CN116902109A - 轻量化柔性仿生足部系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轻量化柔性仿生足部系统，包括仿生足，仿生足的足底设置有减震块，减震块设置有多个多边形穿孔，多边形穿孔的其中一对平行面与仿生足的底面平行。根据本发明的轻量化柔性仿生足部系统，通过在仿生足的足底设置减震块，实现在仿生机器人的足底增加高效的减震装置，实现高冲击下被动缓冲，同时兼顾地形的自适应性。

Description

轻量化柔性仿生足部系统

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及轻量化柔性仿生足部系统。

背景技术

仿人机器人是与人类最接近的一种机器人，与传统的轮式机器人或履带机器人相比，仿人机器人更能适应人类日常生活环境，同时更便于使用人类发明设计的各种工具，因此，仿人机器人具有广阔的发展前景。

对于仿人机器人，行走过程中会遇到的最大困难就是稳定性和平衡性，地面对机器人的冲击可能会导致机器人身上零部件和传感器的损伤，与此同时冲击力可能对机器人造成瞬时的不稳定，导致其稳定性破坏从而摔倒，而现有的仿人机器人的足部减震能力较弱并且缺乏自适应能力。

发明内容

本发明提供轻量化柔性仿生足部系统，旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出轻量化柔性仿生足部系统，通过在仿生足的足底设置减震块，实现在仿生机器人的足底增加高效的减震装置，实现高冲击下被动缓冲，同时兼顾地形的自适应性。。

本发明的技术方案为一种仿生足部系统，应用于仿人机器人，其包括：

仿生足，所述仿生足的足底设置有减震块，所述减震块设置有多个多边形穿孔，所述多边形穿孔的其中一对平行面与所述仿生足的底面平行。

根据本发明的一些实施例，所述仿生足设置有足跟和前脚掌，所述足跟和所述前脚掌的底部均设置有所述减震块。

根据本发明的一些实施例，所述足跟包括跟柱、波纹弹簧和缓冲橡胶，所述波纹弹簧和所述缓冲橡胶均套设于所述跟柱的外周，所述缓冲橡胶设置于所述跟柱和所述波纹弹簧之间。

根据本发明的一些实施例，所述仿生足设置有脚趾，所述脚趾通过扭簧与所述前脚掌连接。

根据本发明的一些实施例，所述仿生足设置有足弓，所述足弓设置于所述前脚掌和所述足跟之间。

根据本发明的一些实施例，所述足弓设置有连接机构，所述连接机构包括两个相互平行的连接杆，所述连接杆的两端分别与所述前脚掌和所述足跟活动连接。

根据本发明的一些实施例，所述连接机构设置有两个，两个所述连接机构对称设置于所述仿生足的两侧。

根据本发明的一些实施例，所述足跟与所述足弓之间连接有第一减震器。

根据本发明的一些实施例，所述足跟包括跟板，所述跟板设置于所述跟柱与所述减震块之间；所述第一减震器的一端于所述跟板连接，所述第一减震器的另一端与所述连接杆的中部连接。

根据本发明的一些实施例，所述足跟与所述防人机器人的小脚之间连接有第二减震器。

本发明实施例的轻量化柔性仿生足部系统，至少具有如下有益效果：

通过设置有多个多边形穿孔的减震块来减少外界的冲击，具有强度大、缓冲性能好、稳定的变形量等优点，在吸收外界震动方面具有优异的效果。减震块设置有错落叠加的多个多边形穿孔，形成类蜂巢结构，使得外力平均分散给每个单胞六边形结构，整个水平六边体产生稳定的动态压缩形变，避免仿生足在后跟局部区域内形成应力集中，实现仿生足轻量化同时提高结构柔性。足跟设置有波纹弹簧和缓冲橡胶，达到减震效果。通过扭簧连接前脚掌和脚趾，便于足部的行走，并且使得仿人机器人可适应一定的坡度。足弓采用并联机构实现，该并联机构采用双平行四边形结构，从而利用平行四边形的不稳定性来适应不同的地形，并且能够保证足跟的轴线于前脚掌所在平面保持垂直。通过第一减震器连接足跟与足弓，既能够限制足弓的变形也能够帮助足弓复位。对于人体跳跃后落地时小腿往往会向前倾斜的情况，通过在仿生机器人的小腿与仿生足部系统的连接处设置第二减震器，起到增加机器人跳跃落地时缓冲作用的效果。

附图说明

图1是根据本发明实施例的仿生足部系统的站立状态的第一结构示意图。

图2是根据本发明实施例的仿生足部系统的站立状态的第二结构示意图。

图3是根据本发明实施例的人体足部系统的结构示意图。

图4是根据本发明实施例的仿生足部系统的受力分析图。

图5是根据本发明实施例的仿生足部系统的多边形穿孔的受力分析图。

图6是根据本发明实施例的仿生足部系统的行走状态的结构示意图。

附图标记：

100、仿生足；110、减震块；111、多边形穿孔；120、足跟；121、跟柱；122、波纹弹簧；123、缓冲橡胶；124、跟板；125、连接板；126、连接侧板；127、第二减震器；130、前脚掌；131、脚掌底板；132、脚掌侧板；133、卡块；134、第一连接块；140、脚趾；141、趾底板；142、抵接块；143、第二连接块；144、扭簧；150、足弓；151、连接机构；152、连接杆；153、第一减震器；200、小腿。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本发明中所使用的上、下、左、右、顶、底等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。

此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。

参照图1至图5，本发明实施例的仿生足100部系统与小腿200连接，从而应用于仿人机器人。其仿生足100由足跟120、足弓150、前脚掌130和脚趾140，参见图3，其结构与人体足部系统相似，均由跖骨间关节、跗跖关节、跖趾关节和足弓150等主要关节联合实现平稳着陆，进一步地，参见图4可得足部各部分着陆时的主要受力情况以及关节的运动情况，从而可得到本发明实施例的仿生足100具有的功能和运动自由度。

参照图1至图5，在一些实施例中，根据本发明的仿生足100部系统，应用于仿人机器人，包括仿生足100，仿生足100的足底设置有减震块110，减震块110设置有多个多边形穿孔，多边形穿孔的其中一对平行面与仿生足100的底面平行。本发明实施例的仿生足100部系统，仿照人体足部系统的“穿上鞋”设计，通过在仿生足100的足底设置减震块110，实现在仿生机器人的足底增加高效的减震装置，实现高冲击下被动缓冲，同时兼顾地形的自适应性。进一步地，本发明实施例的多边形穿孔111为六边形穿孔。

参见图1和图2，减震块110为扁平类板状，减震块110上设置有多个错落叠加的多边形穿孔，每个多边形穿孔均贯穿减震块110，每个多边形穿孔的两端开口分别设置于减震块110的左右两侧，多个多边形穿孔的中心线相互平行，从而形成类蜂巢结构，具有高密和度、六边受力均等、无限延伸、高承载和高强度等特点。当受到外力挤压时，由多个多边形穿孔组成的蜂巢结构将外力平均分散给每个单胞六边形结构，参见图4和图5，在力的传导过程中，单胞六边形结构因为垂直方向受力导致结构形变，空间结构被压缩从而产生弹性势能，当施加力为0时，弹性势能转化为反弹力促使结构恢复形变。本发明根据蜂巢空间搭建结构具有扩散性的特点，以及外力被这种结构分散给所有单胞六边形结构的特点，避免仿生足100在后跟局部区域内形成应力集中。

具体地，本发明实施例的多边形穿孔可看做是由两个水平面(边)和四个斜面(边)组成，其中两个水平面为一对相互平行的平行面。参见图4，对于仿生足100部系统，足跟120处会存在垂直方向的力Fa，而上述两个平行面与该垂直压力垂直，即平行面为水平设置。

参见图5，本发明实施例的多边形穿孔为六边体，包括af面、dc面、ba面、fe面、ed面和cb面。其中，af面和dc面均为水平设置，af面设置于六面体的上平面，dc面设置于六边体的下平面，ba面、fe面、ed面和cb面均倾斜于水平面。当六边体上侧的af面受到向下的外力F作用时，根据力的平衡原理，六边体下侧会产生反向作用力M，即dc面被施加反向作用力。参见图4和图5，当设置于前脚掌130上的减震块110踩在地面上时(相当于受到外力F)，地面会给前脚掌130上的减震块110反向作用力Fb1(相当于作用力M)，同样的，当足跟120踩在地面上时，足跟120处的减震块110也会受到两个相反方向的作用力Fa。同时，ba面、fe面、ed面和cb面这四条斜面经受力F和力M的挤压产生形变，参见图5左侧的力分解图可得，在分解力F₁、力F₂、力M₁和力M₂的相互作用下，ba面、fe面、ed面和cb面呈现弹性变形的特征，以及af面呈现朝内弯曲产生形变，使得六边体空间被压缩，整个六边体产生稳定的动态压缩形变。

因此，本发明实施例的减震块110，通过水平六边形单元体错落叠加，以柱状孔洞的方式如图1所示排布在仿生的足底，从而能够通过结构形变量来减少外界的冲击，具有强度大、缓冲性能好、变形量稳定等优点。进一步地，减震块110设置有两个，两个减震块110分别设置于足跟120和前脚掌130的底部。参见图1，足跟120设置有跟板124，跟板124的下侧与减震块110的上侧连接。前脚掌130设置有脚掌底板131，脚掌板的下侧与减震块110的上侧连接。

在本发明一些具体实施例中，本发明实施例的足跟120包括跟柱121、波纹弹簧122和缓冲橡胶123，波纹弹簧122和缓冲橡胶123均套设于跟柱121的外周，缓冲橡胶123设置于跟柱121和波纹弹簧122之间。参见图1，跟柱121为圆柱形，跟柱121的上端通过连接板125与小腿200连接，跟柱121的下端通过跟板124与减震块110连接。波纹弹簧122套设于跟柱121的外周，波纹弹簧122的两端分别与连接板125和跟板124连接。缓冲橡胶123套设于跟柱121的外周，并且设置于跟柱121与波纹弹簧122之间。缓冲橡胶123的下端与跟板124连接，并且上端与连接板125间隔设置。本发明实施例的仿生足100部系统，通过采用波纹弹簧122和缓冲橡胶123的组合结构实现减震。进一步地，足跟120处可通过设置六维力传感器，实现对冲击力相关数据的采集。

在本发明一些具体实施例中，仿生足100的脚趾140通过扭簧144与前脚掌130连接。具体地，参见图1，前脚掌130设置有两个脚掌侧板132、两个卡块133和两个第一连接块134，两个脚掌侧板132、两个卡块133和两个第一连接块134均设置于脚掌底板131的上侧并且对称设置有脚掌底板131的左右两侧，两个第一连接块134设置有所述两个脚掌底板131之间，两个卡块133设置于两个第一连接块134之间。脚趾140设置有趾底板141、抵接块142和两个第二连接块143，两个第二连接块143设置于趾底板141的上侧且对称设置于趾底板141的左右两侧，限位板设置于两个第二连接块143之间。第一连接块134和第二连接块143均设置有连接孔，第一连接块134和第二连接块143通过转动孔与转动轴配合连接，两个第二连接块143设置于两个第一连接块134之间。扭簧144套设于转动轴上并且设置于两个第二连接块143之间。扭簧144的两个端部分别卡设于两个卡块133的卡槽上，扭簧144的中间部与抵接块142的抵接面抵接，其中抵接块142的抵接面由上往下朝前脚掌130的方向延伸。参见图1和图4，对于仿生足100部系统，脚趾140和前脚掌130处均存在朝上的推力Fb1和Fb3，以及会存在转动力Fb2，通过扭簧144连接前脚掌130和脚趾140，便于足部的行走，并且使得仿人机器人可适应一定的坡度。

在本发明一些具体实施例中，参见图4，仿生足100的中部会存在转动力Fc，本发明实施例的仿生足100设置有足弓150，足弓150设置于前脚掌130和足跟120之间，从而起到缓冲和适应地形的作用。具体地，本发明实施例的足弓150采用并联机构实现，该并联机构采用双平行四边形结构，从而利用平行四边形的不稳定性来适应不同的地形，并且能够保证足跟120的轴线于前脚掌130所在平面保持垂直。

在本发明一些具体实施例中，本发明实施例的足弓150设置有连接机构151，连接机构151包括两个相互平行的连接杆152，连接杆152的两端分别与前脚掌130和足跟120转动连接。参见图1和图2，两个连接杆152上下设置并且处于同一个垂直面上，两个连接杆152的沿长度方向相互平行。连接杆152由上往下倾斜设置，连接杆152的上端通过转轴与足跟120活动连接，连接杆152的下端通过转轴与前脚掌130活动连接。

进一步地，参见图1和图2，连接机构151设置有两个，两个连接机构151对称设置于仿生足100的两侧。其中一个连接机构151的连接杆152与左侧的脚掌侧板132连接，另一个连接机构151的连接杆152与右侧的脚掌侧板132连接。足跟120设置有两个连接侧板126，两个连接侧板126堆成设置于连接板125的左右两侧，其中一个连接机构151的连接杆152与左侧的连接侧板126连接，另一个连接机构151的连接杆152与右侧的连接侧板126连接。从而处于同一侧的脚掌侧板132、连接侧板126和两个连接杆152组成平行四边形结构。

在本发明一些具体实施例中，本发明实施例的足跟120与足弓150之间连接有第一减震器153。参见图1和图2，第一减震器153也设置有压缩弹簧和设置于压缩弹簧两端的两个压块，其中一个压块与跟板124转动连接，另一个压块与连接杆152转动连接。具体地，设置于下侧的连接杆152的中部与第一减震器153连接，并且跟板124的靠近前脚掌130的一侧上面与第一减震器153连接。进一步地，当连接机构151设置有两个时，第一减震器153相应设置有两个，两个减震器对称设置于仿生足100的左右两侧，并且分别与设置于左侧和右侧的连接杆152连接。通过第一减震器153连接足跟120与足弓150，既能够限制足弓150的变形也能够帮助足弓150复位。

在本发明一些具体实施例中，本发明实施例的足跟120与仿生机器人的小腿200之间连接有第二减震器127。具体的，第二减震器127也设置有压缩弹簧和设置于压缩弹簧两端的两个压块，其中一个压块与小腿200转动连接，另一个压块与连接板125转动连接。参见图1和图2，第二减震器127设置有连接板125的上方并且设置于小腿200朝向脚趾140的一侧。对于人体跳跃后落地时小腿200往往会向前倾斜的情况，通过在仿生机器人的小腿200与仿生足100部系统的连接处设置第二减震器127，起到增加机器人跳跃落地时缓冲作用的效果。

此处以一个具体实施例加以说明。参见图1，当仿生足100处于站立状态并且站立在水平地面时，扭簧144、第一减震器153和第二减震器127均处于自然状态。参见图6，当足跟120处于悬空状态时，波纹弹簧122、缓冲橡胶123和第二减震器127处于自然状态。仿人机器人处于行走状态，当仿生足100抬起后再次触碰地面时，脚趾140、前脚掌130和足跟120依次接触地面。当趾底板141与地面接触产生力Fb1、Fb2和Fb3(参见图4)，趾底板141绕转动轴转动，使得抵接块142对扭簧144的中部施加向上的力，扭簧144处于被压状态，进而扭簧144的两端对卡块133施加向下的力。随后前脚掌130的减震块110与地面接触产生力Fc，前脚掌130转动并带动连接杆152的向下移动，其中前脚掌130的前端先与地面线接触，随后前脚掌130绕上述接触线转动，直至前脚掌130的后端与地面接触，此过程中足弓150的平行四边形结构发生形变，而足跟120与前脚掌130所在的地面保持垂直，以及连接杆152对第一减震器153施加压力，进而第一减震器153对连接杆152施加起缓冲作用的反向力，限制足弓150的形变以及帮助足弓150复位。当前脚掌130的减震块110整个地面接触时，其多边形穿孔111受到朝下的压力并发生形变，进而减震块110产生朝上的反弹力，从而通过分散外力起到减少外界冲击的作用。随后足跟120的减震块110整个底面与地面接触产生力Fa，使得波纹弹簧122受到朝下力被压缩，波纹弹簧122对小脚和连接板125产生朝上的反向力，从而气动减震缓冲作用，当波纹弹簧122被进一步压缩，连接板125与缓冲橡胶123接触，进一步起到减震作用。此时足跟120的减震器受到朝下的压力F，其多边形穿孔111发生形变将压力F分散成倾斜向下的力F₁和力F₂(参见图5)，同时减震块110产生朝上的反弹力M，其反弹力M相应分散成倾斜向上的力M₁和M₂，从而通过分散外力起到减少外界冲击的作用。在仿生机器人行走过程中，当仿生足100与小腿200发生相对位移，使得第二减震器127发生形变，第二减震器127产生的反向力也起到了缓冲作用，譬如，当仿生机器人跳跃落地时，小腿200会向前倾斜，即小腿200朝连接板125转动，从而压缩第二减震器127，此时第二减震器127产生的反向力缓冲小腿200转动，从而有利于避免小腿200过度位移导致与连接板125碰撞造成损坏。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开保护的范围之内。都应属于本发明的保护范围。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (10)

1.一种仿生足(100)部系统，应用于仿人机器人，其特征在于，包括：

仿生足(100)，所述仿生足(100)的足底设置有减震块(110)，所述减震块(110)设置有多个多边形穿孔，所述多边形穿孔的其中一对平行面与所述仿生足(100)的底面平行。

2.根据权利要求1所述的仿生足(100)部系统，其特征在于，所述仿生足(100)设置有足跟(120)和前脚掌(130)，所述足跟(120)和所述前脚掌(130)的底部均设置有所述减震块(110)。

3.根据权利要求2所述的仿生足(100)部系统，其特征在于，所述足跟(120)包括跟柱(121)、波纹弹簧(122)和缓冲橡胶(123)，所述波纹弹簧(122)和所述缓冲橡胶(123)均套设于所述跟柱(121)的外周，所述缓冲橡胶(123)设置于所述跟柱(121)和所述波纹弹簧(122)之间。

4.根据权利要求2所述的仿生足(100)部系统，其特征在于，所述仿生足(100)设置有脚趾(140)，所述脚趾(140)通过扭簧(144)与所述前脚掌(130)连接。

5.根据权利要求2所述的仿生足(100)部系统，其特征在于，所述仿生足(100)设置有足弓(150)，所述足弓(150)设置于所述前脚掌(130)和所述足跟(120)之间。

6.根据权利要求5所述的仿生足(100)部系统，其特征在于，所述足弓(150)设置有连接机构(151)，所述连接机构(151)包括两个相互平行的连接杆(152)，所述连接杆(152)的两端分别与所述前脚掌(130)和所述足跟(120)活动连接。

7.根据权利要求5所述的仿生足(100)部系统，其特征在于，所述连接机构(151)设置有两个，两个所述连接机构(151)对称设置于所述仿生足(100)的两侧。

8.根据权利要求5所述的仿生足(100)部系统，其特征在于，所述足跟(120)与所述足弓(150)之间连接有第一减震器(153)。

9.根据权利要求8所述的仿生足(100)部系统，其特征在于，所述足跟(120)包括跟板(124)，所述跟板(124)设置于所述跟柱(121)与所述减震块(110)之间；所述第一减震器(153)的一端于所述跟板(124)连接，所述第一减震器(153)的另一端与所述连接杆(152)的中部连接。

10.根据权利要求1所述的仿生足(100)部系统，其特征在于，所述足跟(120)与所述防人机器人的小脚之间连接有第二减震器(127)。