[發明專利]剛柔耦合緩沖仿生足

有效

• 申請號: 201410764247.0
• 申請日: 2014-12-11
• 公開（公告）號: CN104401416A
• 公開（公告）日: 2015-03-11
• 發明（設計）人: 錢志輝;苗懷彬;梁威;宋國風;付君;任露泉
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B62D57/02
• 分類號: B62D57/02;F16F15/04
• 代理公司: 長春市四環專利事務所(普通合伙) 22103
• 代理人: 張建成

技術領域

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

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。

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。

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

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。

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。

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。

本發明的工作原理和過程為：

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。

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。

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。