CN115009390B - 一种适用于多种地形行走的模拟脚 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于多种地形行走的模拟脚，包括：仿生脚踝，用于模拟生物脚部的踝关节通过转动完成内翻动作、外翻动作。仿生脚掌，底部带有缓冲和防滑设计，与仿生脚踝连接，用于通过压力变化和/或位姿变化感知地形。仿生脚踝用于根据地形控制仿生脚掌执行内翻动作、外翻动作，以改变仿生脚掌在路面上的着力点，使仿生脚掌接触或离开路面。仿生大拇趾，与仿生脚掌的前端部活动连接，当仿生脚掌执行内翻动作、外翻动作时，可用于通过转动接触或离开路面。仿生小拇趾，与仿生大拇趾并列设置在仿生脚掌的前端部，与仿生脚掌活动连接，当仿生脚掌执行内翻动作、外翻动作时，可用于通过转动接触或离开路面。
Description
技术领域
本发明涉及机器人模拟脚部行走技术领域，尤其涉及一种适用于多种地形行走的模拟脚。
背景技术
随着工业智能化飞速发展，机器人在我们的生活和工作中扮演着越来越多的角色，机器人具有感知、决策、执行等基本特征，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率与质量，服务人类生活，为我们带来方便和节省更多的时间，扩大或延伸我们的活动及能力范围。
其中，双足机器人能模拟人类在路面上行走，目前机器人在行走时通常是通过抬起、落下比较单一动作实现。当机器人行走在平坦路面上时，整体的平衡感和稳定性都很好。当机器人遇到凹凸不平、草坪或沙滩等路面时，其整体的重心会时刻发生变化，原来在平整路面的行走方式已经不适用于这些地形路面，所以，通常会因为不同地形路面出现失去平衡而导致摔倒。
因此，现有技术存在的问题是双足机器人脚部功能单一，无法完成在不同地形上行走。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提供了一种适用于多种地形行走的模拟脚，通过仿生脚踝控制仿生脚掌、仿生大拇趾以及仿生小拇趾分别执行相应的内翻动作、外翻动作，能在不同地形路面上平稳行走。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种适用于多种地形行走的模拟脚，包括：
仿生脚踝，用于模拟生物脚部的踝关节转动，带动整个脚部进行内翻动作、外翻动作。
仿生脚掌，为非整体式仿生脚掌，底部采用缓冲和防滑设计，与仿生脚踝连接，仿生脚掌用于通过压力变化和/或位姿变化感知地形，输出测量信息，仿生脚踝根据测量信息控制仿生脚掌执行内翻动作、外翻动作，以改变仿生脚掌在路面上的着力点，使仿生脚掌接触或离开路面。
仿生大拇趾，与仿生脚掌的前端部活动连接，当仿生脚掌执行内翻动作、外翻动作时，可用于通过转动接触或离开路面。
仿生小拇趾，与仿生大拇趾并列设置在仿生脚掌的前端部，与仿生脚掌活动连接，当仿生脚掌执行内翻动作、外翻动作时，可用于通过转动接触或离开路面。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：仿生脚掌通过压力变化和/或位姿变化感知路面地形，由仿生脚踝控制仿生脚掌执行内翻动作、外翻动作以改变仿生脚掌在路面上的着力点，仿生脚踝还分别控制仿生大拇趾和仿生小拇趾完成接触或离开路面的动作，整个过程通过完成内翻动作、外翻动作实现在不同地形路面上行走的目的。
进一步优选为，仿生脚踝包括：
控制装置，设置在仿生脚踝的内部，用于根据地形信息输出控制指令。
作动-传动装置，位于仿生脚踝的内部，与控制装置连接，可用于通过控制指令传动控制仿生脚掌做出内翻动作、外翻动作，以使仿生脚掌在路面上行走。
采用上述技术方案，控制装置接收到所述仿生脚掌感知的压力和/或位姿，输出控制指令至作动-传动装置，作动-传动装置接收到控制指令后控制仿生脚掌完成内翻动作、外翻动作，以适应不同的地形。
进一步优选为，仿生脚掌包括：
脚掌组件，与作动-传动装置转动连接，用于配合作动-传动装置做出内翻动作、外翻动作，以使其在路面上平稳行走。
感知装置，设置在脚掌组件上，用于通过压力变化和/或位姿变化感知地形，并将地形传输给控制装置，通过作动-传动装置控制仿生脚掌改变在路面上的位姿，进而在改变仿生脚掌在路面上的着力点。
采用上述技术方案，感知装置通过感知到的压力变化和/或位姿变化，反应地形的变化，并将变化的压力实时传输至控制装置，由控制装置发出控制指令至作动-传动装置，通过作动-传动装置控制脚掌组件完成内翻动作、外翻动作，以实现由仿生脚掌在路面上行走。
进一步优化为，感知装置包括压力传感器和/或位姿传感器，设置在仿生脚掌的底面上，用于通过压力变化和/或位姿变化感知路面的地形信息，并将地形信息发送至控制装置。
采用上述技术方案，压力传感器用于通过路面的反作用力而感知仿生脚掌在路面上的压力变化；位姿传感器用于通过感知仿生脚掌在路面的位姿变化而感知仿生脚掌所处路面的凹凸变化，说明仿生脚掌位于路面上。
进一步优化为，脚掌组件包括：
翻转机构，设置在仿生脚掌靠近仿生脚踝的位置上，与作动-传动装置连接，用于配合作动-传动装置进行内翻动作、外翻动作。
平衡机构，与翻转机构连接，当翻转机构进行内翻动作、外翻动作时，平衡机构用于维持仿生脚掌在路面行走过程的平衡。
采用上述技术方案，通过翻转机构做出内翻动作、外翻动作，实现在路面上改变仿生脚掌的位姿，由平衡机构配合翻转机构改变仿生脚掌在路面上的着力点。
进一步优化为，翻转机构包括：
驱动件，设置在仿生脚掌内靠近仿生脚踝的位置上。
翻转件，与驱动件连接，驱动件用于向翻转件提供进行内翻动作、外翻动作需要的动力。
采用上述技术方案，通过驱动件工作驱动翻转件完成内翻动作、外翻动作的内翻动作、外翻动作，进而实现仿生脚掌在非平坦路面上行走的目的。
进一步优化为，仿生大拇趾包括：
第一连接件，与仿生脚掌的端部活动连接。
大拇趾壳，套设在第一连接件上，当仿生脚掌执行内翻动作、外翻动作时，第一连接件可用于通过转动带动大拇趾壳接触或离开路面。
采用上述技术方案，通过第一件连接件将大拇趾壳连接在仿生脚掌上，第一连接件随着仿生脚掌的动作做出适应性动作，以配合仿生脚掌实现接触或离开路面，进而完成在路面上行走的目的。
进一步优化为，仿生小拇趾包括：
第二连接件，与仿生脚掌的端部活动连接。
小拇趾壳，套设在第二连接件上，当仿生脚掌执行内翻动作、外翻动作时，第二连接件可用于通过转动带动小拇趾壳接触或离开路面。
采用上述技术方案，通过第二连接件将小拇趾壳连接在仿生脚掌上，第二连接件随着仿生脚掌的动作做出适应性动作，以配合仿生脚掌实现接触或离开路面，进而完成在路面上行走的目的。
进一步优化为，还包括动力装置，与仿生脚踝连接，用于驱动仿生脚踝进行内翻动作、外翻动作。
采用上述技术方案，通过动力装置驱动仿生脚踝提供进行内翻动作、外翻动作的动作，以调整仿生脚掌在路面的位姿，维持在路面上的平衡感。
附图说明
图1为本实施例的结构示意图。
图2为本实施例的结构示意图。
图3为本实施例的功能模块示意图。
图4为本实施例的功能模块示意图。
图5为本实施例的动力装置与仿生脚踝的连接示意图。
图6为本实施例的动力装置与仿生脚踝功能模块示意图。
图7为本实施例中防滑件和缓冲件的结构示意图。
附图标记：1-仿生脚踝；11-控制装置；12-作动-传动装置；2-仿生脚掌；21-脚掌组件；211-翻转机构；2111-驱动件；2112-翻转件；212-平衡机构；213-防滑件；214-缓冲件；22-感知装置；221-压力传感器；222-位姿传感器；3-仿生大拇趾；31-第一连接件；32-大拇趾壳；4-仿生小拇趾；41-第二连接件；42-小拇趾壳；5-动力装置；50-舵机；51-微型直流电机。
具体实施方式
机器人在我们的生活和工作中扮演着越来越多的角色，机器人具有感知、决策、执行等基本特征，可以辅助甚至替代人类完成危险、繁重、复杂的工作，提高工作效率与质量，服务人类生活，为我们带来方便和节省更多的时间，扩大或延伸我们的活动及能力范围。
其中，双足机器人就能模拟人体的脚部在路面上行走，目前机器人在行走时通常是通过抬起、落下比较单一动作实现。当机器人行走在平坦路面上时，整体的平衡感和稳定性都很好。当机器人遇到凹凸不平、草坪或沙滩等路面时，其整体的重心会实时发生变化，原来在平整路面的重心已经不适用于不同地形路面，所以，通常会因为不同地形路面出现失去平衡而导致摔倒。因此，现有技术存在的问题时，双足机器人脚部动作单一，无法完成在不同地形上行走。
针对上述技术问题，我们进行了以下设计构想：通过仿生脚踝控制仿生脚掌、仿生大拇趾以及仿生小拇趾分别执行相应的内翻动作、外翻动作，在不同地形路面上行走。实质上是以仿生脚掌和仿生脚踝为搭载体，在仿生脚踝内部设置控制装置、作动-传动装置，在仿生脚掌内设置感知装置，通过感知装置感知路面对仿生脚掌的反作用力和位姿的变化，感知路面状态，通过控制装置控制作动-传动装置带动仿生脚掌在路面上行走。
给予上述设计构想，本发明结合附图1、图2、图3、图4、图5以及6图对本发明作进一步详细介绍。
一种适用于多种地形行走的模拟脚，如图1所示，包括：
仿生脚踝1，用于模拟生物脚部的踝关节转动，带动整个脚部进行内翻动作、外翻动作。
仿生脚掌2，为非整体式仿生脚掌，与仿生脚踝1连接，仿生脚掌2用于通过压力变化和/或位姿变化感知地形，仿生脚踝1根据地形测量信息，控制仿生脚掌2执行内翻动作、外翻动作，以改变仿生脚掌2在路面上的着力点，使仿生脚掌2接触或离开路面。需要说明的是，在本发明中，为合理简化机构复杂度，非整体式仿生脚掌为只有仿生大拇趾3和仿生小拇趾4，缺少了3个拇趾的仿生脚掌2。
仿生大拇趾3，与仿生脚掌2的前端部活动连接，当仿生脚掌2执行内翻动作、外翻动作时，可用于通过转动接触或离开路面。
仿生小拇趾4，与仿生大拇趾3并列设置在仿生脚掌2的前端部，与仿生脚掌2活动连接，当仿生脚掌2执行内翻动作、外翻动作时，可用于通过转动接触或离开路面。
仿生脚掌2通过压力变化和/或位姿变化而感知路面，由仿生脚踝1控制仿生脚掌2执行内翻动作、外翻动作以改变仿生脚掌2在路面上的着力点，仿生脚踝1还分别控制仿生大拇趾3和仿生小拇趾4完成接触或离开路面的动作，整个过程通过完成内翻动作、外翻动作实现在不同地形路面上行走的目的。
进一步的，如图2和图3所示，本实施例中的仿生脚踝1包括：
控制装置11，设置在仿生脚踝1的内部，用于根据地形输出控制指令。
作动-传动装置12，位于仿生脚踝1的内部，与控制装置11连接，可用于通过控制指令传动控制仿生脚掌2做出内翻动作、外翻动作，以使仿生脚掌2在路面上行走。
控制装置11接收到所述仿生脚掌2感知的压力和/或位姿，输出控制指令至作动-传动装置12，作动-传动装置12接收到控制指令后控制仿生脚掌2完成内翻动作、外翻动作，以适应不同的地形。
进一步的，本实施例中的内翻动作、外翻动作为常规柔性动作，如内翻动作、外翻动作。通过仿生脚掌2进行内翻动作、外翻动作，改变仿生脚掌2在路面上的着力点，以实时适应在路面上行走。
进一步的，如图3所示，本实施例中的仿生脚掌2包括：
脚掌组件21，与作动-传动装置12转动连接，底部带有缓冲件214和防滑件213，与所述作动-传动装置12转动连接，用于配合作动-传动装置12做出内翻动作、外翻动作，以使其在路面上行走。
感知装置22，设置在脚掌组件21上，具体包括压力传感器221、位姿传感器222，设置在所述仿生脚掌的底面上，可以通过压力传感器221感知压力变化和/或位姿传感器222检测位置变化来实现对地形的感知，并将地形信息传输给控制装置11，通过作动-传动装置12控制仿生脚掌2改变在路面上的位姿，进而在改变仿生脚掌2在路面上的着力点，感知装置22采用分布式布置的方式布置在脚掌组件21上。
感知装置22通过压力传感器221感知压力变化和/或位姿传感器222检测位置变化来实现对地形的感知，并将变化的压力变化和/或位置变化实时传输至控制装置11，由控制装置11发出控制指令至作动-传动装置12，通过作动-传动装置12控制脚掌组件21完成内翻动作、外翻动作，以实现仿生脚掌2在路面上行走。感知装置22包括位姿传感器，用于感知仿生脚掌2当前的位置，并向动力装置发出位置信号。
进一步的，如图3和图4所示，本实施例中的感知装置22包括：压力传感器221、位姿传感器222，感知装置22设置在仿生脚掌2的底面上，用于通过压力变化和/或位姿变化感知路面的地形信息，所述压力传感器采用分布式布置的方式设置在仿生脚掌2的底面上。需要说明的是，感知装置22可以是由压力传感器221与位姿传感器222共同组成传感器组件，该传感器组件可以共同作用进而感知路面的地形信息，当然，也可以是压力传感器221与位姿传感器222单独执行感知路面的地形信息。
压力传感器221、位姿传感器222通过获取路面的地形信息，并将地形信息发送至控制装置11。感知装置22用于通过压力和/或位置变化感知路面的凹凸变化，同时压力传感器也能感知仿生脚掌2是否接触路面以及位姿传感器222能感知仿生脚掌2与路面接触的位置。
进一步的，如图3和图4所示，本实施例中的脚掌组件21包括：
翻转机构211，设置在仿生脚掌2靠近仿生脚踝的位置上，与作动-传动装置12连接，用于配合作动-传动装置12进行内翻动作、外翻动作。
平衡机构212，与翻转机构211连接，当翻转机构211进行内翻动作、外翻动作时，平衡机构212用于平衡仿生脚掌2在路面上的重心。
通过翻转机构211做出内翻动作、外翻动作，实现在路面上改变仿生脚掌2的位姿，由平衡机构212配合翻转机构211改变仿生脚掌2在路面上的着力点。
进一步的，如图3和图4所示，本实施例中的翻转机构211包括：
驱动件2111，设置在仿生脚掌2内靠近仿生脚踝1的位置上。
翻转件2112，与驱动件2111连接，驱动件2111用于向翻转件2112提供进行内翻动作、外翻动作需要的动力。
通过驱动件2111工作驱动翻转件2112完成内翻动作、外翻动作的内翻动作、外翻动作，进而实现仿生脚掌2在非平面路面上进行行走的目的。
进一步的，本实施例中的仿生大拇趾3包括：
第一连接件31，与仿生脚掌2的端部活动连接;
大拇趾壳32，套设在第一连接件31上，当仿生脚掌2执行内翻动作、外翻动作时，第一连接件31可用于通过转动带动大拇趾壳32接触或离开路面。
通过第一件连接件31将大拇趾壳32连接在仿生脚掌2上，第一连接件31随着仿生脚掌2的动作做出适应性动作，以配合仿生脚掌2实现接触或离开路面，进而完成在路面上行走的目的。
进一步的，本实施例中的仿生小拇趾4包括：
第二连接件41，与仿生脚掌2的端部活动连接;
小拇趾壳42，套设在第二连接件41上，当仿生脚掌2执行内翻动作、外翻动作时，第二连接件41可用于通过转动带动小拇趾壳42接触或离开路面。
通过第二连接件将小拇趾壳42连接在仿生脚掌2上，第二连接件41随着仿生脚掌2的动作做出适应性动作，以配合仿生脚掌2实现接触或离开路面，进而完成在路面上行走的目的。
具体的，本实施例还包括动力装置5，如图5和图6所示，与仿生脚踝1连接，用于驱动仿生脚踝1进行内翻动作、外翻动作。动力装置5具体包括舵机50和微型直流电机51，舵机50与位姿传感器222信号连接，用于接收位姿传感器222发出的代表仿生脚当前位置的位置信号，并根据位置和位姿信号判断出转动方向。微型直流电机51驱动仿生脚踝1进行相应的内翻动作、外翻动作的动作，以调整仿生脚掌2在路面的位姿，维持在路面上的平衡感。
行走过程：
请结合图1、图2、图3、图4、图5以及图6，本实施例的行走过程为：
当仿生脚掌2位于路面时，位于脚掌组件21上的压力传感器221、位姿传感器222分别感知路面反作用力和脚掌位姿的变化，并将测量值传输给控制装置11，如控制装置11为控制器时，控制器接收到测量值后，向作动-传动装置12发出调整仿生脚掌2在路面位姿的控制指令，控制作动-传动装置12工作，作动-传动装置12将动力传输给脚掌组件21，脚掌组件21的翻转机构211随着传动组件工作进行适应性转动，比如内翻动作、外翻动作，以改变仿生脚掌2在较低地形的着力点。同时平衡机构212配合翻转机构211重新平衡仿生脚掌2的平衡感。当仿生脚掌2接触路面时，仿生大拇趾3和仿生小拇趾4配合仿生脚掌2接触路面，辅助仿生脚掌2在路面上稳定位姿。当仿生脚掌2离开路面时，仿生大拇趾3和仿生小拇趾4配合仿生脚掌2离开路面，辅助仿生脚掌2在路面上稳定位姿。以此，实现仿生脚在路面上行走的目的。
综上所述，仿生脚掌2通过压力和/或位姿的变化感知路面，由仿生脚踝1控制仿生脚掌2执行内翻动作、外翻动作以改变仿生脚掌2在路面上的着力点，仿生脚踝1还分别控制仿生大拇趾3和仿生小拇趾4完成接触或离开路面的动作，整个过程通过完成内翻动作、外翻动作实现在不同地形路面上行走的目的。
本具体实施例仅仅是对发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的保护范围内都受到专利法的保护。
Claims (6)
1.一种适用于多种地形行走的模拟脚，其特征在于，所述多种地形包括平坦和非平坦路面；所述模拟脚包括：
仿生脚踝(1)，用于模拟生物脚部的踝关节转动，带动整个脚部实现内翻动作、外翻动作；
仿生脚掌(2)，为非整体式仿生脚掌，与所述仿生脚踝(1)连接，所述仿生脚掌(2)用于通过压力变化和/或位姿变化感知地形，输出传感器测量信息，所述仿生脚踝(1)根据所述测量信息，控制所述仿生脚掌(2)执行内翻动作、外翻动作，以改变所述仿生脚掌(2)在路面上的着力点，以使所述仿生脚掌(2)接触或离开路面；所述仿生脚踝(1)包括：控制装置(11)，设置在所述仿生脚踝(1)的内部，用于根据所述地形输出控制指令；作动-传动装置(12)，位于所述仿生脚踝(1)的内部，与所述控制装置(11)连接，可用于根据所述控制指令控制所述仿生脚掌(2)做出内翻动作、外翻动作，以使所述仿生脚掌(2)在所述路面上行走；
仿生大拇趾(3)，与所述仿生脚掌(2)的前端部活动连接，当所述仿生脚掌(2)执行内翻动作、外翻动作时，可用于通过转动接触或离开路面；
仿生小拇趾(4)，与所述仿生大拇趾(3)并列设置在所述仿生脚掌(2)的前端部，与所述仿生脚掌(2)活动连接，当所述仿生脚掌(2)执行内翻动作、外翻动作时，可用于通过转动接触或离开路面；
所述仿生脚掌(2)包括：
脚掌组件(21)，底部带有缓冲件(214)和防滑件(213)，与所述作动-传动装置(12)转动连接，用于配合所述作动-传动装置(12)做出内翻动作、外翻动作，以使其在所述路面上平稳行走；
所述脚掌组件(21)包括：
翻转机构(211)，设置在所述仿生脚掌(2)靠近所述仿生脚踝(1)的位置上，与所述作动-传动装置(12)连接，用于配合所述作动-传动装置(12)进行内翻动作、外翻动作；
平衡机构(212)，与所述翻转机构(211)连接，当所述翻转机构(211)进行内翻动作、外翻动作时，所述平衡机构(212)用于维持所述仿生脚掌(2)在路面行走过程的平衡；
所述翻转机构(211)包括：
驱动件(2111)，设置在所述仿生脚掌(2)内靠近所述仿生脚踝(1)的位置上；
翻转件(2112)，与所述驱动件(2111)连接，所述驱动件(2111)用于向所述翻转件(2112)提供进行内翻动作、外翻动作需要的动力。
2.根据权利要求1所述的适用于多种地形行走的模拟脚，其特征在于，所述仿生脚掌(2)还包括：
感知装置(22)，设置在所述脚掌组件(21)上，用于通过压力变化和/或位姿变化感知地形，并将地形信息传输给所述控制装置(11)，通过所述作动-传动装置(12)控制所述仿生脚掌(2)改变在路面上的位姿，进而改变所述仿生脚掌(2)在路面上的着力点。
3.根据权利要求2所述的适用于多种地形行走的模拟脚，其特征在于，所述感知装置(22)包括：压力传感器(221)和/或位姿传感器(222)；所述感知装置(22)设置在所述仿生脚掌(2)的底面上，用于通过压力变化和/或位姿变化感知路面的地形信息，并将所述地形信息发送至控制装置(11)。
4.根据权利要求1所述的适用于多种地形行走的模拟脚，其特征在于，所述仿生大拇趾(3)包括：
第一连接件(31)，与所述仿生脚掌(2)的前端部活动连接;
大拇趾壳(32)，套设在所述第一连接件(31)上，当所述仿生脚掌(2)执行内翻动作、外翻动作时，所述第一连接件(31)可用于通过转动带动所述大拇趾壳(32)接触或离开路面。
5.根据权利要求1所述的适用于多种地形行走的模拟脚，其特征在于，所述仿生小拇趾(4)包括：
第二连接件(41)，与所述仿生脚掌(2)的前端部活动连接;
小拇趾壳(42)，套设在所述第二连接件(41)上，当所述仿生脚掌(2)执行内翻动作、外翻动作时，所述第二连接件(41)可用于通过转动带动所述小拇趾壳(42)接触或离开路面。
6.根据权利要求1所述的适用于多种地形行走的模拟脚，其特征在于，还包括动力装置(5)，与所述仿生脚踝(1)连接，用于驱动所述仿生脚踝(1)进行内翻动作、外翻动作。
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