CN109292021A - 具有变刚度脚趾脚跟关节的仿生足 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有变刚度脚趾脚跟关节的仿生足，包括：结构主体，包括脚掌、脚趾和脚跟，所述脚趾和脚跟能够相对所述脚掌枢转；第一连接机构，连接在所述脚掌与所述脚趾之间，和/或所述脚掌与所述脚跟之间；所述第一连接机构包括一弹性部件，所述弹性部件能够随所述脚趾和/或所述脚跟的转动发生弹性弯曲，从而提供对所述转动的反力矩；第二连接机构，连接在所述脚掌与所述仿人机器人的腿部之间。其中弹性部件的刚度随弯折角度呈非线性变化。本发明利用连杆机构将脚趾和/或脚跟关节的旋转转化成玻璃纤维板的弯曲，弯折刚度随着脚趾和/或脚跟的翻折角度增加而增大，不容易出现塑性形变。

Description

具有变刚度脚趾脚跟关节的仿生足

技术领域

本发明涉及一种仿生足，属于仿人机器人技术领域。

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。人类在行走或奔跑动作时，通常脚跟先触地，脚尖离地。这是为了利用重力，被动地产生向前的运动，更省力。脚跟在接触地面时，由于人体组织的弹性，可以很好地吸收冲击，减少不稳定的因素。脚尖在离地时，会提供一个较大的向后的推力，使人实现快速的行走。而推力的来源，一部分是脚趾在被压迫的过程中肌腱储存的能量释放。在机器人领域，需要更多地参考人类的运动方式，实现能量效率更高，更稳定的运动。实时的检测脚掌与地面接触受力情况，例如受力点和力的大小，方向等。并将反馈信息输入到闭环的控制系统中，用来产生稳定的仿人机器人动作。

中国发明专利201110102356.2公开了一种带有柔性脚趾脚跟关节的仿生足。该发明的特点有：脚趾关节采用两个弯成矩形的带局部较薄的部分的弹簧钢板构成一个柔性铰链，矩形两侧分别与脚趾和脚掌固连。柔性铰链同时起到提供刚度和弯曲自由度的作用；脚跟利用单片柔性铰链将脚跟与脚掌连接起来，弯曲时能够提供刚度，上边利用三角形的连杆将冲击转化成弹簧的线性压缩。但该发明脚跟的连杆长度没有经过验证，运动的可解性未知，可能出现机构锁死的现象。脚趾关节也有同样的问题。此外整体结构缺乏优化，缺少减重，特殊部位加强的特征。机构复杂，凭添了重量。柔性铰链的材料不适合大角度的弯曲。

中国发明专利201510239337.2公开的仿生足引入了“足弓”的概念，利用板装弹簧堆叠产生弧形的结构，用来吸收地面冲击。脚趾关节加入被动弹簧，弯曲时储能，恢复时释放能量。但该发明的脚趾关节刚度是恒定的的，不能根据弯曲角度的增加增加刚度。弹簧压缩力矩是线性变化的，储能能力受到了限制。

由此可见，现有技术中的仿生足的设计存在无法改变脚趾关节的刚性，储能效果差的缺陷，需要解决平整脚掌承受冲击后不稳定，能量效率低的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够集成力传感器，具有人类的有柔性的脚趾，脚跟特征，能通过弹性储能、释放辅助机器人运动，且结构强度满足大型仿人机器人快速运动的要求的仿人机器人专用脚。

本发明的技术方案如下。

一种仿人机器人的仿生足，包括：

脚掌、脚趾和脚跟，所述脚趾和脚跟能够相对所述脚掌枢转；

第一连接机构，连接在所述脚掌与所述脚趾之间，和/或所述脚掌与所述脚跟之间；所述第一连接机构包括一弹性部件，所述弹性部件能够随所述脚趾和/或所述脚跟的转动发生弹性弯曲，从而提供对所述转动的反力矩；

第二连接机构，连接在所述脚掌与所述仿人机器人的腿部之间。

优选地，所述脚掌呈向上凸起的弧形；所述脚掌与所述脚趾之间通过第一铰链连接，所述脚掌与所述脚跟之间通过第二铰链连接。

优选地，所述第一铰链的轴与所述脚趾固连，所述第二铰链的轴与所述脚跟固连。

优选地，所述结构主体还包括加强筋，其可拆卸地安装在所述脚掌上。

优选地，所述第一连接机构还包括双连杆；所述双连杆的一端与所述弹性部件的一端相连，所述双连杆的另一端与所述脚趾或脚跟的转动端相连；所述弹性部件的另一端与所述脚掌固连。

优选地，所述双连杆与所述弹性部件之间的夹角θ在运动过程中始终为锐角。

优选地，所述弹性部件的刚度随弯折角度呈非线性变化。

优选地，所述弹性部件为纤维增强复合材料层合板。

优选地，所述纤维增强复合材料层合板为玻璃纤维板。

优选地，所述第二连接机构包括环形的第一加强结构，以及放射状的第二加强结构。

优选地，所述第二连接机构还包括一力传感器；所述第一加强结构的环形以所述力传感器的安装位为圆心；所述第二加强结构的放射状以所述第一加强结构为中心。

通过以上技术方案，本发明能够取得如下的技术效果。

本发明利用连杆机构将脚趾和/或脚跟关节的旋转转化成玻璃纤维板的弯曲，且运动不会出现奇点，弯折刚度随着脚趾和/或脚跟的翻折角度增加而增大，不容易出现塑性形变。

另外，本发明合理配置材质分布，质量轻，且强度满足要求。凡出现两零件间的接触或碰撞都有例如垫片，减震材料对二者进行隔离。

附图说明

图1是根据本发明的仿生足的立体结构示意图。

图2是图1中的仿生足的三连杆机构示意图。

图3是脚掌与脚趾(脚跟)平行时的结构形态示意图。

图4是脚掌相对脚趾(脚跟)翘起时的结构形态示意图。

图中各个附图标记的具体含义如下。

1-脚掌、2-脚跟、3-加强筋、4-转轴、5-轴端定位圈、6-玻纤板-铰链连接件、7-玻璃纤维板、8-硅橡胶垫、9-抗冲击垫、10-压片、11-双连杆、12-止口、13-止口特征、14-法兰铜轴套、15-玻纤板夹片、16-铆钉、17-放射加强筋、18-环形加强筋、h-脚跟铰链、t-脚趾铰链。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一具体实施方式做具体说明。

如图1所示，根据本发明的仿生足包括如下具体结构。

仿生足的结构主体主要包括三部分：脚掌1、脚趾、脚跟3。本发明的仿生足的功能主要包括五个部分：加强筋及减重特征、铰链、弹性体、缓冲材料、传感器连接特征。

脚掌1被设计成向上凸起的弧形，模仿人类的足弓，由此实现轻量化同时提高强度。力传感器安装位置距离脚趾、脚跟与脚掌连接处的铰链分别为109mm、85mm，横向距离两侧边沿分别为81mm、65mm。

在一优选的实施方式中，所述的力传感器为六维力传感器，安装在脚掌与仿人机器人的腿部之间。由于六维力传感器承载上身重量，与脚掌固连，传感器与脚掌连接部位强度需要加强。在脚掌的底侧，以传感器安装位为圆心，设计了环形的加强筋18。以环形加强筋18为中心，向四个分离的脚趾方向设置放射加强筋17，以保证重要受力点和需要配合安装其他零件的位置的强度满足机器人快速运动的要求。

脚掌1与传感器连接部位，设计了圆柱形的止口12，保证传感器的安装精度，使其与脚掌不容易脱离。

可拆卸的加强筋3用来额外加固脚掌1。在常规使用条件下，如果实验场景对脚掌1强度要求不严苛，需要仿生足轻量化时，可将加强筋3拆下，不影响其他零件的运转。根据仿人机器人的受力规律和材料力学原理，脚掌1承受z方向的压力时，反作用力作用下的外沿部位有向四周张开且向上翘曲的趋势。因此利用止口特征13加以预防。在脚掌1发生微小变形时，其顶住加强筋3，由加强筋3承受变形应力，从而避免脚掌1产生更大的变形，导致机构的破坏。

脚掌1与脚趾、脚跟2分别通过铰链t、h连接，并分别以铰链的轴(脚跟处为轴4，脚趾处未示出)为中心发生相对转动。轴与脚趾(或脚跟2)可看作是固连的，脚趾的铰链部位被夹在钳形的脚掌铰链部位中间，双端支撑。这样的安装结构能够提高转动的精度，提高机构的可靠性，持久运转能力。放射加强筋17传递至脚趾(脚跟)后，以铰链部位为中心继续向脚趾(脚跟)的末端扩散，以提高主要受力点--脚趾前端(脚跟后端)，以及内外侧边沿的强度。

脚掌铰链孔为φ8通孔，配合定制的法兰铜轴套14，与铰链的轴发生相对滑动。轴端定位采用e形卡圈5，以防止轴脱出。

当根据本发明的仿人机器人利用脚跟2着地时，其无需依靠脚的棱线承受机器人的重力。被动的铰链h可以使脚跟部位发生翻转，令脚掌翘起，增加脚跟接触地面的面积，提高稳定性。

人类行走过程中，脚尖在后蹬时处于弯曲的状态，铰链t模仿脚趾关节，提供了能够相对脚掌弯曲的自由度。同样，由于脚趾与地面为面接触，摩擦力增大，稳定性得到了提升。

仿生足的脚跟上覆盖有硅橡胶垫8(脚趾上为同样结构，未示出)，与地面直接接触，起到吸收冲击的作用。硅橡胶垫8通过铆钉16和/或粘接的方式，与脚趾(脚跟)固定。机器人在运动时，硅橡胶垫8还能增加地面接触的摩擦力，有助于提高机器人的稳定性。

在脚掌上靠近铰链的部位，安装有聚氨酯材质的抗冲击垫9。仿生足与地面平行接触时，脚趾与脚掌闭合，接触部位将受到较大的挤压，产生较大的应力。在落地时，脚趾与脚掌的接触部位安装的弹性的抗冲击垫9能够吸收仿生足脚趾与脚掌之间的冲击力，由此避免两个金属零件之间的直接碰撞，减少噪音，提高机构的耐用性。此外脚掌与脚趾(脚跟)存在高度差，聚氨酯材质的抗冲击垫9还能够用来填补脚掌与脚趾之间的空隙。

脚趾(脚跟)关节的弹性由玻璃纤维板7的弯曲提供。玻璃纤维板7在弯曲时所需要的力矩会随着弯折角度呈非线性变化，即弯曲角度越大，刚性越大，越不容易弯折。玻璃纤维板7在变形程度到达一定范围时，很小的变形量即可储存较多的弹性势能，有利于为行走或奔跑动作提供更多的势能。

如图1所示，玻璃纤维板7基本呈四边形，其至少在围绕与其一组对边平行的轴弯曲时，弯曲所需要的力矩随着弯折角度呈非线性变化，并且在该组对边处分别与脚掌和脚趾(脚跟)固定。在脚趾处，玻璃纤维板7的一条边与脚掌1固定连接，与该条边相对的边与脚趾固定连接。在一优选的实施方式中，仿生足设置有两个脚趾，玻璃纤维板7被固定连接在两个脚趾中间。在一优选的实施方式中，玻璃纤维板7与脚趾、脚掌处的玻纤板夹片15通过螺钉、铆钉等部件形成固定连接。脚掌与脚跟之间的玻璃纤维板的连接具有基本相同的结构，在此不再重复说明。

本领域技术人员能够理解，虽然本发明限定了脚趾(脚跟)关节的弹性由玻璃纤维板的弯曲提供，然而本发明并不局限于此。本发明的脚趾(脚跟)关节还可以使用现有技术中任何适用的具有可变刚度的复合材料层合板。复合材料层合板的刚度改变可以使用现有技术中的任何适用的方案实现。

玻璃纤维板7的长度不能被压缩，本发明设计了一种三连杆结构，使脚趾与脚掌围绕铰链的轴发生翻转时，玻璃纤维板7能够以近似的速度向同样方向弯折。如图2所示，三连杆结构由连杆L1、连杆L2、连杆L3组成，其中连杆L1包括脚趾(或脚跟)，连杆L2包括脚掌、玻璃纤维板7、玻纤板夹片15(脚跟处为玻璃纤维板压片10)，连杆L3包括双连杆11。假如玻璃纤维板7不具有柔性，这个三连杆的机构是无法变形的。因为玻璃纤维板7带有柔性，所以当连杆L1与L2之间发生相对转动时，玻璃纤维板7发生弯曲，从而使连杆L2两端的长度发生变化，不会造成运动的不可解。

需要注意的是，玻璃纤维板和连杆长度的选择要避免运动时出现奇点，和不可解情况。奇点产生的原因是运动时两连杆平行，机构无法决定下一步的运动趋势。不可解产生的原因是杆长不满足三角形形成规律，即两边长度之和大于第三边。要避免运动时出现奇点，连杆比例必须满足三角形成立条件，所述连杆L2与连杆L3之间的夹角θ——也就是所述双连杆与所述弹性部件之间的夹角——在运动过程中始终为锐角。

图3所示的是脚掌与脚趾(脚跟)平行时的结构形态，下面结合脚趾的结构对这一形态进行说明，脚掌与脚跟具有基本相同的结构，不再重复说明。当脚掌与脚趾平行时，脚趾的后端上部表面与脚掌的下部表面安装的抗冲击垫接触。玻璃纤维板在此状态下基本保持无形变的状态，因此基本不储存弹性势能。此时的脚趾可以承受垂直于脚掌的压力，或者不承受外部压力。此时的脚趾与脚掌之间的铰链的轴向不存在力矩，因此三连杆结构处于稳定状态。

图4所示的是脚掌相对脚趾(脚跟)翘起时的结构形态，玻璃纤维板被压弯，下面同样结合脚趾的结构对这一形态进行说明，脚掌与脚跟具有基本相同的结构，不再重复说明。当脚掌相对于脚趾翘起时，脚趾的后端上部表面与脚掌的下部表面安装的抗冲击垫脱离。玻璃纤维板在此状态下发生弯曲的弹性形变，因此开始储存弹性势能，并且随着弹性形变程度的增加，存储的弹性势能迅速增加。此时的脚趾可以承受垂直于其下表面的压力，同时还可能与地面之间存在摩擦力。在外力的作用下，此时地面对脚趾与脚掌之间的铰链的轴向还存在与玻璃纤维板的弯曲弹性形变相反的力矩。在玻璃纤维板发生弯曲的弹性形变过程中，连杆比例始终满足三角形成立条件，所述连杆L2与连杆L3之间的夹角θ在运动过程中始终为锐角。

与现有技术相比，本发明合理配置材质分布，质量轻，且强度满足要求。本发明利用连杆机构将脚趾(脚跟)关节的旋转转化成玻璃纤维板的弯曲，运动可解，弯折刚度随着脚趾(脚跟)翻折角度增加而增大，不容易出现塑性形变。凡出现两零件间的接触或碰撞都有例如垫片，减震材料对二者进行隔离。

Claims (10)

1.一种仿人机器人的仿生足，包括：

脚掌、脚趾和脚跟，所述脚趾和脚跟能够相对所述脚掌枢转；

第一连接机构，连接在所述脚掌与所述脚趾之间，和/或所述脚掌与所述脚跟之间；所述第一连接机构包括一弹性部件，所述弹性部件能够随所述脚趾和/或所述脚跟的转动发生弹性弯曲，从而提供对所述转动的反力矩；

第二连接机构，连接在所述脚掌与所述仿人机器人的腿部之间。

2.根据权利要求1所述的仿生足，其特征在于，所述脚掌呈向上凸起的弧形；所述脚掌与所述脚趾之间通过第一铰链连接，所述脚掌与所述脚跟之间通过第二铰链连接。

3.根据权利要求2所述的仿生足，其特征在于，所述第一铰链的轴与所述脚趾固连，所述第二铰链的轴与所述脚跟固连。

4.根据权利要求1所述的仿生足，其特征在于，所述仿生足还包括加强筋，其可拆卸地安装在所述脚掌上。

5.根据权利要求1所述的仿生足，其特征在于，所述第一连接机构还包括双连杆；所述双连杆的一端与所述弹性部件的一端相连，所述双连杆的另一端与所述脚趾或脚跟的转动端相连；所述弹性部件的另一端与所述脚掌固连。

6.根据权利要求5所述的仿生足，其特征在于，所述双连杆与所述弹性部件之间的夹角θ在运动过程中始终为锐角。

7.根据权利要求1所述的仿生足，其特征在于，所述弹性部件的刚度随弯折角度呈非线性变化。

8.根据权利要求7所述的仿生足，其特征在于，所述弹性部件为纤维增强复合材料层合板。

9.根据权利要求1所述的仿生足，其特征在于，所述第二连接机构包括环形的第一加强结构，以及放射状的第二加强结构。

10.根据权利要求9所述的仿生足，其特征在于，所述第二连接机构还包括一力传感器；所述第一加强结构的环形以所述力传感器的安装位为圆心；所述第二加强结构的放射状以所述第一加强结构为中心。