CN206634094U - 一种用于被动双足机器人的多环节柔性仿生足 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于被动双足机器人的多环节柔性仿生足，包括有腿部联接件、钩螺栓、万向节、足部联接件、第一柔性联接件、刚性联接件、第二柔性连接件、足底板和弹簧，足底板是由前板、过渡板、中板和后板组成，第一柔性联接件通过螺栓连接在中板和后板之间，第二柔性连接件通过螺栓连接在前板和过渡板之间，刚性联接件通过螺栓连接在过渡板和中板之间，足部联接件固定在后板上，足部联接件通过万向节与腿部联接件连接，后板通过钩螺栓和弹簧与腿部联接件相连，行走时通过弹簧的压缩与拉伸来完成力的传递。仿生多环节足通过模拟人足部行走时足部压力中心变化，提高了双足被动行走机器人的柔性触地性能及路面适应性。

Description

一种用于被动双足机器人的多环节柔性仿生足

技术领域

本实用新型属于机器人领域，具体涉及一种用于被动双足行走机器人的多环节仿生足。

背景技术

随着近几年人工智能的大热，机器人领域得到了社会各界的广泛关注并在各个领域被广泛应用，如工业自动化、军事、科研、抢险救灾等。其中仿生步行机器人发展尤为迅速，与其他类型相比，双足步行机器人的行走方式接近人类，因而具有一些其他类型所没有的优势，如在非结构性复杂路面移动能力佳(如凹凸不平地面运动、上下楼梯、跨越复杂障碍等)、环境适应性强等显著特点。同时，双足行走机器人非常适合在人类生活、工作环境中与人类协同工作或服务，而无需为其专门对环境进行大规模改造，因此，双足步行机器人成为仿生机器人领域的研究热点。

双足行走机器人的研究涉及仿生学、机械学、材料学、控制理论、力学、数学等多个学科。近年来,世界各国的科学家和工程师在双足机器人的样机研制、行走模式规划、步行稳定控制等方面进行了许多有意义的探索。

研究表明，目前的传统主动双足机器人主要是通过对各关节施加复杂驱动控制来进行实时、精确的轨迹追踪与运动规划，以确保其稳定运动，这导致该类型机器人不同程度的存在控制系统复杂、能耗高、效率低、步态不自然等缺点。

而基于被动行走动力学的双足机器人的发展可能为问题的解决提供了新思路。被动行走侧重充分利用行走机构自身的被动动力学特性，在无驱动(完全被动双足行走)或少许简单驱动与控制(半被动/欠驱动双足行走)下实现自然、低能耗的步态。

分析发现，当前的被动双足机器人的足部多为整体弧形足、平板足设计，整体刚性大，极易导致行走过程中无法完成类似人体足部触地的各个阶段，如足跟触地、足放平、足跟离地、前脚掌蹬等，仅能与地发生刚性接触作用，从而产生振动、适应性差等问题。而人类的足部由多块骨骼与软组织构成，骨骼构成了多个运动关节，如跖趾关节(足前部)、跗跖关节(足中部)、跖骨间关节(足中部)、距跟关节(足后部)等，同时在运动过程中各关节及足底软组织共同作用使得足部与地面的接触是柔性的，且伴随着压力中心位置的变化，因此为具有良好柔性触地作用的双足机器人足部的创新设计提供了思路。

综观上述双足机器人足部的研究现状及人体足部触地作用的良好性能，急需一种柔性触地作用佳、路面适应性好的多环节柔性仿生足。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种用于被动双足行走机器人的多环节仿生足，本实用新型基于人体足部多关节特征，将人体足部分为足中部、足后部和足前部三个环节，并进行了多环节仿生足的设计，仿生多环节足通过模拟人足部行走时足部压力中心变化，提高双足被动行走机器人的柔性触地性能及路面适应性。

本实用新型包括有腿部联接件、钩螺栓、万向节、足部联接件、第一柔性联接件、刚性联接件、第二柔性连接件、足底板和弹簧，足底板是由前板、过渡板、中板和后板组成，第一柔性联接件通过螺栓连接在中板和后板之间，第二柔性连接件通过螺栓连接在前板和过渡板之间，刚性联接件通过螺栓连接在过渡板和中板之间，足部联接件固定在后板上，足部联接件通过万向节与腿部联接件连接，后板通过钩螺栓和弹簧与腿部联接件相连，行走时通过弹簧的压缩与拉伸来完成力的传递。

本实用新型的工作过程：

中板和后板之间通过第一柔性联接件通过螺栓固定，行走时，后板首先与地面接触，受到地面反作用力运动，并通过第一柔性连接件的压缩与伸展带动中板运动。而过渡板和中板通过刚性连接件固定，使过渡板和中板之间连为一体无相对运动。过渡板主要用于调节前板和过渡板之间连接角度，通过加工不同角度并相互配合的前板和过渡板来改变他们之间配合的角度以使其行走更加稳定。后板与足部联接件刚性联接，足部联接件通过万向节与腿部联接件相连带动足部以上的部分运动。后板通过钩螺栓和弹簧与腿部联接件相连，行走时通过弹簧的压缩与拉伸来完成力的传递。过渡板为过渡区。

本实用新型的工作原理：

本实用新型是根据人体足部拓扑结构及其材料特征得到的启示。人体的足部其骨骼肌肉主要分为脚趾、脚掌与脚跟三部分，行走时由脚跟首先着地并通过肌肉带动前端的脚掌脚趾运动从而完成行走动作。基于人体足部拓扑结构本实用新型将仿生足设计为足前部、足中部(包括过渡区)、足后部三个分体部分，并且三者之间通过柔性元件进行连接，在触地运动中可展现柔性运动特征。同时，本实用新型的各分体结构组合后，整体仍为四边形保证了其与地面接触时的稳定性。刚体之间通过连接柔性元件的压缩与舒张进行力的传递，并通过钩螺栓和与其相连的弹簧将力向踝部机构进行传递。

本实用新型的有益效果：

1、基于人体足部多关节特征，将仿生足分为三个环节进行设计，同时各环节间通过柔性原件进行连接，进而保证了柔性触地作用，进而显著减少触地振动，并提高了足部对路面的适应性。

2、通过分块后足部环节运动的不同步以及连接两个部分之间的柔性原件的收缩与舒张及联接弹簧的压缩、拉伸，使机器人行走时的足部压力中心能够尽可能的模仿人类行走时的压力中心，能够有效提高双足被动行走机器人的步态自然性和稳定性。

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为本实用新型的侧视图。

图4为本实用新型的足底板分块视图。

其中：1-腿部联接件；2-钩螺栓；3-万向节；4-足部联接件；5-第一柔性连接件；6-刚性连接件；7-第二柔性连接件；8-前板；9-过渡板；10-中板；11-后板；12-弹簧。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4所示，本实施例包括有腿部联接件1、钩螺栓2、万向节3、足部联接件4、第一柔性联接件5、刚性联接件6、第二柔性连接件7、足底板和弹簧12，足底板是由前板8、过渡板9、中板10和后板11组成，第一柔性联接件5通过螺栓连接在中板10和后板11之间，第二柔性连接件7通过螺栓连接在前板8和过渡板9之间，刚性联接件6通过螺栓连接在过渡板9和中板10之间，足部联接件4固定在后板11上，足部联接件4通过万向节3与腿部联接件1连接，后板11通过钩螺栓2和弹簧12与腿部联接件1相连，行走时通过弹簧12的压缩与拉伸来完成力的传递。

本实施例的工作过程：

中板10和后板11之间通过第一柔性联接件5通过螺栓固定，行走时，后板11首先与地面接触，受到地面反作用力运动，并通过第一柔性连接件5的压缩与伸展带动中板10运动。而过渡板9和中板10通过刚性连接件6固定，使过渡板9和中板10之间连为一体无相对运动。过渡板9主要用于调节前板8和过渡板9之间连接角度，通过加工不同角度并相互配合的前板8和过渡板9来改变他们之间配合的角度以使其行走更加稳定。后板11与足部联接件4刚性联接，足部联接件4通过万向节3与腿部联接件1相连带动足部以上的部分运动。后板11通过钩螺栓2和弹簧12与腿部联接件1相连，行走时通过弹簧12的压缩与拉伸来完成力的传递。

Claims (1)

1.一种用于被动双足行走机器人的多环节仿生足，其特征在于：包括有腿部联接件(1)、钩螺栓(2)、万向节(3)、足部联接件(4)、第一柔性联接件(5)、刚性联接件(6)、第二柔性连接件(7)、足底板和弹簧(12)，足底板是由前板(8)、过渡板(9)、中板(10)和后板(11)组成，第一柔性联接件(5)通过螺栓连接在中板(10)和后板(11)之间，第二柔性连接件(7)通过螺栓连接在前板(8)和过渡板(9)之间，刚性联接件(6)通过螺栓连接在过渡板(9)和中板(10)之间，足部联接件(4)固定在后板(11)上，足部联接件(4)通过万向节(3)与腿部联接件(1)连接，后板(11)通过钩螺栓(2)和弹簧(12)与腿部联接件(1)相连。