的工作原理：

在一个跨步周期中，当足底与地面接触后，足底设计的橡胶趾垫会压缩，对底座、趾骨起到了保护作用。跗跖骨在身体重量的施压下，会带动垂直滑块向下移动，压缩垂直滑块下端的第一垂直弹簧。第一趾骨在垂直滑块的驱动下摆动，从而驱动水平滑块向外移动，压缩右侧的第二水平弹簧，起到了缓冲、储能的作用。压缩后的第一垂直弹和第二水平弹簧要恢复原样，会推动水平滑块向内侧移动，带动第一趾骨摆动，从而第一趾骨驱动垂直滑块向上移动，起到了释放能量、节能的作用。当足底的橡胶趾垫与地面之间的摩擦力驱动整个身体向前移动且足趾要离地时，坐在第二趾骨上的第一舵机旋转，驱动跖趾关节的底座离地。当底座离地将要完成时，坐在第三趾骨上的第二舵机旋转，驱动第二趾骨的离地。第三趾骨始终与地面接触，起到支点的作用。趾骨的依次离地对机械足的主动抗沉陷起到了重要作用。

本发明的有益效果：

该仿生机械足跖趾关节具有缓冲、节能的作用，趾骨依次离地具有主动抗沉陷的作用，趾垫具有保护骨架的作用。整体结构简单，且实现多重功能，有利于提高机器人在松软地面的通过性。

附图说明

图1为本发明的立体图。

图2为本发明局部立体图。

图3为本发明的侧视图。

图4为本发明的足底底面视图。

其中：1-底座，2-支座，3-第一垂直弹簧，31-第一水平弹簧，4-销轴，5-垂直滑块，6-第二垂直弹簧，61-第二水平弹簧，7-垂直连杆，71-水平连杆，8-跗跖骨，9-第一趾骨，10-水平滑块，11-第一舵机，12-第二趾骨，13-第二舵机，14-第三趾骨，15-法兰盘，16-第一趾垫，17-第二趾垫，18-第三趾垫。

具体实施方式

请参阅图1、图2和图3所示，本发明包括跖趾关节、底座1、支座2、第一弹簧3、销轴4、垂直滑块5、第二弹簧6、连杆7、跗跖骨8、第一趾骨9、水平滑块10、第一舵机11、第二趾骨12、第二舵机13、第三趾骨14、法兰盘15、第一趾垫16、第二趾垫17和第三趾垫18；

跖趾关节由底座1、支座2、垂直连杆7、水平连杆71、第一垂直弹簧3、第二垂直弹簧6、第一水平弹簧31、第二水平弹簧61、水平滑块10、第一趾骨9、垂直滑块5和销轴4组成，底座1的垂直面安装有四个支座2，四个支座2分布在底座1垂直面的四个角处，左侧和右侧的上下两个支座2均穿设垂直连杆7，两个垂直连杆7上套设有第一垂直弹簧3和第二垂直弹簧6，第一垂直弹簧3位于下方，第二垂直弹簧6位于上方，垂直滑块5套设在垂直连杆7上，垂直滑块5位于第一垂直弹簧3与第二垂直弹簧6之间；底座1的水平面安装有四个支座2，四个支座2分布在底座1水平面的四个角处，左侧和右侧的前后两个支座2均穿设水平连杆71，两个水平连杆71上套设有第一水平弹簧31和第二水平弹簧61，第一水平弹簧31位于内侧，第二水平弹簧61位于外侧，水平滑块10套设在水平连杆71上，水平滑块10位于第一水平弹簧31与第二水平弹簧61之间；第一趾骨9的上端通过销轴4与垂直滑块5铰接，第一趾骨9的下端通过销轴4与水平滑块10铰接；跗跖骨8与垂直滑块5固定连接在一起；

当跗跖骨8向下移动时，垂直滑块5也会随之向下移动，压缩垂直方向上的第一垂直弹簧3。第一趾骨9上端会向下移动，从而驱动水平滑块10沿着水平连杆71向外侧移动，水平滑块10外侧的第二水平弹簧61被压缩，起到了储存能量的作用。压缩的第一垂直弹簧3和第二水平弹簧61要恢复原样，从而驱动水平滑块10向内侧移动，在第一趾骨9的作用下，垂直滑块5会沿着垂直连杆7向上移动，起到了释放能量、节能的作用。

底座1与第二趾骨12之间安装第一舵机11，第二趾骨12与第三趾骨14之间安装第二舵机13，第一舵机11安装在第二趾骨12上，第一舵机11的输出轴通过法兰盘15与底座1连接；第二舵机13安装在第三趾骨14上，第二舵机13的输出轴通过法兰盘15与第二趾骨12连接。在一个跨步周期内，当机械足触地后，足底与土壤之间的摩擦力带动整个身体向前移动。推动身体向前运动将要完成时，足趾实现依次离地。第一舵机11驱动底座1旋转，实现底座1离地。当底座1离地完成时，第二舵机13驱动第二趾骨12旋转，实现第二趾骨12离地。底座1和第二趾骨12依次离地起到了主动抗沉陷的作用。第三趾骨14不离地，起到支点的作用。

请参阅图4所示，底座1的底面安装有第一趾垫16、第二趾骨12的底面安装有第二趾垫17、第三趾骨14的底面安装有第三趾垫18。安装方式为底座1、第二趾骨12、第三趾骨14上钻有通孔，第一趾垫16、第二趾垫17和第三趾垫18上的圆柱凸台插入这些孔中，辅助使用适量胶水，以达到固定趾垫的目的。

所述的第一垂直弹簧3的刚度系数要大于第二垂直弹簧6，第二水平弹簧61的刚度系数要大于第一水平弹簧31。

所述的第一趾垫16、第二趾垫17和第三趾垫18材质为橡胶。

本发明从鸵鸟足的运动形态和材料组装等方面考虑，设计了永久离地的跖趾关节、依次离地的趾骨——底座1和第二趾骨12，同时柔性的橡胶趾垫——第一趾垫16、第二趾垫17和第三趾垫18与刚性的趾骨耦合组装，实现了缓冲、节能、主动抗沉陷等功能。

Claims (4)

1.一种缓冲节能与主动抗沉陷仿生机械足，其特征在于：包括跖趾关节、底座(1)、支座(2)、第一垂直弹簧(3)、销轴(4)、垂直滑块(5)、第二垂直弹簧(6)、连杆(7)、跗跖骨(8)、第一趾骨(9)、水平滑块(10)、第一舵机(11)、第二趾骨(12)、第二舵机(13)、第三趾骨(14)和法兰盘(15)；

跖趾关节由底座(1)、支座(2)、垂直连杆(7)、水平连杆(71)、第一垂直弹簧(3)、第二垂直弹簧(6)、第一水平弹簧(31)、第二水平弹簧(61)、水平滑块(10)、第一趾骨(9)、垂直滑块(5)和销轴(4)组成，底座(1)的垂直面安装有四个支座(2)，四个支座(2)分布在底座(1)垂直面的四个角处，左侧和右侧的上下两个支座(2)均穿设垂直连杆(7)，两个垂直连杆(7)上套设有第一垂直弹簧(3)和第二垂直弹簧(6)，第一垂直弹簧(3)位于下方，第二垂直弹簧(6)位于上方，垂直滑块(5)套设在垂直连杆(7)上，垂直滑块(5)位于第一垂直弹簧(3)与第二垂直弹簧(6)之间；底座(1)的水平面安装有四个支座(2)，四个支座(2)分布在底座(1)水平面的四个角处，左侧和右侧的前后两个支座(2)均穿设水平连杆(71)，两个水平连杆(71)上套设有第一水平弹簧(31)和第二水平弹簧(61)，第一水平弹簧(31)位于内侧，第二水平弹簧(61)位于外侧，水平滑块(10)套设在水平连杆(71)上，水平滑块(10)位于第一水平弹簧(31)与第二水平弹簧(61)之间；第一趾骨(9)的上端通过销轴(4)与垂直滑块(5)铰接，第一趾骨(9)的下端通过销轴(4)与水平滑块(10)铰接；跗跖骨(8)与垂直滑块(5)固定连接在一起；

底座(1)与第二趾骨(12)之间安装第一舵机(11)，第二趾骨(12)与第三趾骨(14)之间安装第二舵机(13)，第一舵机(11)安装在第二趾骨(12)上，第一舵机(11)的输出轴通过法兰盘(15)与底座(1)连接；第二舵机(13)安装在第三趾骨(14)上，第二舵机(13)的输出轴通过法兰盘(15)与第二趾骨(12)连接。

2.根据权利要求1所述的一种缓冲节能与主动抗沉陷仿生机械足，其特征在于：所述的底座(1)的底面安装有第一趾垫(16)、第二趾骨(12)的底面安装有第二趾垫(17)、第三趾骨(14)的底面安装有第三趾垫(18)。

3.根据权利要求2所述的一种缓冲节能与主动抗沉陷仿生机械足，其特征在于：所述的第一趾垫(16)、第二趾垫(17)和第三趾垫(18)材质为橡胶。

4.根据权利要求1所述的一种缓冲节能与主动抗沉陷仿生机械足，其特征在于：所述的第一垂直弹簧(3)的刚度系数要大于第二垂直弹簧(6)，第二水平弹簧(61)的刚度系数要大于第一水平弹簧(31)。