CN202608932U - 一种仿袋鼠跳跃机器人的变形脚 - Google Patents
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Abstract
一种仿袋鼠跳跃机器人的变形脚，曲线脚背杆位于曲线脚底杆的正上方，并且曲线脚背杆的顶端和曲线脚底杆的顶端通过第十柔性铰链连接，形成了脚尖。曲线脚背杆的末端与框架形脚跟的一端通过第一柔性铰链连接。框架形脚跟另一端的上表面与曲线脚背杆的下表面连接。在曲线脚背杆与框架形脚跟之间有内撑杆。柔性直杆位于框架形脚跟的顶端。柔性斜杆位于脚尖与柔性直杆之间。当本实用新型接触地面后，脚部各柔性杆件和柔性铰链在地面反作用力的驱动下发生柔性变形并存储弹性能，从而可实现仿袋鼠跳跃机器人在跳跃过程中脚部触地后产生轮廓自适应变形，呈脚尖弯曲状态，改善了仿袋鼠跳跃机器人的跳跃性能，具有变形响应速度快、运动稳定性好的特点。
Description
技术领域
本发明涉及仿生跳跃机器人领域，具体是一种仿袋鼠跳跃机器人的变形脚。
背景技术
仿袋鼠跳跃机器人是模仿生物袋鼠跳跃特点的仿生跳跃机器人，可以越过数倍甚至数十倍于自身尺寸的障碍物，特别适合于有障碍物的复杂环境，其跳跃运动的爆发性有助于机器人躲避危险，大大提高了机器人的活动范围和自主运动能力，因而在星际探索、军事侦查、抢险救灾等领域有着广泛的应用前景。
美国麻省理工学院研究了仿袋鼠跳跃机器人“Uniroo”，该机器人腿部结构类似于袋鼠的后腿，其肢体构件由铝管焊接而成，并在踝关节处加一个扭簧以减小着地冲击（刊物名称：Massachusetts Institute of Technology，刊出时间：1991年，论文名称：Uniroo--aone legged dynamic hopping robot）。随后日本Tohoku大学和东京大学对“Uniroo”进行了改进，联合研制了机器人“Kenken”，该机器人通过安装在脚后跟和腿部间的弹簧模拟袋鼠脚部的肌肉和筋腱等，实现类似袋鼠的奔跑（刊物名称：Robotics andAutomation，刊出时间：2002，论文名称：Development of a biologically inspired hoppingrobot-“Kenken”）。国内，西北工业大学研究了仿袋鼠跳跃机器人的单腿刚柔混合机构模型，该模型中仿袋鼠跳跃机器人的躯干、大腿、小腿由刚性构件构成，脚部则由均质柔性杆构成，利用均质柔性杆的弹性变形模拟袋鼠脚部的柔性（刊物名称：机器人，刊出时间：2006年，论文名称：考虑脚部柔性的仿袋鼠跳跃机器人运动特性研究）。
上述仿袋鼠跳跃机器人脚部结构均由刚性构件或均质柔性杆构成，这些结构虽然实现了机器人的跳跃运动，安装弹簧或由均质柔性杆构成的脚部还可储能和缓解落地冲击，但都无法实现脚部轮廓的触地自适应变形特性，即要求仿袋鼠跳跃机器人在跳跃过程的着地阶段脚部接触地面后产生轮廓变形，脚尖呈弯曲状态。从而确保机器人实现落地缓冲与稳定、能量的自动存储与释放等功能。
发明内容
为克服现有技术中存在的仿袋鼠跳跃机器人脚部轮廓不可触地自适应变形的不足，本发明提出了一种仿袋鼠跳跃机器人的变形脚。
本发明包括曲线脚背杆、曲线脚底杆、框架形脚跟、第一内撑杆、第二内撑杆、第三内撑杆、柔性直杆、柔性斜杆和脚尖柔性杆；其中：
曲线脚背杆位于曲线脚底杆的正上方，并且所述曲线脚背杆的顶端和曲线脚底杆的顶端通过第十柔性铰链连接，形成了脚尖；曲线脚背杆的末端与框架形脚跟的一端通过第一柔性铰链连接；所述框架形脚跟的另一端的上表面与曲线脚背杆的下表面通过第五柔性铰链连接；
第一内撑杆、第二内撑杆、第三内撑杆均位于曲线脚背杆与框架形脚跟之间；柔性直杆位于框架形脚跟通过第五柔性铰链与曲线脚背杆连接一端的顶端；柔性斜杆位于脚尖与柔性直杆之间；脚尖柔性杆呈水平状态安装在脚尖处；所述第五柔性铰链与曲线脚背杆下表面连接点的位置位于该曲线脚背杆自末端至顶端总长度的13/40处。
所述第一内撑杆的下端与框架形脚跟的内表面通过第二下柔性铰链连接，第一内撑杆的上端向脚尖方向倾斜，使该第一内撑杆与水平面正方向之间有45度夹角，并且该第一内撑杆的上端通过第二上柔性铰链与曲线脚背杆的下表面连接；第二内撑杆的下端与框架形脚跟的内表面通过第三下柔性铰链连接，第二内撑杆的上端向脚尖方向倾斜，使该第二内撑杆与水平面正方向之间有60度夹角，并且该第二内撑杆的上端通过第三上柔性铰链与曲线脚背杆的下表面连接；第三内撑杆垂直于水平面，并且该第三内撑杆的下端与框架形脚跟的内表面通过第四下柔性铰链连接，第三内撑杆的上端与曲线脚背杆的下表面通过第四上柔性铰链连接；所述第二上柔性铰链、第三上柔性铰链、第四上柔性铰链与曲线脚背杆下表面连接点的位置分别位于该曲线脚背杆自末端至顶端总长度的3/40、1/8和1/4处。
所述柔性直杆的上端通过第六上柔性铰链与曲线脚背杆连接，所述柔性直杆的下端通过第六下柔性铰链与曲线脚底杆的上表面连接；所述柔性直杆垂直于水平面；所述第六上柔性铰链与曲线脚背杆下表面连接点的位置位于该曲线脚背杆自末端至顶端总长度的3/8处。
所述柔性斜杆的下端通过第七下柔性铰链与曲线脚底杆的上表面连接；所述柔性斜杆的上端向脚跟方向倾斜，使该柔性斜杆与水平面正方向之间有120度夹角，并且该柔性斜杆的上端通过第七上柔性铰链与曲线脚背杆的下表面连接；所述第七上柔性铰链与曲线脚背杆下表面连接点的位置位于该曲线脚背杆自末端至顶端总长度的1/2处。
所述脚尖柔性杆的一端通过第八柔性铰链与曲线脚背杆的下表面连接，所述脚尖柔性杆的另一端通过第九柔性铰链与曲线脚底杆的上表面连接；第八柔性铰链与曲线脚背杆下表面连接点的位置位于该曲线脚背杆自末端至顶端总长度的7/8处。
所述曲线脚背杆的脚背面和脚尖面轮廓由两段不同曲率半径的弧形面组成；所述构成脚背面的弧形面的曲率半径是构成脚尖面的弧形面曲率半径的10倍，并且构成脚背面的弧形面的长度是构成脚尖面的弧形面长度的5倍；所述脚背面的曲率中心位于该曲线脚背杆上表面的上方，所述脚尖面的曲率中心位于该曲线脚背杆下表面的下方。
所述曲线脚底杆的脚底板和前脚掌分别由一段直线和一段弧线组成；所述脚底板的长度是前脚掌长度的1.25倍；所述前脚掌的曲率中心位于曲线脚底杆上表面的上方，该前脚掌的曲率半径是曲线脚背杆脚背面曲率半径的1/3。
所述框架形脚跟的外轮廓呈槽型，并且构成该框架形脚跟的外轮廓分别在第二下柔性铰链、第三下柔性铰链、第四下柔性铰链和第六上柔性铰链连接点处产生弯折；所述框架形脚跟的外轮廓起点至第二下柔性铰链之间的框架形脚跟的外轮廓、所述第二下柔性铰链至第三下柔性铰链之间的框架形脚跟的外轮廓、所述第三下柔性铰链至第四下柔性铰链之间的框架形脚跟的外轮廓和所述第四下柔性铰链至第六上柔性铰链之间的框架形脚跟的外轮廓均为直线。
与现有技术相比，本发明具有以下明显的实质特点和显著优点：
本发明中的自适应变形脚接触地面后，脚部各柔性杆件和柔性铰链在地面反作用力的驱动下发生柔性变形并存储弹性能，从而实现仿袋鼠跳跃机器人在跳跃过程中脚部触地后产生轮廓自适应变形，呈脚尖弯曲状态。本发明结构独特，变形的响应速度快，既有足够的柔性实现仿袋鼠跳跃机器人着地阶段脚部轮廓的自适应变形，又有足够的刚性承受机器人自身的重力，更好的模仿了生物袋鼠的脚部特性，从而达到改善其跳跃性能的目的，如：减缓落地冲击，提高运动稳定性，实现能量的自动存储与释放，增加跳高度和跃远度等。
附图说明
图1为仿袋鼠跳跃机器人的自适应变形脚结构图。
图2为柔性铰链的结构示意图。附图中：
具体实施方式
如图1所示，本发明中的仿袋鼠跳跃机器人的自适应变形脚通过线切割整体成形。所述仿袋鼠跳跃机器人的自适应变形脚包括：曲线脚背杆1、曲线脚底杆2、框架形脚跟3、第一内撑杆4、第二内撑杆5、第三内撑杆6、柔性直杆7、柔性斜杆8和脚尖柔性杆9；所述自适应变形脚的材料为5mm厚的ABS板，采用数控加工技术制成。
本实施例中，曲线脚背杆1位于曲线脚底杆2的正上方，并且所述曲线脚背杆1的顶端和曲线脚底杆2的顶端通过第十柔性铰链24连接，形成了脚尖。曲线脚背杆1的末端与框架形脚跟3的一端通过第一柔性铰链10连接；所述框架形脚跟3的另一端的上表面与曲线脚背杆1的下表面通过第五柔性铰链17连接。
第一内撑杆4、第二内撑杆5、第三内撑杆6均位于曲线脚背杆1与框架形脚跟3之间。其中：第一内撑杆4的下端与框架形脚跟3的内表面通过第二下柔性铰链12连接，第一内撑杆4的上端向脚尖方向倾斜，使该第一内撑杆4与水平面正方向之间有45度夹角，并且该第一内撑杆4的上端通过第二上柔性铰链11与曲线脚背杆1的下表面连接；第二内撑杆5的下端与框架形脚跟3的内表面通过第三下柔性铰链14连接，第二内撑杆5的上端向脚尖方向倾斜，使该第二内撑杆5与水平面正方向之间有60度夹角，并且该第二内撑杆5的上端通过第三上柔性铰链13与曲线脚背杆1的下表面连接；第三内撑杆6垂直于水平面，并且该第三内撑杆6的下端与框架形脚跟3的内表面通过第四下柔性铰链16连接，第三内撑杆6的上端与曲线脚背杆1的下表面通过第四上柔性铰链15连接。
柔性直杆7位于框架形脚跟3通过第五柔性铰链17与曲线脚背杆1连接一端的顶端。所述柔性直杆7的上端通过第六上柔性铰链18与曲线脚背杆1连接，所述柔性直杆7的下端通过第六下柔性铰链19与曲线脚底杆2的上表面连接；所述柔性直杆7垂直于水平面。
柔性斜杆8位于脚尖与柔性直杆7之间。所述柔性斜杆8的下端通过第七下柔性铰链21与曲线脚底杆2的上表面连接。所述柔性斜杆8的上端向脚跟方向倾斜，使该柔性斜杆8与水平面正方向之间有120度夹角，并且该柔性斜杆8的上端通过第七上柔性铰链20与曲线脚背杆1的下表面连接。
脚尖柔性杆9呈水平状态安装在脚尖处。所述脚尖柔性杆9的一端通过第八柔性铰链22与曲线脚背杆1的下表面连接，所述脚尖柔性杆9的另一端通过第九柔性铰链23与曲线脚底杆2的上表面连接。
以上所述第二上柔性铰链11、第三上柔性铰链13、第四上柔性铰链15、第五柔性铰链17、第六上柔性铰链18、第七上柔性铰链20和第八柔性铰链22，与曲线脚背杆1下表面连接点的位置分别位于该曲线脚背杆1自末端至顶端总长度的3/40、1/8、1/4、13/40、3/8、1/2、7/8处。
所述曲线脚背杆1的曲线轮廓由两段不同曲率半径的弧形面组成。所述两段不同曲率半径的弧形面分别构成了本实施例的脚背面和脚尖面，所述构成脚背面的弧形面的曲率半径是构成脚尖面的弧形面曲率半径的10倍，并且构成脚背面的弧形面的长度是构成脚尖面的弧形面长度的5倍。所述脚背面的曲率中心位于该曲线脚背杆1上表面的上方，所述脚尖面的曲率中心位于该曲线脚背杆1下表面的下方。
所述曲线脚底杆2的轮廓由一段直线和一段弧线组成。所述的直线段构成了本实施例的脚底板，所述弧线段构成了本实施例的前脚掌；所述脚底板的长度是前脚掌长度的1.25倍。所述前脚掌的曲率中心位于曲线脚底杆2上表面的上方，该前脚掌的曲率半径是曲线脚背杆1脚背面曲率半径的1/3。
所述框架形脚跟3的外轮廓呈槽型，并且构成该框架形脚跟3的外轮廓分别在第二下柔性铰链12、第三下柔性铰链14、第四下柔性铰链16和第六上柔性铰链18连接点处产生弯折。所述框架形脚跟3的外轮廓起点至第二下柔性铰链12之间的框架形脚跟3的外轮廓、所述第二下柔性铰链12至第三下柔性铰链14之间的框架形脚跟3的外轮廓、所述第三下柔性铰链14至第四下柔性铰链16之间的框架形脚跟3的外轮廓和所述第四下柔性铰链16至第六上柔性铰链18之间的框架形脚跟3的外轮廓均为直线。
所有杆件均为用ABS板制成的柔性杆，在驱动过程中发生柔性变形，存储弹性能。所有柔性铰链均能存储弹性能。驱动过程是指仿袋鼠跳跃机器人着地后地面对脚底反作用力的作用过程。
如图2所示。柔性铰链采用弹性材料制成，本实施例中，柔性铰链采用ABS板制成。所述柔性铰链的结构同现有技术，是在长方体的两侧表面分别有一个同径的半圆形的变形槽，并且所述两个变形槽相对称。通过所述柔性铰链能够调整被连接件在二维方向的角度。所述的柔性铰链是在通过线切割整体成形本实施例时，随仿袋鼠跳跃机器人的自适应变形脚整体加工而成。
本实施例中，仿袋鼠跳跃机器人的自适应变形脚的轮廓触地自适应变形过程如下：
仿袋鼠跳跃机器人在跳跃过程中着地时脚尖先触地，脚底前端受到地面对其向上的反作用力，即此时曲线脚底杆2的顶端处受到一个方向向上的作用力。曲线脚底杆2在该作用力的作用下发生弯曲柔性变形，同时通过第六下柔性铰链19、第七下柔性铰链21、第九柔性铰链23分别驱动柔性直杆7、柔性斜杆8、脚尖柔性杆9逆时针转动并发生柔性变形，同时通过第十柔性铰链24将向上的力传递到曲线脚背杆1的顶端。
柔性直杆7转动后通过第六上柔性铰链18将向上的力传递到框架形脚跟3，从而驱动框架形脚跟3逆时针转动并发生弯曲柔性变形。框架形脚跟3转动后通过第二下柔性铰链12、第三下柔性铰链14、第四下柔性铰链16分别驱动第一内撑杆4、第二内撑杆5、第三内撑杆6逆时针转动并发生柔性变形。框架形脚跟3、第一内撑杆4、第二内撑杆5、第三内撑杆6转动后分别通过第一柔性铰链10与第五柔性铰链17、第二上柔性铰链11、第三上柔性铰链13、第四上柔性铰链15使曲线脚背杆1的末端沿逆时针方向弯曲。
柔性斜杆8转动后通过第七上柔性铰链20将向上的力传递到曲线脚背杆1的中部，脚尖柔性杆9转动后通过第八柔性铰链22将向上的力传递到曲线脚背杆1的顶端。曲线脚背杆1的中部和顶端受到驱动力后沿逆时针方向弯曲变形，此时脚尖弯曲翘起。所有构件发生柔性变形后均可存储弹性能，所有柔性铰链在驱动过程中均能存储弹性能。从而该仿袋鼠跳跃机器人的自适应变形脚在触地后发生脚部轮廓自适应变形，呈脚尖弯曲状态，并存储弹性能。
Claims (8)
1.一种仿袋鼠跳跃机器人的变形脚，其特征在于，包括曲线脚背杆、曲线脚底杆、框架形脚跟、第一内撑杆、第二内撑杆、第三内撑杆、柔性直杆、柔性斜杆和脚尖柔性杆；其中：
曲线脚背杆位于曲线脚底杆的正上方，并且所述曲线脚背杆的顶端和曲线脚底杆的顶端通过第十柔性铰链连接，形成了脚尖；曲线脚背杆的末端与框架形脚跟的一端通过第一柔性铰链连接；所述框架形脚跟的另一端的上表面与曲线脚背杆的下表面通过第五柔性铰链连接；
第一内撑杆、第二内撑杆、第三内撑杆均位于曲线脚背杆与框架形脚跟之间；柔性直杆位于框架形脚跟通过第五柔性铰链与曲线脚背杆连接一端的顶端；柔性斜杆位于脚尖与柔性直杆之间；脚尖柔性杆呈水平状态安装在脚尖处；所述第五柔性铰链与曲线脚背杆下表面连接点的位置位于该曲线脚背杆自末端至顶端总长度的13/40处。
2.如权利要求1所述一种仿袋鼠跳跃机器人的变形脚，其特征在于，第一内撑杆的下端与框架形脚跟的内表面通过第二下柔性铰链连接，第一内撑杆的上端向脚尖方向倾斜，使该第一内撑杆与水平面正方向之间有45度夹角，并且该第一内撑杆的上端通过第二上柔性铰链与曲线脚背杆的下表面连接；第二内撑杆的下端与框架形脚跟的内表面通过第三下柔性铰链连接，第二内撑杆的上端向脚尖方向倾斜，使该第二内撑杆与水平面正方向之间有60度夹角，并且该第二内撑杆的上端通过第三上柔性铰链与曲线脚背杆的下表面连接；第三内撑杆垂直于水平面，并且该第三内撑杆的下端与框架形脚跟的内表面通过第四下柔性铰链连接，第三内撑杆的上端与曲线脚背杆的下表面通过第四上柔性铰链连接；所述第二上柔性铰链、第三上柔性铰链、第四上柔性铰链与曲线脚背杆下表面连接点的位置分别位于该曲线脚背杆自末端至顶端总长度的3/40、1/8和1/4处。
3.如权利要求1所述一种仿袋鼠跳跃机器人的变形脚，其特征在于，所述柔性直杆的上端通过第六上柔性铰链与曲线脚背杆连接，所述柔性直杆的下端通过第六下柔性铰链与曲线脚底杆的上表面连接；所述柔性直杆垂直于水平面；所述第六上柔性铰链与曲线脚背杆下表面连接点的位置位于该曲线脚背杆自末端至顶端总长度的3/8处。
4.如权利要求1所述一种仿袋鼠跳跃机器人的变形脚，其特征在于，所述柔性斜杆的下端通过第七下柔性铰链与曲线脚底杆的上表面连接；所述柔性斜杆的上端向脚跟方向倾斜，使该柔性斜杆与水平面正方向之间有120度夹角，并且该柔性斜杆的上端通过第七上柔性铰链与曲线脚背杆的下表面连接；所述第七上柔性铰链与曲线脚背杆下表面连接点的位置位于该曲线脚背杆自末端至顶端总长度的1/2处。
5.如权利要求1所述一种仿袋鼠跳跃机器人的变形脚，其特征在于，所述脚尖柔性杆的一端通过第八柔性铰链与曲线脚背杆的下表面连接，所述脚尖柔性杆的另一端通过第九柔性铰链与曲线脚底杆的上表面连接；第八柔性铰链与曲线脚背杆下表面连接点的位置位于该曲线脚背杆自末端至顶端总长度的7/8处。
6.如权利要求1所述一种仿袋鼠跳跃机器人的变形脚，其特征在于，所述曲线脚背杆的脚背面和脚尖面轮廓由两段不同曲率半径的弧形面组成；所述构成脚背面的弧形面的曲率半径是构成脚尖面的弧形面曲率半径的10倍，并且构成脚背面的弧形面的长度是构成脚尖面的弧形面长度的5倍；所述脚背面的曲率中心位于该曲线脚背杆上表面的上方，所述脚尖面的曲率中心位于该曲线脚背杆下表面的下方。
7.如权利要求1所述一种仿袋鼠跳跃机器人的变形脚，其特征在于，所述曲线脚底杆的脚底板和前脚掌分别由一段直线和一段弧线组成；所述脚底板的长度是前脚掌长度的1.25倍；所述前脚掌的曲率中心位于曲线脚底杆上表面的上方，该前脚掌的曲率半径是曲线脚背杆脚背面曲率半径的1/3。
8.如权利要求1所述一种仿袋鼠跳跃机器人的变形脚，其特征在于，所述框架形脚跟的外轮廓呈槽型，并且构成该框架形脚跟的外轮廓分别在第二下柔性铰链、第三下柔性铰链、第四下柔性铰链和第六上柔性铰链连接点处产生弯折；所述框架形脚跟的外轮廓起点至第二下柔性铰链之间的框架形脚跟的外轮廓、所述第二下柔性铰链至第三下柔性铰链之间的框架形脚跟的外轮廓、所述第三下柔性铰链至第四下柔性铰链之间的框架形脚跟的外轮廓和所述第四下柔性铰链至第六上柔性铰链之间的框架形脚跟的外轮廓均为直线。
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Cited By (3)
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|---|---|---|---|---|
| CN102700648A (zh) * | 2012-06-14 | 2012-10-03 | 西北工业大学 | 一种仿袋鼠跳跃机器人的自适应变形脚 |
| CN107215405A (zh) * | 2017-05-12 | 2017-09-29 | 南京航空航天大学 | 一种具有自适应能力的弹性脚掌结构 |
| CN110239643A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-09-17 | 南方科技大学 | 一种适用于非结构化环境下进行物理交互的多足式机器人 |
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2012
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Granted publication date: 20121219 Effective date of abandoning: 20131127 |
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