CN113212592B - 一种腿足式机器人可调足端 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种腿足式机器人可调足端，该可调足端包括足掌、两个前足趾以及一个后足趾；足掌安装于机器人小腿的底部；两个前足趾对称设置于足掌的两侧，前足趾的后端能够转动地安装于足掌、且前端固定连接在一起；前足趾控制推杆的顶端能够转动地安装于机器人小腿的前侧，底端与前足趾连接杆的顶端连接；后足趾的前端能够转动地安装于足掌，后端与后足趾控制推杆的底端相连接；后足趾控制推杆的顶端安装于机器人小腿的后侧；在前足趾控制推杆与前足趾连接杆之间、以及后足趾与后足趾控制推杆之间均安装有缓冲弹簧。上述可调足端能够解决足端在松软、冰雪等路面因附着力低和容易打滑导致的环境适应性差的问题。

Description

一种腿足式机器人可调足端

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种腿足式机器人可调足端。

背景技术

四足机器人是移动足式机器人的一种，可以适应复杂的环境，具有广泛的应用场景。机器人足端直接与地面接触，是移动、承载、适应地面和驱动的重要部件。四足机器人的足端主要有圆柱形足端(含半圆柱形足端)和球形足端(含半球形足端)。圆柱形足端和球形足端能够实现与地面之间的圆滑过渡，改善足式步行机构的灵活性和地面适应性。较小的触地面积使圆柱形足端或球形足端能够适应各种复杂的地面环境，方便其以任意角度与地面接触，对步行机构的运动姿态没有限制。但圆柱形足端和球形足端在松软、斜坡、草地、冰雪等路面等易出现滑移和低附着，导致环境适应性差的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种腿足式机器人可调足端，该可调足端采用推杆控制前、后足趾与足掌的相对位置来调整足端与地面的接触状态，从而解决足端在松软、冰雪等路面因附着力低和容易打滑导致的环境适应性差的问题。

本发明采用以下具体技术方案：

一种腿足式机器人可调足端，该可调足端包括足掌、两个前足趾、一个后足趾、前足趾控制推杆、后足趾控制推杆、缓冲弹簧以及前足趾连接杆；

所述足掌安装于机器人小腿的底部；

两个所述前足趾对称设置于所述足掌的两侧，所述前足趾的后端能够转动地安装于所述足掌、且前端通过所述前足趾连接杆固定连接在一起；

所述前足趾控制推杆的顶端能够转动地安装于所述机器人小腿的前侧，底端与所述前足趾连接杆的顶端连接；

所述后足趾的前端能够转动地安装于所述足掌，后端与所述后足趾控制推杆的底端相连接；

所述后足趾控制推杆的顶端能够转动地安装于所述机器人小腿的后侧；

在所述前足趾控制推杆与所述前足趾连接杆之间、以及所述后足趾与所述后足趾控制推杆之间均安装有所述缓冲弹簧。

更进一步地，还包括固定安装于所述足掌的足趾安装轴以及套设于所述足趾安装轴的轴承；

所述足趾安装轴的两端均凸伸于所述足掌外侧；

所述前足趾和所述后足趾通过所述轴承安装于所述足趾安装轴。

更进一步地，还包括固定安装于所述机器人小腿前侧的前侧推杆安装架和固定安装于所述机器人小腿后侧的后侧推杆安装架；

所述前足趾控制推杆的顶端铰接于所述前侧推杆安装架；

所述后足趾控制推杆的顶端铰接于所述后侧推杆安装架。

更进一步地，两个所述前足趾与所述前足趾连接杆之间固定连接，用于实现两个所述前足趾的同步起落。

更进一步地，所述前足趾连接杆包括横杆和竖杆；

所述横杆固定连接于两个所述前足趾之间；

所述竖杆连接于所述横杆和所述前足趾控制推杆之间。

更进一步地，所述后足趾的后端设置有用于与所述后足趾控制推杆连接的后足趾横杆。

更进一步地，所述足掌为圆柱形或球形。

更进一步地，所述前足趾的前端底部和所述后足趾的后端底部均为锯齿状结构；

所述前足趾和所述后足趾的外侧面均设置有多个凸起。

更进一步地，所述前足趾为板状结构；

所述后足趾为U形板状结构。

更进一步地，所述前足趾的前端和所述后足趾的前端均朝向内侧倾斜。

有益效果：

本发明的腿足式机器人可调足端包括安装于足掌前侧的两个前足趾和安装于足掌后侧的后足趾，前足趾的后端能够转动地安装于足掌、且前端通过前足趾连接杆与前足趾控制推杆连接，后足趾的前端能够转动地安装于足掌、且后端与后足趾控制推杆相连接，因此，上述可调足端能够通过推杆控制前、后足趾与足掌的相对位置来调整足端与地面的接触状态，从而解决足端在松软、冰雪等路面因附着力低和容易打滑导致的环境适应性差的问题，并且适用于具有球形足端或圆柱形足端的足式机器人。

同时，在机器人上坡和下坡时，还可以通过前足趾或后足趾着地，提供辅助支撑，以减小机器人沿斜坡下滑的几率，提高爬坡性能。

上述腿足式机器人可调足端还具有结构简单，操控方便，维护、更换成本低，实用性强的特点，对四足机器人的广泛应用具有促进意义。

附图说明

图1为本发明的腿足式机器人可调足端的结构示意图；

图2为图1中前、后足趾与足掌的装配结构示意图；

图3为图2中前足趾和后足趾的装配结构示意图；

图4为图3中后足趾的结构示意图；

图5为图3中两个前足趾的结构示意图；

图6为图1中前足趾连接杆的结构示意图；

图7为本发明的腿足式机器人可调足端在平坦路面的行走状态示意图；

图8为本发明的腿足式机器人可调足端在爬坡时的行走状态示意图；

图9为本发明的腿足式机器人可调足端在下坡时的行走状态示意图；

图10为本发明的腿足式机器人可调足端在草地、冰雪路面的状态示意图。

其中，1-机器人小腿；2-后足趾控制推杆；3-第一缓冲弹簧；4-后足趾；5-足趾安装轴；6-前足趾控制推杆；7-第二缓冲弹簧；8-前足趾连接杆；9-左前足趾；10-右前足趾；11-足掌；12-前推杆安装架；13-后推杆安装架；41-后足趾横杆；42-后足趾外侧凸起；43-后足趾底部锯齿；81-横杆；82-竖杆；91-左前足趾底部锯齿；92-左前足趾外侧凸起；101-右前足趾底部锯齿。

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。

本发明提供了一种腿足式机器人可调足端，参考图1，该可调足端包括足掌11、两个前足趾、一个后足趾4、前足趾控制推杆6、后足趾控制推杆2、缓冲弹簧以及前足趾连接杆8；足掌11安装于机器人小腿1的底部，足掌11可以为圆柱形或球形；为了方便说明，将机器人前进时位于机器人前方的一侧定义为机器人小腿1的前侧，位于机器人后方的一侧定义为机器人小腿1的后侧，前足趾背离后足趾4的一端为前足趾的前端、且朝向后足趾4的一端为前足趾的后端，后足趾4背离前足趾的一端为后足趾4的后端、且朝向前足趾的一端为后足趾4的前端；

如图2和图3结构所示，两个前足趾对称设置于足掌11的两侧，前足趾的后端能够转动地安装于足掌11、且前端通过前足趾连接杆8固定连接在一起；两个前足趾为对称设置于足掌11两侧的左前足趾9和右前足趾10，如图3结构所示，左前足趾9的后端和右前足趾10的后端安装于足趾安装轴5的两端，足趾安装轴5穿设于足掌11的中心位置，使得左前足趾9和右前足趾10的后端可以绕足趾安装轴5转动，从而改变左前足趾9和右前足趾10与足掌11之间的夹角；两个前足趾与前足趾连接杆8之间固定连接，用于实现两个前足趾的同步起落；如图3和图6结构所示，前足趾连接杆8可以包括横杆81和竖杆82；横杆81固定连接于两个前足趾之间，左前足趾9的前端和右前足趾10的前端通过前足趾连接杆8的横杆81固定连接在一起；竖杆82连接于横杆81和前足趾控制推杆6之间；

如图1、图2、图3和图4结构所示，后足趾4的前端能够转动地安装于足掌11，后端与后足趾控制推杆2的底端相连接；后足趾4的前端可以转动地安装于足趾安装轴5，使得后足趾4的前端能够绕足趾安装轴5转动，从而能够改变后足趾4后端与足掌11之间的夹角；后足趾4的后端顶部与后足趾控制推杆2的底端相连接，通过后足趾控制推杆2控制后足趾4后端的高度，从而调节后足趾4后端与足掌11之间的夹角，实现后足趾4与地面的接触状态的改变；

如图1结构所示，前足趾控制推杆6的顶端能够转动地安装于机器人小腿1的前侧，底端与前足趾连接杆8的顶端连接；后足趾控制推杆2的顶端能够转动地安装于机器人小腿1的后侧；

在前足趾控制推杆6与前足趾连接杆8之间、以及后足趾4与后足趾控制推杆2之间均安装有缓冲弹簧。如图1结构所示，缓冲弹簧包括安装于后足趾4与后足趾控制推杆2之间的第一缓冲弹簧3以及安装于前足趾控制推杆6与前足趾连接杆8之间的第二缓冲弹簧7。

上述腿足式机器人可调足端包括安装于足掌11前侧的两个前足趾和安装于足掌11后侧的后足趾4，前足趾的后端能够转动地安装于足掌11、且前端通过前足趾连接杆8与前足趾控制推杆6连接，后足趾4的前端能够转动地安装于足掌11、且后端与后足趾控制推杆2相连接，因此，上述可调足端能够通过推杆控制前、后足趾4相对足掌11转动来调整足端与地面的接触状态，从而解决足端在松软、冰雪等路面因附着力低和容易打滑导致的环境适应性差的问题，并且适用于具有球形足端或圆柱形足端的足式机器人。

同时，在机器人上坡和下坡时，还可以通过前足趾或后足趾4着地，提供辅助支撑，以减小机器人沿斜坡下滑的几率，提高爬坡性能。

一种具体的实施方式中，如图2和图3结构所示，上述腿足式机器人可调足端还包括固定安装于足掌11的足趾安装轴5以及套设于足趾安装轴5的轴承(图中未示出)；足趾安装轴5的两端均凸伸于足掌11外侧；前足趾和后足趾4通过轴承安装于足趾安装轴5。如图4和图5结构所示，在前足趾的后端和后足趾4的前端均设置有与足趾安装轴5相对应安装孔(图中未示出)。

为了实现前足趾控制推杆6和后足趾控制推杆2与机器人小腿1的转动连接，如图1结构所示，上述腿足式机器人可调足端还包括固定安装于机器人小腿1前侧的前侧推杆安装架和固定安装于机器人小腿1后侧的后侧推杆安装架；前足趾控制推杆6的顶端铰接于前侧推杆安装架；后足趾控制推杆2的顶端铰接于后侧推杆安装架。

为了提高前足趾和后足趾4与地面之间的附着力，如图3、图4和图5结构所示，前足趾的前端底部和后足趾4的后端底部均为锯齿状结构，即，在左前足趾9的前端底部设置有左前足趾底部锯齿91，在右前足趾10的前端底部设置有右前足趾底部锯齿101，在后足趾4的后端底部设置有后足趾底部锯齿43；前足趾和后足趾4的外侧面均设置有多个凸起，如图3、图4和图5结构所示，在右前足趾10背离左前足趾9一侧的外侧表面设置有多个成锯齿形的右前足趾外侧凸起，在左前足趾9背离右前足趾10一侧的外侧表面设置有多个成锯齿形的左前足趾外侧凸起92，在后足趾4的外侧表面设置有多个成锯齿形的后足趾外侧凸起42。通过底部锯齿能够增大前足趾与地面之间的接触面积，从而增大与地面之间的接触摩擦力，提高机器人行走的稳定性。

如图3、图4和图5结构所示，前足趾为板状结构；后足趾4为U形板状结构。前足趾的前端和后足趾4的前端均朝向内侧倾斜，即，如图3和图5结构所示，左前足趾9的前端朝向右前足趾10一侧倾斜，右前足趾10的前端朝向左前足趾9一侧倾斜，后足趾4的前端朝向足掌11的内侧倾斜。

上述腿足式机器人可调足端具有结构简单，操控方便，维护、更换成本低，实用性强的特点，对四足机器人的广泛应用具有促进意义。

如图7结构所示，当机器人在平直的硬路面行走时，前足趾和后足趾4在控制推杆的作用下同时抬起，仅通过足掌11与地面接触，与常规机器人足行走过程相同。

如图8结构所示，当机器人上坡时，常规的平面足、圆柱足和半球形足受力情况相似，由于足底和地面之间的接触面积较小，限制了机器人的爬坡能力。而采用本发明的可调足端，前足趾和后足趾4在控制推杆驱动下下落，上坡时，足掌11先接触地面，然后前足趾和后足趾4着地，并扣入坡地土壤，扣住地面，增加机器人足与地面之间的接触面积，同时后足趾4还能防止足掌11下滑，增加爬坡稳定性，提升爬坡能力。

如图9结构所示，下坡时，后足趾4抬起，前足趾落下，行走时，足掌11先触地，然后前足趾接触地面，并扣入土壤，防止足掌11下滑，起到平稳下坡的作用。同时，当下坡角度较大时，机器人可以斜侧着行走，此时足趾扣入地面的同时，其外侧的凸起也能与地面上的石块、杂草或坡道等相互作用，增加阻力，使下坡更平稳顺畅。

如图10结构所示，相对于硬地面来说，松散的沙地土质会使机器人足陷入到路面以下，增加行走阻力和能耗。而采用本发明的可调足端，行走时，足趾伸展，与足掌11间形成一定空腔，具有一定的固沙能力，使足掌11不易陷入，从而减小沙地行走的阻力和能耗，同时增加土壤与机器人足的附着力和摩擦系数，利于机器人在沙地行走。沙地松软易导致沉陷，前后足趾增加了足端触点面积，增加机器人稳定性，且减小下陷。本发明的可调足端，在草地上行走时，前足趾和后足趾4均与地面接触，相对于沙地而言，前足趾和后足趾4下放角度更大，行走时后足趾4先接触草地或雪地，由于第一缓冲弹簧3的存在，后足趾4接触地面后第一缓冲弹簧3压缩，然后前足趾接触草地，同样由于第二缓冲弹簧7存在，当前足趾与地面作用力达到一定程度后，第二缓冲弹簧7压缩，前足趾和后足趾4缓冲，足掌11着地，此时前足趾和后足趾4已经牢牢抓住地面。

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 (9)

1.一种腿足式机器人可调足端，其特征在于，包括足掌、两个前足趾、一个后足趾、前足趾控制推杆、后足趾控制推杆、缓冲弹簧以及前足趾连接杆；

所述足掌安装于机器人小腿的底部；

两个所述前足趾对称设置于所述足掌的两侧，所述前足趾的后端能够转动地安装于所述足掌、且前端通过所述前足趾连接杆固定连接在一起；

所述前足趾控制推杆的顶端能够转动地安装于所述机器人小腿的前侧，底端与所述前足趾连接杆的顶端连接；

所述后足趾的前端能够转动地安装于所述足掌，后端与所述后足趾控制推杆的底端相连接；

所述后足趾控制推杆的顶端能够转动地安装于所述机器人小腿的后侧；

在所述前足趾控制推杆与所述前足趾连接杆之间、以及所述后足趾与所述后足趾控制推杆之间均安装有所述缓冲弹簧；

所述前足趾的前端底部和所述后足趾的后端底部均为锯齿状结构；

所述前足趾和所述后足趾的外侧面均设置有多个凸起。

2.如权利要求1所述的可调足端，其特征在于，还包括固定安装于所述足掌的足趾安装轴以及套设于所述足趾安装轴的轴承；

所述足趾安装轴的两端均凸伸于所述足掌外侧；

所述前足趾和所述后足趾通过所述轴承安装于所述足趾安装轴。

3.如权利要求1所述的可调足端，其特征在于，还包括固定安装于所述机器人小腿前侧的前侧推杆安装架和固定安装于所述机器人小腿后侧的后侧推杆安装架；

所述前足趾控制推杆的顶端铰接于所述前侧推杆安装架；

所述后足趾控制推杆的顶端铰接于所述后侧推杆安装架。

4.如权利要求1所述的可调足端，其特征在于，两个所述前足趾与所述前足趾连接杆之间固定连接，用于实现两个所述前足趾的同步起落。

5.如权利要求4所述的可调足端，其特征在于，所述前足趾连接杆包括横杆和竖杆；

所述横杆固定连接于两个所述前足趾之间；

所述竖杆连接于所述横杆和所述前足趾控制推杆之间。

6.如权利要求1所述的可调足端，其特征在于，所述后足趾的后端设置有用于与所述后足趾控制推杆连接的后足趾横杆。

7.如权利要求1所述的可调足端，其特征在于，所述足掌为圆柱形或球形。

8.如权利要求1所述的可调足端，其特征在于，所述前足趾为板状结构；

所述后足趾为U形板状结构。

9.如权利要求8所述的可调足端，其特征在于，所述前足趾的前端和所述后足趾的前端均朝向内侧倾斜。

Images