CN109877803B - 一种柔顺机械足 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔顺机械足，至少包括脚跟、足弓、前脚掌，脚跟、足弓、前脚掌三部分通过柔性件依次连接成齿状非对称梯形结构，足弓居中，脚跟和前脚掌分置在足弓两侧。本发明具有结构简单、零件数目少、造价低廉、使用可靠、易组装、易扩展、减振性好、抗冲击、运动过程无摩擦、运动稳定性强等特点。

Description

一种柔顺机械足

技术领域

本发明属于柔顺机构领域，特别涉及一种柔顺机械足。

背景技术

随着柔性机构与刚性机构的发展，刚柔结合与变刚度机构越来越普遍，特别是在一些需要有极大灵活性的机构中得到广泛应用，将柔性机构的优势与传统刚性机构完美结合，达到一加一大于二的效果。将机构学推向一个新的高度。

随着机器人技术的发展，仿人型机器人、行走机器人等越来越普遍。其足部机构在一定程度上决定了该机器人的稳定性、适应范围等性能。传统机器人的足部大多采用在刚性机构外包络橡胶等弹性材料，这样会造成脚部易磨损、额外摩擦耗能多、结构复杂等弊端。此外，目前商品鞋都是全柔性设计，即使是有刚柔结合的鞋子，也是刚性结构与柔性结构的简单叠加，达到某些特殊用途。没有一款是真正实现刚柔结合并根据脚运动变形的需要及时实现变刚度的商品鞋。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔顺机械足，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种柔顺机械足，包括脚跟、足弓和前脚掌；足弓居中，脚跟和前脚掌分置在足弓两侧；

脚跟包括若干刚性支撑件和脚跟柔性板；若干刚性支撑件均等间距垂直固定设置在脚跟柔性板表面，且在脚跟柔性板长度方向上若干个刚性支撑件的长度逐渐增加或减少；

前脚掌包括若干前脚刚性支撑件和前脚柔性板；若干前脚刚性支撑件均等间距垂直固定设置在前脚柔性板表面，且在前脚柔性板长度方向上若干个前脚刚性支撑件的长度逐渐增加或减少；

足弓包括足弓部和足弓柔性板；足弓部设置在足弓柔性板的上表面；脚跟柔性板、足弓柔性板和前脚柔性板依次固定连接形成柔性板，脚跟、足弓和前脚掌三部分通过柔性板依次连接成齿状非对称梯形结构。

进一步的，足弓部包括第一柔性杆、第二柔性杆和刚性板；刚性板平行于足弓柔性板设置在足弓柔性板的上方，第一柔性杆和第二柔性杆固定设置在刚性板和足弓柔性板之间，且第一柔性杆、第二柔性杆、刚性板和足弓柔性板形成等腰梯形结构。

进一步的，刚性板设置有小腿版。

进一步的，脚跟包括三个刚性支撑件，每个刚性支撑件均包括刚性杆和刚性接触块；刚性杆垂直固定在脚跟柔性板上，刚性接触块固定设置在刚性杆的顶端。

进一步的，三个刚性接触块在同一斜线上，且三个刚性杆倾斜时，三个刚性接触块能够互相接触；长度最大的刚性支撑件的刚性接触块在倾斜时能够与足弓部接触。

进一步的，前脚掌包括四个前脚刚性支撑件，每个前脚刚性支撑件均包括前脚刚性杆和前脚刚性接触块；前脚刚性杆垂直固定在前脚柔性板上，前脚刚性接触块固定设置在前脚刚性杆顶端。

进一步的，四个前脚刚性接触块在同一斜线上，且四个前脚刚性杆倾斜时，四个前脚刚性接触块能够互相接触；长度最大的前脚刚性支撑件的前脚刚性接触块在倾斜时能够与足弓部接触。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明的脚跟和前脚掌都采用刚柔结合设计，在运动时可以很好的利用其结构的柔顺特性实现柔顺机械足的变形和运动，当转到预定角度后，脚跟和前脚掌实现柔性到刚性的转换，实现完全刚性，利于柔顺机械足的承载；足弓由刚性板、柔性杆以及柔性板相互固定连接在一起，足弓的结构和其柔顺特性，有利于柔顺机械足快受到冲击和负载时，实现缓冲和减振，提高稳定性；脚跟的柔性板、足弓的柔性板和前脚掌的柔性板依次固定连接起来组成柔性足底，其柔顺特性可以使柔顺机械足实现对接触物体的自适应，增强整个柔顺机械足的稳定性。

该柔顺机械足具有单片式结构并且充分发挥柔性机构的优点，结构简单、造价低廉、使用可靠、易组装、易扩展。可充当行走机器人的足部，柔顺机械足可以完美的实现人脚行走时的动作和效果。首先脚跟先触地，其柔性板会起到缓冲的作用，随后脚跟受到负载转动弯曲变形，实现变刚度，利于柔顺机械足的承载，接下来整个柔顺机械足缓缓与地面接触，此时脚跟与地面之间的夹角渐渐变小，脚跟由刚性渐渐变为柔性，及时接触适应地面；然后足弓与地面接触处于支撑状态，此时其柔顺特性会减少整个机构受到的冲击和振动，柔性板的柔顺特性可以使机械足实现对地面的自适应，适应崎岖路面，提高稳定性；最后是前脚掌慢慢的脱离地面，其柔性板的柔顺特性便于柔顺机械足的变形，当前脚掌转动到预定角度后，前脚掌处于完全刚性状态，利于承载蹬地前进。

附图说明

图1为柔顺机械足立体结构示意图；

图2为脚跟立体结构示意图；

图3为足弓立体结构示意图；

图4为前脚掌立体结构示意图；

图5为柔性板24立体结构示意图；

图6为柔顺机械足实施例示意图。

图中标号：1-刚性接触块；4-刚性板；8-前脚刚性接触块；9-前脚刚性杆；13-第一柔性杆；14-第二柔性杆；17-刚性杆；18-脚跟柔性板；19-足弓柔性板；20-前脚柔性板；24-柔性板；25-小腿板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图6，一种柔顺机械足，包括脚跟、足弓和前脚掌；足弓居中，脚跟和前脚掌分置在足弓两侧；

脚跟包括若干刚性支撑件和脚跟柔性板18；若干刚性支撑件均等间距垂直固定设置在脚跟柔性板18表面，且在脚跟柔性板18长度方向上若干个刚性支撑件的长度逐渐增加或减少；

前脚掌包括若干前脚刚性支撑件和前脚柔性板20；若干前脚刚性支撑件均等间距垂直固定设置在前脚柔性板20表面，且在前脚柔性板20长度方向上若干个前脚刚性支撑件的长度逐渐增加或减少；

足弓包括足弓部和足弓柔性板19；足弓部设置在足弓柔性板19的上表面；脚跟柔性板18、足弓柔性板19和前脚柔性板20依次固定连接形成柔性板24，脚跟、足弓和前脚掌三部分通过柔性板24依次连接成齿状非对称梯形结构。

足弓部包括第一柔性杆13、第二柔性杆14和刚性板4；刚性板4平行于足弓柔性板19设置在足弓柔性板19的上方，第一柔性杆13和第二柔性杆14固定设置在刚性板4和足弓柔性板19之间，且第一柔性杆13、第二柔性杆14、刚性板4和足弓柔性板19形成等腰梯形结构。当刚性板4受到冲击或负载时，足弓柔性板19、第一柔性杆13、第二柔性杆14的柔顺特性会使整个机构得到缓冲，减少冲击和振动。

刚性板4设置有小腿版25。

脚跟包括三个刚性支撑件，每个刚性支撑件均包括刚性杆17和刚性接触块1；刚性杆17垂直固定在脚跟柔性板18上，刚性接触块1固定设置在刚性杆17的顶端。当脚跟柔性板18受到负载时，利用其自身的柔顺特性开始弯曲变形，此时脚跟处于柔性到刚性的转换状态，利于变形和运动。当弯曲到预定角度后，三个刚性接触块1会紧密接触在一起，使整个脚跟由柔性状态变为完全刚性状态，便于承载。

三个刚性接触块1在同一斜线上，且三个刚性杆17倾斜时，三个刚性接触块1能够互相接触；长度最大的刚性支撑件的刚性接触块1在倾斜时能够与足弓部接触。

前脚掌包括四个前脚刚性支撑件，每个前脚刚性支撑件均包括前脚刚性杆9和前脚刚性接触块8；前脚刚性杆9垂直固定在前脚柔性板20上，前脚刚性接触块8固定设置在前脚刚性杆9顶端。当前脚柔性板20受到负载时，会利用其自身的柔顺特性，开始弯曲变形，此时前脚掌处于柔性到刚性的转换状态，方便变形和运动。当弯曲到预定角度后，四个前脚刚性接触块8紧密接触在一起，使整个前脚掌由柔性状态完全变为刚性状态，便于承载。

四个前脚刚性接触块8在同一斜线上，且四个前脚刚性杆9倾斜时，四个前脚刚性接触块8能够互相接触；长度最大的前脚刚性支撑件的前脚刚性接触块8在倾斜时能够与足弓部接触。

实施例应用

如图5和图6所示，实施例应用是将柔顺机械足充当仿人形行走机器人的足，仿人形行走机器人的小腿25与柔顺机械足的刚性板4固定连接。

如图5所示，本发明中柔性板24是脚跟柔性板18、足弓柔性板19、前脚柔性板20拼在一起构成，也就是完整的脚底板。

本例完全实现人行走时的脚部动作，脚跟先触地，脚跟柔性板18充当肉垫的作用，使脚缓缓触地，随后脚跟因为脚跟柔性板18的变形使三个刚性接触块1紧密接触在一起，实现柔性变为刚性的变刚度，利于承受负载，随后足弓、前脚掌依次触地，脚跟也由刚性渐渐变为柔性，实现与地面的适应接触。

脚跟、足弓、前脚掌完全触地后，柔性板24利用其柔顺特性，实现对地面形状的自适应和支撑的稳定性。足弓柔性板19、第一柔性杆13、第二柔性杆14利用自身的柔顺特性，可以很好地实现抗冲击和减振的作用。

脚跟、足弓依次离开地面后，前脚掌由于前脚柔性板20的柔顺特性开始弯曲变形渐渐脱离地面，当弯曲变形到预定角度后，四个前脚刚性接触块8会紧密的接触在一起使前脚掌完全处于完全刚性状态，利于小腿的发力蹬地。

上述过程完全模仿了人行走时脚部的状态，柔顺机械足完全可以替代人脚，可以很好地充当仿人形行走机器人的足。

文中的示意图只是一个设计的例子，不能代表本发明，具体的结构形式可以根据实际的需要按照本发明的思想进行详细设计。

本发明不应受上述实施例的限制，凡是根据本发明技术方案不用创造性劳动就可以得出部件的更换和改进，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种柔顺机械足，其特征在于，包括脚跟、足弓和前脚掌；足弓居中，脚跟和前脚掌分置在足弓两侧；

脚跟包括若干刚性支撑件和脚跟柔性板(18)；若干刚性支撑件均等间距垂直固定设置在脚跟柔性板(18)表面，且在脚跟柔性板(18)长度方向上若干个刚性支撑件的长度逐渐增加或减少；

前脚掌包括若干前脚刚性支撑件和前脚柔性板(20)；若干前脚刚性支撑件均等间距垂直固定设置在前脚柔性板(20)表面，且在前脚柔性板(20)长度方向上若干个前脚刚性支撑件的长度逐渐增加或减少；

足弓包括足弓部和足弓柔性板(19)；足弓部设置在足弓柔性板(19)的上表面；脚跟柔性板(18)、足弓柔性板(19)和前脚柔性板(20)依次固定连接形成柔性板(24)，脚跟、足弓和前脚掌三部分通过柔性板(24)依次连接成齿状非对称梯形结构。

2.根据权利要求1所述的一种柔顺机械足，其特征在于，足弓部包括第一柔性杆(13)、第二柔性杆(14)和刚性板(4)；刚性板(4)平行于足弓柔性板(19)设置在足弓柔性板(19)的上方，第一柔性杆(13)和第二柔性杆(14)固定设置在刚性板(4)和足弓柔性板(19)之间，且第一柔性杆(13)、第二柔性杆(14)、刚性板(4)和足弓柔性板(19)形成等腰梯形结构。

3.根据权利要求2所述的一种柔顺机械足，其特征在于，刚性板(4)设置有小腿板(25)。

4.根据权利要求1所述的一种柔顺机械足，其特征在于，脚跟包括三个刚性支撑件，每个刚性支撑件均包括刚性杆(17)和刚性接触块(1)；刚性杆(17)垂直固定在脚跟柔性板(18)上，刚性接触块(1)固定设置在刚性杆(17)的顶端。

5.根据权利要求4所述的一种柔顺机械足，其特征在于，三个刚性接触块(1)在同一斜线上，且三个刚性杆(17)倾斜时，三个刚性接触块(1)能够互相接触；长度最大的刚性支撑件的刚性接触块(1)在倾斜时能够与足弓部接触。

6.根据权利要求1所述的一种柔顺机械足，其特征在于，前脚掌包括四个前脚刚性支撑件，每个前脚刚性支撑件均包括前脚刚性杆(9)和前脚刚性接触块(8)；前脚刚性杆(9)垂直固定在前脚柔性板(20)上，前脚刚性接触块(8)固定设置在前脚刚性杆(9)顶端。

7.根据权利要求6所述的一种柔顺机械足，其特征在于，四个前脚刚性接触块(8)在同一斜线上，且四个前脚刚性杆(9)倾斜时，四个前脚刚性接触块(8)能够互相接触；长度最大的前脚刚性支撑件的前脚刚性接触块(8)在倾斜时能够与足弓部接触。

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