CN109018061A - 一种基于仿生学的柔性被动足部系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于仿生学的柔性被动足部系统，包括柔性足趾关节和侧向缓冲减震层，使足部具备了稳定支撑、缓冲减震以及能量储存的功能。足趾关节的柔性由平行于脚掌的压缩弹簧提供，并通过一种曲柄连杆机构使足趾部分与脚掌连接。足部上下两层对称分布了减震弹簧，有助于在不平地面上行走时增强机器人的稳定性，同时能有效消除行走时地面对足部的冲击。本发明通过压缩弹簧的压缩和伸展功能实现足趾关节的屈伸自由度和足部侧向的被动自由度，同时利用弹簧的能量贮存特性使足部具有缓冲减震和节能的功能，可以提高机器人行走稳定性和降低能量损耗。本发明相对于传统机器人足部结构，具有仿人性好、步行稳定性高、能量效率高、结构紧凑且适应性好。

Description

一种基于仿生学的柔性被动足部系统

技术领域

本发明涉及一种基于仿生学的柔性被动足部系统，属于机器人技术领域。

背景技术

仿人机器人是目前机器人技术发展领域最先进的体现，它们具有类人的外形，在结构和行走方式上也模仿人类。仿人机器人稳定运行的核心技术与研究难点是实现稳定的双足步行。

从生物力学角度，双足步行可以分为基于主动控制的运动和基于被动行走的运动。这两种方式的缺点在于：能量消耗大，效率低，对驱动器的性能要求较高，步态不自然，与实际人类运动相差较大。未来双足步行机器人的发展趋势，是将主动控制与被动行走相结合，制作出既有较高的效率和自然的步态又能实现多种运动、有较强实用性的机器人。因此将具有柔性的被动足部与各关节主动驱动得双足机器人结合起来，实现主动控制，能获得更高效和更拟人化的双足机器人步行效果。

中国专利号CN101823517B发明了一种具有足底防滑减震垫和减震六维力矩传感器支座组成的双层减震足部结构，该足部能减小机器人竖直方向上的冲击，但是六维力矩传感器安装在第二层减震座上，测算的足部力矩参数不够准确，同时足部被动自由度比较单一。

中国专利号CN103738428A发明了一种由跖趾关节、脚跟和踝关节组成的通过扭簧提供柔性的足部结构，该足部具有仿人的跖趾关节，但是足部跖屈时与地面接触为线接触，支撑不稳。同时，该专利中跖趾关节用扭簧提供柔性，在用于实际机器人实验时，贮存于扭簧的能量不便于计算，致使实验的重复性差。

目前普遍的双足机器人足部结构多为刚性结构，以及具有竖直方向或者侧向的单一被动自由度的柔性足部，其中刚性的足部结构对机器人的冲击较大，且步行过程中稳定性也比较差；而采用单一被动自由度的柔性足部，其功能性比较差。在双足机器人领域，要得到运动高效、步态自然、能实现多种步态的双足运动，就需要在双足步行机器人中加入多自由度的被动关节和柔性驱动。

发明内容

本发明主要是为解决现有技术所存在的技术问题而提出了一种可用于双足机器人的基于仿生学的柔性被动足。该足部由被动足趾关节和侧向缓冲减震层组成双层结构，使足部具备了缓冲减震能力、步行过程中的稳定支撑功能以及足趾关节的能量储存能力。柔性被动式的足趾关节能将人体前倾时的能量储存并在单足支撑相末期释放，推动机器人前进，这样将本来在刚性足部中相位切换时消耗于滑动和摩擦的能量储存并利用起来，在理论上能降低机器人的能量消耗。该足部能够缓冲吸震、有效减少驱动电机所承受碰撞产生的瞬时转矩，并且行走步态更加自然；利用其自身固有动力学特性，使机器人具有节能、拟人的特点。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于仿生学的柔性被动足部系统，其特征在于，包括仿人被动柔性足趾关节、以及设置在仿人被动柔性足趾关节上的侧向缓冲减震层；所述侧向缓冲减震层通过减震组件设置在仿人被动柔性足趾关节上。

在上述的一种基于仿生学的柔性被动足部系统，所述仿人足趾关节包括足底、弹簧顶座、弹簧套筒、足趾压缩弹簧、滑块、柔性机构销轴一、足趾连杆、柔性机构销轴二、趾关节销轴、足趾；足趾与足底以铰链的方式连接，通过趾关节销轴固定，足趾关节的弹性由平行于足底的足趾压缩弹簧提供；弹簧顶座、弹簧套筒分别用螺钉相邻固定在足底上，足趾压缩弹簧一端穿过弹簧套筒安装在弹簧顶座上，并且弹簧能始终保持线性压缩，足趾压缩弹簧的另一端与滑块相连；滑块通过柔性机构销轴一与足趾连杆铰接，足趾连杆铰接通过柔性机构销轴二与足趾铰接，滑块、柔性机构销轴一、足趾连杆、柔性机构销轴二与足趾共同组成一个曲柄连杆机构，足趾压缩弹簧通过曲柄连杆机构与足趾连接，此时足趾部分相当于曲柄，压缩弹簧滑块相当于滑动副。

在上述的一种基于仿生学的柔性被动足部系统，当足趾跖屈时，曲柄连杆机构将足趾的向上的绕销轴的旋转转化为滑块的直线运动，滑块再挤压弹簧，使足趾压缩弹簧呈线性压缩，使弹簧的弹性能线性量化。

在上述的一种基于仿生学的柔性被动足部系统，足趾关节的机械限位在于：足底部分与足趾部分通过趾关节销轴铰接，足底与足趾部分有机械限位，使得足趾只能绕销轴相对于足底向上旋转；足底的铰接部分的上半部为弧形A1面，下半部为竖直B2面，对应于足趾的上半部a1面和下半部b2面；当足底与足趾铰接在一起，弧形面A1与a1贴合，平面B2与b2贴合产生机械限位，使得足趾只能绕销轴相对足底向上转动，机器人在行走中，摆动腿的足部足趾关节不会向下旋转，与人类足部运动机理保持相似。

在上述的一种基于仿生学的柔性被动足部系统，弹簧顶座右端有凸出的圆柱结构，压缩弹簧内圈可穿过此圆柱体结构同时弹簧外圈在套筒内，由于滑块与弹簧顶座的距离限制，当足趾跖屈幅度过大时，滑块左端会与顶座右端接触，从而限制了足部跖屈时，足趾关节的绕销轴向上的旋转角度。

在上述的一种基于仿生学的柔性被动足部系统，所述侧向减震层包括足间销轴、足部上支撑座、足部下支撑座、减震弹簧下支座、减震弹簧上支座、减震弹簧、足部上层；两个足部下支撑座通过螺钉安装在足底上，足部下支撑座通过足间销轴与足部上支撑座铰接，足部上支承座安装在足部上层上，这样足部上下两层通过位于同一轴心线上的两根足间销轴铰接在一起，实现侧向转动，减震弹簧通过减震弹簧下支座、减震弹簧上支座固定，通过压缩实现侧向减震。

在上述的一种基于仿生学的柔性被动足部系统，足部上层和足底各有上下对称的四个减震弹簧安装支座,分别为减震弹簧下支座和减震弹簧上支座，四根减震弹簧两端分别安装在上下支座上，提供减震能力，同时弹簧支座具有一定的长度，限制了足部上层相对与足底的转动角度，避免过度的偏转导致机器人行走故障。

因此，本发明具有如下优点：1.仿人性好，本发明根据仿生学，以人类足部结构为参照，设计了两个被动自由度，该柔性被动足部系统同时具备足趾关节和足部侧向自由度，提高机器人行走在不平地面上的稳定性，适用于复杂地面环境；2.柔性被动足部系统由压缩弹簧提供被动柔性，具备抗冲击和减震作用，对应用本发明的双足机器人下肢关节驱动器具有保护作用，防止因步行冲击造成的硬件损坏，同时弹簧的储能作用将消耗于摩擦和碰撞的能量重新利用，提高能量效率；3.柔性足趾结构中，柔性弹簧平行于足底布置，弹簧压缩线性化，储存的弹性势能便于计算，有助于机器人控制系统的设计和优化；4.足部结构模块化，便于安装拆卸，能快速使用，便于相关领域的研究推广；5.本发明的基于仿生学的柔性被动足部系统结构紧凑，总体质量小，对机器人负载低。

附图说明

图1是本发明的具有足趾关节的仿生性柔性被动足外观图。

图2是安装了本发明的柔性被动足的双足机器人外观图。

图3(a)是本发明的柔性被动组足趾关节外观图。

图3(b)是本发明的柔性被动足部铰接机械限位示意图。

图3(c)是本发明的柔性被动足部足趾关节跖屈示意图。

图3(d)是本发明的柔性被动足足部足趾关节的跖屈分析简图。

图4(a)是本发明的柔性被动足侧向缓冲减震层部分的外观图。

图4(b)是本发明的柔性被动足侧向缓冲减震层部分的后视图。

图4(c)是本发明的柔性被动足侧向缓冲减震层部分的爆炸图。

图5是本发明的立体结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。图中，仿人被动柔性足趾关节Ⅰ、侧向缓冲减震层Ⅱ、足底1、弹簧顶座2、弹簧套筒3、足趾压缩弹簧4、滑块5、柔性机构销轴一6、足趾连杆7、柔性机构销轴二8、趾关节销轴9、足趾10、足间销轴11、足部上支撑座12、足部下支撑座13、减震弹簧下支座14、减震弹簧上支座15、减震弹簧16、足部上层17。

一、首先介绍本发明的具体结构。

本发明由仿人被动柔性足趾关节和侧向缓冲减震层两部分组成。足趾关节的柔性由平行于足底的压缩弹簧提供，并通过曲柄连杆机构连接至足底，使足趾柔性弹簧为线性压缩，从而使实际的实验中相关测算工作更简单高效。同时，这种曲柄连杆机构使得足趾压缩弹簧能平行于足底，弹簧位于足部双层结构中间，能节省空间，使结构紧凑。柔性足趾关节在机器人行走过程中，单腿支撑末期，被动足趾跖屈，足趾弹簧被压缩，储存能量，在单腿支撑末期时，随着机器人向前运动，压缩弹簧伸展，释放能量，产生一个足部蹬地的运动，推动机器人向前，减小踝关节电机功率，有助于机器人行走。

弹簧减震层的作用在于：当地面有小角度的额状面上的倾斜，或者凹凸地形时，足部足底发生倾斜，一侧弹簧压缩，足底的倾斜量由弹簧减震层吸收，而足部上层仍保持水平或者不变，在行走的过程保证机器人上层结构不受较小程度的地面条件影响，使机器人行走稳定。足部的双层结构是为了实现侧向的减震，足部结构分为上下两层，由位于中间的销轴机构铰接连在一起，使得足部上下两层能相对侧向转动，同时两侧对称布置了两组减震弹簧，弹簧安装在上下对应的弹簧销上，由减震弹簧的弹性实现侧向减震。

基于仿生学的足趾关节包括：足底、弹簧顶座、弹簧套筒、足趾压缩弹簧、滑块、柔性机构销轴一、足趾连杆、柔性机构销轴二、趾关节销轴、足趾；足部足趾部分为具有弹性的被动结构，足趾与足底以铰链的方式连接，通过趾关节销轴固定，足趾关节的弹性由平行于足底的压缩弹簧提供。弹簧顶座、弹簧套筒分别用螺钉相邻固定在足底上，压缩弹簧穿过弹簧套筒安装在弹簧顶座上，由于套筒的支撑作用和足趾关节的连接特性，弹簧能始终保持线性压缩，足趾压缩弹簧的另一端与滑块相连；滑块通过柔性机构销轴与足趾连杆铰接，足趾连杆铰接通过柔性机构销轴与足趾铰接，这样滑块、柔性机构销轴、足趾连杆、柔性机构销轴与足趾共同组成一个曲柄连杆机构，足趾压缩弹簧通过曲柄连杆机构与足趾部分连接，此时足趾部分相当于曲柄，压缩弹簧滑块相当于滑动副。当足趾进行跖屈时，曲柄连杆机构将足趾的向上的绕铰链的旋转转化为滑块的直线运动，滑块再挤压弹簧，使足趾压缩弹簧呈线性压缩，使弹簧的弹性能线性量化，给实际的实验减少一些不必要的计算工作。同时，这种曲柄连杆机构使得足趾压缩弹簧能平行于足底，弹簧位于足部双层结构中间，能节省空间，使结构紧凑。

在基于仿生学的足部中，足趾关节的机械限位特征在于：足底部分与足趾部分通过销轴铰接，足底与足趾部分有机械限位，使得足趾只能销轴相对于足底向上旋转如图所示。足底的铰接部分结构如图所示，其上半部为弧形A1面，下部为竖直B2平面，对应于足趾的a1和b2。当足底与足趾铰接在一起，弧形面A1与a1贴合，平面B2与b2贴合产生机械限位，使得足趾只能绕销轴相对足底向上转动，机器人在行走中，摆动腿的足部足趾关节不会向下旋转，与人类足部运动机理保持相似。弹簧顶座右端有凸出的圆柱结构，压缩弹簧内圈可穿过此圆柱体结构同时弹簧外圈在套筒内，由于滑块与弹簧顶座的距离限制，当足趾跖屈幅度过大时，滑块左端会与顶座右端接触，从而限制了足趾关节的旋转角度。

侧向减震层包括：足底、足间销轴、足部上支撑座、足部下支撑座、减震弹簧下支座、减震弹簧上支座、减震弹簧、足部上层。两个足部下支撑座安装在足底上，通过销轴与足部上支撑座铰接，足部上支承座安装在足部上层上，这样足部上下两层通过两根足间销轴铰接在一起，实现侧相对向转动。足部上层和足底各有上下对称的四个减震弹簧安装支座,分别为减震弹簧上支座和减震弹簧下支座，四根减震弹簧两端分别安装在上下支座上，实现侧向缓冲减震功能，同时上下的减震弹簧支座之间具有一定的距离，限制了足部上层相对与足底的转动角度。上下两层之间弹簧销的距离为7mm，在足部上层结构相对于足底偏转角度过大时，弹簧销之间会相互接触，产生机械限位，从而使偏转角度限制在±5°范围内。在机器人运动过程中，当地面有小角度的额状面上的倾斜，或者凹凸地形时，足部足底发生倾斜，一侧弹簧压缩，足部的倾斜由弹簧吸收，而足部上层仍保持水平或者不变，在行走的过程保证机器人上层结构不受较小程度的地面条件影响，使机器人行走稳定。

下面结合附图对本发明的结构进行具体阐述。

图1为足部结构整体示意图，图2、图3分别为足部足趾关节和缓冲减震层结构示意图。首先对于足趾关节，足趾与足底以铰链的方式连接，通过趾关节销轴固定，足趾关节的弹性由平行于足底的压缩弹簧提供。弹簧顶座、弹簧套筒分别用螺钉相邻固定在足底上，压缩弹簧穿过弹簧套筒安装在弹簧顶座上，由于套筒的支撑作用和足趾关节的连接特性，弹簧能始终保持线性压缩，足趾压缩弹簧的另一端与滑块相连；滑块通过柔性机构销轴与足趾连杆铰接，足趾连杆铰接通过柔性机构销轴与足趾铰接，这样滑块、柔性机构销轴、足趾连杆、柔性机构销轴与足趾共同组成一个曲柄连杆机构，足趾压缩弹簧通过曲柄连杆机构与足趾连接，此时足趾部分相当于曲柄，压缩弹簧滑块相当于滑动副。在单足相末期，机器人身体前倾，此时足趾跖屈，曲柄连杆机构将足趾的向上的绕铰链的旋转转化为滑块的直线运动，滑块再挤压弹簧，使足趾压缩弹簧呈线性压缩，此时将原本消耗与摩擦和碰撞的能量储存在压缩弹簧中；在单足相开始初期，后脚抬腿离开地面，此时后脚足趾处于跖屈状态，足趾弹簧被压缩，已经储存了能量，当后脚逐渐抬起前进时，髋、膝、踝各主动关节电机驱动，而足趾弹簧也会逐渐回复同时释放弹性势能，转化为机器人的动能，帮助节省能量。

参考图4，当机器人行走在不平地面或者地面有微小障碍物时，传统刚性足部会发生偏转，使机器人各部位姿态发生改变，极有可能导致机器人摔倒，而在使用本发明中的柔性被动足时，这种问题就能得到很好的解决。当机器人足部踩到微小障碍物时，足部底层会发生上下偏转，足间弹簧被压缩，而足部上层仍保持平衡，地面环境带来的扰动被足间减震弹簧吸收，使机器人各关节保持姿态不变，机器人保持稳定，提高了机器人行走的抗干扰性。本发明中足部上下两层之间减震弹簧支座的距离为7mm，在上层结构相对于底层偏转角度过大时，弹簧支座之间会相互接触，产生机械限位，从而使偏转角度限制在±5°范围内。

在整个步行过程中，柔性机构销轴二与趾关节销轴的水平距离为L＝26mm，垂直距离为h1＝8mm，足趾连杆的长度为l＝20mm，柔性机构销轴一与趾关节销轴垂直中心距为H＝16mm，柔性机构销轴一与柔性机构销轴二中心距的水平距离为l′＝18mm，如图3(d)所述柔性足趾关节的能量存储效应如下：

在步行单足相末期，足趾跖屈，足趾与足底部分产生夹角，即足趾绕趾关节销轴旋转θ角度，此时弹簧压缩量为Δx，则有

此时柔性机构销轴二与趾关节销轴中心距垂直距离为

h1′＝L*cosθ+h1*cosθ (1)

柔性机构销轴一与柔性机构销轴二中心距垂直距离

h2′＝l*cosθ′ (2)

式中θ′为足趾关节旋转θ后，足趾连杆与柔性弹簧的夹角，又已知柔性弹簧始终在平行于足底的平面内线性运动，其压缩轨道与足底的垂直距离不变，为H

H＝h1′+h2′＝L*cosθ+h1*cosθ+l*cosθ′ (3)

在步行过程中，当足趾关节旋转后，足趾连杆与柔性弹簧的夹角θ′可由式(3)求得

根据足部初始状态与趾关节旋转后足趾柔性弹簧压缩状态，可以求出柔性弹簧的压缩量Δx，从而可以计算出储存于柔性弹簧的弹性势能

Δx＝l*cosθ′+h1*sinθ+L*(1-cosθ)-l′

(5)

在整个步行过程中，只要足底接触地面，缓冲弹簧就处于被压缩的状态，所以在这里选取圆柱螺旋压缩弹簧，弹簧内径d＝8mm，弹簧的节距p＝4mm，弹簧丝直径d＝2.0mm，在自由状态下，各圈之间应有适当的间距δ＝2.2mm，以便弹簧受压时，有产生相应变形的可能。为了使弹簧在压缩后仍能保持一定的弹性，设计时还应考虑在最大载荷作用下，各圈之间仍需保留一定的间距δ1。δ1的大小一般推荐

δ1＝0.1d≥0.2mm (6)

式中，d为弹簧丝直径。弹簧的两个端面圈应与临圈并紧(无间隙)，只起支撑作用，不参与变形，故称为死圈。因为此时的弹簧圈数为7圈，所以选择的死圈约为0.75圈；由于d＝2.0mm>0.5mm，两支承端面需要磨平。

使弹簧产生单位变形所需要的载荷k称为弹簧刚度，圆柱螺旋压缩弹簧受载后的轴向变形量为Δx，弹簧储存的能量可根据材料力学关于圆柱螺旋弹簧变形量的公式求得，即

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的目的或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (7)

1.一种基于仿生学的柔性被动足部系统，其特征在于，包括仿人被动柔性足趾关节(Ⅰ)、以及设置在仿人被动柔性足趾关节(Ⅰ)上的侧向缓冲减震层(Ⅱ)；所述侧向缓冲减震层(Ⅱ)通过减震组件设置在仿人被动柔性足趾关节(Ⅰ)上。

2.根据权利要求1所述的一种基于仿生学的柔性被动足部系统，其特征在于，所述仿人足趾关节包括足底(1)、弹簧顶座(2)、弹簧套筒(3)、足趾压缩弹簧(4)、滑块(5)、柔性机构销轴一(6)、足趾连杆(7)、柔性机构销轴二(8)、趾关节销轴(9)、足趾(10)；足趾(10)与足底(1)以铰链的方式连接，通过趾关节销轴(9)固定，足趾关节的弹性由平行于足底的足趾压缩弹簧(4)提供；弹簧顶座(2)、弹簧套筒(3)分别用螺钉相邻固定在足底(1)上，足趾压缩弹簧(4)一端穿过弹簧套筒(3)安装在弹簧顶座(2)上，并且弹簧能始终保持线性压缩，足趾压缩弹簧(4)的另一端与滑块(5)相连；滑块(5)通过柔性机构销轴一(6)与足趾连杆(7)铰接，足趾连杆(7)铰接通过柔性机构销轴二(8)与足趾(10)铰接，滑块(5)、柔性机构销轴一(6)、足趾连杆(7)、柔性机构销轴二(8)与足趾(10)共同组成一个曲柄连杆机构，足趾压缩弹簧(4)通过曲柄连杆机构与足趾(10)连接，此时足趾部分相当于曲柄，压缩弹簧滑块(4)相当于滑动副。

3.根据权利要求2所述的一种基于仿生学的柔性被动足部系统，其特征在于，当足趾跖屈时，曲柄连杆机构将足趾的向上的绕销轴(9)的旋转转化为滑块(5)的直线运动，滑块(5)再挤压弹簧(4)，使足趾压缩弹簧呈线性压缩，使弹簧的弹性能线性量化。

4.根据权利要求2所述的一种基于仿生学的柔性被动足部系统，其特征在于，足趾关节的机械限位在于：足底部分(1)与足趾部分(10)通过趾关节销轴(9)铰接，足底与足趾部分有机械限位，使得足趾(10)只能绕销轴相对于足底(1)向上旋转；足底(1)的铰接部分的上半部为弧形A1面，下半部为竖直B2面，对应于足趾(10)的上半部a1面和下半部b2面；当足底(1)与足趾(10)铰接在一起，弧形面A1与a1贴合，平面B2与b2贴合产生机械限位，使得足趾只能绕销轴相对足底向上转动，机器人在行走中，摆动腿的足部足趾关节不会向下旋转，与人类足部运动机理保持相似。

5.根据权利要求2所述的一种基于仿生学的柔性被动足部系统，其特征在于，弹簧顶座(2)右端有凸出的圆柱结构，压缩弹簧(4)内圈可穿过此圆柱体结构同时弹簧外圈在套筒(3)内，由于滑块(5)与弹簧顶座(2)的距离限制，当足趾跖屈幅度过大时，滑块(5)左端会与顶座(2)右端接触，从而限制了足部跖屈时，足趾关节的绕销轴向上的旋转角度。

6.根据权利要求1所述的一种基于仿生学的柔性被动足部系统，其特征在于，所述侧向减震层包括足间销轴(11)、足部上支撑座(12)、足部下支撑座(13)、减震弹簧下支座(14)、减震弹簧上支座(15)、减震弹簧(16)、足部上层(17)；两个足部下支撑座(13)通过螺钉安装在足底(1)上，足部下支撑座(13)通过足间销轴(11)与足部上支撑座(12)铰接，足部上支承座(12)安装在足部上层(17)上，这样足部上下两层通过位于同一轴心线上的两根足间销轴(11)铰接在一起，实现侧向转动，减震弹簧(16)通过减震弹簧下支座(14)、减震弹簧上支座(15)固定，通过压缩实现侧向减震。

7.根据权利要求1所述的一种基于仿生学的柔性被动足部系统，其特征在于，足部上层(17)和足底(1)各有上下对称的四个减震弹簧安装支座,分别为减震弹簧下支座(14)和减震弹簧上支座(15)，四根减震弹簧两端分别安装在上下支座上，提供减震能力，同时弹簧支座具有一定的长度，限制了足部上层相对与足底的转动角度，避免过度的偏转导致机器人行走故障。