CN107628140B - 一种仿生机械足 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生机械足，由支撑底座和数个机械趾骨组成，在使用及加载时，机械趾骨下段末端的橡胶滚轮最先与地面接触，起到减震效果，之后机械趾骨下段向四周打开，底盖触地，继续加载后底盖上连接的压缩弹簧将受到向上的支撑力而产生形变，从而达到缓冲蓄能的效果，同时增大整个机械足的接触面积，确保稳定性，此时为机械足在一般粗糙路面上行走的状态，若越过临界点(连杆水平时)继续加载，连杆向上运动，对拉簧产生拉力从而带动机械趾骨下段进行向底盖中心回收的运动，实现通过多石路面时的包络效果，本发明操作简单，使用方便，具有生物刚性的支撑结构和柔性的自适应结构，使其在一般路面及多石路面都可正常工作，具有较好的通过性。

Description

一种仿生机械足

技术领域

本发明涉及工程仿生技术领域，特别涉及一种仿生机械足。

背景技术

目前仿生机械足多针对于某一特殊的路面进行高通过性的研究设计，适用范围小，而且多数的仿生机械足采用刚性设计，在机械运行过程中，机器人的足端接触到非弹性硬质地面所产生的冲击力大，较大的冲击力会对机身的稳定性、固件的安全性等产生较为不利的影响，因此需要机器人的腿部和足端有一定的柔性。

发明内容

本发明的目的是要解决上述目前仿生机械足多针对于某一特殊的路面进行高通过性的研究设计，适用范围小，而且多数的仿生机械足采用刚性设计，在机械运行过程中，机器人的足端接触到非弹性硬质地面所产生的冲击力大，较大的冲击力会对机身的稳定性、固件的安全性等产生较为不利的影响等问题，而提供的一种仿生机械足。

一种仿生机械足，由支撑底座和数个机械趾骨组成，数个机械趾骨设置在支撑底座上且以支撑底座为轴呈对称分布，数个机械趾骨结构尺寸相同；

支撑底座包括顶盖、底盖、压缩弹簧、数个连杆、数个拉簧和填充橡胶，顶盖与底盖直径相同，顶盖与底盖中间通过压缩弹簧连接，顶盖设置在压缩弹簧上方，底盖设置在压缩弹簧下方，连杆的两端分别与底盖和机械趾骨铰接，填充橡胶附着在底盖的底端；

顶盖具有数个第一铰接孔，底盖具有数个第二铰接孔，连杆具有数个第三铰接链和数个横梁，第三铰接链分别分布在连杆的两端，其中一端铰接在第二铰接孔中；

机械趾骨包括机械趾骨上段和机械趾骨下段，机械趾骨上段和机械趾骨下段通过铰接的方式连接；

机械趾骨上段具有第一铰接链、第三铰接孔和第四铰接孔，第一铰接链和第三铰接孔分别分布在机械趾骨上段的两端，第四铰接孔与第三铰接孔垂直且与第三铰接链的其中一端铰接；

机械趾骨下段具有第二铰接链、第一开槽、第二开槽和数个橡胶滚轮；

第一铰接链铰接在第一铰接孔中，拉簧的一端钩挂在横梁上，拉簧另一端钩挂在第二开槽上，橡胶滚轮设置在第一开槽内；

所述机械趾骨下段末端设计为水平短板状结构；

所述顶盖和底盖为环状钢材料；

所述压缩弹簧和拉簧为硅锰弹簧钢材料；

所述橡胶滚轮和填充橡胶为天然橡胶；

所述压缩弹簧原长L＝(1.1～1.2)S，S为顶盖、底盖的直径，如果机械趾骨上段长度为a，机械趾骨下段长度为b，连杆长度为c，则b＝1.2～1.4a，b＝1.1～1.2c；

拉簧一端连接点位于机械趾骨下段底端往上的1/5～2/5处，拉簧的另一端连接点位于连杆外端往内的1/4～1/2处；

压缩弹簧的强度保证装配之后在未触地状态下的底盖距离地面大于20mm以上，假设压缩弹簧的劲度系数为K1，拉簧的劲度系数为K2，则K2≈0.2K1。

本发明的工作原理和过程：

在使用及加载时，机械趾骨下段末端的橡胶滚轮最先与地面接触，起到减震的效果，由于滚轮的摩擦系数小，机械趾骨下段会较容易向四周打开，使得底盖触地，继续加载，底盖上连接的压缩弹簧将会受到向上的支撑力而产生形变，从而达到缓冲蓄能的效果，同时整个机械足的接触面积也会增大，确保稳定性，此时为机械足在一般粗糙路面上行走的状态，若越过临界点(连杆水平时)继续加载，则由于连杆的向上运动，对拉簧产生拉力从而带动机械趾骨下段进行向底盖中心回收的运动，实现通过多石路面时的包络效果。

机械足具体工作过程如下：

机械趾骨下段的末端橡胶滚轮触地(未受载的理想情况见图4)，此时本发明处于初始状态，机械趾骨上段与顶盖的夹角α＝45°，顶盖与底盖之间的距离为压缩弹簧的原长；

第一阶段承载临界值(见图5)，顶盖与底盖处于一条直线上，α达到最大值48.59°，机械足的整体接触面积达到最大值S＝10514mm²，在一般粗糙地面上达到稳定性最好的效果；

第二阶段承载临界值(见图6)，随着负载的增加，底盖持续向上移动，同时牵动连杆带动机械趾骨下段向内收拢，向内收拢的力逐渐增加，当顶盖与底盖的距离缩短至压缩弹簧的最短长度时，机械足处于第二阶段状态的临界值，此时α＝28.48°，连杆与底盖所夹锐角β＝39.47°，机械趾骨下段所具有的能量达到峰值，具有最大的夹紧力。

本发明的有益效果：

本发明操作简单，使用方便，既可具有生物刚性的支撑结构又可具有柔性的自适应结构，结合鸟类步行结构的优点，将其应用到两足步行机械的设计中，使其在一般路面及多石路面都可正常工作，具有较好的通过性。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的俯视图。

图3为本发明的剖面图。

图4为本发明在未受载时的示意图。

图5为本发明于第一阶段承载临界值时的示意图。

图6为本发明于第二阶段承载临界值时的示意图。

图7为本发明的顶盖的主视图。

图8为本发明的顶盖的俯视图。

图9为本发明的底盖的主视图。

图10为本发明的底盖的俯视图。

图11为本发明的机械趾骨下段的主视图。

图12为本发明的机械趾骨下段的俯视图。

图13为本发明的机械趾骨上段的主视图。

图14为本发明的机械趾骨上段的俯视图。

图15为本发明的连杆的主视图。

图16为本发明的连杆的俯视图。

图17为本发明的橡胶滚轮的主视图。

图18为本发明的橡胶滚轮的俯视图。

图19为本发明的填充橡胶的主视图。

图20为本发明的填充橡胶的俯视图。

具体实施方式

请参阅图1至图20所示，一种仿生机械足，由支撑底座1和数个机械趾骨2组成，数个机械趾骨2设置在支撑底座1上且以支撑底座1为轴呈对称分布，数个机械趾骨2结构尺寸相同；

支撑底座1包括顶盖11、底盖12、压缩弹簧13、数个连杆14、数个拉簧15和填充橡胶16，顶盖11与底盖12直径相同，顶盖11与底盖12中间通过压缩弹簧13连接，顶盖11设置在压缩弹簧13上方，底盖12设置在压缩弹簧13下方，连杆14的两端分别与底盖12和机械趾骨2铰接，填充橡胶16附着在底盖12的底端；

顶盖11具有数个第一铰接孔111，底盖12具有数个第二铰接孔121，连杆14具有数个第三铰接链141和数个横梁142，第三铰接链141分别分布在连杆14的两端，其中一端铰接在第二铰接孔121中；

机械趾骨2包括机械趾骨上段21和机械趾骨下段22，机械趾骨上段21和机械趾骨下段22通过铰接的方式连接；

机械趾骨上段21具有第一铰接链211、第三铰接孔212和第四铰接孔213，第一铰接链211和第三铰接孔212分别分布在机械趾骨上段21的两端，第四铰接孔213与第三铰接孔212垂直且与第三铰接链141的其中一端铰接；

机械趾骨下段22具有第二铰接链221、第一开槽222、第二开槽223和数个橡胶滚轮224；

第一铰接链211铰接在第一铰接孔111中，拉簧15的一端钩挂在横梁142上，拉簧15另一端钩挂在第二开槽223上，橡胶滚轮224设置在第一开槽222内；

所述机械趾骨下段22末端设计为水平短板状结构；

所述顶盖11和底盖12为环状钢材料；

所述压缩弹簧13和拉簧15为硅锰弹簧钢材料；

所述橡胶滚轮224和填充橡胶16为天然橡胶；

所述压缩弹簧13原长L＝(1.1～1.2)S，S为顶盖11、底盖12的直径，如果机械趾骨上段21长度为a，机械趾骨下段22长度为b，连杆14长度为c，则b＝1.2～1.4a，b＝1.1～1.2c；

拉簧15一端连接点位于机械趾骨下段22底端往上的1/5～2/5处，拉簧15的另一端连接点位于连杆14外端往内的1/4～1/2处；

压缩弹簧13的强度保证装配之后在未触地状态下的底盖12距离地面大于20mm以上，假设压缩弹簧13的劲度系数为K1，拉簧15的劲度系数为K2，则K2≈0.2K1。

本发明的工作原理和过程：

请参阅图1-图20所示，一种仿生机械足，在使用及加载时，机械趾骨下段22末端的橡胶滚轮224最先与地面接触，起到减震的效果，由于滚轮的摩擦系数小，机械趾骨下段22会较容易向四周打开，使得底盖12触地，继续加载，底盖12上连接的压缩弹簧13将会受到向上的支撑力而产生形变，从而达到缓冲蓄能的效果，同时整个机械足的接触面积也会增大，确保稳定性，此时为机械足在一般粗糙路面上行走的状态，若越过临界点(连杆14水平时)继续加载，则由于连杆14的向上运动，对拉簧15产生拉力从而带动机械趾骨下段22进行向底盖12中心回收的运动，实现通过多石路面时的包络效果。

机械足具体工作过程如下：

机械趾骨下段22的末端橡胶滚轮224触地(未受载的理想情况见图4)，此时本发明处于初始状态，机械趾骨上段21与顶盖11的夹角α＝45°，顶盖11与底盖12之间的距离为压缩弹簧13的原长；

第一阶段承载临界值(见图5)，顶盖11与底盖12处于一条直线上，α达到最大值48.59°，机械足的整体接触面积达到最大值S＝10514mm²，在一般粗糙地面上达到稳定性最好的效果；

第二阶段承载临界值(见图6)，随着负载的增加，底盖12持续向上移动，同时牵动连杆14带动机械趾骨下段22向内收拢，向内收拢的力逐渐增加，当顶盖11与底盖12的距离缩短至压缩弹簧13的最短长度时，机械足处于第二阶段状态的临界值，此时α＝28.48°，连杆14与底盖12所夹锐角β＝39.47°，机械趾骨下段22所具有的能量达到峰值，具有最大的夹紧力。

Claims (9)

1.一种仿生机械足，其特征在于：由支撑底座(1)和数个机械趾骨(2)组成，数个机械趾骨(2)设置在支撑底座(1)上且以支撑底座(1)为轴呈对称分布，数个机械趾骨(2)结构尺寸相同；

支撑底座(1)包括顶盖(11)、底盖(12)、压缩弹簧(13)、数个连杆(14)、数个拉簧(15)和填充橡胶(16)，顶盖(11)与底盖(12)直径相同，顶盖(11)与底盖(12)中间通过压缩弹簧(13)连接，顶盖(11)设置在压缩弹簧(13)上方，底盖(12)设置在压缩弹簧(13)下方，连杆(14)的两端分别与底盖(12)和机械趾骨(2)铰接，填充橡胶(16)附着在底盖(12)的底端；

顶盖(11)具有数个第一铰接孔(111)，底盖(12)具有数个第二铰接孔(121)，连杆(14)具有数个第三铰接链(141)和数个横梁(142)，第三铰接链(141)分别分布在连杆(14)的两端，其中一端铰接在第二铰接孔(121)中；

机械趾骨(2)包括机械趾骨上段(21)和机械趾骨下段(22)，机械趾骨上段(21)和机械趾骨下段(22)通过铰接的方式连接；

机械趾骨上段(21)具有第一铰接链(211)、第三铰接孔(212)和第四铰接孔(213)，第一铰接链(211)和第三铰接孔(212)分别分布在机械趾骨上段(21)的两端，第四铰接孔(213)与第三铰接孔(212)垂直且与第三铰接链(141)的其中一端铰接；

机械趾骨下段(22)具有第二铰接链(221)、第一开槽(222)、第二开槽(223)和数个橡胶滚轮(224)；

第一铰接链(211)铰接在第一铰接孔(111)中，拉簧(15)的一端钩挂在横梁(142)上，拉簧(15)另一端钩挂在第二开槽(223)上，橡胶滚轮(224)设置在第一开槽(222)内。

2.根据权利要求1所述的一种仿生机械足，其特征在于：所述压缩弹簧(13)原长L＝(1.1～1.2)S，S为顶盖(11)、底盖(12)的直径，如果机械趾骨上段(21)长度为a，机械趾骨下段(22)长度为b，连杆(14)长度为c，则b＝1.2～1.4a，b＝1.1～1.2c。

3.根据权利要求1所述的一种仿生机械足，其特征在于：所述的拉簧(15)一端连接点位于机械趾骨下段(22)底端往上的1/5～2/5处，拉簧(15)的另一端连接点位于连杆(14)外端往内的1/4～1/2处。

4.根据权利要求1所述的一种仿生机械足，其特征在于：所述压缩弹簧(13)在未触地状态下的底盖(12)距离地面大于20mm。

5.根据权利要求1所述的一种仿生机械足，其特征在于：所述的压缩弹簧(13)的劲度系数为K1，拉簧(15)的劲度系数为K2，则K2≈0.2K1。

6.根据权利要求1所述的一种仿生机械足，其特征在于：所述机械趾骨下段(22)末端设计为水平短板状结构。

7.根据权利要求1所述的一种仿生机械足，其特征在于：所述顶盖(11)和底盖(12)为环状钢材料。

8.根据权利要求1所述的一种仿生机械足，其特征在于：所述压缩弹簧(13)和拉簧(15)为硅锰弹簧钢材料。

9.根据权利要求1所述的一种仿生机械足，其特征在于：所述橡胶滚轮(224)和填充橡胶(16)为天然橡胶。