CN109278892A - 一种仿猫爪的防滑仿人机器人脚 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿猫爪的防滑仿人机器人脚，能够使仿人机器人像猫一样在脚掌落地时自如地伸出爪尖，钩住地面，使脚与地面紧密连接。该机器人脚包括脚掌和脚趾机构。脚掌包括圆环形止口和脚掌凸起。脚趾机构包括连杆A、连杆B、连杆C、被动弹簧、爪尖、脚趾止口凹槽、铰链A、铰链B、铰链C和铰链D。机器人本体通过力传感器套在圆环形止口中，实现与脚掌稳固连接，保证安装的精度和结构的强度。脚掌与连杆A固连，连杆A与连杆B、连杆C、爪尖通过铰链A、铰链C、铰链D、铰链B依次相连形成的四连杆机构。脚掌凸起与连杆A上同样尺寸的脚趾止口凹槽配合，形成止口，使机器人与地面接触时，连杆A不易发生松动。

Description

一种仿猫爪的防滑仿人机器人脚

技术领域

本发明涉及仿人机器人领域，具体涉及一种仿猫爪的防滑仿人机器人脚。

背景技术

当前仿人机器人主要依靠脚掌与地面进行接触，是一种浮动基机器人。仿人机器人的稳定性与脚掌和地面的相互作用有很大联系。根据ZMP稳定盘踞，仿人机器人实现稳定的行走动作，必须将脚掌与地面接触的零力矩点维持在脚掌与地面接触的多边形内。这种方法落实的前提是机器人的脚与地面始终保持静止，完全依靠机器人的肢体关节来调节平衡。此外，机器人在通过复杂地形时，例如仿山羊机器人要爬上较陡的岩石，需要脚掌与岩石稳定接触；腿足机器人经过冰面时，如果能够保证脚与冰面不相对滑动，就会简化控制过程。目前的仿人机器人虽然在建立模型时将脚与地面理想化的固连，但实际运行时由于不可控因素造成的约束条件偏离，会极大地影响性能，造成与预期结果的不符。

为了解决以上问题，人们发明了具有抓钩结构的机器人脚；或利用高摩擦系数的材料与地面直接接触，增大摩擦力；或利用真空吸附的原理，使机器人末端与环境表面紧密接触。

中国专利(201410454048.x)发明了一种圆盘形的能被动伸出爪齿的机器人脚。用来提高机器人稳定性。该设计利用一个沿着脚的外壳上下移动的部件，在地面对脚施加压力时，向下挤压爪齿。爪齿与脚外壳之间有斜面的滑动副，当移动部件向下压爪齿时，爪齿的运动被分解成向四周扩张，和向下伸出的运动。当地面与机器人的作用力消失，爪齿在复位弹簧的作用下收回。该发明的爪齿伸出和收回动作都是依靠滑动接触导向作用实现，机械效率差，机械磨损较大。传动结构复杂，体积和质量较大，不利于提高机器人的能量效率。中国专利(201310347962.x)发明了能够主动控制爪子抓住和释放环境表面的机器人足，同样是环形的，爪尖圆周分布。该发明利用电机加丝杠，产生上下直线运动。当要抓住地面时，推片向上运动，拉动弹簧，弹簧拉动爪尖向伸出的方向旋转。当要收回时，推片向下运动，推动张紧机构，通过杠杆使爪尖离开地面。该发明爪尖的伸出和收回都依靠电机驱动，没有被动过程，不利于多种环境下的简单控制。该发明机构复杂，爪尖伸出需要一套机构，收回通过另一套机构，降低了机器人足的可靠性。同样具有体积大，质量大，能量效率低的特点。

猫在奔跑、攀爬时，能自如地伸出爪子，爪尖能够嵌入地面或树木，进而增大与地面的摩擦力，提供向前的作用力，能量损失减小，而在普通场合不需要伸爪子，可以将它收起来，只用肉垫与地面接触，吸收冲击，减小噪音。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种仿猫爪的防滑仿人机器人脚，该结构简单且轻巧，能够提高机械效率、减小磨损的同时又能满足机器人运动的强度要求。

所述仿猫爪的防滑仿人机器人脚，包括：脚掌和脚趾机构，所述脚掌为矩形结构，其四角处各连接一个所述脚趾机构；所述脚趾机构包括连杆A、连杆B、连杆C、复位弹簧、爪尖、脚趾止口凹槽、铰链A、铰链B、铰链C、铰链D、缓冲垫块和滚轮；所述连杆A的一端有两个连接点，其中一个连接点通过所述铰链B与所述爪尖的中部铰接，另一个连接点通过所述铰链A与所述连杆B的一端铰接，所述连杆B的另一端通过所述铰链C与所述连杆C的一端铰接，所述连杆C的另一端通过所述铰链D与所述爪尖的一端铰接；所述爪尖的另一端为尖端；所述连杆A的另一端通过复位弹簧与所述爪尖连接；

令所述脚掌朝向地面时，所述连杆B与地面相对的一面为受压面，当所述受压面受压时，推动所述连杆B绕其与连杆A的铰接点转动；

所述缓冲垫块为三角形垫块，固定设置在所述连杆B的受压面；所述滚轮安装在所述缓冲垫块上，当所述脚掌落地受压时，所述滚轮与地面接触。

作为本发明的一种优选方式，所述脚掌包括加强筋A、加强筋B、凸止口和脚掌凸起，所述凸止口用于机器人脚与机器人本体的连接，四个所述加强筋A固定连接在所述凸止口周向，四个所述加强筋B围成矩形框架结构并设置在所述加强筋A的外圈，所述脚掌凸起设置在脚趾机构和脚掌相接的位置处，所述脚掌凸起与所述连杆A的脚趾止口凹槽配合连接，实现脚趾机构与脚掌的连接。

作为本发明的一种优选方式，所述加强筋A的厚度以凸止口为中心向所述加强筋B围成矩形框架结构的四角所在位置的方向依次减小。

作为本发明的一种优选方式，所述凸止口中放置力传感器，用于与机器人本体连接。

有益效果：

(1)借鉴猫爪的特点，在仿人机器人脚趾尖设计一种四连杆机构，将地面对脚的挤压转化为爪尖的伸出动作，相比现有专利利用平面滑动导向方式来产生伸出、缩回动作，本发明在地面与脚掌有作用力时爪尖在四连杆机构的作用下抓入地面，防止滑动，在地面与脚掌无作用力时，爪尖能自动收回，保证机器人脚既能在支撑过程中与地面稳定接触，抬起时爪尖不会干涉到其他部位。

(2)复位弹簧将爪尖与连杆A连接，限制了爪尖只能在机器人脚对地面作用力足够大时伸出。

(3)通过在脚掌外缘设置加强筋B，保证主要受应力处的强度的同时能够控制机器人脚质量轻便。

(4)通过在连杆B靠近地面部分设置缓冲垫块并将滚轮镶嵌在缓冲垫块上，可以将地面对滚轮和缓冲垫块的挤压转化成摇臂运动，进而使爪尖在抓地时形成近似垂直的下钩运动，降低抓地运动过程中消耗的能量，提高抓地效率，同时减少摩擦损耗。

附图说明

图1为仿猫足机构总结构图。

图2为机器人脚在离地时受到地面压力的脚趾状态图。

图3为机器人脚在落地时受到地面压力的脚趾状态图。

其中，1-力传感器，2-连杆A，3-连杆B，4-连杆C，5-复位弹簧，6-爪尖，7-缓冲垫块，8-加强筋A，9-凸止口，10-滚轮，11-脚掌凸起，12-脚趾止口凹槽，13-加强筋B，14-铰链A，15-铰链B，16-铰链C，17-铰链D

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种仿猫爪的防滑仿人机器人脚，该结构简单且轻巧，能够提高机械效率、减小磨损的同时又能满足机器人运动的强度要求。

如图1、图2和图3所示，该仿猫爪的防滑仿人机器人脚包括脚掌和脚趾机构两部分，本实施例中仿人机器人脚包含四个结构相同的脚趾机构，四个脚趾机构分别连接在脚掌的四角。

所述脚掌包括加强筋A 8、加强筋B 13、凸止口9和脚掌凸起11，所述凸止口9为空心柱体，其底部设置有环形凸沿，用于与外部结构中的力传感器1连接，实现机器人脚和机器人本体之间的连接。四个加强筋B 13围成矩形框架结构，凸止口9位于该矩形框架结构内部，沿凸止口9周向分布的四个加强筋A 8的一端与凸止口9上的环形凸沿连接，另一端分别与矩形框架结构四个角的位置连接，所述脚掌凸起11设置在脚掌四角与脚趾机构接触的位置处，用于将四个脚趾机构和脚掌连接。

所述脚趾机构包括连杆A 2、连杆B 3、连杆C 4、复位弹簧5、爪尖6、缓冲垫块7、滚轮10、铰链A14、铰链B15、铰链C16和铰链D17，所述连杆A 2的一端有两个连接点，其中一个连接点通过所述铰链B15与所述爪尖6的中部铰接，另一个连接点通过所述铰链A14与所述连杆B 3的一端铰接，所述连杆B 3的另一端通过所述铰链C16与所述连杆C 4的一端铰接，所述连杆C 4的另一端通过所述铰链D17与所述爪尖6的一端铰接，所述连杆A 2、连杆B 3、连杆C 4、爪尖6连接后形成四连杆机构。所述爪尖6的另一端为尖端可以插入地面，所述连杆A 2的另一端通过复位弹簧5与所述爪尖6连接，所述滚轮10以所述缓冲垫块7为基座，通过轴安装在所述缓冲垫块7上，再将所述缓冲垫块7通过螺钉固定在所述连杆B3朝向地面的一侧，使之与所述四连杆机构形成一体。其中，所述连杆B 3与地面接触的一侧面作为受压面，当所述受压面受压时，推动所述连杆B 3绕其与连杆A 2的铰接点转动。所述缓冲垫块7为三角形垫块，固定设置在所述连杆B 3的所述受压面。

具体为：脚掌和每个脚趾机构的所述连杆A 2固连，脚掌上的所述脚掌凸起11设置在脚趾机构和脚掌相接的位置处，与所述连杆A 2上对应尺寸的脚趾止口凹槽12配合，形成止口，保证在竖直平面内脚趾机构和脚掌配合的紧密程度，使机器人与地面接触时，连杆A2不易发生松动。脚掌再通过凸止口9套在外部结构中的力传感器1上，实现脚掌与外部结构的稳固连接，保证脚掌与外部结构的安装精度和结构强度。

当机器人脚掌落地时，连杆B 3受压面对地面有挤压，滚轮10配合缓冲垫块7承受连杆B 3的挤压，并推动连杆B 3相对连杆A 2转动，形成摇臂，连杆A 2与连杆B 3之间的内侧钝角变小(如图2中所示)，连杆B 3通过铰链16推动连杆C 4，连杆C 4通过铰链17推动爪尖6绕铰链15转动，当缓冲垫块7与地面的垂直距离逐渐减小时，缓冲垫块7承受爪尖6抓地过程中四连杆机构运动对地面的挤压力，使爪尖6近似垂直，直到爪尖6垂直插入地面。由于爪尖6在运动过程中带动复位弹簧5，在爪尖6插入地面的过程中，复位弹簧5被拉长，提供相反方向拉动缓冲垫块7的作用力，这样爪尖6的伸出需要克服复位弹簧5的拉力，所以当机器人脚与地面的作用力很小不足以克服复位弹簧5的拉力时，爪尖6不会伸出，只通过安装有滚轮10的缓冲垫块7与地面接触，减少不必要的磨损。所述滚轮10通过轴装入缓冲垫块7。当机器人脚与地面接触，缓冲垫块7受到挤压时，滚轮10与地面直接接触，缓冲垫块7吸收冲击力，保证机器人的稳定性。因为脚掌长度不变，四连杆在变形时，前后脚趾的缓冲垫块7与地面接触点距离变长或变短。如果缓冲垫块7与地面直接接触，没有滚轮10，则缓冲垫块7需要克服很大的摩擦力才能实现与地面的相对滑动及爪尖6的伸出和缩回运动，四连杆运动将被锁死。因此需要安装与缓冲垫块7相对转动的滚轮10用来直接与地面接触。

机器人脚离地抬起过程中，复位弹簧5的拉力逐渐释放，将爪尖6拉离地面，连杆A2、连杆B 3和连杆C 4也都复位，防止爪尖与地面剐蹭。这些过程全是被动完成的，不需要电机驱动。所述被动指不需要原动器件主动驱动，在外力作用下能够自动产生某种动作的现象，例如复位弹簧在受压力时会自动的缩短。

因为机器人脚主要受力点在脚掌与四个脚趾机构相连的四个角上，所以在仿人机器人脚落地受到地面作用力时，四角位置的应力远超过脚掌其他部位，使其成为脚掌中最需要加强强度的部位。因此在脚掌外缘设置加强筋B13，但是加强筋B13整体加厚又会导致浪费材料和增加机器人脚的重量，基于此，设置加强筋B13在脚掌的四个角厚度最大为3mm厚，所述加强筋B 13的高度从四角开始向四边中心逐渐减小，保证了主要应力分布区强度的同时使脚掌的设计轻量化。为了保证脚掌与脚趾连接部位的强度不变的情况下使脚掌的设计进一步轻量化，设置加强筋A8以圆环止口9为中心向四角扩散，中心部位最厚，四角部位最薄，即中心厚度为3mm，其余部位只需留2至3mm厚的材料，并在脚掌非主要受力区挖去适量的加强筋A8，避免脚掌发生断裂的情况下可有效减轻脚掌的重量。这样加强筋A8的厚度变化与加强筋B13的厚度相反变化的设计保证了在任意截面内都不存在材料突然减少的情况，整个脚掌没有相对薄弱区域。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种仿猫爪的防滑仿人机器人脚，其特征在于，包括：脚掌和脚趾机构，所述脚掌为矩形结构，其四角处各连接一个所述脚趾机构；所述脚趾机构包括连杆A(2)、连杆B(3)、连杆C(4)、复位弹簧(5)、爪尖(6)、脚趾止口凹槽(12)、铰链A(14)、铰链B(15)、铰链C(16)、铰链D(17)、缓冲垫块(7)和滚轮(10)；所述连杆A(2)的一端有两个连接点，其中一个连接点通过所述铰链B(15)与所述爪尖(6)的中部铰接，另一个连接点通过所述铰链A(14)与所述连杆B(3)的一端铰接，所述连杆B(3)的另一端通过所述铰链C(16)与所述连杆C(4)的一端铰接，所述连杆C(4)的另一端通过所述铰链D(17)与所述爪尖(6)的一端铰接；所述爪尖(6)的另一端为尖端；所述连杆A(2)的另一端通过复位弹簧(5)与所述爪尖(6)连接；

令所述脚掌朝向地面时，所述连杆B(3)与地面相对的一面为受压面，当所述受压面受压时，推动所述连杆B(3)绕其与连杆A(2)的铰接点转动；

所述缓冲垫块(7)为三角形垫块，固定设置在所述连杆B(3)的受压面；所述滚轮(10)安装在所述缓冲垫块(7)上，当所述脚掌落地受压时，所述滚轮(10)与地面接触。

2.如权利要求1所述的仿猫爪的防滑仿人机器人脚，其特征在于，所述脚掌包括加强筋A(8)、加强筋B(13)、凸止口(9)和脚掌凸起(11)，所述凸止口(9)用于机器人脚与机器人本体的连接，四个所述加强筋A(8)固定连接在所述凸止口(9)周向，四个所述加强筋B(13)围成矩形框架结构并设置在所述加强筋A(8)的外圈，所述脚掌凸起(11)设置在脚趾机构和脚掌相接的位置处，所述脚掌凸起(11)与所述连杆A(2)的脚趾止口凹槽(12)配合连接，实现脚趾机构与脚掌的连接。

3.如权利要求2所述的仿猫爪的防滑仿人机器人脚，其特征在于，所述加强筋A(8)的厚度以凸止口(9)为中心向所述加强筋B(13)围成矩形框架结构的四角所在位置的方向依次减小。

4.如权利要求2所述的仿猫爪的防滑仿人机器人脚，其特征在于，所述凸止口(9)中放置力传感器(1)，用于与机器人本体连接。