CN118722903A - 一种多功能仿人机器人足端 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能仿人机器人足端，属于仿人机器人技术领域。足端包括碳纤维足掌弹片、碳纤维足跟弹片、固定垫片、弹片连接座和踝关节组件；碳纤维足跟弹片固定在弹片连接座的底面，碳纤维足掌弹片的前端沿水平方向穿过弹片连接座上的限位槽后，碳纤维足掌弹片的后端通过固定垫片与弹片连接座固定连接，碳纤维足掌弹片与水平面呈一个夹角，碳纤维足掌弹片前端的双前足掌弹片结构与地面接触，碳纤维足跟弹片的后方与地面接触，形成对足端的三点支撑；踝关节组件安装在弹片连接座上表面的安装槽内，踝关节组件能够实现仿人足踝多自由度运动。本发明在满足结构强度的同时提供一定的弹性变形，使得足端具有良好的路面适应性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及仿人机器人技术领域，具体涉及一种多功能仿人机器人足端。
背景技术
仿人机器人是众多仿生机器人的一种，其主要模仿人类的形态、动作及双腿行走方式。仿人机器人主要通过类似人类腿足部的机械结构在不同路况下实现平稳的步行、跑跳或移动。这种设计旨在让机器人适应多种复杂的环境，时期能够在人类日常活动的场景中执行任务，或代替人类完成危险作业。因此人形机器人的动态稳定性及环境适应能力尤为重要。
仿人机器人在行走时足面与地面接触会产生一定的冲击力，这对于具有诸多精密机构、传感器及电机的仿人机器人会造成一定程度的损伤，较大的冲击力也会对正在运动中的机器人造成一定的干扰，影响机器人的控制。同时为了满足更多机器人的使用场景，仿人机器人足也应适应各种不同的地形要求。
中国发明专利：一种仿人机器人的仿生足(201510239337.2)提供了一种仿人机器人的仿生足，其包括脚底基座、仿生足弓、防滑脚垫、活动脚掌，该专利的仿生足弓为拱形结构，包括四个有多个板状弹簧堆叠模块，可以在机器人行走、爬楼梯时起到缓冲作用。脚掌通过转轴与脚底基座枢转连接，使两者有一个自由度，转轴中用弹簧施加预紧力从而形成被动关节，增大足部灵活性，改善行走时的足部运动组态。该发明采用弹簧结构进行减震，但弹簧本身的阻尼较小，但共振时传动比大，在高频时也会传递震动，容易产生摇摆运动，所以虽然本发明起到了一定的减震作用，却在一定情况下干扰了机器人运动时的稳定性。且脚掌被动关节的设计也不利于机器人的蹲起动作的稳定。
中国发明专利：一种长度可变的仿人机器人减震足及仿人机器人(202210413435.3)公开了一种长度可变的仿人机器人减震足及仿人机器人，减震足包括足前端、足后端和减震装置；减震装置包括橡胶块、底板、存储仓、用于固定存储仓的翘板、连接在存储仓顶部的盖板；底板、翘板均为向上弯曲的弧形结构，橡胶块设置在底板与存储仓之间；组前端的前部向上弯曲，中部设有第一排孔，足前端前部的底面一次设有第一传感器第一减振层和防滑层；足后端前部设有第二排孔，足后端的后部与减振装置连接。本发明能够实现机器人足长在一定范围的变换，能够承受一定的控制误差和不平整地面产生的足底振动。但该发明的足端采用橡胶块减震，橡胶变形量有限，不适用于崎岖地形。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种多功能仿人机器人足端，在满足结构强度的同时提供一定的弹性变形，具有良好的路面适应性和稳定性。
一种多功能仿人机器人足端，包括碳纤维足掌弹片、碳纤维足跟弹片、固定垫片、弹片连接座和踝关节组件；
所述碳纤维足掌弹片的前端具有一个矩形的开口，使得碳纤维足掌弹片的前端形成双前足掌弹片结构；
所述碳纤维足跟弹片固定在弹片连接座的底面，碳纤维足掌弹片的前端沿水平方向穿过弹片连接座上的限位槽后，碳纤维足掌弹片的后端通过固定垫片与弹片连接座固定连接，碳纤维足掌弹片与水平面呈一个夹角，碳纤维足掌弹片前端的双前足掌弹片结构与地面接触，碳纤维足跟弹片的后方与地面接触，形成对足端的三点支撑；所述踝关节组件安装在弹片连接座上表面的安装槽内，踝关节组件能够实现仿人足踝多自由度运动。
进一步地，所述固定垫片的纵向截面为直角三角形，固定垫片和弹片连接座将碳纤维足掌弹片夹持后通过螺栓进行固定连接，固定垫片的斜面与碳纤维足掌弹片接触，固定垫片的底面与水平面平行。
进一步地，所述碳纤维足掌弹片、碳纤维足跟弹片与弹片固定座连接后，形成类似人体的足弓结构。
进一步地，所述踝关节组件包括关节球体、滚珠球、滚珠球上框架、滚珠球下框架和球形端盖；
所述弹片连接座上表面设有半球形内凹安装槽，将滚珠球下框架内布置滚珠球后装入安装槽，关节球体置于滚珠球下框架内部，关节球体外露部分表面套装同样布置有滚珠球的滚珠球上框架，滚珠球上框架外部套装球形端盖，球形端盖与弹片连接座进行固定后将关节球体限制在半球形内凹安装槽内。
进一步地，所述弹片连接座上表面的半球形内凹安装槽入口处沿水平方向向外延伸出法兰结构，球形端盖的下端具有同样的法兰结构，球形端盖通过法兰结构与弹片连接座进行固定连接。
有益效果：
1、本发明的碳纤维足掌弹片与碳纤维足跟弹片分别与弹片连接座固定，足跟与足掌独立分开，脚板能垂直压缩减震，并且前掌力臂的延长使储能效果增加，可以减小崎岖路面对机器人的影响，增加机器人的运动稳定性。
2、本发明的碳纤维足掌弹片、碳纤维足跟弹片与弹片固定座连接后，形成类似人体的足弓结构，能够在运动时起到减轻垂直方向的压力冲击震动的作用，也可以在支撑期贮存能量并在后蹬时释放出来。足掌和足跟选用高强度碳纤维材质，在满足结构强度的同时，提供一定的弹性变形，能够减小足体与足面接触的瞬时冲击力；足端材质具有高耐磨性，可以在各种恶劣环境中使用。
3、本发明的碳纤维足掌弹片的前端具有一个矩形的开口，使得碳纤维足掌弹片的前端形成双前足掌弹片结构，形成了双前足掌弹片设计，该结构能够提供背屈运动，并在脚掌离地时起助推作用(弹性储能)。
4、本发明的碳纤维足掌弹片前端的双前足掌弹片结构与地面接触，碳纤维足跟弹片的后方与地面接触，形成对足端的稳定的三点支撑，且足掌弹片具有轻薄高韧的特性，一侧足掌接触到石子等异物，另一侧足掌可继续触底，形成新的三点式支撑，提升了机器人的地形适应性，及行走稳定性。并且轻松做到行走变向。
5、本发明的踝关节组件由关节球体、滚珠球、滚珠球上框架、滚珠球下框架和球形端盖在弹片连接座上表面安装形成，可实现仿人足踝多自由度运动，采用多滚珠球和框架固定结构，在保证自由度不受限制的同时，减小摩擦，使踝关节运动更丝滑。
附图说明
图1为多功能仿人机器人足端的三维图；
图2为多功能仿人机器人足端的俯视图；
图3为图2的A-A剖视图；
图4为多功能仿人机器人足端触地时形成三点式支撑示意图；
图5为多功能仿人机器人足端球踝关节的爆炸图。
其中，1-碳纤维足跟弹片、2-碳纤维足掌弹片、3-固定垫片、4-弹片连接座、5-球形端盖、6-关节球体、7-滚珠球、8-滚珠球上框架、9-滚珠球下框架。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如附图1-3所示，本发明提供了一种多功能仿人机器人足端，包括碳纤维足掌弹片2、碳纤维足跟弹片1、固定垫片3、弹片连接座4和踝关节组件。其中，踝关节组件由关节球体6、滚珠球7、滚珠球上框架8、滚珠球下框架9和球形端盖5组成。
如附图2所示，碳纤维足掌弹片2的前端具有一个贯穿其上下表面以及端面的矩形开口，使得碳纤维足掌弹片2的前端形成双前足掌弹片结构。
碳纤维足跟弹片1的上表面与弹片连接座4的底面进行固定，碳纤维足掌弹片2的前端沿水平方向穿过弹片连接座4上的限位槽后，碳纤维足掌弹片2的后端通过固定垫片3与弹片连接座4固定连接，碳纤维足掌弹片2、碳纤维足跟弹片1与弹片固定座4连接后，形成类似人体的足弓结构。碳纤维足掌弹片2与水平面呈一个夹角，碳纤维足掌弹片2前端的双前足掌弹片结构与地面接触，碳纤维足跟弹片1的后方与地面接触，形成对足端的三点支撑，且足掌弹片具有轻薄高韧的特性，一侧足掌接触到石子等异物，另一侧足掌可继续触底，形成新的三点式支撑，如附图4所示，提升了机器人的地形适应性，及行走稳定性，并且轻松做到行走变向。踝关节组件安装在弹片连接座4上表面的安装槽内，踝关节组件能够实现仿人足踝多自由度运动。
如附图3所示，固定垫片3的纵向截面为直角三角形，固定垫片3和弹片连接座4将碳纤维足掌弹片2夹持后通过螺栓进行固定连接，固定垫片3的斜面与碳纤维足掌弹片2的下表面接触，固定垫片3的底面与水平面平行。
踝关节组件的安装关系如图3和5所示，弹片连接座4上表面设有半球形内凹安装槽，将滚珠球下框架9内布置滚珠球7后装入安装槽，关节球体6置于滚珠球下框架9内部，关节球体6外露部分表面套装同样布置有滚珠球的滚珠球上框架8，滚珠球上框架8外部套装球形端盖5，球形端盖5与弹片连接座4进行固定后将关节球体6限制在半球形内凹安装槽内。弹片连接座4上表面的半球形内凹安装槽入口处沿水平方向向外延伸出法兰结构，球形端盖5的下端具有同样的法兰结构，球形端盖5通过法兰结构与弹片连接座4进行固定连接。采用多滚珠球7和上、下框架固定结构，在保证自由度不受限制的同时，能够减小运动摩擦，使踝关节运动更丝滑，滚珠球7、框架、关节球体6及安装槽之间可添加油脂润滑。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种多功能仿人机器人足端，其特征在于，包括碳纤维足掌弹片、碳纤维足跟弹片、固定垫片、弹片连接座和踝关节组件；
所述碳纤维足掌弹片的前端具有一个矩形的开口，使得碳纤维足掌弹片的前端形成双前足掌弹片结构；
所述碳纤维足跟弹片固定在弹片连接座的底面，碳纤维足掌弹片的前端沿水平方向穿过弹片连接座上的限位槽后，碳纤维足掌弹片的后端通过固定垫片与弹片连接座固定连接，碳纤维足掌弹片与水平面呈一个夹角，碳纤维足掌弹片前端的双前足掌弹片结构与地面接触，碳纤维足跟弹片的后方与地面接触，形成对足端的三点支撑；所述踝关节组件安装在弹片连接座上表面的安装槽内，踝关节组件能够实现仿人足踝多自由度运动。
2.如权利要求1所述的一种多功能仿人机器人足端，其特征在于，所述固定垫片的纵向截面为直角三角形，固定垫片和弹片连接座将碳纤维足掌弹片夹持后通过螺栓进行固定连接，固定垫片的斜面与碳纤维足掌弹片接触，固定垫片的底面与水平面平行。
3.如权利要求2所述的一种多功能仿人机器人足端，其特征在于，所述碳纤维足掌弹片、碳纤维足跟弹片与弹片固定座连接后，形成类似人体的足弓结构。
4.如权利要求3所述的一种多功能仿人机器人足端，其特征在于，所述踝关节组件包括关节球体、滚珠球、滚珠球上框架、滚珠球下框架和球形端盖；
所述弹片连接座上表面设有半球形内凹安装槽，将滚珠球下框架内布置滚珠球后装入安装槽，关节球体置于滚珠球下框架内部，关节球体外露部分表面套装同样布置有滚珠球的滚珠球上框架，滚珠球上框架外部套装球形端盖，球形端盖与弹片连接座进行固定后将关节球体限制在半球形内凹安装槽内。
5.如权利要求3或4所述的一种多功能仿人机器人足端，其特征在于，所述弹片连接座上表面的半球形内凹安装槽入口处沿水平方向向外延伸出法兰结构，球形端盖的下端具有同样的法兰结构，球形端盖通过法兰结构与弹片连接座进行固定连接。
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