一種機器人足部結構的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種機器人足部結構，包括腳掌、跖趾關節、腳跟和踝關節組件，腳掌前端安裝跖趾關節，腳掌后端安裝腳跟，腳掌中部上端安裝踝關節組件，所述腳掌中部上端固裝有踝關節組件；所述腳掌的縱向前端對稱鉸裝有兩個跖趾關節，該跖趾關節前端制有向上翹起的弧形結構，跖趾關節與腳掌之間分別通過扭簧支架安裝有一扭簧；所述腳掌的縱向后端同軸鉸裝有腳跟，該腳跟后端制有向上翹起的弧形結構，腳跟上端兩側均對稱固裝有一對加強筋，腳跟兩側與腳掌之間均安裝有一減震器。本實用新型利用扭簧的壓縮和伸展功能實現腳趾關節的屈伸自由度，減震效果好，運行平穩可靠，可以與現有大部分的機器人進行完美匹配，提升機器人行走平穩性。
【專利說明】一種機器人足部結構
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于機器人領域，涉及機器人行走機構，尤其是一種機器人足部結構。【背景技術】
[0002]近年來，機器人工程成為了一門新興的綜合性學科，它是集電子工程、機械工程、材料工程、計算機工程、自動化與控制工程等多門學科的最新研究成果，其不僅代表了機電一體化領域的最高成就，同時也是目前最為活躍的研究領域之一。最近幾十年，各領域開始展開對機器人的深入研究，不同工作種類的機器人開始進入我們的生活工作中，這使我們從復雜、高危、重復的工作中徹底解放出來。在各式各樣的機器人中，仿人型雙足機器人是一種與人類外形高度相似的機器人，同時它還具有像人一樣的移動、操作、學習、交流、社交能力以及部分人類經驗的最接近人類特征的智能型機器人。
[0003]仿人型雙足機器人與輪式和履帶式機器人相比，具有更加靈活的行走系統，可實現模擬人類雙足行走的特征，使仿人型雙足機器人在工作中不可替代的優越性和高效性。
[0004]目前，國內外對雙足機器人的研究，多著重于軀干、肢體的運動仿真控制，一般足部機構被簡化為由踝關節驅動的簡單的平板或一些簡單的機構。簡化的足部結構在限制機器人足部關節自由度的同時缺失了大部分人類足部的正常機能。另外，由于目前很多雙足機器人的步態規劃及行走控制都是基于正常人的行走步態，足部結構的過分簡化有可能會對機器人的步態穩定性產生很大的影響。
[0005]而且，作為人體行走運動中唯一與地面接觸的部位，足部的結構及運動形態對行走穩定性也起到很重要的作用。因此本課題基于行走步態穩定性，針對雙足機器人的足部結構進行設計優化，對于機器人領域的研究發展具有重要的實踐價值。
實用新型內容
[0006]本實用新型的目的在于克服現有技術的不足之處，提供一種結構簡單、設計合理、運行穩定、減震效果好的機器人足部結構。
[0007]本實用新型解決其技術問題是采取以下技術方案實現的:
[0008]一種機器人足部結構，包括腳掌、跖趾關節、腳跟和踝關節組件，腳掌前端安裝跖趾關節，腳掌后端安裝腳跟，腳掌中部上端安裝踝關節組件，其特征在于:具體安裝結構分別為:所述腳掌中部上端固裝有踝關節組件；所述腳掌的縱向前端對稱鉸裝有兩個跖趾關節，該跖趾關節前端制有向上翹起的弧形結構，跖趾關節與腳掌之間分別通過扭簧支架安裝有一扭簧；所述腳掌的縱向后端同軸鉸裝有腳跟，該腳跟后端制有向上翹起的弧形結構，腳跟上端兩側均對稱固裝有一加強筋，腳跟兩側與腳掌之間均安裝有一減震器。
[0009]而且，所述踝關節組件包括踝關節固定架、橫軸、下踝關節、縱軸以及上踝關節，腳掌中部上端固裝踝關節固定架，該踝關節固定架上端中部通過水平安裝的橫軸鉸裝有一下踝關節，該下踝關節上部通過縱軸鉸裝有一上踝關節。
[0010]而且，所述減震器前端通過固定支架安裝在腳掌上端中部，減震器后端安裝有一傳動三角架的一個頂點，該傳動三角架的另外兩個頂點分別固裝在腳掌后部上端以及和腳跟的加強筋前端。
[0011]而且，所述腳掌、跖趾關節以及腳跟下端均固裝有一層橡膠腳底層。
[0012]而且，所述踝關節固定架內底部安裝有一六維力矩傳感器，橫軸和縱軸的兩端分別安裝有角度傳感器。
[0013]本實用新型的優點和積極效果是:
[0014]1、本足部結構克服了現有機器人在行走穩定性方面的不足，利用仿生設計與逆向工程原理，研究雙足機器人的多自由度仿生足部，旨在提高雙足機器人的直立行走穩定性，同時也為雙足機器人模擬正常人體行走步態提供設計參考。
[0015]2、本足部結構增加了柔性跖趾關節和足跟沖擊吸收機構，起到減震的作用，使機器人的著陸更加的平穩，進一步提升機器人行走穩定性。
[0016]3、本實用新型利用扭簧的壓縮和伸展功能實現腳趾關節的屈伸自由度，減震效果好，運行平穩可靠，可以與現有大部分的機器人進行完美匹配，提升機器人行走平穩性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型機構簡圖；
[0018]圖2為本實用新型結構示意圖；
[0019]圖3為腳掌部分結構示意圖；
[0020]圖4為腳踝關節結構示意圖；
[0021]圖5為腳踝關節的雙軸示意圖。
[0022]附圖中標記表示:1上踝關節；2下踝關節；3腳跟；4加強筋；5傳動三角架；6避震器；7橫軸；8腳掌；9扭簧；10跖趾關節；11六維力矩傳感器；12縱軸；13扭簧支架；14固定支架；15合頁；16踝關節固定架。
【具體實施方式】
[0023]下面通過具體實施例對本實用新型作進一步詳述，以下實施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本實用新型的保護范圍。
[0024]一種機器人足部結構，包括腳掌8、跖趾關節10、腳跟3和踝關節組件，本實施例附圖顯示為單只機器人足部結構，以本實施例所示為例進行說明，腳掌前端安裝跖趾關節，腳掌后端安裝腳跟，腳掌中部上端安裝踝關節組件，具體安裝結構分別為:
[0025]所述腳掌中部上端固裝有踝關節組件，該踝關節組件包括踝關節固定架16、橫軸
7、下踝關節2、縱軸12以及上踝關節1，腳掌中部上端固裝踝關節固定架，該踝關節固定架上端中部通過水平安裝的橫軸鉸裝有一前后擺轉的下踝關節，該下踝關節上部通過縱軸鉸裝有一左右擺轉的上踝關節，該上踝關節用于與機器人下盤連接；
[0026]為了便于對機器人進行步態控制，所述踝關節固定架內底部安裝有一六維力矩傳感器11，橫軸和縱軸的兩端分別安裝有角度傳感器(圖中未標號)。
[0027]所述腳掌的縱向前端對稱鉸裝有兩個跖趾關節，該跖趾關節前端制有向上翹起的弧形結構，跖趾關節與腳掌之間分別通過扭簧支架13安裝有一扭簧9，扭簧提供預緊力保證跖趾關節在水平位置恢復狀態，利用扭簧的壓縮和伸展性能實現腳趾關節的屈伸自由度。
[0028]所述腳掌的縱向后端同軸鉸裝有一腳跟，該腳跟后端制有向上翹起的弧形結構，腳跟上端兩側均對稱固裝有一加強筋4，該腳跟采用合頁15鉸裝在腳掌后端；腳跟兩側與腳掌之間均安裝有一減震器6，該減震器前端通過固定支架14安裝在腳掌上端中部，減震器后端安裝有一傳動三角架5的一個頂點，該傳動三角架的另外兩個頂點分別固裝在腳掌后部上端以及和腳跟的加強筋前端。
[0029]為了提升減震效果，所述腳掌、跖趾關節以及腳跟下端均固裝有一層橡膠腳底層。
[0030]所述六維力矩傳感器、角度傳感器、避震器、扭簧等元件屬于現有技術，根據足部的具體參數量程選擇相應的產品型號和規格。
[0031]本實用新型的工作原理及動作步驟如下:
[0032]當腳掌在初始平直的狀態下，避震器的彈簧存在一定的預緊力，彈簧擁有一定的彈性勢能。步態初期，一只腳水平著地，另一只腳跟觸地，此時避震器先被壓縮，起到緩沖減震的作用，機器人身體繼續前傾，當腳掌全部水平著地以后，另一只腳的跖趾關節開始被彎曲，跖趾關節的扭簧被逐漸被壓縮，當彎曲達到一定角度后另一只腳進行邁步，此時扭簧開始伸展，對機器人足部行走產生助力。
[0033]本實用新型首次將逆向工程原理結合到了機器人的足部仿生設計中，旨在最大限度的模擬人類足部在行走過程中的運動機理及行走模式。并根據現有研究中足部各功能性自由度對機器人行走步態穩定性的影響，進行機器人足部的自由度配置。
[0034]同時也是首次將柔性元件用于機器人的足部結構設計與功能實現中，增加機器人的柔性跖趾關節，利用扭簧的壓縮和伸展功能實現腳趾關節的屈伸自由度，并且具有儲存和釋放部分能量的作用。此外，采用避震器和彈簧片的組合作為腳跟沖擊吸收機構，起到減震的作用，使機器人的著陸更加的平穩。
[0035]根據研究跖趾關節對機器人的行走機理的影響并對機器人的跖趾關節進行具體的結構設計，腳趾結構采用扭簧作為柔性儲能元件，應用柔順機構原理，設計足部腳趾結構。根據受試者足-地接觸力極值，確定扭簧承受的最大載荷，以此作為設計的初始理論依據進行扭簧的參數化設計與校核。
[0036]利用仿生學與逆向工程原理，并根據人類足部的解剖學結構以及足部跖趾關節的結構設計，完成機器人仿生足部單元的運動機構及整體結構的設計。針對地面對機器人行走產生的瞬時沖擊作用，設計了機器人足部的緩沖吸收機構，利用避震器與扭簧的組合完成足部減震的功能。
[0037]盡管為說明目的公開了本實用新型的實施例和附圖，但是本領域的技術人員可以理解:在不脫離本實用新型及所附權利要求的精神和范圍內，各種替換、變化和修改都是可能的，因此，本實用新型的范圍不局限于實施例和附圖所公開的內容。
【權利要求】
1.一種機器人足部結構，包括腳掌、跖趾關節、腳跟和踝關節組件，腳掌前端安裝跖趾關節，腳掌后端安裝腳跟，腳掌中部上端安裝踝關節組件，其特征在于:具體安裝結構分別為: 所述腳掌中部上端固裝有踝關節組件； 所述腳掌的縱向前端對稱鉸裝有兩個跖趾關節，該跖趾關節前端制有向上翹起的弧形結構，跖趾關節與腳掌之間分別通過扭簧支架安裝有一扭簧； 所述腳掌的縱向后端同軸鉸裝有腳亂該腳跟后端制有向上翹起的弧形結構，腳跟上端兩側均對稱固裝有一加強筋，腳跟兩側與腳掌之間均安裝有一減震器。
2.根據權利要求1所述的機器人足部結構，其特征在于:所述踝關節組件包括踝關節固定架、橫軸、下踝關節、縱軸以及上踝關節，腳掌中部上端固裝踝關節固定架，該踝關節固定架上端中部通過水平安裝的橫軸鉸裝有一下踝關節，該下踝關節上部通過縱軸鉸裝有一上踝關節。
3.根據權利要求1所述的機器人足部結構，其特征在于:所述減震器前端通過固定支架安裝在腳掌上端中部，減震器后端安裝有一傳動三角架的一個頂點，該傳動三角架的另外兩個頂點分別固裝在腳掌后部上端以及和腳跟的加強筋前端。
4.根據權利要求1所述的機器人足部結構，其特征在于:所述腳掌、跖趾關節以及腳跟下端均固裝有一層橡膠腳底層。
5.根據權利要求2所述的機器人足部結構，其特征在于:所述踝關節固定架內底部安裝有一六維力矩傳感器，橫軸和縱軸的兩端分別安裝有角度傳感器。
【文檔編號】B62D57/032GK203780643SQ201320895886
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2013年12月27日 優先權日:2013年12月27日
【發明者】張峻霞, 徐春, 蘇海龍, 王新亭, 張琰 申請人:天津科技大學