一種提高雙足機器人步態自然性與穩定性的仿生足的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種雙足機器人仿生足，具體涉及一種提高雙足機器人步態自然性與穩定性的仿生足。
【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。而雙足步行機器人相比其他類型，其行走方式與人類相近，具有在非結構性復雜路面行走移動能力佳、環境適應性強等顯著特點，因此，得到了世界范圍內的極大關注。然而，目前的雙足機器人的足部幾乎均為剛性塊整體設計，這種設計具有結構簡單的特點。但是，由于機器人足部整體剛性的限制使得雙足機器人在行走過程中無法實現類似人的各連續步態特征(初始足跟觸地、足部平放、腳跟抬起、腳尖離地)，因此其行走普遍存在步態僵硬、不自然的特點，這在一定程度上也降低了雙足機器人步行效能；同時，由于整體剛性設計，現有雙足機器人的足部無法發揮類似人體足弓的緩沖儲能作用，因此在觸地沖擊中不能有效吸收或緩解地面的沖擊作用強度，顯著降低了行走穩定性，增加了控制難度；目前，研究者大多采取在兩足步行機器人的腿機構中加入彈性阻尼元件或足底添加彈性材料層的方式，以在一定程度上緩解地面接觸對機體的沖擊影響，但效果不理想。
[0003]人體足部作為人體在步行運動過程中唯一與地面發生作用的部位，發揮著重要作用。在人體行走步態周期中，足跟著地時，由于動力要素的突然變化導致足部瞬時承受幾倍于人體體重的沖擊力；在足部支撐中期，作為與地面支撐相接觸的唯一部位，足部需要調節與地接觸狀態及與地面間的相互作用以穩定人體運動。因此，人體足部為了能夠緩解、吸收地面沖擊作用，其本身需要具備柔性與適應性。而足部又需要非常高效地將地面作用力向人體下肢進行傳遞，其不得不具備足夠的剛度；為了保持運動穩定性，足部需要發揮類似于阻尼系統的作用以調節與地面間的接觸與作用。人體足部的這些功能的展現與其足部足弓(內側足弓、外側足弓)、足底腱膜及足底軟組織有著密切的聯系。人體足部的內側縱弓，較高，由跟骨、距骨、舟骨、3個楔骨和第1?3跖骨構成。內側縱弓前支點為第1?3跖骨頭，后支點為跟骨，整體曲度較大，彈性較強，緩沖震蕩作用較顯著，故也被稱做彈性足弓；而外側足弓較低，由跟骨、骰骨及第4、5跖骨構成，跟骨構成后支點，第4、5跖骨頭構成前支點。外側縱弓在人體行走、跑跳運動中，在內側縱弓承受軀干重力之前，外側縱弓首先承力。足底腱膜相當于足弓系統中的“弓弦”，足弓受力下降時，在足弓前后支點間形成張力，使得足底腱膜受到拉伸作用，進而儲能。而足底軟組織主要包括纖維網狀結構及脂肪，整體呈現粘彈特性，能夠起到耗散沖擊力，削弱沖擊強度的作用。而目前的雙足機器人的足部設計尚缺之相關考慮。
[0004]綜觀當前雙足行走機器人足部的研究現狀及人體足部的功能結構特征，急需一種基于人體足部結構特征的能夠提升雙足機器人行走步態穩定性與自然性的仿生足。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是為了解決現有雙足機器人行走步態不自然、穩定性差的問題，而提供一種能克服上述缺點的提高雙足機器人步態自然性與穩定性的仿生足。
[0006]本發明包括仿生足本體、仿生足踝。所述的仿生足本體包含外側仿生足弓、內側仿生足弓、腳趾構件、足跟構件。第二仿生足弓連接件通過兩個對稱分布的第三螺釘與足跟構件固連。第一仿生足弓連接件通過兩個對稱分布的第五螺釘與第二仿生足弓連接件固連。外側仿生足弓、內側仿生足弓分別通過第一螺釘與第一仿生足弓連接件固連。外側足弓支承件、內側足弓支承件分別通過第二螺釘與外側仿生足弓、內側仿生足弓固連。腳趾構件分別通過第一銷軸與外側足弓支承件、內側足弓支承件鉸接。滾輪通過第二銷軸與壓縮彈簧推桿鉸接。同時，壓縮彈簧推桿分別和壓縮彈簧支承件與外側足弓支承件、壓縮彈簧支承件與內側足弓支承件構成滑動連接。壓縮彈簧推桿可以延軸向滑動。調節螺母與壓縮彈簧推桿之間的連接方式為螺紋連接。通過壓縮彈簧支承件與調節螺母相對距離的改變，可以調節壓縮彈簧的壓縮狀態。這里，壓縮彈簧支承件分別通過兩對第四螺釘與外側足弓支承件、內側足弓支承件固連。在外側足弓支承件、內側足弓支承件與足跟構件之間，通過螺紋連接的方式，對稱分布著兩對拉伸彈簧掛件，第一拉伸彈簧通過拉伸彈簧掛件成對使用，第一拉伸彈簧在安裝之后處于拉伸狀態。腳趾粘彈材料層、外側足弓粘彈材料層、內側足弓粘彈材料層、足跟粘彈材料層分別與腳趾構件、外側足弓支承件、內側足弓支承件、足跟構件粘接。同時，腳趾橡膠防滑墊片、足跟橡膠防滑墊分別與腳趾粘彈材料層、足跟粘彈材料層粘接，足弓橡膠防滑墊片分別與外側足弓粘彈材料層、內側足弓粘彈材料層粘接。
[0007]所述的仿生足踝，包含踝關節第一連接件、踝關節第一平臺、踝關節第二連接件、踝關節第二平臺。踝關節第一連接件通過第一螺母固連在足跟構件的中部。踝關節第一平臺通過第三銷軸鉸接在踝關節第一連接件上。踝關節第二連接件通過螺紋連接固連在踝關節第一平臺的中部，同時，踝關節第二連接件通過固連在踝關節第二平臺中部的第二鉸鏈支座與踝關節第二平臺形成鉸接。兩個活塞式液壓缸分別與對稱分布在踝關節第一平臺上的第一鉸鏈支座鉸接，同時活塞端部與固連在踝關節第二平臺上對稱分布的第三鉸鏈支座形成鉸接，兩個活塞式液壓缸上腔與上腔、下腔與下腔分別用柔性橡膠液壓管連接，整個液壓系統注滿液壓油。其中，對稱布置的第一鉸鏈支座通過兩對第一螺栓、第二螺母固連在踝關節第一平臺上。成對使用并且對稱分布的第二拉伸彈簧、第三拉伸彈簧，分別作用在踝關節第一平臺與足跟構件、踝關節第二平臺與踝關節第一平臺之間，在安裝時處于拉伸狀態。
[0008]本發明的工作過程和原理:
[0009]在機器人行進的過程中，在每個足部觸地作用階段，仿生足不斷重復“初始足跟觸地、足部平放、腳跟抬起、腳尖離地”的步驟。首先，足跟橡膠防滑墊著地，足跟粘彈材料層的粘彈性與足跟構件的U形結構的彈性變形均起到緩沖作用。接下來足弓橡膠防滑墊片與腳趾橡膠防滑墊片著地，由于外側足弓粘彈材料層的厚度小于內側足弓粘彈材料層。故隨著足弓粘彈材料層的壓縮，剛度較小的外側仿生足弓首先產生彈性變形，隨著外側足弓支承件高度的上升，內側足弓支承件也開始受到較大的作用力，產生向上的位移，內側仿生足弓開始產生彈性變形，此時內外側仿生足弓同時起到緩沖作用。剛度較小的外側仿生足弓配合剛度較大的內側仿生足弓成套使用，使整個仿生足弓的可變剛度區間變大，能夠更好地完成對不同沖擊的有效吸收。在仿生足弓變形的同時，腳趾粘彈材料層、第一拉伸彈簧、壓縮彈簧均產生一定變形，并協助仿生足弓吸收沖擊。最后，仿生足趨近“腳尖離地”的步驟，此時，腳趾構件繞第一銷軸轉動，推動滾輪沿壓縮彈簧推桿進行軸向運動。最終通過與滾輪鉸接的壓縮彈簧推桿將能量儲存在壓縮彈簧之中，在腳尖離地時，儲存在壓縮彈簧之中的彈性勢能又轉化成了腳趾構件繞第一銷軸轉動的動能，從而實現了仿生足運動的彈性啟動。
[0010]對于踝關節的運動，可以通過踝關節第一平臺繞第三銷軸的轉動實現內翻、外翻動作，通過踝關節第二平臺繞第四銷軸的轉動實現背曲、趾屈運動。兩個運動互不干涉，可以實現組合運動，而運動的復位是由對稱分布的第二拉伸彈簧、第三拉伸彈簧實現的。這里，背曲、趾屈運動的運動幅度較大，為了防止第三拉伸彈簧產生快速回彈的現象，提高行走穩定性，加入成對的活塞式液壓缸與第三拉伸彈簧并聯使用，通過選擇恰當直徑的柔性橡膠液壓管，在背曲、趾屈運動時產生合適的阻尼，使運動更加平穩。
[0011]本發明的有益效果:
[0012]1、本發明進行了內側、外側仿生足弓設計，可以增加整體足弓的彈性變形區間，從而有效的減少不同沖擊帶來的不良后果，提高行走的穩定性。
[0013]2、本發明進行了人類腳趾的仿生設計，模仿人類“初始足跟觸地、足部平放、腳跟抬起、腳尖離地”的行走方式，使機器人步態更加自然。
[0014]3、本發明進行了人類足底軟組織的仿生設計，采用三點觸地的穩定結構，同時在足底加入粘彈材料層，更有利于吸收沖擊。
[0015]4、本發明的腳踝部分在控制背屈和趾屈這一運動時，加入了液壓阻尼系統，可以使背屈和趾屈運動更加平滑，提高運動的平穩性。
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明的立體示意圖。
[0017]圖2為本發明的外側腳趾機構主視圖。
[0018]圖3為本發明的外側腳趾機構俯視圖。
[0019]圖4為本發明的內側腳趾機構主視圖。
[0020]圖5為本發明的內側腳趾機構俯視圖。
[0021]圖6本發明的足踝部分右視圖。
[0022]圖7為本發明的足踝部分主視圖。
[0023]其中:1_第一仿生足弓連接件；2-第一螺釘；3-外側仿生足弓；4_內側仿生足弓；5_第二螺釘；6_腳趾構件；7_足跟橡膠防滑墊；8_足跟粘彈材料層；9_拉伸彈簧掛件；10-第一拉伸彈簧；11_足跟構件；12_第一螺母；13_第二仿生足弓連接件；14_第三螺釘；15-第二拉伸彈簧；16-柔性橡膠液壓管；17-踝關節第一連接件；18-活塞式液壓缸；19_第一鉸鏈支座；20_踝關節第一平臺；21_第三拉伸彈簧；22_踝關節第二平臺；23_第一銷軸；24-腳趾粘彈材料層；25_腳趾橡膠防滑墊片；26_外側足弓粘彈材料層；27_足弓橡膠防滑墊片；28_外側足弓支承件；29_壓縮彈簧支承件；30_第四螺釘；31_壓縮彈簧推桿；32_壓縮彈簧；33_調節螺母；34_第二銷軸；35_滾輪；36_內側足弓粘彈材料層；37_內側足弓支承件；3