CN111452879A - 机器人仿生足及具有其的机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机器人仿生足及具有其的机器人，该仿生足包括基板、爪子组件、第一支撑足、第一弹性组件、跟骨支撑件、第二导杆、第二支撑足、第二弹性组件、第一、第二和第三转动件，爪子组件包括第一导杆、第一连接杆、第二连接杆、爪子和支撑杆，第一导杆可移动地设置在基板上，第一连接杆的一端与第一导杆的一端固定连接，第一连接杆的另一端与第二连接杆的一端可转动连接，爪子分别与第二连接杆和支撑杆可转动连接，第一弹性组件位于基板和第一支撑足之间，第二导杆可移动地设置在跟骨支撑件上，第二弹性组件位于基板和第二支撑足之间。应用本发明的技术方案，以解决现有技术中四足机器人快速稳定运动能力差、容易打滑的技术问题。

Description

机器人仿生足及具有其的机器人

技术领域

本发明涉及移动机器人技术领域，尤其涉及一种机器人仿生足及具有其的机器人。

背景技术

四足机器人是目前移动机器人的研究热点，也是足式移动机器人领域的一个重要分支。四足机器人可以翻越沟槽和凸台等障碍物，对环境具有极强的适应性、灵活性，有望在未来被大量应用于抗灾救险、野外作业、极地考察、太空探索、军事侦察巡逻领域。但是机器人的快速稳定运动、强环境适应性仍然是一项重大挑战，因此进一步提升四足机器人的快速稳定奔跑能力，以及对复杂地形的适应性仍将是未来四足机器人的发展方向。而足部是提高四足机器人运动性能的关键部位，但目前很少研究人员关注四足机器人的足部设计。国内外绝大多数性能优异的四足机器人的足简单设计成球形足或柱形足，足端与地面的点或线接触使得四足机器人的抓地能力较弱，在高速运动中容易打滑，极大地影响了四组机器人的运动性能。

发明内容

本发明提供了一种机器人仿生足及具有其的机器人，能够解决现有技术中四足机器人快速稳定运动能力差、容易打滑的技术问题。

根据本发明的一方面，提供了一种机器人仿生足，机器人仿生足包括：基板；爪子组件，爪子组件包括第一导杆、第一连接杆、第二连接杆、爪子和支撑杆，第一导杆沿竖直方向可移动地设置在基板上，支撑杆的一端固定设置在基板的上部，第一连接杆的一端与第一导杆的一端固定连接，第一连接杆的另一端与第二连接杆的一端可转动连接，爪子分别与第二连接杆的另一端和支撑杆的另一端可转动连接；第一支撑足，第一支撑足固定设置在第一导杆的另一端；第一弹性组件，第一弹性组件设置在基板的下部且位于基板和第一支撑足之间；跟骨支撑件，跟骨支撑件固定设置在基板的上部；第二导杆，第二导杆沿竖直方向可移动地设置在跟骨支撑件上；第二支撑足，第二支撑足固定设置在第二导杆上；第二弹性组件，第二弹性组件设置在基板的下部且位于基板和第二支撑足之间；第一转动件，第一转动件绕第一方向可转动地设置在跟骨支撑件上；第二转动件，第二转动件绕第二方向可转动地设置第一转动件上；第三转动件，第三转动件绕第三方向可转动地设置在第二转动件上，第一方向、第二方向和第三方向彼此相互垂直；其中，当仿生足触地时，第一弹性组件和第二弹性组件均处于压缩状态，爪子朝向靠近地面方向运动以抓紧地面；当仿生足离地时，第一弹性组件和第二弹性组件处于伸长状态，爪子朝向远离地面的方向运动以离开地面。

进一步地，第一弹性组件包括第一弹簧、第二弹簧和第三弹簧，第一弹簧、第二弹簧和第三弹簧依次套设在第一导杆的外侧且与第一支撑足固定连接，第一弹簧、第二弹簧和第三弹簧的长度依次增大；和/或第二弹性组件包括第四弹簧、第五弹簧和第六弹簧，第四弹簧、第五弹簧和第六弹簧依次套设在第二导杆的外侧且与第二支撑足固定连接，第四弹簧、第五弹簧和第六弹簧的长度依次增大。

进一步地，机器人仿生足还包括第一转动阻尼、第二转动阻尼和第三转动阻尼，第一转动阻尼设置在跟骨支撑件和第一转动件的转动连接处，第二转动阻尼设置在第一转动件和第二转动件的转动连接处，第三转动阻尼设置在第二转动件和第三转动件的转动连接处。

进一步地，第一转动阻尼、第二转动阻尼和第三转动阻尼均包括扭簧。

进一步地，跟骨支撑件具有第一限位槽，第一限位槽用于限制第一转动件绕第一方向相对于跟骨支撑件的转动角度；第一转动件具有第二限位槽，第二限位槽用于限制第二转动件绕第二方向相对于第一转动件的转动角度；第二转动件具有第三限位槽，第三限位槽用于限制第三转动件绕第三方向相对于第二转动件的转动角度。

进一步地，爪子组件还包括第一直线轴承和直线轴承座，直线轴承座固定设置在基板上，第一直线轴承设置在直线轴承座内，第一导杆与第一直线轴承相配合；和/或机器人仿生足还包括第二直线轴承，第二直线轴承设置在跟骨支撑件内，第二导杆与第二直线轴承相配合。

进一步地，爪子组件还包括第一深沟球轴承、第二深沟球轴承和第三深沟球轴承，第一深沟球轴承设置在第一连接杆与第二连接杆之间，第二深沟球轴承设置在第二连接杆与爪子之间，第三深沟球轴承设置在爪子与支撑杆之间。

进一步地，机器人仿生足包括多个爪子组件、多个第一支撑足和多个第一弹性组件，多个爪子组件间隔设置在基板上，多个爪子组件、多个第一支撑足和多个第一弹性组件一一对应设置。

进一步地，第一支撑足和第二支撑足均包括支撑足垫和支撑足垫套，支撑足垫套设置在支撑足垫的外侧，支撑足垫由钢材制成，支撑足垫套由橡胶制成。

根据本发明的另一方面，提供了一种机器人，机器人包括机身和多个机器人仿生足，任一机器人仿生足均为如上所述的机器人仿生足，多个机器人仿生足与机身相连接。

应用本发明的技术方案，提供了一种机器人仿生足，该机器人仿生足通过设置爪子组件、第一导杆和第一弹性组件，当仿生足触地时，第一支撑足首先与地面接触，地面反力经第一支撑足推动第一导杆向上运动，同时第一弹性组件受到压缩，经过第一连接杆和第二连接杆推动爪子伸出以抓紧地面；在仿生足离地时，由于压力消失，受到压缩的第一弹性组件伸长并推动第一支撑足和第一导杆方向运动，最后使爪子收缩以离开地面，此种方式极大地提高了机器人的抓地力，抑制机器人在运动过程中的打滑，提高了机器人的快速稳定运动能力。此外，本发明通过跟骨支撑件、第二导杆、第一转动件、第二转动件和第三转动件仿生设计了柔顺踝关节，通过三个串联的转动副实现了动物踝关节的三个转动自由度，扩大了机器人的运动范围。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了根据本发明的具体实施例提供的机器人仿生足的主视图；

图2示出了根据本发明的具体实施例提供的机器人仿生足的轴测图；

图3示出了根据本发明的具体实施例提供的爪子组件的主视图；

图4示出了根据本发明的具体实施例提供的第一弹性组件与第一支撑足连接的示意图；

图5示出了根据本发明的具体实施例提供的踝关节的主视图；

图6示出了图5中提供的踝关节的左视图；

图7示出了根据本发明的具体实施例提供的基板的主视图；

图8示出了根据本发明的具体实施例提供的基板的左视图；

图9示出了根据本发明的具体实施例提供的爪子的主视图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、基板；20、爪子组件；21、第一导杆；22、第一连接杆；23、第二连接杆；24、爪子；25、支撑杆；26、第一直线轴承；27、直线轴承座；30、第一支撑足；301、支撑足垫；302、支撑足垫套；40、第一弹性组件；41、第一弹簧；42、第二弹簧；43、第三弹簧；50、跟骨支撑件；60、第二导杆；70、第二支撑足；701、支撑足垫；702、支撑足垫套；80、第二弹性组件；81、第四弹簧；82、第五弹簧；83、第六弹簧；90、第一转动件；100、第二转动件；110、第三转动件；120、第一转动阻尼；130、第二转动阻尼；140、第三转动阻尼；150、第二直线轴承；160、第一转动轴；170、第二转动轴。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

如图1和图2所示，根据本发明的具体实施例提供了一种机器人仿生足，该机器人仿生足包括基板10、爪子组件20、第一支撑足30、第一弹性组件40、跟骨支撑件50、第二导杆60、第二支撑足70、第二弹性组件80、第一转动件90、第二转动件100和第三转动件110，爪子组件20包括第一导杆21、第一连接杆22、第二连接杆23、爪子24和支撑杆25，第一导杆21沿竖直方向可移动地设置在基板10上，支撑杆25的一端固定设置在基板10的上部，第一连接杆22的一端与第一导杆21的一端固定连接，第一连接杆22的另一端与第二连接杆23的一端可转动连接，爪子24分别与第二连接杆23的另一端和支撑杆25的另一端可转动连接，第一支撑足30固定设置在第一导杆21的另一端，第一弹性组件40设置在基板10的下部且位于基板10和第一支撑足30之间，跟骨支撑件50固定设置在基板10的上部，第二导杆60沿竖直方向可移动地设置在跟骨支撑件50上，第二支撑足70固定设置在第二导杆60上，第二弹性组件80设置在基板10的下部且位于基板10和第二支撑足70之间，第一转动件90绕第一方向可转动地设置在跟骨支撑件50上，第二转动件100绕第二方向可转动地设置第一转动件90上，第三转动件110绕第三方向可转动地设置在第二转动件100上，第一方向、第二方向和第三方向彼此相互垂直；其中，当仿生足触地时，第一弹性组件40和第二弹性组件80均处于压缩状态，爪子24朝向靠近地面方向运动以抓紧地面；当仿生足离地时，第一弹性组件40和第二弹性组件80处于伸长状态，爪子24朝向远离地面的方向运动以离开地面。

应用此种配置方式，提供了一种机器人仿生足，该机器人仿生足通过设置爪子组件、第一导杆和第一弹性组件，当仿生足触地时，第一支撑足首先与地面接触，地面反力经第一支撑足推动第一导杆向上运动，同时第一弹性组件受到压缩，经过第一连接杆和第二连接杆推动爪子伸出以抓紧地面；在仿生足离地时，由于压力消失，受到压缩的第一弹性组件伸长并推动第一支撑足和第一导杆方向运动，最后使爪子收缩以离开地面，此种方式极大地提高了机器人的抓地力，抑制机器人在运动过程中的打滑，提高了机器人的快速稳定运动能力。此外，本发明通过跟骨支撑件、第二导杆、第一转动件、第二转动件和第三转动件仿生设计了柔顺踝关节，通过三个串联的转动副实现了动物踝关节的三个转动自由度，扩大了机器人的运动范围。

作为本发明的一个具体实施例，第一转动件90绕第一方向可转动地设置在跟骨支撑件50上以实现机器人横滚方向的转动自由度，第二转动件100绕第二方向可转动地设置第一转动件90上以实现机器人俯仰方向的转动自由度，第三转动件110绕第三方向可转动地设置在第二转动件100上以实现机器人偏航方向的转动自由度。

进一步地，在本发明中，为了减小冲击的强度，减少能量损耗，起到缓冲作用并保护支撑足，如图4所示，可将第一弹性组件40配置为包括第一弹簧41、第二弹簧42和第三弹簧43，第一弹簧41、第二弹簧42和第三弹簧43依次套设在第一导杆21的外侧且与第一支撑足30固定连接，第一弹簧41、第二弹簧42和第三弹簧43的长度依次增大；和/或第二弹性组件80包括第四弹簧81、第五弹簧82和第六弹簧83，第四弹簧81、第五弹簧82和第六弹簧83依次套设在第二导杆60的外侧且与第二支撑足70固定连接，第四弹簧81、第五弹簧82和第六弹簧83的长度依次增大。

在此种配置方式下，当机器人在地面奔跑时，由于受到地面的冲击力较大，所以在第三弹簧43受到压缩后，随着压缩量的增大而逐渐变短，当第三弹簧43压缩到和第二弹簧42一样长后，第二弹簧42也开始受到压缩，产生第一级刚度变化；如果地面反力足够大，第三弹簧43和第二弹簧42压缩得比第一弹簧41短后，第一弹簧41也开始受到压缩，产生第二级刚度变化。与之类似，对于第二弹性组件80而言，由于受到地面的冲击力较大，所以在第六弹簧83受到压缩后，随着压缩量的增大而逐渐变短，当第六弹簧83压缩到和第五弹簧82一样长后，第五弹簧82也开始受到压缩，产生第一级刚度变化；如果地面反力足够大，第六弹簧83和第五弹簧82压缩得比第四弹簧81短后，第四弹簧81也开始受到压缩，产生第二级刚度变化。此种方式使得支撑足与地面冲击接触时通过弹性组件的刚度变化可以减小冲击的强度，减少能量损耗，起到缓冲的作用并保护足部结构。

进一步地，在本发明中，为了防止机器人的踝关节随意转动，如图5和图6所示，可将机器人仿生足配置为还包括第一转动阻尼120、第二转动阻尼130和第三转动阻尼140，第一转动阻尼120设置在跟骨支撑件50和第一转动件90的转动连接处，第二转动阻尼130设置在第一转动件90和第二转动件100的转动连接处，第三转动阻尼140设置在第二转动件100和第三转动件110的转动连接处。作为本发明的一个具体实施例，第一转动阻尼120、第二转动阻尼130和第三转动阻尼140均包括扭簧。

此外，在本发明中，为了对踝关节的运动范围进行限制，可将跟骨支撑件50配置为具有第一限位槽，第一限位槽用于限制第一转动件90绕第一方向相对于跟骨支撑件50的转动角度；第一转动件90具有第二限位槽，第二限位槽用于限制第二转动件100绕第二方向相对于第一转动件90的转动角度；第二转动件100具有第三限位槽，第三限位槽用于限制第三转动件110绕第三方向相对于第二转动件100的转动角度。

作为本发明的一个具体实施例，跟骨支撑件50的上端开一个弧形槽作为第一限位槽，第一限位槽与第一转动件90构成横滚转动副，同时弧形槽具有一定的斜度来限制横滚转动副的转动角度。第一转动件90上端开一个弧形槽作为第二限位槽，第二限位槽与第二转动件100构成俯仰转动副，同时弧形槽具有一定的斜度来限制俯仰转动副的转动角度。第一转动件90的下端为两片半圆形的耳朵，两边各打一个轴承孔，用于安装深沟球轴承，并通过第一转动轴160与跟骨支撑件50构成横滚转动副。第二转动件100的形状为U型，两个侧面各打了一个轴承孔，用于安装深沟球轴承，并通过第二转动轴170与第一转动件90构成俯仰转动副。第二转动件100的上面打了一个轴承孔用于安装角接触轴承，与第三转动件110构成偏航转动副。

进一步地，在本发明中，为了方便实现导杆沿竖直方向的移动，如图3所示，可将爪子组件20配置为还包括第一直线轴承26和直线轴承座27，直线轴承座27固定设置在基板10上，第一直线轴承26设置在直线轴承座27内，第一导杆21与第一直线轴承26相配合；和/或机器人仿生足还包括第二直线轴承150，第二直线轴承150设置在跟骨支撑件50内，第二导杆60与第二直线轴承150相配合。

此外，在本发明中，为了减小摩擦损耗，可将爪子组件20配置为还包括第一深沟球轴承、第二深沟球轴承和第三深沟球轴承，第一深沟球轴承设置在第一连接杆22与第二连接杆23之间，第二深沟球轴承设置在第二连接杆23与爪子24之间，第三深沟球轴承设置在爪子24与支撑杆25之间。

进一步地，在本发明中，为了提高机器人仿生足运行的平稳性以及提高机器人的抓地力，可将机器人仿生足配置为包括多个爪子组件20、多个第一支撑足30和多个第一弹性组件40，多个爪子组件20间隔设置在基板10上，多个爪子组件20、多个第一支撑足30和多个第一弹性组件40一一对应设置。

作为本发明的一个具体实施例，如图1和图2所示，机器人仿生足包括四个爪子组件20、四个第一支撑足30和四个第一弹性组件40，四个爪子组件20对称安装在基板10上，四个第一支撑足30分别与四个爪子组件20的第一导杆螺纹连接，四个第一弹性组件40一一对应设置在四个第一支撑足30与基板10之间。

进一步地，在本发明中，为了缓冲地面冲击力以及提高足部支撑刚度，可将第一支撑足30配置为包括支撑足垫301和支撑足垫套302，支撑足垫套302设置在支撑足垫301的外侧，支撑足垫301由钢材制成，支撑足垫套302由橡胶制成；以及第二支撑足70包括支撑足垫701和支撑足垫套702，支撑足垫套702设置在支撑足垫701的外侧，支撑足垫701由钢材制成，支撑足垫套702由橡胶制成。

根据本发明的另一方面，提高了一种机器人，该机器人包括机身和多个机器人仿生足，任一机器人仿生足均为如上所述的机器人仿生足，多个机器人仿生足与机身相连接。

应用此种配置方式，提高了一种机器人，由于本发明所提供的机器人仿生足极大地提高了机器人的抓地力，抑制机器人在运动过程中的打滑，提高了机器人的快速稳定运动能力，因此将本发明所提供的机器人仿生足应用到机器人中，能够极大地提高机器人的运动性能。

为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1至图9对本发明所提供的机器人仿生足进行详细说明。

如图1至图9所示，根据本发明的具体实施例提供了一种机器人仿生足，该机器人仿生足包括基板10、四个爪子组件20、四个第一支撑足30、四个第一弹性组件40、跟骨支撑件50、第二导杆60、第二支撑足70、第二弹性组件80、第一转动件90、第二转动件100和第三转动件110，各个爪子组件20均包括第一导杆21、第一连接杆22、第二连接杆23、爪子24、支撑杆25、第一直线轴承26、直线轴承座27、第一深沟球轴承、第二深沟球轴承和第三深沟球轴承，跟骨支撑件、第二导杆、第一转动件、第二转动件和第三转动件构成了机器人的柔顺踝关节。

四个爪子组件20对称安装在基板10上，四个第一支撑足20分别与四个爪子组件20的第一导杆21通过螺纹连接，第二支撑足70与第二导杆60通过螺纹联接。踝关节通过螺钉固定安装在基板10上，这样就形成一个完整的仿生足，最后仿生足通过踝关节的第三转动件110安装在四足机器人上。

在该实施例中，机器人仿生足的爪子组件如图3所示，第一连接杆22与第二连接杆23转动连接以形成第一转动副，在第一转动副处设置有第一深沟球轴承，第二连接杆23与爪子24转动连接以形成第二转动副，在第二转动副处设置有第二深沟球轴承，爪子24与支撑杆25转动连接以形成第三转动副，在第三转动副处设置有第三深沟球轴承。支撑杆25与基板10通过螺栓螺母固定连接。第一连接杆22与第一导杆21通过螺纹固定连接，第一导杆21与第一直线轴承26构成移动副，第一直线轴承26通过卡簧固定在直线轴承座27内，直线轴承座27与基板10通过螺栓螺母联接固定，这样就构成一个四杆机构——爪子机构。

仿生足的可变刚度支撑足如图1和图4所示，第一弹性组件40包括第一弹簧41、第二弹簧42和第三弹簧43，三个圆柱螺旋压缩弹簧同心布置并且一端固定在第一支撑足30的槽孔内，另一端自由，第一弹簧41在最里面，第二弹簧42在中间，第三弹簧43在最外层，三个弹簧通过第一导杆径向定位。三个并联弹簧的长度设计成不一样长，第三弹簧43的长度最长，第一弹簧41的长度最短，第一支撑足受力时，第三弹簧43首先与第一支撑足30接触产生压缩变形，随着第三弹簧43压缩量逐渐的增大，第二弹簧42和第一弹簧41依次受到压缩，这样就可以产生二次刚度的变化。第一支撑足30包括支撑足垫301和支撑足垫套302，支撑足垫套302套设在支撑足垫301的外侧且两者通过胶水粘结固定，支撑足垫301由钢材制成，支撑足垫套302由橡胶制成，支撑足垫套302在保护支撑足垫301的同时起到一定的防滑效果。

第二弹性组件80包括第四弹簧81、第五弹簧82和第六弹簧83，三个圆柱螺旋压缩弹簧同心布置并且一端固定在第二支撑足70的槽孔内，另一端自由，第四弹簧81在最里面，第五弹簧82在中间，第六弹簧83在最外层，三个弹簧通过第二导杆径向定位。三个并联弹簧的长度设计成不一样长，第六弹簧83的长度最长，第四弹簧81的长度最短，第二支撑足70受力时，第六弹簧83首先与第二支撑足70接触产生压缩变形，随着第六弹簧83压缩量逐渐的增大，第五弹簧82和第四弹簧81依次收到压缩，这样就可以产生二次刚度的变化。第二支撑足70包括支撑足垫701和支撑足垫套702，支撑足垫套702套设在支撑足垫701的外侧且两者通过胶水粘结固定，支撑足垫701由钢材制成，支撑足垫套702由橡胶制成，支撑足垫套702在保护支撑足垫701的同时起到一定的防滑效果。

仿生足的踝关节如图5和图6所示，第二导杆60与第二直线轴承150构成移动副，第二直线轴承150通过卡簧安装固定在跟骨支撑件50的孔内。跟骨支撑件50通过第一转动轴160(即横滚轴)与第一转动件90构成横滚转动副。为了减小摩擦损耗，在转动副处添加两个深沟球轴承。为了防止横滚转动副随意转动，在跟骨支撑件50与第一转动件90之间添加了一个横滚扭簧作为第一转动阻尼120，给横滚转动副增加转动的阻尼；同时在跟骨支撑件50上开了一个第一限位槽，将第一转动件90放下后可以限制横滚转动副转动的角度范围。

第一转动件90通过第二转动轴170(即俯仰轴)与第二转动件100构成俯仰转动副，为了减小摩擦损耗，在转动副处添加两个深沟球轴承；为了防止俯仰转动副随意转动，在第一转动件90与第二转动件100之间添加了两个俯仰扭簧作为第二转动阻尼140，给俯仰转动副增加转动的阻尼；同时在第一转动件90上开了一个第二限位槽，将第二转动件100放下后可以限制俯仰转动副转动的角度范围。

第二转动件100与第三转动件110构成偏航转动副，为了减小摩擦损耗，在转动副处添加一个深沟球轴承；为了防止偏航转动副随意转动，在第二转动件100与第三转动件110之间添加了一个偏航扭簧作为第三转动阻尼140，给偏航转动副增加转动的阻尼；同时在第二转动件100上开了两个槽口，通过长销轴与第三转动件110配合限制偏航转动副转动的角度范围。这样通过串联三个转动副实现了动物踝关节的三个转动自由度，通过扭簧模仿踝关节韧带的功能，实现对踝关节的保护和约束。

仿生足的基板10如图7和图8所示，基板10的作用是支撑爪子组件、支撑足和踝关节。基板10的前端开了四个长槽口，便于爪子24的伸出和收缩。四个爪子组件20参考成年家猫猫爪的实际位置，通过支撑杆25和直线轴承座27对称安装固定在基板10上，一边各两个，踝关节通过跟骨支撑件50安装在基板10的后端。爪子24上设计了两个轴承孔，用于安放深沟球轴承，分别与第二连接杆23以及支撑杆25构成转动副。爪子24的弧形形状是仿生猫锋利的爪子而设计，保证爪子24在伸出后可以牢牢勾住地面，同时在缩回后不会与地面接触碰撞。第二连接杆23采用树杈形状的设计，在开口一端可以夹住爪子24，在另一端可以卡进第一连接杆22的开口处，就这样将爪子24和第一连接杆22连接在一起。

跟骨支撑件50中间打了一个通孔，通孔内通过卡簧固定安装一个第二直线轴承150与第二导杆60构成移动副。跟骨支撑件50通过第一转动轴160与第一转动件90构成横滚转动副；第一转动件90通过第二转动轴170与第二转动件100构成俯仰转动副；第二转动件100与第三转动件110构成偏航转动副，这样就形成一个完整的踝关节。

本发明的具体使用方法：首先将四足机器人仿生足安装在四足机器人机身上，使机器人在光滑平坦地面上行走，在仿生足触地时，支撑足垫套首先与地面接触，地面反力经支撑足垫推动第一导杆21向上运动，同时第三弹簧43受到压缩，然后通过第一连接杆22将力和运动传递给第二连接杆23，最后由第二连接杆23推动爪子24伸出；在仿生足离地时，由于压力消失，受到压缩的第三弹簧43伸长并推动支撑足垫和第一导杆21反向运动，最后使爪子收缩。

当四足机器人在地面上奔跑时，由于受到地面的冲击力较大，所以在第三弹簧43受到压缩后，随着压缩量的增大而逐渐变短，当第三弹簧43压缩到和第二弹簧42一样长后，第二弹簧42也开始受到压缩，产生第一级刚度变化；如果地面反力足够大，第三弹簧43和第二弹簧42压缩得比第一弹簧41短后，第一弹簧41也开始受到压缩，产生第二级刚度变化。

当四足机器人在不平坦地面上行走时，如果仿生足接触的地面是左右不平坦，则整个仿生足绕着横滚轴转动，由横滚扭簧添加第一转动阻尼，同时由跟骨支撑件50上的限位槽限制转动的角度；如果仿生足接触的地面是前后不平坦，则整个仿生足绕着俯仰轴转动，由俯仰扭簧添加第二转动阻尼，同时由第一转动件90上的限位槽限制转动的角度；如果仿生足接触的地面使仿生足产生左右偏转的扭矩时，则整个仿生足绕着第三转动件110转动，由偏航扭簧添加第三转动阻尼，同时由第二转动件100上的限位槽限制转动的角度；如果仿生足接触的地面保持平坦，则由横滚扭簧、俯仰扭簧和偏航扭簧同时为横滚转动副、俯仰转动副和偏航转动副添加阻尼，防止踝关节随意转动。

综上所述，本发明从仿生学的角度出发，提供了一种机器人仿生足，该机器人仿生足可用于四足机器人中，模仿具有优异运动能力的四足动物的足部结构及功能，提高四足机器人的运动速度、抓地力，解决目前四足机器人快速稳定运动能力差、容易打滑，提高四足机器人的抓地力、运动速度和对复杂地形的适应性，实现四足机器人在各种复杂环境中的应用。本发明所提供的机器人仿生足与现有技术相比，具有以下优点。

第一，本发明仿生猫爪的功能结构设计了爪子组件，在受到地面反力时伸出爪子抓住地面，提高四足机器人的抓地力，抑制四足机器人在运动过程中打滑。

第二，本发明仿生猫的脚掌肉垫在仿生足部增加了可变刚度的弹簧组件，当四足机器人足部与地面冲击接触时通过弹簧组件的刚度变化减小冲击的强度，减少能量损耗，起到缓冲的作用并保护足部结构。

第三，本发明仿生设计了柔顺踝关节，通过三个串联的转动副实现动物踝关节的三个转动自由度，并通过在转动副处设计限位槽限制踝关节的运动范围，通过增加扭簧给转动副添加阻尼，防止踝关节随意转动。

第四，本发明设计的仿生足创新性地仿生猫足的结构和功能，一反传统的四足机器人足部结构设计，将仿生学的知识进一步运用到四足机器人的开发研究中去，仿生足的爪子、可变刚度弹簧组件和踝关节设计对提高四足机器人的运动性能具有重要意义。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种机器人仿生足，其特征在于，所述机器人仿生足包括：

基板(10)；

爪子组件(20)，所述爪子组件(20)包括第一导杆(21)、第一连接杆(22)、第二连接杆(23)、爪子(24)和支撑杆(25)，所述第一导杆(21)沿竖直方向可移动地设置在所述基板(10)上，所述支撑杆(25)的一端固定设置在所述基板(10)的上部，所述第一连接杆(22)的一端与所述第一导杆(21)的一端固定连接，所述第一连接杆(22)的另一端与所述第二连接杆(23)的一端可转动连接，所述爪子(24)分别与所述第二连接杆(23)的另一端和所述支撑杆(25)的另一端可转动连接；

第一支撑足(30)，所述第一支撑足(30)固定设置在所述第一导杆(21)的另一端；

第一弹性组件(40)，所述第一弹性组件(40)设置在所述基板(10)的下部且位于所述基板(10)和所述第一支撑足(30)之间；

跟骨支撑件(50)，所述跟骨支撑件(50)固定设置在所述基板(10)的上部；

第二导杆(60)，所述第二导杆(60)沿竖直方向可移动地设置在所述跟骨支撑件(50)上；

第二支撑足(70)，所述第二支撑足(70)固定设置在所述第二导杆(60)上；

第二弹性组件(80)，所述第二弹性组件(80)设置在所述基板(10)的下部且位于所述基板(10)和所述第二支撑足(70)之间；

第一转动件(90)，所述第一转动件(90)绕第一方向可转动地设置在所述跟骨支撑件(50)上；

第二转动件(100)，所述第二转动件(100)绕第二方向可转动地设置所述第一转动件(90)上；

第三转动件(110)，所述第三转动件(110)绕第三方向可转动地设置在所述第二转动件(100)上，所述第一方向、所述第二方向和所述第三方向彼此相互垂直；

其中，当所述仿生足触地时，所述第一弹性组件(40)和所述第二弹性组件(80)均处于压缩状态，所述爪子(24)朝向靠近地面方向运动以抓紧地面；当所述仿生足离地时，所述第一弹性组件(40)和所述所述第二弹性组件(80)处于伸长状态，所述爪子(24)朝向远离地面的方向运动以离开地面。

2.根据权利要求1所述的机器人仿生足，其特征在于，所述第一弹性组件(40)包括第一弹簧(41)、第二弹簧(42)和第三弹簧(43)，所述第一弹簧(41)、所述第二弹簧(42)和所述第三弹簧(43)依次套设在所述第一导杆(21)的外侧且与所述第一支撑足(30)固定连接，所述第一弹簧(41)、所述第二弹簧(42)和所述第三弹簧(43)的长度依次增大；和/或所述第二弹性组件(80)包括第四弹簧(81)、第五弹簧(82)和第六弹簧(83)，所述第四弹簧(81)、所述第五弹簧(82)和所述第六弹簧(83)依次套设在所述第二导杆(60)的外侧且与所述第二支撑足(70)固定连接，所述第四弹簧(81)、所述第五弹簧(82)和所述第六弹簧(83)的长度依次增大。

3.根据权利要求1所述的机器人仿生足，其特征在于，所述机器人仿生足还包括第一转动阻尼(120)、第二转动阻尼(130)和第三转动阻尼(140)，所述第一转动阻尼(120)设置在所述跟骨支撑件(50)和所述第一转动件(90)的转动连接处，所述第二转动阻尼(130)设置在所述第一转动件(90)和所述第二转动件(100)的转动连接处，所述第三转动阻尼(140)设置在所述第二转动件(100)和所述第三转动件(110)的转动连接处。

4.根据权利要求3所述的机器人仿生足，其特征在于，所述第一转动阻尼(120)、所述第二转动阻尼(130)和所述第三转动阻尼(140)均包括扭簧。

5.根据权利要求3所述的机器人仿生足，其特征在于，所述跟骨支撑件(50)具有第一限位槽，所述第一限位槽用于限制所述第一转动件(90)绕第一方向相对于所述跟骨支撑件(50)的转动角度；所述第一转动件(90)具有第二限位槽，所述第二限位槽用于限制所述第二转动件(100)绕第二方向相对于所述第一转动件(90)的转动角度；所述第二转动件(100)具有第三限位槽，所述第三限位槽用于限制所述第三转动件(110)绕第三方向相对于所述第二转动件(100)的转动角度。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的机器人仿生足，其特征在于，所述爪子组件(20)还包括第一直线轴承(26)和直线轴承座(27)，所述直线轴承座(27)固定设置在所述基板(10)上，所述第一直线轴承(26)设置在所述直线轴承座(27)内，所述第一导杆(21)与所述第一直线轴承(26)相配合；和/或所述机器人仿生足还包括第二直线轴承(150)，所述第二直线轴承(150)设置在所述跟骨支撑件(50)内，所述第二导杆(60)与所述第二直线轴承(150)相配合。

7.根据权利要求6所述的机器人仿生足，其特征在于，所述爪子组件(20)还包括第一深沟球轴承、第二深沟球轴承和第三深沟球轴承，所述第一深沟球轴承设置在所述第一连接杆(22)与所述第二连接杆(23)之间，所述第二深沟球轴承设置在所述第二连接杆(23)与所述爪子(24)之间，所述第三深沟球轴承设置在所述爪子(24)与所述支撑杆(25)之间。

8.根据权利要求6所述的机器人仿生足，其特征在于，所述机器人仿生足包括多个所述爪子组件(20)、多个所述第一支撑足(30)和多个所述第一弹性组件(40)，多个所述爪子组件(20)间隔设置在所述基板(10)上，多个所述爪子组件(20)、多个所述第一支撑足(30)和多个所述第一弹性组件(40)一一对应设置。

9.根据权利要求8所述的机器人仿生足，其特征在于，所述第一支撑足(30)和所述第二支撑足(70)均包括支撑足垫(301；701)和支撑足垫套(302；702)，所述支撑足垫套(302；702)设置在所述支撑足垫(301；701)的外侧，所述支撑足垫(301；701)由钢材制成，所述支撑足垫套(302；702)由橡胶制成。

10.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括机身和多个所述机器人仿生足，任一所述机器人仿生足均为权利要求1至9中任一项所述的机器人仿生足，多个所述机器人仿生足与所述机身相连接。

Images