CN205801295U - 一种具有仿生距‑腿、距‑跟关节的完全被动双足步行机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有仿生距‑腿、距‑跟关节的完全被动双足步行机，包括髋部总成、腿部总成、距‑腿关节总成、距‑跟关节总成、左脚掌、右脚掌、脚趾总成，腿部总成布置在髋部总成和距‑腿关节总成之间，构成步行机的主体部分；距‑跟关节总成布置在距‑腿关节总成与脚掌之间，脚趾总成分布在脚掌的两侧。本实用新型的足部关节主要包含距‑腿关节总成与距‑跟关节总成，步行机的足部关节模拟人类足部的踝关节、距跟关节在空间内的生理角度进行设计。同时脚趾在弹簧的作用下可以实现行走过程中的弹性启动。本实用新型通过利用被动行走原理以及引入仿生距‑腿、距‑跟关节得到了行走能效最优和提高双足步行机行走稳定性和自然性的有益效果。

Description

一种具有仿生距-腿、距-跟关节的完全被动双足步行机

技术领域

本实用新型属于机器人领域，具体涉及一种具有仿生距-腿、距-跟关节的完全被动双足步行机。

背景技术

由于双足步行机器人具有与人类十分接近的形态及运动特征，适合在日常生活中代替人类完成一系列繁杂、危险的工作。因此，近年来，有关双足步行机器人的研究工作得到广泛开展。然而，传统的基于主动控制的双足步行机器人大多采用跟踪预设关节轨迹的控制方法，虽然可以实现类人行走和跑动，但由于行走机理与人类存在差异，所以普遍存在能耗高、能效低等问题。

上世纪八十年代，加拿大学者T.McGeer提出了被动动力学理论，由此有了“机器人被动行走”的概念。之后，一系列基于此概念的双足步行机应运而生。文献调研表明，现有的完全被动双足步行机相比主动控制步行机虽然具有行走效率高的特点，如荷兰delft大学的Simplest Walker、美国cornell大学的有膝被动双足机器人等，但现有步行机的下肢膝关节、踝关节多为单轴理想铰连接，仅能实现矢状平面内的旋转运动，由此造成了其行走稳定性差、步态不自然的技术问题。

而人类的足部关节含有距-腿关节、距-跟关节等多个主要大关节。距-腿关节由胫、腓骨端关节面与距骨滑车构成，可以在人体行走中完成特定动作。生物运动力学研究表明，距-跟关节是保持足部稳定的枢轴，它承受并传导人体的体重，转换下肢的旋转效应，并协同和辅助踝关节的运动。同时，距-腿关节、距-跟关节在行走过程中的运动旋转轴分别在水平面、矢状面内也形成了一定的偏角，这均有利于提高行走的稳定性、步态的自然性以及侧向运动的能力，由此为完全被动行走步行机实现节能、稳定自然行走提供了天然的学习蓝本。

综观上述被动行走的研究现状及人体踝关节的优异生物结构特征，急需一种稳定性更好、步态更自然的完全被动双足步行机。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决现有完全被动双足步行机普遍存在的稳定性差、步态不自然的问题，而提供一种具有距-腿关节、距-跟关节的完全被动双足步行机，该完全被动双足步行机具有耗能低、稳定性好、步态自然等特点。

本实用新型包括髋部总成、腿部总成、距-腿关节总成、距-跟关节总成、左脚掌、右脚掌、脚趾总成；腿部总成布置在髋部总成和距-腿关节总成之间，构成步行机的主体部分；距-跟关节总成布置在距-腿关节总成与脚掌之间，脚趾总成分布在脚掌的两侧；脚掌包括左脚掌和右脚掌；

所述的髋部总成包含配重、髋部横梁、第一轴承座、髋部连接件等。其中，配重通过配重固定销插接在髋部横梁上，第一轴承座对称分布，分别通过第一圆柱销插接在髋部横梁上，髋关节轴的旋转运动及空间相对位置由第一轴承座、成对使用的第一深沟球轴承、卡簧共同确定，髋部连接件由第二圆柱销与髋关节轴确定固连关系；

所述的腿部总成包含第一弹簧挂件、圆管，对称分布的圆管构成双足步行机的腿部主体部分，圆管通过第四圆柱销插接在髋部连接件上，同时，第一弹簧挂件通过第三圆柱销插接在圆管上。

所述的距-腿关节总成同样对称分布，距-腿关节总成包含腿部连接件、第一距-腿关节构件、第二距-腿关节构件，腿部连接件通过第五圆柱销固连在圆管上，成对使用的第一螺栓、第一螺母使第一距-腿关节构件与腿部连接件固连在一起，成对使用的第三螺母、第三螺栓使对称分布的第二轴承座固连在第二距-腿关节构件上。第一距-腿关节构件的旋转运动及空间相对位置由第二轴承座和嵌入其中的第二深沟球轴承共同确定。由于第二距-腿关节构件在装配时在水平面内具有偏角，偏角范围为11°～17°，这就使距-腿关节的旋转轴在水平面内具有这一偏角，在确定第二距-腿关节构件偏转的角度之后，可用成对使用的第二螺栓、第二螺母使第二距-腿关节构件保持确定的位置。第二弹簧挂件通过第七圆柱销固连在第一距-跟关节构件上。对称布置的第一弹簧布置在第一弹簧挂件、第二弹簧挂件之间，在双足步行机行走的过程中起到能量转化、辅助行走的作用。

所述的距-跟关节总成位于距-腿关节总成的下方，距-跟关节总成包含第一距-跟关节构件、第一连接轴、脚部连接件，在双足步行机的左右两足中，脚部连接件通过成对使用的第五螺栓、第五螺母分别固连在左脚掌、右脚掌上。同时，第五螺栓、第五螺母还起到将第四轴承座固连在脚部连接件上的作用。而第三轴承座则通过成对使用的第四螺栓、第四螺母固连在脚部连接件上。这里，通过更换不同的脚部连接件可以使距-跟关节的旋转轴在矢状面形成不同的偏角，偏角范围为42°～45°。通过第六圆柱销，第一距-跟关节构件与第一连接轴形成相对确定的运动关系。而第一连接轴的旋转运动和空间相对位置关系由嵌入第三轴承座的第三深沟球轴承及嵌入第四轴承座的角接触球轴承确定。通过第六圆柱销的插接作用，第三弹簧挂件固连在第一连接轴上，同时也使距-跟关节构件保持确定的空间相对位置。对称分布的第二弹簧布置在第三弹簧挂件与铰接在左脚掌、右脚掌上的第三弹簧挂件之间，同样起到能量转化和辅助行走的作用。

所述的距-跟关节总成位于脚掌的两侧且对称分布，距-跟关节总成包含第三弹簧、脚趾构件、脚趾，脚趾构件通过成对使用的第六螺栓、第六螺母分别固连在左脚掌、右脚掌上，脚趾通过第二连接轴与脚趾构件形成铰接。第四弹簧挂件成对使用，以螺纹连接的方式分别与脚趾、左脚掌、右脚掌固连。成对的第四弹簧挂件之间布置有第三弹簧，第三弹簧的使用可使双足步行机在被动行走中实现行走过程中的弹性启动，使步态更加接近人类。

本实用新型的工作过程和原理：

应使完全被动双足步行机置于具有一定倾斜角度的斜面之上。首先应该给予摆动腿一定的初速度，当摆动腿触地后变为支撑腿，完全被动双足步行机将会随着支撑腿在距-腿关节的转动而在矢状面内有一个向前的运动。同时，在第二弹簧的作用下，完全被动双足步行机的支撑腿会随着距-跟关节的转动而在冠状面内有一个侧摆的运动。当摆动腿再一次与地面碰撞时，原支撑腿变为新的摆动腿，半个周期步行完成。完全被动双足步行机将按此规律连续工作，最终完成完全被动行走。

本实用新型的有益效果：

1、仿生距-腿关节、仿生距-跟关节的采用，使步行机在完成3D行走的同时，可以有效提高完全被动双足步行机的行走稳定性和自然性。

2、完全被动双足步行机中含有弹簧作用的脚趾，可以实现行走过程中脚尖离地时的弹性启动，使步态更加接近人类。

3、完全被动双足步行机可有效地利用重力势能完成被动行走，将行走能效最优化。

附图说明

图1为本实用新型的立体示意图。

图2为本实用新型的主视图。

图3为本实用新型的左视图。

图4为图3的局部剖视图。

图5为图2的A-A视图。

其中：1-髋部总成；11-配重；12-配重固定销；13-髋部横梁；14-第一轴承座；15-第一圆柱销；16-第一深沟球轴承；17-髋关节轴；18-卡簧；19-第二圆柱销；110-髋部连接件；2-腿部总成；21-第一弹簧挂件；22-第三圆柱销；23-第四圆柱销；24-圆管；3-距-腿关节总成；31-腿部连接件；32-第一螺栓；33-第一螺母；34-第一距-腿关节构件；35-第二螺栓；36-第二螺母；37-第五圆柱销；38-第三螺母；39-第三螺栓；310-第二深沟球轴承；311-第二轴承座；312-第二弹簧挂件；313-第一弹簧；314-第二距-腿关节构件；4-距-跟关节总成；41-第一距-跟关节构件；42-第三轴承座；43-第三深沟球轴承；44-第六圆柱销；45-第四轴承座；46-第三弹簧挂件；47-第一连接轴；48-角接触球轴承；49-第七圆柱销；410-第四螺栓；411-第四螺母；412-第五螺栓；413-第五螺母；414-脚部连接件；415-第二弹簧；416-第三弹簧挂件；5-左脚掌；6-右脚掌；7-脚趾总成；71-第四弹簧挂件；72-第三弹簧；73-第六螺栓；74-第六螺母；75-脚趾构件；76-第二连接轴；77-脚趾。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4及图5所示，本实施例包括髋部总成1、腿部总成2、距-腿关节总成3、距-跟关节总成4、左脚掌5、右脚掌6、脚趾总成7；腿部总成2布置在髋部总成1和距-腿关节总成3之间，构成步行机的主体部分；距-跟关节总成4布置在距-腿关节总成3与脚掌之间，脚趾总成7分布在脚掌的两侧；脚掌包括左脚掌5和右脚掌6。

所述的髋部总成1包含配重11、髋部横梁13、第一轴承座14、髋部连接件110，配重11通过配重固定销12插接在髋部横梁13上，第一轴承座14对称分布，分别通过第一圆柱销15插接在髋部横梁13上，髋关节轴17的旋转运动及空间相对位置由第一轴承座14、成对使用的第一深沟球轴承16、卡簧18共同确定，髋部连接件110由第二圆柱销19与髋关节轴17确定固连关系；

所述的腿部总成2包含第一弹簧挂件21、圆管24，对称分布的圆管24构成双足步行机的腿部主体部分，圆管24通过第四圆柱销23插接在髋部连接件110上；第一弹簧挂件21通过第三圆柱销22插接在圆管24上；

所述的距-腿关节总成3对称分布，距-腿关节总成3包含腿部连接件31、第一距-腿关节构件34、第二距-腿关节构件314，腿部连接件31通过第五圆柱销37固连在圆管24上，成对使用的第一螺栓32、第一螺母33使第一距-腿关节构件34与腿部连接件31固连在一起，成对使用的第三螺母38、第三螺栓39使对称分布的第二轴承座311固连在第二距-腿关节构件314上；第一距-腿关节构件34的旋转运动及空间相对位置由第二轴承座311和嵌入其中的第二深沟球轴承310共同确定怕；由于第二距-腿关节构件314在装配时在水平面内有偏角，偏角范围为11°～17°，这就使距-腿关节的旋转轴在水平面内具有这一偏角，在确定第二距-腿关节构件314偏转的角度之后，成对使用的第二螺栓35、第二螺母36使第二距-腿关节构件314保持确定的位置；第二弹簧挂件312通过第七圆柱销49固连在第一距-跟关节构件41上；对称布置的第一弹簧313布置在第一弹簧挂件21、第二弹簧挂件312之间，在双足步行机行走的过程中起到能量转化、辅助行走的作用；

所述的距-跟关节总成4位于距-腿关节总成3的下方，距-跟关节总成4包含第一距-跟关节构件41、第一连接轴47、脚部连接件414；在双足步行机的左右两足中，脚部连接件414通过成对使用的第五螺栓412、第五螺母413分别固连在左脚掌5、右脚掌6上，第五螺栓412、第五螺母413还起到将第四轴承座45固连在脚部连接件414上的作用；而第三轴承座42则通过成对使用的第四螺栓410、第四螺母411固连在脚部连接件414上，通过更换不同的脚部连接件414可以使距-跟关节的旋转轴在矢状面形成偏角；偏角范围为42°～45°；通过第六圆柱销44，第一距-跟关节构件41与第一连接轴47形成相对确定的运动关系；而第一连接轴47的旋转运动和空间相对位置关系由嵌入第三轴承座42的第三深沟球轴承43及嵌入第四轴承座45的角接触球轴承48确定；通过第六圆柱销44的插接作用，第三弹簧挂件46固连在第一连接轴47上，使距-跟关节构件41保持确定的空间相对位置；对称分布的第二弹簧415布置在第三弹簧挂件46与铰接在左脚掌5、右脚掌6上的第三弹簧挂件416之间，同样起到能量转化和辅助行走的作用。

所述的脚趾总成7位于脚掌的两侧且对称分布，包含第三弹簧72、脚趾构件75、脚趾77，脚趾构件75通过成对使用的第六螺栓73、第六螺母74分别固连在左脚掌5、右脚掌6上，脚趾77通过第二连接轴76与脚趾构件75形成铰接；第四弹簧挂件71成对使用，以螺纹连接的方式分别与脚趾77、左脚掌5、右脚掌6固连；成对的第四弹簧挂件71之间布置有第三弹簧72，第三弹簧72的使用可使双足步行机在被动行走中实现行走过程中的弹性启动，使步态更加接近人类。

Claims (3)

1.一种具有仿生距-腿、距-跟关节的完全被动双足步行机，其特征在于：包括髋部总成(1)、腿部总成(2)、距-腿关节总成(3)、距-跟关节总成(4)、左脚掌(5)、右脚掌(6)、脚趾总成(7)；腿部总成(2)布置在髋部总成(1)和距-腿关节总成(3)之间，构成步行机的主体部分；距-跟关节总成(4)布置在距-腿关节总成(3)与脚掌之间，脚趾总成(7)分布在脚掌的两侧；脚掌包括左脚掌(5)和右脚掌(6)；

所述的髋部总成(1)包含配重(11)、髋部横梁(13)、第一轴承座(14)、髋部连接件(110)，配重(11)通过配重固定销(12)插接在髋部横梁(13)上，第一轴承座(14)对称分布，分别通过第一圆柱销(15)插接在髋部横梁(13)上，髋关节轴(17)的旋转运动及空间相对位置由第一轴承座(14)、成对使用的第一深沟球轴承(16)、卡簧(18)共同确定，髋部连接件(110)由第二圆柱销(19)与髋关节轴(17)确定固连关系；

所述的腿部总成(2)包含第一弹簧挂件(21)和圆管(24)，对称分布的圆管(24)构成双足步行机的腿部主体部分，圆管(24)通过第四圆柱销(23)插接在髋部连接件(110)上，第一弹簧挂件(21)通过第三圆柱销(22)插接在圆管(24)上；

所述的距-腿关节总成(3)对称分布，距-腿关节总成(3)包含腿部连接件(31)、第一距-腿关节构件(34)、第二距-腿关节构件(314)，腿部连接件(31)通过第五圆柱销(37)固连在圆管(24)上，成对使用的第一螺栓(32)、第一螺母(33)使第一距-腿关节构件(34)与腿部连接件(31)固连在一起；成对使用的第三螺母(38)、第三螺栓(39)使对称分布的第二轴承座(311)固连在第二距-腿关节构件(314)上；第一距-腿关节构件(34)的旋转运动及空间相对位置由第二轴承座(311)和嵌入其中的第二深沟球轴承(310)共同确定；由于第二距-腿关节构件(314)在装配时在水平面内有偏角，这就使距-腿关节的旋转轴在水平面内具有这一偏角；在确定第二距-腿关节构件(314)偏转的角度之后，成对使用的第二螺栓(35)、第二螺母(36)使第二距-腿关节构件(314)保持确定的位置；第二弹簧挂件(312)通过第七圆柱销(49)固连在第一距-跟关节构件(41)上；对称布置的第一弹簧(313)布置在第一弹簧挂件(21)和第二弹簧挂件(312)之间，在双足步行机行走的过程中起到能量转化、辅助行走的作用；

所述的距-跟关节总成(4)位于距-腿关节总成(3)的下方，距-跟关节总成(4)包含第一距-跟关节构件(41)、第一连接轴(47)、脚部连接件(414)，在双足步行机的左右两足中，脚部连接件(414)通过成对使用的第五螺栓(412)、第五螺母(413)分别固连在左脚掌(5)、右脚掌(6)上；第五螺栓(412)、第五螺母(413)还起到将第四轴承座(45)固连在脚部连接件(414)上的作用；而第三轴承座(42)则通过成对使用的第四螺栓(410)、第四螺母(411)固连在脚部连接件(414)上；通过更换不同的脚部连接件(414)可以使距-跟关节的旋转轴在矢状面形成偏角；通过第六圆柱销(44)，第一距-跟关节构件(41)与第一连接轴(47)形成相对确定的运动关系；而第一连接轴(47)的旋转运动和空间相对位置关系由嵌入第三轴承座(42)的第三深沟球轴承(43)及嵌入第四轴承座(45)的角接触球轴承(48)确定；通过第六圆柱销(44)的插接作用，第三弹簧挂件(46)固连在第一连接轴(47)上，使距-跟关节构件(41)保持确定的空间相对位置；对称分布的第二弹簧(415)布置在第三弹簧挂件(46)与铰接在左脚掌(5)、右脚掌(6)上的第三弹簧挂件(416)之间，同样起到能量转化和辅助行走的作用；

所述的脚趾总成(7)位于脚掌的两侧且对称分布，脚趾总成(7)包含第三弹簧(72)、脚趾构件(75)、脚趾(77)，脚趾构件(75)通过成对使用的第六螺栓(73)、第六螺母(74)分别固连在左脚掌(5)、右脚掌(6)上，脚趾(77)通过第二连接轴(76)与脚趾构件(75)形成铰接；第四弹簧挂件(71)成对使用，以螺纹连接的方式分别与脚趾(77)、左脚掌(5)、右脚掌(6)固连；成对的第四弹簧挂件(71)之间布置有第三弹簧(72)，第三弹簧(72)的使用可使双足步行机在被动行走中实现行走过程中的弹性启动，使步态更加接近人类。

2.根据权利要求1所述的一种具有仿生距-腿、距-跟关节的完全被动双足步行机，其特征在于：所述的第二距-腿关节构件(314)在装配时在水平面内偏角的范围为11°～17°。

3.根据权利要求1所述的一种具有仿生距-腿、距-跟关节的完全被动双足步行机，其特征在于：所述距-跟关节的旋转轴在矢状面内偏角的范围为42°～45°。