剛柔耦合緩沖仿生足的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種剛柔耦合緩沖仿生足，包括有耦合足底部、上部柔層、足頂部蓋板、扭轉彈簧和壓縮彈簧，徑向足底板、底部柔層和側向足底板的嚙合面構成剛柔耦合的緩沖界面，上部柔層、壓縮彈簧和扭轉彈簧分別與足頂部蓋板和耦合足底部構成剛柔耦合的緩沖界面。通過剛性分體結構與柔性連接的巧妙配合，耦合體結構呈現剛性-柔性-剛性-柔性的有機結合，實現了地面沖擊力在徑向和側向方向的有效吸收與削弱，本發明整體表現出剛性支撐、柔性吸收的功能特點，從而具備良好的緩沖性能。
【專利說明】剛柔耦合緩沖仿生足
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種四足機器人足，特別涉及一種剛柔耦合緩沖仿生足。
【背景技術】
[0002]隨著科學技術的進步，仿生步行機器人獲得了快速發展并在社會的多個領域被廣泛應用，如農業、軍事、星際探索、野外科考、搶險救災等。按步行足數目，步行機器人可劃分為單足、雙足、三足、四足、六足、八足甚至更多，其中偶數占絕大多數。而四足步行機器人相比其他類型，具有承載能力強、穩定性好，結構簡單，易于控制等顯著特點，另外，四足機器人不僅能夠以靜態步行方式實現結構路面及復雜地形上的行走，還可以動態步行方式實現高速行走，因而得到世界范圍內的極大關注，成為仿生機器人領域的研究熱點。
[0003]四足步行機器人在動態快速步行狀態下，由于腿機構和關節的剛性，使得其腿-足與地面接觸時，不可避免地會產生階躍式的接觸沖擊。日本、美國等國學者發現機器人的腳與地面接觸時造成的沖擊，往往會對機器人系統造成重大損傷，例如，損壞機器人驅動電機或者傳動齒輪，大大降低機器人運動的穩定性，使得機器人系統控制難度增大。因此，四足步行機器人腿-足的接觸力沖擊問題已經成為國內外這類機器人研究廣泛關注的問題，降低腿-足接觸地面時的沖擊是此類機器人設計的重要環節。
[0004]機器人在運動過程中，其與地面的接觸沖擊主要由質量、剛度、阻尼、觸地時間歷程和落地時各組件的速度決定，由于其質量、擺動速度和步行速度相對固定，因此通過減少機器人的質量或降低擺動速度和步行速度的方法來減少接觸沖擊比較困難。目前，大多采取在步行機器人的腿機構中加入彈性阻尼元件或采用高彈性材料，以在一定程度上減少地面接觸對機器人的沖擊影響。而四足機器人的足部作為機體在運動過程中唯一并首先與地面發生沖擊作用的部位，目前并未受到過多考慮。現有的四足步行機器人的足部多為圓弧面或球形的整體剛性設計，難以保證高可靠度的接觸及緩沖效果。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了解決現有四足機器人腿-足系統緩沖性能差的問題，而提供一種能克服上述缺點的剛柔耦合緩沖仿生足。
[0006]本發明包括有耦合足底部、上部柔層、足頂部蓋板、扭轉彈簧和壓縮彈簧，耦合足底部的下端與地面接觸，耦合足底部的上端圓周方向通過螺栓固定在上部柔層的下端，上部柔層的上端圓周方向通過螺栓固定在足頂部蓋板的下端，足頂部蓋板的上端與機器人的下肢連接；耦合足底部包括有徑向足底板、底部柔層和側向足底板，徑向足底板的外部斜槽與底部柔層的內部斜凸嚙合，底部柔層的外部斜凸與側向足底板的內部斜槽嚙合，徑向足底板、底部柔層和側向足底板的嚙合面構成剛柔耦合的緩沖界面；上部柔層的下端凸臺與耦合足底部的上端凹槽嚙合，上部柔層的上端凸臺與耦合足底部的下端凹槽嚙合，第一層孔、第二層孔和第三層孔均勻分布在上部柔層的上端面，壓縮彈簧均勻安裝在第一層孔中，扭轉彈簧均勻安裝在第二層孔和第三孔中，上部柔層、壓縮彈簧和扭轉彈簧分別與足頂部蓋板和耦合足底部構成剛柔耦合的緩沖界面。
[0007]所述的上部柔層和底部柔層的材質為橡膠，從而在仿生足的行走中起到緩沖減振作用。
[0008]本發明的工作原理和過程為:
[0009]本發明是根據具有優良緩沖性能的趾行四足動物-德國牧羊犬的足部拓撲結構及其材料特征得到的啟示。
[0010]陸地上的四足趾行動物(如犬、貓)的足部在運動中與地面的接觸，均是通過足部的趾端及足墊共同作用而完成的。同時，對角小跑是陸地上多數四足動物在奔跑時優先采用的步態，該運動狀態下，地面對動物足部的沖擊作用非常顯著，而德國牧羊犬在該步態模式下的運動尤為平穩順暢，緩沖表現更為突出。
[0011]經過觀察分析，發現，德國牧羊犬的足部主要由骨骼(掌骨和趾骨〉、韌帶、肌肉及足墊組成，其中足墊又分為指墊和掌墊，呈離散分布結構。犬的足墊為黏彈性的軟質材料，而足部骨骼則具有較高的剛性特征，連接骨骼的韌帶及肌肉亦呈現黏彈特性。足墊位于掌骨及趾骨的正下方，當地面與犬足部發生接觸作用時，沖擊力逐次通過足墊-骨骼-韌帶結構，其由于各結構的柔性-剛性-柔性特征及結合方式而發生一定程度的耗散及傳播方向的分散與改變，將沖擊力降低到適當范圍，從而避免了沖擊力過大對下肢造成損傷。
[0012]基于德國牧羊犬的足部拓撲結構及其材料特征，本發明將仿生足設計為足頂部蓋板、徑向足底板和側向足底板三個剛性分體結構，分體結構間分別填充柔層和彈簧。本發明的各分體結構組合后，整體外形仍保持半球形，保證了多種條件下其與地面接觸的穩定性及較佳的環境適應性。剛性分體結構與柔層及彈簧形成剛-柔相間的耦合體，地面沖擊力作用于徑向足底板，徑向足底板沿著仿生足徑向向上移動，將力傳遞至上部柔層中間區域，上部柔層發生變形，柔性層間的壓縮彈簧隨之被壓縮，柔層與壓縮彈簧共同作用吸收沖擊能量；同時徑向足底板帶動側向底部柔層，將部分沖擊力通過底部柔層傳遞至側向足底板，改變了部分沖擊力的傳遞方向，側向足底板壓縮上部柔層外側，上部柔層外側及其內嵌壓縮彈簧共同發生作用進一步變形吸收、削弱沖擊力；上部柔層設置的扭轉彈簧保證徑向足底板、側向足底板與足頂部蓋板之間的剪切載荷的吸收與削弱，并確保壓縮彈簧工作正常。上部柔層將經過削弱與吸收已經降至合理范圍的的地面作用力傳遞至足頂部蓋板，進而向腿部機構傳遞。
[0013]本發明的有益效果:
[0014]通過剛性分體結構與柔性連接的巧妙配合，耦合體結構呈現剛性-柔性-剛性-柔性的有機結合，實現了地面沖擊力在徑向和側向方向的有效吸收與削弱，本發明整體表現出剛性支撐、柔性吸收的功能特點，從而具備良好的緩沖性能。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明實施例的結構示意圖。
[0016]圖2為本發明實施例的剖視圖。
[0017]圖3為本發明實施例拆去足頂部蓋板的軸測視圖
[0018]圖4為圖2中六處的局部放大視圖。
[0019]其中:1 一徑向足底板；2—底部柔層；3—側向足底板；4一螺栓；5 —上部柔層；6一足頂部蓋板；7—扭轉彈簧；8—壓縮彈簧；9一稱合足底部；10一第一層孔；11 一第二層孔；12—第三層孔；13—內側斜凸；14一外側斜凸；15—上端凸臺；16—下端凸臺。
【具體實施方式】
[0020]請參閱圖1、圖2、圖3和圖4所示，本實施例包括有|禹合足底部9、上部柔層5、足頂部蓋板6、扭轉彈簧7和壓縮彈簧8，耦合足底部9的下端與地面接觸，耦合足底部9的上端圓周方向通過螺栓4固定在上部柔層5的下端，上部柔層5的上端圓周方向通過螺栓4固定在足頂部蓋板6的下端，足頂部蓋板6的上端與機器人的下肢連接；耦合足底部9包括有徑向足底板1、底部柔層2和側向足底板3，徑向足底板1的外部斜槽與底部柔層2的內部斜凸13嚙合，底部柔層2的外部斜凸14與側向足底板3的內部斜槽嚙合，徑向足底板1、底部柔層2和側向足底板3的嚙合面構成剛柔耦合的緩沖界面；上部柔層5的下端凸臺16與耦合足底部9的上端凹槽嚙合，上部柔層5的上端凸臺15與耦合足底部9的下端凹槽嚙合，第一層孔10、第二層孔11和第三層孔12均勻分布在上部柔層5的上端面，壓縮彈簧8均勻安裝在第一層孔10中，扭轉彈簧7均勻安裝在第二層孔11和第三孔12中，上部柔層5、壓縮彈簧8和扭轉彈簧7分別與足頂部蓋板6和耦合足底部9構成剛柔耦合的緩沖界面。
[0021]所述的上部柔層5和底部柔層2的材質為橡膠，從而在仿生足的行走中起到緩沖減振作用。
[0022]本實施例的工作過程和原理:
[0023]本實施例將仿生足設計為足頂部蓋板6、徑向足底板1和側向足底板3三個剛性分體結構，分體結構間分別填充上部柔層5、底部柔層2、扭轉彈簧7和壓縮彈簧8。本實施例的各分體結構組合后，整體外形仍保持半球形，保證了多種條件下其與地面接觸的穩定性及較佳的環境適應性。剛性分體結構與上部柔層5、底部柔層2及扭轉彈簧和壓縮彈簧形成剛-柔相間的耦合體，地面沖擊力作用于徑向足底板1，徑向足底板3沿著仿生足徑向向上移動，將力傳遞至上部柔層5中間區域，上部柔層5發生變形，上部柔層5間的壓縮彈簧8隨之被壓縮，上部柔層5與壓縮彈簧8共同作用吸收沖擊能量；同時徑向足底板1帶動側向底部柔層2，將部分沖擊力通過底部柔層2傳遞至側向足底板3，改變了部分沖擊力的傳遞方向，側向足底板3壓縮上部柔層5外側，上部柔層5外側及其內嵌壓縮彈簧8共同發生作用進一步變形吸收、削弱沖擊力；上部柔層5設置的扭轉彈簧7保證徑向足底板1、側向足底板3與足頂部蓋板6之間的剪切載荷的吸收與削弱，并確保壓縮彈簧8工作正常。上部柔層5將經過削弱與吸收已經降至合理范圍的的地面作用力傳遞至足頂部蓋板6，進而向腿部機構傳遞。
【權利要求】
1.一種剛柔耦合緩沖仿生足，其特征在于:包括有耦合足底部(9)、上部柔層(5)、足頂部蓋板￠)、扭轉彈簧(7)和壓縮彈簧(8)，耦合足底部(9)的下端與地面接觸，耦合足底部(9)的上端圓周方向通過螺栓(4)固定在上部柔層(5)的下端，上部柔層(5)的上端圓周方向通過螺栓(4)固定在足頂部蓋板￠)的下端，足頂部蓋板￠)的上端與機器人的下肢連接；耦合足底部(9)包括有徑向足底板(I)、底部柔層(2)和側向足底板(3)，徑向足底板(I)的外部斜槽與底部柔層⑵的內部斜凸(13)嚙合，底部柔層(2)的外部斜凸(14)與側向足底板⑶的內部斜槽嚙合，徑向足底板(I)、底部柔層⑵和側向足底板⑶的嚙合面構成剛柔耦合的緩沖界面；上部柔層(5)的下端凸臺(16)與耦合足底部(9)的上端凹槽嚙合，上部柔層(5)的上端凸臺(15)與耦合足底部(9)的下端凹槽嚙合，第一層孔(10)、第二層孔(11)和第三層孔(12)均勻分布在上部柔層(5)的上端面，壓縮彈簧(8)均勻安裝在第一層孔(10)中，扭轉彈簧(7)均勻安裝在第二層孔(11)和第三層孔(12)中，上部柔層(5)、壓縮彈簧⑶和扭轉彈簧(7)分別與足頂部蓋板(6)和耦合足底部(9)構成剛柔耦合的緩沖界面。
2.根據權利要求1所述的一種剛柔耦合緩沖仿生足，其特征在于:所述的上部柔層(5)和底部柔層(2)的材質為橡膠。
【文檔編號】B62D57/02GK104401416SQ201410764247
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月11日 優先權日:2014年12月11日
【發明者】錢志輝, 苗懷彬, 梁威, 宋國風, 付君, 任露泉 申請人:吉林大學