CN106697098B - 一种仿猫爪伸缩特性的机械足 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿猫爪伸缩特性的机械足，包括脚掌和脚趾，其特征是设置脚趾为三趾节，以三趾节的伸缩运动获得仿猫爪的伸缩特性；三趾节分别是根趾节、中趾节和前趾节；根趾节铰接在脚掌的前端，中趾节铰接在根趾节与前趾节之间，形成串联的“∧”形和“∨”形结构，在前趾节的前端固定连接呈钩的脚爪；利用驱动机构同步驱动脚趾中的三趾节，使得“∧”形与“∨”形结构同步缩小夹角，实现脚趾在长度上的收缩，且脚爪上抬；或是，利用驱动机构同步驱动脚趾中的三趾节，使得“∧”形与“∨”形结构同步增大夹角，实现脚趾在长度上的伸展，且脚爪下钩。本发明真正达到仿猫爪的伸缩特性，且轻便、易控制。

Description

一种仿猫爪伸缩特性的机械足

技术领域

本发明涉及一种仿猫爪伸缩特性的机械足，属于机械仿生领域。

背景技术

近年来，科学技术的进步推动了移动机器人的发展，越来越多的移动机器人被人们运用到日常生活和工业生产当中。对于一些较为复杂的作业环境，单一的地面移动或爬壁机器人无法完成任务，因此人们对移动机器人的性能、体积和结构等方面提出了更高的要求。结合仿生学设计相关结构是当前移动机器人的发展趋势之一。

众所周知，猫的爪子具有伸缩自如的特性，在休息、行走时爪子一般呈收缩状态，这样可以减少摩擦，节省体力；在捕猎、攀爬时，爪子呈伸展状态，起到辅助作用。猫的脚底有肉垫，具有消音减震的效果。

中国专利CN102267507A，公开了一种攀爬行走双模式仿生猫爪机构，包括掌骨和三个指节骨，三个指节骨均由单独的电机通过蜗轮蜗杆传动装置进行驱动，利用蜗轮蜗杆传动装置使各指节骨向下弯曲或向上伸展，实现猫爪在粗糙表明攀爬与稳定行走两种活动的模式转换，该机构虽然在结构上仿猫爪，但在运动方式上并未仿猫爪伸缩特性，同时，其用于驱动指节骨转动的电机数量达到十二只之多，不仅存在各电机的协同控制问题，而且使得猫爪整体体积大、重量大，并不能真正达到仿猫爪的轻便性。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种仿猫爪伸缩特性的机械足，以期真正达到仿猫爪的伸缩特性，以及其轻便性，简化控制。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明仿猫爪伸缩特性的机械足，包括脚掌和脚趾，其结构特点是：设置脚趾为三趾节，以所述三趾节的伸缩运动获得仿猫爪的伸缩特性；

所述三趾节分别是根趾节、中趾节和前趾节；所述根趾节的尾端通过第一铰接杆铰接在脚掌的前端，根趾节的前端通过第二铰接杆与中趾节的尾端铰接，中趾节的前端通过第三铰接杆与前趾节的尾端铰接，使得所述根趾节与中趾节铰接成“∧”形结构，中趾节与前趾节铰接成“∨”形结构；在所述前趾节的前端固定连接呈钩的脚爪；

所述伸缩式运动是指：利用驱动机构同步驱动脚趾中的三趾节，使得所述“∧”形结构与“∨”形结构同步缩小夹角，实现脚趾在长度上的收缩，且脚爪上抬；或是，利用驱动机构同步驱动脚趾中的三趾节，使得所述“∧”形结构与“∨”形结构同步增大夹角，实现脚趾在长度上的伸展，且脚爪下钩。

本发明仿猫爪伸缩特性的机械足的结构特点也在于：所述驱动机构是固定安装在脚掌的内腔中的电机，电机的转动输出通过伞齿轮转向传递至第一铰接杆，在所述第一铰接杆与第二铰接杆之间设置第一皮带传动机构，在所述第二铰接杆与第三铰接杆之间设置第二皮带传动机构；所述第一铰接杆与脚掌为可转动的铰接，与根趾节为固定连接；所述第二铰接杆与根趾节为可转动的铰接，与中趾节为固定连接；所述第三铰接杆与中趾节为可转动的铰接，与前趾节为固定连接。

本发明仿猫爪伸缩特性的机械足的结构特点也在于：所述第一皮带传动机构和第二皮带传动机构是由主动带轮、从动带轮和皮带构成，所述皮带设置为交叉带；所述主动带轮的直径大于从动带轮的直径。

本发明仿猫爪伸缩特性的机械足的结构特点也在于：在所述第二铰接杆的两端设置有中节钮簧，在所述第三铰接杆的两端设置有前节钮簧；利用所述中节钮簧和前节钮簧为脚趾的收缩运动提供反向缓冲力，并且在机械足攀爬运动时，为脚趾的伸展提供助力，使脚爪稳固地贴合于攀爬面。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明以三趾节的伸缩运动真正实现了仿猫爪的伸缩特性；

2、本发明在伸缩过程中，其脚趾占位小，大大降低了对于活动所需空间的要求，更加适宜于在狭小空间中运动；

3、本发明在收缩状态下，其脚趾长度的缩短使足部质心向脚掌偏移，提高了相应状态下脚掌动作的稳定；

4、本发明中一根脚趾仅由一只电机进行驱动，通过皮带传动实现了各趾节的联动，其动作准确，控制方式简单，更极大地减化了结构设置，大幅度减轻重量，缩小体积，轻便灵活，更进一步增强了在狭小空间中的适应性；

5、本发明中采用皮带传动，改变中心距即可实现各趾骨不同长度的调节，从而适应不同的应用需求；

6、本发明中设置的钮簧为脚爪的收缩运动提供反向缓冲力，当机械足进行攀爬运动时扭簧则能使脚爪更好地贴合攀爬面，可以根据机器人重量、攀爬表面光滑程度等调整扭簧刚度，因此能够有效避免钩爪与接触面的刚性碰撞，提高机械足工作的稳定性和可靠性。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中脚掌结构示意图；

图3为本发明中脚趾传动结构示意图；

图4为本发明中脚趾收缩状态示意图；

图5为本发明中脚趾伸展状态示意图；

图中标号：1脚掌，2脚爪，3前趾节，4中趾节，5根趾节，6支架，7紧固螺钉，8端面螺钉，9橡胶减震垫，10电机，11主动伞齿轮，12第一铰接杆，13从动伞齿轮，14第二主动带轮，15第一中节钮簧，16第二铰接杆，17第二交叉带，18第一前节钮簧，19第三铰接杆，20第二从动带轮，21第二前节钮簧，22第一从动带轮，23第二中节钮簧，24第一交叉带，25第一主动带轮。

具体实施方式

参见图1、图4和图5，本实施例中仿猫爪伸缩特性的机械足包括脚掌和脚趾，设置脚趾为三趾节，以三趾节的伸缩运动获得仿猫爪的伸缩特性。

如图1和图3所示，本实施例中三趾节分别是根趾节5、中趾节4和前趾节3；根趾节5的尾端通过第一铰接杆12铰接在脚掌1的前侧，根趾节5的前端通过第二铰接杆16与中趾节的尾端铰接，中趾节的前端通过第三铰接杆19与前趾节的尾端铰接，使得根趾节与中趾节铰接成“∧”形结构，中趾节与前趾节铰接成“∨”形结构；在前趾节3的前端固定连接呈钩的脚爪2。

本实施例中伸缩式运动是指：利用驱动机构同步驱动脚趾中的三趾节，使得“∧”形结构与“∨”形结构同步缩小夹角，实现脚趾在长度上的收缩，且脚爪上抬，如图4所示。利用驱动机构同步驱动脚趾中的三趾节，使得“∧”形结构与“∨”形结构同步增大夹角实现脚趾在长度上的伸展，且脚爪下钩，如图5所示；伸缩式运动使能够在有限的空间里伸缩自如。

如图3所示，本实施例中以优化的驱动机构实现欠驱动方式，是在脚掌1的内腔中固定安装驱动电机10，驱动电机10的转动输出通过相互啮合的主动伞齿轮11和从动伞齿轮13按90°转向并传递至第一铰接杆12，在第一铰接杆12与第二铰接杆16之间设置第一皮带传动机构，在第二铰接杆16与第三铰接杆19之间设置第二皮带传动机构；第一铰接杆12与脚掌1为可转动的铰接，与根趾节5为固定连接；第二铰接杆16与根趾节5为可转动的铰接，与中趾节4为固定连接；第三铰接杆19与中趾节4为可转动的铰接，与前趾节3为固定连接；这一欠驱动方式动作协调性好，更容易适应非结构环境。

具体实施中，第一皮带传动机构和第二皮带传动机构是由主动带轮、从动带轮和皮带构成，皮带设置为交叉带，利用交叉带实现相连两趾节的反向转动；主动带轮的直径大于从动带轮的直径，起到逐级放大的效果，根趾节转动一个较小的角度，就能够实现钩爪伸展和收缩的动作，动作灵活，易于实施。图3所示是由第一主动带轮25、第一从动带轮22和第一交叉带24构成第一皮带传动机构，由第二主动带轮14、第二从动带轮20和第二交叉带17构成第二皮带传动机构，其中，第一主动带轮25的直径大于第一从动带轮22的直径，第二主动带轮14的直径大于第二从动带轮20的直径。

在第二铰接杆16的两端设置中节钮簧，分别是第一中节钮簧15和第二中节钮簧23，在第三铰接杆19的两端设置有前节钮簧，分别是第一前节钮簧18和第二前节钮簧21；利用中节钮簧和前节钮簧为脚趾的收缩运动提供反向缓冲力，并且在机械足攀爬运动时，为脚趾的伸展提供助力，使脚爪2稳固地贴合于攀爬面。

具体实施中相应的结构设置也包括：

整个机械足是以脚掌1作为机架，在脚掌1的前端面上设置凹槽，驱动电机10安装在由凹槽形成的内腔中，并用紧固螺钉7进行固定，为了实现与根趾节之间的连接，在脚掌前端按各脚趾的位置利用端面螺钉8固定安装支架6，根趾节5与支架6通过第一铰接杆12实现铰接；在脚掌1的底部安装有橡胶减震垫9，起到减震隔音的作用。

电机10的转动通过一对相互啮合的伞齿轮传递至第一铰接杆12，利用第一铰接杆12带动跟趾节，并通过皮带传动机构实现中趾节和前趾节的联动。

当机械足处于静止或行走状态时，钩爪收缩呈如图4所示状态，此时由脚掌承受整机重量，脚趾既得到保护，也避免了状态造成干扰。

当机械足处于奔跑或攀爬模式时，钩爪伸展呈如图5所示状态，此时利用钩爪辅助奔跑，或利用钩爪进行攀爬。

Claims (4)

1.一种仿猫爪伸缩特性的机械足，包括脚掌和脚趾，其特征是：设置脚趾为三趾节，以所述三趾节的伸缩运动获得仿猫爪的伸缩特性；

所述三趾节分别是根趾节(5)、中趾节(4)和前趾节(3)；所述根趾节(5)的尾端通过第一铰接杆(12)铰接在脚掌(1)的前端，根趾节(5)的前端通过第二铰接杆(16)与中趾节(4)的尾端铰接，中趾节(4)的前端通过第三铰接杆(19)与前趾节(2)的尾端铰接，使得所述根趾节(5)与中趾节(4)铰接成“∧”形结构，中趾节(4)与前趾节(3)铰接成“∨”形结构；在所述前趾节(3)的前端固定连接呈钩的脚爪(2)；

所述伸缩式运动是指：利用驱动机构同步驱动脚趾中的三趾节，使得所述“∧”形结构与“∨”形结构同步缩小夹角，实现脚趾在长度上的收缩，且脚爪上抬；或是，利用驱动机构同步驱动脚趾中的三趾节，使得所述“∧”形结构与“∨”形结构同步增大夹角，实现脚趾在长度上的伸展，且脚爪下钩。

2.根据权利要求1所述的仿猫爪伸缩特性的机械足，其特征是：

所述驱动机构是固定安装在脚掌(1)的内腔中的电机(10)，电机(10)的转动输出通过伞齿轮转向传递至第一铰接杆(12)，在所述第一铰接杆(12)与第二铰接杆(16)之间设置第一皮带传动机构，在所述第二铰接杆(16)与第三铰接杆(19)之间设置第二皮带传动机构；所述第一铰接杆(12)与脚掌(1)为可转动的铰接，与根趾节(5)为固定连接；所述第二铰接杆(16)与根趾节(5)为可转动的铰接，与中趾节(4)为固定连接；所述第三铰接杆(19)与中趾节(4)为可转动的铰接，与前趾节(3)为固定连接。

3.根据权利要求2所述的仿猫爪伸缩特性的机械足，其特征是：所述第一皮带传动机构和第二皮带传动机构是由主动带轮、从动带轮和皮带构成，所述皮带设置为交叉带；所述主动带轮的直径大于从动带轮的直径。

4.根据权利要求2所述的仿猫爪伸缩特性的机械足，其特征是：在所述第二铰接杆(16)的两端设置有中节钮簧，在所述第三铰接杆(19)的两端设置有前节钮簧；利用所述中节钮簧和前节钮簧为脚趾的收缩运动提供反向缓冲力，并且在机械足攀爬运动时，为脚趾的伸展提供助力，使脚爪(2)稳固地贴合于攀爬面。

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