CN206446687U - 一种具有仿生跖趾关节的半被动双足步行机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有仿生跖趾关节的半被动双足步行机，包括髋部总成、腿部总成、足部总成。第二机架、第三机架、一对第四机架、一对第五机架由内向外对称地布置在第一机架的两侧，构成步行机的机架主体部分。腿部结构左右一致，且在一定范围内可以自由调节腿部长度。足部结构左右对称，球铰可以模拟人类脚踝的功能，第一足趾连接件、扭簧、第二足趾连接件、构成了仿生跖趾关节的连接部分，仿生跖趾关节的运动旋转轴角度参考人类跖趾关节进行设计。本实用新型通过利用齿轮组，实现了步行机髋部时刻保持在左右两腿在矢状面的角平分线上，同时引入仿生跖趾关节提高了步行机地面适应能力。

Description

一种具有仿生跖趾关节的半被动双足步行机

技术领域

本实用新型属于机器人技术领域，具体涉及一种具有仿生足趾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类人的行走特征，能够快速适应人类生存环境，从而更好地服务人类。因此，近年来，有关双足步行机器人的研究工作在世界范围内得到广泛开展。

完全被动双足机器人是双足步行机器人的一种，其能够利用自身重力实现在斜坡上的稳定行走，与传统的主动步行机器人相比具有步态自然、结构简单、低能耗的优点。完全被动双足机器人虽然具有显著的节能效果(仅靠重力行走)，但其只能在斜面上行走，实用性欠佳，故研究人员开始着手半被动双足机器人的研发。美国康奈尔大学(CornellUniversity)、麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)、荷兰戴尔福特理工大学(Delft University of Technology)等开发出系列半被动双足机器人，都达到了比较理想的能耗指标，十分节能，但所开发样机所采用的躯干等分机构结构较复杂，这增加了整机的能耗，加大了制作物理样机的难度。

同时，现有的半被动双足机器人多使用弧型的整体足，弧型整体足虽然能够实现在水平路面上的行走，但其适应复杂路面的能力较差，不利于行走性能的进一步提升。而人类行走高效节能，一直是半被动双足机器人的学习蓝本，但人类脚掌与现有半被动双足机器人的整体刚性结构脚掌不同，其具有跖趾关节，且该关节与冠状面呈一定角度(20°-40°)，研究表明，脚趾在人类行走过程中可以实现弹性启动，在运动触地过程中，能够协同跖部适应路面地形的变化，具有重要的生物运动功能特征，因此，基于人体跖趾关节特征启发，在半被动双足机器人脚掌上设计具有类人的跖趾关节将有利于提升其行走性能及地形适应能力。

综观上述半被动行走的研究现状及人体跖趾关节的优异生物结构特征，急需一种躯干等分机构结构更加简洁、行走性能好、地形适应能力强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半被动双足步行机普遍存在的躯干等分机构结构复杂、地形适应能力差的问题，而提供一种具有仿生跖趾关节的半被动双足步行机，该半被动双足步行机具有结构更加简洁、行走性能好、地形适应能力强的特点。

本实用新型包括髋部总成、腿部总成和足部总成。

所述的髋部总成包含第一机架、第二机架、上肢、第一轴、第一齿轮、髋腿连接件、舵机等。其中，第二机架、第三机架、一对第四机架、一对第五机架由内向外对称地布置在第一机架的两侧，同时，第二机架、第三机架通过第一内六角螺钉与与第六机架固连。第一轴布置在第三机架、与第三机架同侧的第四机架之间，并与第三机架、第四机架构成转动副，第一齿轮、第八齿轮固连在第一轴的两端。第二轴布置在第二机架和与第二机架同侧的第四机架之间，并与第二机架、第四机架构成转动副，第二齿轮、第三齿轮固连在第二轴的两端。两个第三轴分别布置在同侧的第四机架、第五机架之间，并与第四机架、第五机架构成转动副，第四齿轮、第九齿轮分别布置在两侧的第四机架、第五机架之间，并分别与对称分布的两个第三轴固连，同样对称分布的上肢分别固连在两侧的第三轴的一端。第四轴一端与第五齿轮固连，另一端与第二机架构成转动副。第五轴布置在第二机架、第三机架之间并与第二机架、第三机架构成转动副，第六齿轮、第七齿轮分布在第二机架、第三机架之间并与第五轴固连。这里，第一齿轮与第七齿轮啮合，第五齿轮分别与两侧的第二齿轮、第六齿轮啮合，第三齿轮与第四齿轮啮合，第八齿轮与第九齿轮啮合。第三齿轮、第四齿轮、第八齿轮、第九齿轮模数、齿数等齿轮参数一致，第一齿轮、第七齿轮模数、齿数等齿轮参数一致，第五齿轮、第二齿轮、第六齿轮模数、齿数等齿轮参数一致。对称分布的髋腿连接件分别与第一轴、第二轴固连。最后，步行机的动力由舵机通过第十齿轮与第七齿轮的啮合来传递，这里，舵机通过对称分布的两对螺母、内六角螺栓固定在第六机架上。

所述的腿部总成包含第一连杆、第一圆柱销、第二连杆、第二圆柱销和第三连杆。其中，两个第一连杆的一端与髋腿连接件固连，另一端通过第一圆柱销与第二连杆固连，第三连杆则通过第二圆柱销与第二连杆固连。第一连杆、第二连杆、第三连杆均分布有等距的销孔，方便第一圆柱销、第二圆柱销以插接的形式对步行机腿部长度进行调节。

所述的足部总成分为左右两个部分，包含腿足连接件、第一拉簧、第二拉簧、第三拉簧、第四拉簧、右脚掌、第一足趾连接件、扭簧、第二足趾连接件、仿生右脚趾、左脚掌、仿生左脚趾等。其中，腿足连接件用于足部与第三连杆的连接。四个一组的第一吊环螺钉均匀地布置在腿足连接件上。第二吊环螺钉对应第一吊环螺钉同样均匀分别布置在右脚掌、左脚掌的中部。第一吊环螺钉与第二吊环螺钉之间分别布置有第一拉簧、第二拉簧、第三拉簧、第四拉簧，其中第一拉簧与第三拉簧对称布置在足部的冠状面，为了利于步行机的在冠状面内的侧摆运动，第一拉簧的刚度较大，是第三拉簧刚度的1.1～1.2倍。第二拉簧、第四拉簧布置在足部的矢状面。两个球铰上端以螺纹连接的形式固连在腿足连接件上，下端通过第二内六角螺钉分别固定在右脚掌和左脚掌上，球铰可以模拟人类脚踝的功能。两个第一足趾连接件通过螺钉分别与右脚掌、左脚掌固连，两个第二足趾连接件分别固定在仿生右脚趾、仿生左脚趾的中上部。第一足趾连接件与转轴固连，第二足趾连接件与转轴铰接。转轴同时穿过扭簧，通过扭簧对第一足趾连接件与第二足趾连接件的作用来实现仿生右脚趾与仿生左脚趾的运动和复位。第一足趾连接件、扭簧、第二足趾连接件、构成了仿生跖趾关节的连接部分。

本实用新型的工作过程和原理：

在具体的实施过程中，通过控制舵机的正反转来实现步行机的行进，既步行机的左右腿轮流向前迈进。由于第一齿轮、第七齿轮模数、齿数等齿轮参数一致，第五齿轮、第二齿轮、第六齿轮模数、齿数等齿轮参数一致，故步行机的左右侧腿摆动速度一致但摆动方向相反，这样可以使步行机的髋部总成时刻保持在左右两腿在矢状面的角平分线上，这样有利于提高步行机的行走稳定性。而第三齿轮与第四齿轮，第八齿轮与第九齿轮的使用，改变了旋转的方向，实现了上肢与对侧腿摆动方向一致。这一类人特征，可以有效减少步行机绕支撑腿转动的现象。仿生右脚趾和仿生左脚趾的存在可以实现步行机在行走过程中的弹性启动，同时也有助于提高步行机对不同地面的适应能力，其中，仿生右脚趾的旋转轴在逆时针方向与步行机冠状面的角度是20°-40°，仿生左脚趾的旋转轴在顺时针方向与步行机冠状面的角度是20°-40°。

本实用新型的有益效果：

1、半被动步行机通过使用齿轮组，实现了步行机髋部时刻保持在左右两腿在矢状面上的角平分线上，有利于提升行走的稳定性。

2、半被动步行机在没有增加任何额外驱动的情况下，加入上肢，上肢摆动方向与对侧腿摆动方向相同，可以减少步行机绕支撑腿转动的现象。

3、仿生足趾(仿生跖趾关节)的存在实现步行机在行走过程中的弹性启动的同时，可以使步行机的地面适应能力有所提高。

附图说明

图1为本实用新型的立体示意图。

图2为本实用新型的后视图。

图3为本实用新型的主视图。

图4为图3中的A-A向剖视图。

图5为本实用新型的行走状态示意图。

其中：1-髋部总成；11-第一机架；12-第二机架；13-第三机架；14-第四机架；15-第五机架；16-上肢；17-第一轴；18-第一齿轮；19-第二齿轮；110-第二轴；111-第三齿轮；112-第三轴；113-第四齿轮；114-第四轴；115-第五齿轮；116-第六齿轮；117-第五轴；118-第七齿轮；119-第八齿轮；120-第九齿轮；121-髋腿连接件；122-第十齿轮；123-舵机；124-第六机架；125-螺母；126-内六角螺栓；127-第一内六角螺钉；2-腿部总成；21-第一连杆；22-第一圆柱销；23-第二连杆；24-第二圆柱销；25-第三连杆；3-足部总成；31-腿足连接件；32-第一吊环螺钉；33-第一拉簧；34-第二拉簧；35-第三拉簧；36-球铰；37-第二吊环螺钉；38-第二内六角螺钉；39-第四拉簧；310-右脚掌；311-第一足趾连接件；312-螺钉；313-扭簧；314-第二足趾连接件；315-仿生右脚趾；316-左脚掌；317-转轴；318-仿生左脚趾。

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和足部总成3。

所述的髋部总成1包含第一机架11、第二机架12、上肢16、第一轴17、第一齿轮18、髋腿连接件121、舵机123等。其中，第二机架12、第三机架13、一对第四机架14、一对第五机架15由内向外对称地布置在第一机架11的两侧，同时，第二机架12、第三机架13通过第一内六角螺钉与127与第六机架124固连。第一轴17布置在第三机架13、与第三机架13同侧的第四机架14之间，并与第三机架13、第四机架14构成转动副，第一齿轮18、第八齿轮119固连在第一轴17的两端。第二轴110布置在第二机架12和与第二机架12同侧的第四机架14之间，并与第二机架12、第四机架14构成转动副，第二齿轮19、第三齿轮111固连在第二轴110的两端。两个第三轴112分别布置在同侧的第四机架14、第五机架15之间，并与第四机架14、第五机架15构成转动副，第四齿轮113、第九齿轮120分别布置在两侧的第四机架14、第五机架15之间，并分别与对称分布的两个第三轴112固连，同样对称分布的上肢16分别固连在两侧的第三轴112的一端。第四轴114一端与第五齿轮115固连，另一端与第二机架12构成转动副。第五轴117布置在第二机架12、第三机架13之间并与第二机架12、第三机架13构成转动副，第六齿轮116、第七齿轮118分布在第二机架12、第三机架13之间并与第五轴117固连。这里，第一齿轮18与第七齿轮118啮合，第五齿轮115分别与两侧的第二齿轮19、第六齿轮116啮合，第三齿轮111与第四齿轮113啮合，第八齿轮119与第九齿轮120啮合。第三齿轮111、第四齿轮113、第八齿轮119、第九齿轮120模数、齿数等齿轮参数一致，第一齿轮18、第七齿轮118模数、齿数等齿轮参数一致，第五齿轮115、第二齿轮19、第六齿轮116模数、齿数等齿轮参数一致。对称分布的髋腿连接件121分别与第一轴17、第二轴110固连。最后，步行机的动力由舵机123通过第十齿轮122与第七齿轮118的啮合来传递，这里，舵机123通过对称分布的两对螺母125、内六角螺栓126固定在第六机架124上。

所述的腿部总成2包含第一连杆21、第一圆柱销22、第二连杆23、第二圆柱销24和第三连杆25。其中，两个第一连杆21的一端与髋腿连接件121固连，另一端通过第一圆柱销22与第二连杆23固连，第三连杆25则通过第二圆柱销24与第二连杆23固连。第一连杆21、第二连杆23、第三连杆25均分布有等距的销孔，方便第一圆柱销22、第二圆柱销24以插接的形式对步行机腿部长度进行调节。

所述的足部总成3分为左右两个部分，包含腿足连接件31、第一拉簧33、第二拉簧34、第三拉簧35、第四拉簧39、右脚掌310、第一足趾连接件311、扭簧313、第二足趾连接件314、仿生右脚趾315、左脚掌316、仿生左脚趾318等。其中，腿足连接件31用于足部与第三连杆25的连接。四个一组的第一吊环螺钉32均匀地布置在腿足连接件31上。第二吊环螺钉37对应第一吊环螺钉32同样均匀分别布置在右脚掌310、左脚掌316的中部。第一吊环螺钉32与第二吊环螺钉37之间分别布置有第一拉簧33、第二拉簧34、第三拉簧35、第四拉簧39，其中第一拉簧33与第三拉簧35对称布置在足部的冠状面，为了利于步行机的在冠状面内的侧摆运动，第一拉簧33的刚度较大，是第三拉簧35刚度的1.1～1.2倍。第二拉簧34、第四拉簧39布置在足部的矢状面。两个球铰36上端以螺纹连接的形式固连在腿足连接件31上，下端通过第二内六角螺钉38分别固定在右脚掌310和左脚掌316上，球铰36可以模拟人类脚踝的功能。两个第一足趾连接件311通过螺钉312分别与右脚掌310、左脚掌316固连，两个第二足趾连接件314分别固定在仿生右脚趾315、仿生左脚趾318的中上部。第一足趾连接件311与转轴317固连，第二足趾连接件314与转轴317铰接。转轴317同时穿过扭簧313，通过扭簧313对第一足趾连接件311与第二足趾连接件314的作用来实现仿生右脚趾315与仿生左脚趾318的运动和复位。第一足趾连接件311、扭簧313、第二足趾连接件314、构成了仿生跖趾关节的连接部分。

在具体的实施过程中，通过控制舵机123的正反转来实现步行机的行进，既步行机的左右腿轮流向前迈进。由于第一齿轮18、第七齿轮118模数、齿数等齿轮参数一致，第五齿轮115、第二齿轮19、第六齿轮116模数、齿数等齿轮参数一致，故步行机的左右侧腿摆动速度一致但摆动方向相反，这样可以使步行机的髋部总成1时刻保持在左右两腿在矢状面的角平分线上，这样有利于提高步行机的行走稳定性。而第三齿轮111与第四齿轮113，第八齿轮119与第九齿轮120的使用，改变了旋转的方向，实现了上肢与对侧腿摆动方向一致。这一类人特征，可以有效减少步行机绕支撑腿转动的现象。仿生右脚趾315和仿生左脚趾318的存在可以实现步行机在行走过程中的弹性启动，同时也有助于提高步行机对不同地面的适应能力，其中，仿生右脚趾315的旋转轴在逆时针方向与步行机冠状面的角度是20°-40°，仿生左脚趾318的旋转轴在顺时针方向与步行机冠状面的角度是20°-40°。

Claims (3)

1.一种具有仿生跖趾关节的半被动双足步行机，其特征在于：包括髋部总成(1)、腿部总成(2)和足部总成(3)；

所述的髋部总成(1)包含第一机架(11)、第二机架(12)、上肢(16)、第一轴(17)、第一齿轮(18)、髋腿连接件(121)和舵机(123)；第二机架(12)、第三机架(13)、一对第四机架(14)、一对第五机架(15)由内向外对称地布置在第一机架(11)的两侧，同时，第二机架(12)、第三机架(13)通过第一内六角螺钉与(127)与第六机架(124)固连；第一轴(17)布置在第三机架(13)、与第三机架(13)同侧的第四机架(14)之间，并与第三机架(13)、第四机架(14)构成转动副，第一齿轮(18)、第八齿轮(119)固连在第一轴(17)的两端；第二轴(110)布置在第二机架(12)和与第二机架(12)同侧的第四机架(14)之间，并与第二机架(12)、第四机架(14)构成转动副，第二齿轮(19)、第三齿轮(111)固连在第二轴(110)的两端；两个第三轴(112)分别布置在同侧的第四机架(14)、第五机架(15)之间，并与第四机架(14)、第五机架(15)构成转动副，第四齿轮(113)、第九齿轮(120)分别布置在两侧的第四机架(14)、第五机架(15)之间，并分别与对称分布的两个第三轴(112)固连，同样对称分布的上肢(16)分别固连在两侧的第三轴(112)的一端；第四轴(114)一端与第五齿轮(115)固连，另一端与第二机架(12)构成转动副；第五轴(117)布置在第二机架(12)、第三机架(13)之间并与第二机架(12)、第三机架(13)构成转动副，第六齿轮(116)、第七齿轮(118)分布在第二机架(12)、第三机架(13)之间并与第五轴(117)固连；这里，第一齿轮(18)与第七齿轮(118)啮合，第五齿轮(115)分别与两侧的第二齿轮(19)、第六齿轮(116)啮合，第三齿轮(111)与第四齿轮(113)啮合，第八齿轮(119)与第九齿轮(120)啮合；第三齿轮(111)、第四齿轮(113)、第八齿轮(119)和第九齿轮(120)的模数、齿数一致，第一齿轮(18)和第七齿轮(118)的模数、齿数一致，第五齿轮(115)、第二齿轮(19)和第六齿轮(116)的模数、齿数一致；对称分布的髋腿连接件(121)分别与第一轴(17)、第二轴(110)固连；最后，步行机的动力由舵机(123)通过第十齿轮(122)与第七齿轮(118)的啮合来传递，这里，舵机(123)通过对称分布的两对螺母(125)、内六角螺栓(126)固定在第六机架(124)上；

所述的腿部总成(2)包含第一连杆(21)、第一圆柱销(22)、第二连杆(23)、第二圆柱销(24)和第三连杆(25)；两个第一连杆(21)的一端与髋腿连接件(121)固连，另一端通过第一圆柱销(22)与第二连杆(23)固连，第三连杆(25)则通过第二圆柱销(24)与第二连杆(23)固连；第一连杆(21)、第二连杆(23)、第三连杆(25)均分布有等距的销孔，方便第一圆柱销(22)、第二圆柱销(24)以插接的形式对步行机腿部长度进行调节；

所述的足部总成(3)分为左右两个部分，包含腿足连接件(31)、第一拉簧(33)、第二拉簧(34)、第三拉簧(35)、第四拉簧(39)、右脚掌(310)、第一足趾连接件(311)、扭簧(313)、第二足趾连接件(314)、仿生右脚趾(315)、左脚掌(316)、仿生左脚趾(318)；腿足连接件(31)用于足部与第三连杆(25)的连接；四个一组的第一吊环螺钉(32)均匀地布置在腿足连接件(31)上；第二吊环螺钉(37)对应第一吊环螺钉(32)同样均匀分别布置在右脚掌(310)、左脚掌(316)的中部；第一吊环螺钉(32)与第二吊环螺钉(37)之间分别布置有第一拉簧(33)、第二拉簧(34)、第三拉簧(35)、第四拉簧(39)，其中第一拉簧(33)与第三拉簧(35)对称布置在足部的冠状面，第二拉簧(34)、第四拉簧(39)布置在足部的矢状面；两个球铰(36)上端以螺纹连接的形式固连在腿足连接件(31)上，下端通过第二内六角螺钉(38)分别固定在右脚掌(310)和左脚掌(316)上，球铰(36)可以模拟人类脚踝的功能；两个第一足趾连接件(311)通过螺钉(312)分别与右脚掌(310)、左脚掌(316)固连，两个第二足趾连接件(314)分别固定在仿生右脚趾(315)、仿生左脚趾(318)的中上部；第一足趾连接件(311)与转轴(317)固连，第二足趾连接件(314)与转轴(317)铰接；转轴(317)同时穿过扭簧(313)，通过扭簧(313)对第一足趾连接件(311)与第二足趾连接件(314)的作用来实现仿生右脚趾(315)与仿生左脚趾(318)的运动和复位；第一足趾连接件(311)、扭簧(313)、第二足趾连接件(314)、构成了仿生跖趾关节的连接部分。

2.根据权利要求1所述的一种具有仿生跖趾关节的半被动双足步行机，其特征在于：所述第一拉簧(33)的刚度是第三拉簧(35)刚度的1.1～1.2倍。

3.根据权利要求1所述的一种具有仿生跖趾关节的半被动双足步行机，其特征在于：所述仿生右脚趾(315)的旋转轴在逆时针方向与步行机冠状面的角度是20°-40°；所述仿生左脚趾(318)的旋转轴在顺时针方向与步行机冠状面的角度是20°-40°。