CN114750853A - 一种四足机器人被动式双自由度足装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种四足机器人被动式双自由度足装置，属于四足机器人本体机构防滑足机构设计领域。本发明的装置包括小腿1、十字销轴组件2、足底骨架3和足底防滑垫4四部分结构。所述十字销轴组件2左右端连接四足机器人小腿1，前后端连接足底骨架3，通过十字销轴实现足部的横滚和俯仰运动；足底防滑垫4通过螺钉5固定在足底骨架3周围，其下端用于增加足底与地面之间的摩擦力。本发明主体采用被动式双自由度设计方案，在四足机器人高速移动或爬坡时可有效增加接触面积和抓地力，减少足底与地面产生的滑移现象。装置结构简单、可靠、防滑效果较为明显。
Description
技术领域
本发明属于四足机器人本体机构防滑足机构设计领域，具体涉及一种四足机器人被动式双自由度足装置。
背景技术
不规则和不平坦的复杂地形环境使轮式机器人和履带式机器人的应用受到限制，原因在于轮式和履带式机器人的运动轨迹则是一条条连续的辙迹。崎岖地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物，可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限。相比轮式或履带式机器人，足式机器人运动时只需要离散的点接触地面，对复杂地形的适应能力更强。另外，足式机器人的腿部具有多个自由度，使运动的灵活性大大增强，它可以通过调节支撑腿的长度和足部落点保持身体平衡，不易倾翻，稳定性更高。因此足式机器人具有广阔的应用前景。
在机器人研制与步态调试过程中，都假设存在这样一个前提条件：即足部与地面在接触过程中与地面保持相对位置不变，也就是不产生或者尽量少产生滑移，维持足部与地面相互作用力的作用点相对稳定。这样更有利于四足机器人本体位姿的控制。常规的设计方法是把四足机器人的足底设计成球形或者半圆柱形，这样设计的优点在于不论足部着地姿态如何都有一点与地面接触，简化了足部与地面接触的情形；但这样必然导致着地接触面积减少，大大降低了着地摩擦力。长期的场地实验表明：球形或柱形足在平坦地形上高速移动或者爬坡等需要地面提供大摩擦力的条件下经常容易产生滑移现象，导致四足机器人控制难度增大。
如何设计四足机器人柔顺足部装置，简化着地情形同时最大化的提升足底与地面的抓地力和摩擦力，是四足机器人研究的重点和难点之一。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种四足机器人被动式双自由度足装置，以解决设计四足机器人柔顺足部装置，以简化着地情形同时最大化的提升足底与地面的抓地力和摩擦力的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种四足机器人被动式双自由度足装置，该装置包括小腿(1)、十字销轴组件(2)、足底骨架(3)和足底防滑垫(4)；所述十字销轴组件(2)左右端连接小腿(1)，前后端连接足底骨架(3)，通过十字销轴实现足部的横滚和俯仰运动；足底防滑垫(4)通过贯穿螺钉(5)固定在足底骨架(3)周围，其下端用于增加足底与地面之间的摩擦力。
进一步地，所述小腿(1)末端和所述足底骨架(3)上端两侧均各有一个凸起结构，凸起结构中心有连接孔用于安装十字销轴组件(2)。
进一步地，所述十字销轴组件(2)包括十字销轴(6)、阻尼套筒(7)和紧固螺钉(8)；十字销轴(6)的四个末端结构一致，均为阶梯轴结构，细轴直径与阻尼套筒(7)内径一致，端面具有螺纹孔；阻尼套筒(7)外径与连接孔内径一致，套在十字销轴(6)的细轴上；细轴端面螺纹孔用于安装紧固螺钉(8)，紧固螺钉(8)用于将阻尼套筒(7)固定在十字销轴(6)上；将十字销轴(6)放置于小腿(1)和足底骨架(3)之间的装配位置，细轴位于连接孔内，然后将阻尼套筒(7)穿过小腿(1)以及足底骨架(3)的连接孔套在细轴上，并用紧固螺钉(8)进行紧固，实现十字销轴组件(2)与小腿(1)及足底骨架(3)的安装。
进一步地，小腿(1)末端和足底骨架(3)上端两侧凸起结构中心的连接孔均有贯穿式细缝结构，细缝宽度由连接孔的预期变形量而定；细缝结构的两侧分别具有沉头光孔和螺纹孔，使用调节螺钉(9)穿过细缝结构两侧并拧紧可对细缝两端施加压力使得其局部变形，从而调整连接孔直径，进而影响连接孔与阻尼套筒(7)的装配摩擦力，实现了根据使用需求和磨损程度调整阻尼大小的功能。
进一步地，安装十字销轴组件(2)后，小腿(1)和足底骨架(3)的凸起结构互相垂直。
进一步地，在小腿(1)底部中心设置凹槽(10)，当足端横滚运动到极限时，足底骨架(3)的两侧凸起的顶部平面(11)与小腿(1)上的平面(10)发生碰撞，实现对足底骨架(3)的横滚限位；在小腿(1)的两侧凸起的内部设置第一斜面(12)，在足底骨架(3)的两侧凸起的侧面设置第二斜面(13)，第一斜面(12)和第二斜面(13)相对，当足端俯仰运动到极限时，足底骨架(3)上的第二斜面(13)与小腿(1)上的第一斜面(12)发生碰撞，实现对足底骨架(3)的俯仰限位；调整凹槽(10)、顶部平面(11)、第一斜面(12)和第二斜面(13)的角度，实现不同角度的限位，限制足底骨架(3)横滚和俯仰自由度的旋转范围。
进一步地，足底骨架(3)的中间为长方形平板结构，平板结构的下方两侧各有一个支撑结构，每个支撑结构的侧面上有螺纹孔，用于通过安装贯穿螺钉(5)将足底骨架(3)固定于足底防滑垫(4)。
进一步地，足底防滑垫(4)为空心六面体结构，顶部开口，开口尺寸与足底骨架(3)的长方形平板结构的尺寸相同，侧面设有通孔，位置对应于支撑结构侧面的螺纹孔，整体高度与支撑结构高度相同，在由下向上套在足底骨架(3)周围后，通过贯穿螺钉(5)在足底骨架(3)侧面固定，且支撑结构底部紧贴足底防滑垫(4)内部底面。
进一步地，足底防滑垫(4)采用柔性材料，其下端总体呈平面结构，当足端着地时在十字销轴组件(2)的作用下该平面结构可贴合地面。
进一步地，足底防滑垫(4)底部设计沟槽或突起用于进一步增加摩擦力和抓地力。
(三)有益效果
本发明提出一种四足机器人被动式双自由度足装置，本发明的一种四足机器人被动式双自由度足装置，主体采用被动式双自由度设计方案，在四足机器人高速移动或爬坡时可有效增加接触面积和抓地力，减少足底与地面产生的滑移现象。装置结构简单、可靠、防滑效果较为明显。
附图说明
图1为本发明四足机器人被动式双自由度足装置示意图；
图2为本发明四足机器人被动式双自由度足装置爆炸图；
图3为本发明四足机器人被动式双自由度足装置横滚限位结构示意图(截面)；
图4为本发明四足机器人被动式双自由度足装置俯仰限位结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明提供一种四足机器人被动式双自由度足装置，简化着地情形同时增加足底抓地力和摩擦力，有效减少足底与复杂地形的相对滑移现象。
本发明要解决的技术问题是提供一种四足机器人被动式双自由度足装置。该装置具有双自由度被动柔顺设计，简化着地姿态的同时增加四足机器人足底与地面的接触面积，减少足底与复杂地形的相对滑移现象。
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种四足机器人被动式双自由度足装置，该装置包括小腿、十字连接块、足底骨架和足底防滑垫四部分结构。本发明具备如下有益效果：主体采用被动式双自由度设计方案，在四足机器人移动或爬坡时可有效增加接触面积和抓地力，减少足底与地面产生的滑移现象。装置结构简单、可靠、防滑效果较为明显。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种四足机器人被动式双自由度足装置：
该装置包括小腿(1)、十字销轴组件(2)、足底骨架(3)和足底防滑垫(4)四部分结构。
十字销轴组件(2)左右端连接四足机器人小腿(1)，前后端连接足底骨架(3)，通过十字销轴实现足部的横滚和俯仰运动。
十字销轴组件(2)包括十字销轴(6)、阻尼套筒(7)和紧固螺钉(8)；阻尼套筒(7)通过紧固螺钉(8)固定在十字销轴(6)上。
小腿(1)和足底骨架(3)与十字销轴组件(2)的连接孔均有细缝结构，细缝结构的两侧分别具有沉头光孔和螺纹孔，使用调节螺钉(9)穿过细缝结构两侧，可调整连接孔直径，从而可根据使用需求和磨损程度调整阻尼大小。
通过调整小腿(1)和足底骨架(3)的尺寸设计，使其具有角度限位功能，限制足底骨架(3)横滚和俯仰自由度的旋转范围。
足底防滑垫(4)通过螺钉固定在足底骨架(3)周围，足底防滑垫(4)采用柔性材料，其下端可增加足底与地面之间的摩擦力，底部可以设计沟槽或突起用于进一步增加摩擦力和抓地力。
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为了解决现有技术问题，本发明提供了一种四足机器人被动式双自由度足装置：
该装置包括小腿(1)、十字销轴组件(2)、足底骨架(3)和足底防滑垫(4)四部分结构。
十字销轴组件(2)左右端和前后端分别连接四足机器人小腿(1)和足底骨架(3)(不限顺序)，通过十字销轴实现足部的横滚和俯仰运动。小腿(1)末端和足底骨架(3)上端两侧均各有一个凸起结构，凸起结构中心有连接孔用于安装十字销轴组件(2)。
十字销轴组件(2)包括十字销轴(6)、阻尼套筒(7)和紧固螺钉(8)；十字销轴(6)的四个末端结构一致，均为阶梯轴结构，细轴直径与阻尼套筒(7)内径一致，端面具有螺纹孔；阻尼套筒(7)外径与连接孔内径一致，套在十字销轴(6)的细轴上；细轴端面螺纹孔用于安装紧固螺钉(8)，紧固螺钉(8)用于将阻尼套筒(7)固定在十字销轴(6)上；将十字销轴(6)放置于小腿(1)和足底骨架(3)之间的装配位置，细轴位于连接孔内，然后将阻尼套筒(7)穿过小腿(1)以及足底骨架(3)的连接孔套在细轴上，并用紧固螺钉(8)进行紧固，可实现十字销轴组件(2)与小腿(1)及足底骨架(3)的安装。
小腿(1)末端和足底骨架(3)上端两侧凸起结构中心的连接孔均有贯穿式细缝结构，细缝宽度由连接孔的预期变形量而定；细缝结构的两侧分别具有沉头光孔和螺纹孔，使用调节螺钉(9)穿过细缝结构两侧并拧紧可对细缝两端施加压力使得其局部变形，从而调整连接孔直径，进而影响连接孔与阻尼套筒(7)的装配摩擦力，实现了根据使用需求和磨损程度调整阻尼大小的功能。安装十字销轴组件(2)后，小腿(1)和足底骨架(3)的凸起结构互相垂直。
通过调整小腿(1)和足底骨架(3)的尺寸设计，使其具有角度限位功能，限制足底骨架(3)横滚和俯仰自由度的旋转范围。如图3所示，在小腿(1)底部中心设置凹槽(10)，当足端横滚运动到极限时，足底骨架(3)的两侧凸起的顶部平面(11)与小腿(1)上的平面(10)发生碰撞，实现对足底骨架(3)的横滚限位。如图4所示，在小腿(1)的两侧凸起的内部设置第一斜面(12)，在足底骨架(3)的两侧凸起的侧面设置第二斜面(13)，第一斜面(12)和第二斜面(13)相对，当足端俯仰运动到极限时，足底骨架(3)上的第二斜面(13)与小腿(1)上的第一斜面(12)发生碰撞，实现对足底骨架(3)的俯仰限位。调整凹槽(10)、顶部平面(11)、第一斜面(12)和第二斜面(13)的角度，可实现不同角度的限位，限制足底骨架(3)横滚和俯仰自由度的旋转范围。
足底骨架(3)的中间为长方形平板结构，平板结构的下方两侧各有一个支撑结构，每个支撑结构的侧面上有螺纹孔，可通过安装贯穿螺钉(5)将足底骨架(3)固定于足底防滑垫(4)。
足底防滑垫(4)为空心六面体结构，顶部开口，开口尺寸与足底骨架(3)的长方形平板结构的尺寸相同，侧面设有通孔，位置对应于支撑结构侧面的螺纹孔，整体高度与支撑结构高度相同，在由下向上套在足底骨架(3)周围后，通过贯穿螺钉(5)在足底骨架(3)侧面固定，且支撑结构底部紧贴足底防滑垫(4)内部底面。足底防滑垫(4)采用柔性材料，其下端总体呈平面结构，当足端着地时在十字销轴组件(2)的作用下该平面结构可贴合地面，从而增加足底与地面之间的摩擦力；底部可以设计沟槽或突起用于进一步增加摩擦力和抓地力。
实施例1：
一种四足机器人被动式双自由度足装置，该装置包括小腿(1)、十字销轴组件(2)、足底骨架(3)和足底防滑垫(4)四部分结构。所述十字销轴组件(2)左右端连接四足机器人小腿(1)，前后端连接足底骨架(3)，通过十字销轴实现足部的横滚和俯仰运动；足底防滑垫(4)通过贯穿螺钉(5)固定在足底骨架(3)周围，其下端用于增加足底与地面之间的摩擦力。
进一步地，通过十字销轴组件实现足底骨架(3)与小腿(1)单元的被动双自由度连接，有助于四足机器人在移动过程中足底骨架与复杂地形的柔顺接触，减少着地冲击力，同时有助于增加足底与地面的接触面积增加摩擦力。
进一步地，通过十字销轴组件(2)实现与小腿(1)和足底骨架(3)的双自由度连接；十字销轴组件具有可调节的旋转阻尼结构，在不影响足着地旋转的同时可防止其在摆动项晃动。
进一步地，十字销轴组件由十字销轴(6)、阻尼套筒(7)和紧固螺钉(8)组成；阻尼套筒(7)通过紧固螺钉(8)固定在十字销轴(6)上。
进一步地，小腿(1)和足底骨架(3)与十字销轴组件(2)的连接孔均有细缝结构，使用调节螺钉(9)穿过细缝结构两侧，可调整连接孔直径，从而调整阻尼大小。
进一步地，所述的足底防滑垫(4)采用柔性材料，包覆在足底骨架(3)周围，其下端可增加足底与地面之间的摩擦力。
本发明的一种四足机器人被动式双自由度足装置，主体采用被动式双自由度设计方案，在四足机器人高速移动或爬坡时可有效增加接触面积和抓地力，减少足底与地面产生的滑移现象。装置结构简单、可靠、防滑效果较为明显。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种四足机器人被动式双自由度足装置，其特征在于，该装置包括小腿(1)、十字销轴组件(2)、足底骨架(3)和足底防滑垫(4)；所述十字销轴组件(2)左右端连接小腿(1)，前后端连接足底骨架(3)，通过十字销轴实现足部的横滚和俯仰运动；足底防滑垫(4)通过贯穿螺钉(5)固定在足底骨架(3)周围，其下端用于增加足底与地面之间的摩擦力。
2.如权利要求1所述的四足机器人被动式双自由度足装置，其特征在于，所述小腿(1)末端和所述足底骨架(3)上端两侧均各有一个凸起结构，凸起结构中心有连接孔用于安装十字销轴组件(2)。
3.如权利要求2所述的四足机器人被动式双自由度足装置，其特征在于，所述十字销轴组件(2)包括十字销轴(6)、阻尼套筒(7)和紧固螺钉(8)；十字销轴(6)的四个末端结构一致，均为阶梯轴结构，细轴直径与阻尼套筒(7)内径一致，端面具有螺纹孔；阻尼套筒(7)外径与连接孔内径一致，套在十字销轴(6)的细轴上；细轴端面螺纹孔用于安装紧固螺钉(8)，紧固螺钉(8)用于将阻尼套筒(7)固定在十字销轴(6)上；将十字销轴(6)放置于小腿(1)和足底骨架(3)之间的装配位置，细轴位于连接孔内，然后将阻尼套筒(7)穿过小腿(1)以及足底骨架(3)的连接孔套在细轴上，并用紧固螺钉(8)进行紧固，实现十字销轴组件(2)与小腿(1)及足底骨架(3)的安装。
4.如权利要求3所述的四足机器人被动式双自由度足装置，其特征在于，小腿(1)末端和足底骨架(3)上端两侧凸起结构中心的连接孔均有贯穿式细缝结构，细缝宽度由连接孔的预期变形量而定；细缝结构的两侧分别具有沉头光孔和螺纹孔，使用调节螺钉(9)穿过细缝结构两侧并拧紧可对细缝两端施加压力使得其局部变形，从而调整连接孔直径，进而影响连接孔与阻尼套筒(7)的装配摩擦力，实现了根据使用需求和磨损程度调整阻尼大小的功能。
5.如权利要求3所述的四足机器人被动式双自由度足装置，其特征在于，安装十字销轴组件(2)后，小腿(1)和足底骨架(3)的凸起结构互相垂直。
6.如权利要求3所述的四足机器人被动式双自由度足装置，其特征在于，在小腿(1)底部中心设置凹槽(10)，当足端横滚运动到极限时，足底骨架(3)的两侧凸起的顶部平面(11)与小腿(1)上的平面(10)发生碰撞，实现对足底骨架(3)的横滚限位；在小腿(1)的两侧凸起的内部设置第一斜面(12)，在足底骨架(3)的两侧凸起的侧面设置第二斜面(13)，第一斜面(12)和第二斜面(13)相对，当足端俯仰运动到极限时，足底骨架(3)上的第二斜面(13)与小腿(1)上的第一斜面(12)发生碰撞，实现对足底骨架(3)的俯仰限位；调整凹槽(10)、顶部平面(11)、第一斜面(12)和第二斜面(13)的角度，实现不同角度的限位，限制足底骨架(3)横滚和俯仰自由度的旋转范围。
7.如权利要求1-6任一项所述的四足机器人被动式双自由度足装置，其特征在于，足底骨架(3)的中间为长方形平板结构，平板结构的下方两侧各有一个支撑结构，每个支撑结构的侧面上有螺纹孔，用于通过安装贯穿螺钉(5)将足底骨架(3)固定于足底防滑垫(4)。
8.如权利要求7所述的四足机器人被动式双自由度足装置，其特征在于，足底防滑垫(4)为空心六面体结构，顶部开口，开口尺寸与足底骨架(3)的长方形平板结构的尺寸相同，侧面设有通孔，位置对应于支撑结构侧面的螺纹孔，整体高度与支撑结构高度相同，在由下向上套在足底骨架(3)周围后，通过贯穿螺钉(5)在足底骨架(3)侧面固定，且支撑结构底部紧贴足底防滑垫(4)内部底面。
9.如权利要求8所述的四足机器人被动式双自由度足装置，其特征在于，足底防滑垫(4)采用柔性材料，其下端总体呈平面结构，当足端着地时在十字销轴组件(2)的作用下该平面结构可贴合地面。
10.如权利要求9所述的四足机器人被动式双自由度足装置，其特征在于，足底防滑垫(4)底部设计沟槽或突起用于进一步增加摩擦力和抓地力。
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