申请/专利权人：山东省科学院自动化研究所

申请日：2019-01-25

公开（公告）日：2024-03-26

公开（公告）号：CN109677502B

主分类号：B62D57/032

分类号：B62D57/032

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.26#授权;2019.05.21#实质审查的生效;2019.04.26#公开

摘要：本发明公开了一种机器人仿生足部机构及双足机器人，它解决了现有技术中行走过程中的负重能力和抗冲击能力较差的问题，具有能够增强行走过程中的负重能力和抗冲击能力、装卸方便的效果；其技术方案为：包括相互分离的前脚掌和后脚掌，前脚掌和后脚掌之间设置缓冲组件，所述缓冲组件一侧通过第一连杆机构与前脚掌相连，另一侧通过第二连杆机构与脚掌相连；其中，前脚掌与第一连杆机构之间安装有用于控制行走幅度的活塞机构。

主权项：1.一种机器人仿生足部机构，其特征在于，包括相互分离的前脚掌和后脚掌，前脚掌和后脚掌之间设置缓冲组件，所述缓冲组件一侧通过第一连杆机构与前脚掌相连，另一侧通过第二连杆机构与后脚掌相连；其中，前脚掌与第一连杆机构之间安装有用于控制行走幅度的活塞机构；所述后脚掌与前脚掌的底面具有若干相间的凸起与凹槽；所述缓冲组件周向外侧具有连接部，缓冲组件下方安装主体支撑部；所述缓冲组件包括弹簧和弹簧导套，所述主体支撑部具有导柱；弹簧套设于导柱外侧并在弹簧导套与主体支撑部之间产生弹力；所述弹簧导套包括套筒和其可拆卸连接的套筒盖，所述套筒远离套筒盖一端具有压板，压板内侧与弹簧一端接触；所述主体支撑部包括与导柱相连的中心支撑，中心支撑两侧设有分别与前脚掌相连的第一连杆、与后脚掌相连的第二连杆；所述导柱顶部安装有与弹簧导套滑动连接的滑动卡扣；所述连接部包括中心连接件，中心连接件表面具有多个定位部，中心连接件两侧设有分别与第一连杆机构相连的第三连杆、与第二连杆机构相连的第四连杆；所述活塞机构包括与第一连杆机构铰接的滑杆、与前脚掌铰接的导向筒，所述滑杆与导向筒滑动连接。

全文数据：一种机器人仿生足部机构及双足机器人技术领域本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种机器人仿生足部机构及双足机器人。背景技术目前，双足步行机器人的足部机构在不同类型地面的行走适应能力远不如人类，多数步行机器人的足部机构设计较为简单，很难完全模仿人类的行走动作，而且简单的足部结构通常在快速运动或负重时会对机器人产生较大的冲击，不利于实现柔性控制和运动，严重时会降低机器人零部件寿命甚至造成损坏。通过人类正常行走时，某一阶段是前、后脚掌形成一个夹角来发力迈出下一步，与此同时脚掌与脚腕间通过跟腱能起到一定的缓冲效果。而发明人发现，当前的一些双足行走机器人的足部将前、后脚掌设计为一体，虽然可以满足基本行走的要求，但很难真正模拟和人类一样的动作，在步行速度、抗冲击能力和适应性方面存在局限性。此外，一些双足机器人足部机构将足与腿直接刚性联接，通过控制膝关节和腿部动作来实现正常行走的效果，足部与腿部之间没有缓冲装置，这样会大大降低机器人行走过程中的负重能力和抗冲击能力，一定程度上限制其应用范围和应用场合。发明内容为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种机器人仿生足部机构，其具有能够增强行走过程中的负重能力和抗冲击能力、装卸方便的效果。一种机器人仿生足部机构，包括相互分离的前脚掌和后脚掌，前脚掌和后脚掌之间设置缓冲组件，所述缓冲组件一侧通过第一连杆机构与前脚掌相连，另一侧通过第二连杆机构与脚掌相连；其中，前脚掌与第一连杆机构之间安装有用于控制行走幅度的活塞机构。进一步的，所述缓冲组件周向外侧具有连接部，缓冲组件下方安装主体支撑部。进一步的，所述缓冲组件包括弹簧和弹簧导套，所述主体支撑部具有导柱；弹簧套设于导柱外侧并在弹簧导套与主体支撑部之间产生弹力。进一步的，所述弹簧导套包括套筒和其可拆卸连接的套筒盖，所述套筒远离套筒盖一端具有压板，压板内侧与弹簧一端接触。进一步的，所述主体支撑部包括与导柱相连的中心支撑，中心支撑两侧设有分别与前脚掌相连的第一连杆、与后脚掌相连的第二连杆；所述导柱顶部安装有与弹簧导套滑动连接的滑动卡扣。进一步的，所述连接部包括中心连接件，中心连接件表面具有多个定位部，中心连接件两侧设有分别与第一连杆机构相连的第三连杆、与第二连杆机构相连的第四连杆。进一步的，所述连接部通过定位部与球形外壳相连。进一步的，所述活塞机构包括与第一连杆机构铰接的滑杆、与前脚掌铰接的导向筒，所述滑杆与导向筒滑动连接。进一步的，所述后脚掌与前脚掌的底面具有若干相间的凸起与凹槽，起到防滑作用。进一步的，所述后脚掌与前脚掌之间具有间距。本发明还提供了一种双足机器人，有效地提高了整个双足机器人的可靠性和控制的便捷性，其包括上述的仿生足部机构。与现有技术相比，本发明的有益效果是：1本发明在前脚掌和后脚掌之间安装缓冲组件，缓冲组件配合多连杆机构，能够增强行走过程中的负重能力和抗冲击能力，使其应用范围和应用场合更广泛；2本发明的滑杆和导向筒构成活塞机构，滑杆能够在导向筒中上下滑动，并通过主体支撑部件与后脚掌连接，从而控制前、后脚掌的行走幅度；3本发明装卸方便，有效地提高了整个双足机器人的可靠性和控制的便捷性。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。图1为本发明实施例一的整体结构示意图；图2为本发明实施例一的平放状态内部结构示意图；图3为本发明实施例一的抬起状态内部结构示意图；图4为本发明实施例一的爆炸图；图5为本发明实施例一的活塞机构结构示意图；图6为本发明实施例一的活塞机构爆炸图；图7为本发明实施例一的弹簧导套结构示意图；图8为本发明实施例一的弹簧导套爆炸图；图9为本发明实施例一的主体支撑部结构示意图；图10为本发明实施例一的弹簧导套与主体支撑部配合结构示意图；图11为本发明实施例一的弹簧导套与主体支撑部装配示意图；图12为本发明实施例一的弹簧伸展状态示意图；图13为本发明实施例一的弹簧压缩状态示意图；图14为本发明实施例一的球形外壳结构示意图；图15为本发明实施例一的连接部结构示意图；图16为本发明实施例一的前脚掌、后脚掌底部结构示意图；其中，1、前脚掌外壳，2、后脚掌外壳，3、连接外壳，4、球形外壳，5、前脚掌，6、后脚掌，7、第五连杆，8、第六连杆，9、滑杆，91、第一连接头，92、杆体；10、导向筒，101、筒体，102、第二连接头，11、第七连杆，12、连接部，121、定位部，122、中心连接件，123、第三连杆，124、第四连杆；13、弹簧导套，131、套筒盖，132、套筒，133、压板，14、垫片、15、螺母，16、弹簧，17、第八连杆，18、主体支撑部，181、中心支撑，182、导柱，183、滑动卡扣，184、限位套筒，185、第一连杆，186、第二连杆。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和或它们的组合。在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。正如背景技术所介绍的，现有技术中存在行走过程中的负重能力和抗冲击能力较差的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种机器人仿生足部机构及双足机器人。实施例一：如图1-图16所示，本实施例提供了一种机器人仿生足部机构，包括前脚掌5、后脚掌6、前脚掌外壳1、后脚掌外壳2、连接外壳3、球形外壳4、缓冲组件、活塞机构、连接部12、主体支撑部18、第一连杆机构、第二连杆机构等。前脚掌5与后脚掌6为分体结构，二者之间有一定的间距，保证前脚掌5与后脚掌6运动时不会相互干扰；前脚掌5与后脚掌6的分体设计，能够克服一体结构在行走过程中对于步行速度、抗冲击能力和适应性方面的局限性。前脚掌5与后脚掌6的具体结构可以根据其用途设计。在一些实施方式中，前脚掌5与后脚掌6的底面具有若干相间的凸起与凹槽，如图16所示，所述凸起的表面为平面；通过设置凸起、凹槽以增大与地面的摩擦力，从而增强行走稳定性。所述前脚掌5、后脚掌6的上表面具有若干铰接座，用于连接第一连杆机构、第二连杆机构和主体支撑部18。如图9所示，主体支撑部18包括中心支撑181、导柱182、第一连杆185、第二连杆186，导柱182固定于中心支撑181的上方，且导柱182尺寸小于中心支撑181尺寸。导柱182顶端远离中心支撑181一端固定有滑动卡扣183，滑动卡扣183用于配合缓冲组件。优选地，滑动卡扣183为直径大于导柱184的圆柱片结构。所述中心支撑181的上表面还设置有限位套筒184，限位套筒184套设于导柱182外侧，且限位套筒184高度小于导柱182高度，对缓冲组件起到一定的约束作用。本实施例中，为了足部机构运动的灵活性，中心支撑181设置为圆柱形结构。中心支撑181的一侧固定第一连杆185，另一侧固定第二连杆186，第一连杆185与前脚掌5铰接，第二连杆186与后脚掌6铰接。所述缓冲组件包括弹簧16、弹簧导套13，其中，弹簧导套13如图7和图8所示，包括套筒盖131、套筒132和压板133，套筒盖131安装于套筒132顶部，且二者为螺纹连接。套筒盖131的纵向截面呈T型，其顶部表面具有立柱，立柱配置有螺纹；套筒盖131的立柱通过螺母15、垫片14与球形外壳4固定连接。套筒132为内部具有空腔的圆柱形结构，其顶部内侧具有螺纹；所述套筒132远离套筒盖131一端具有压板133，压板133与套筒132为一体结构。进一步的，套筒132周向外侧、内侧均设置压板133，所述压板133呈圆环形，如图7所示；压板133用于压缩弹簧。如图10和图11所示，滑动卡扣183安装于套筒132内部，且穿过所述压板133。如图12和图13所示，弹簧16套设于导柱184外侧，且其一端与压板133接触，另一端设于限位套筒184内侧，限位套筒184对弹簧16起到一定的约束作用。弹簧16在压板133与中心支撑181进行伸缩运动。如图15所示，连接部12包括中心连接件122、第三连杆123、第四连杆124和多个定位部121，多个定位部121设置于中心连接件122表面。本实施例中，中心连接件122呈圆环结构，第三连杆123固定于中心连接件122一侧，第四连杆124固定于中心连接件122另一侧。优选地，定位部121有四个，呈圆柱体结构，沿中心连接件122周向对称设置，用于球形外壳4的安装定位。第三连杆123通过第一连杆机构与前脚掌5铰接，第四连杆124通过第二连杆机构与后脚掌6铰接。如图14所示，球形外壳4包括壳体41和固定板42，固定板42安装于壳体41内部。壳体41用于连接机器人的腿部机构，而球形的结构使机构行动更加灵活。固定板42中心具有用于套筒盖131顶部穿过的中心孔，套筒盖131的立柱穿过所述中心孔并通过垫片14、螺母15固定。中心孔周向具有与定位部121相适配的定位孔，所述定位部121穿过定位孔。第一连杆机构、第二连杆机构可以根据机器人的用途、体型而具体设计。在一些实施方式中，所述第一连杆机构包括第五连杆7、第六连杆8和第七连杆11，第七连杆11一端与第三连杆123铰接，第七连杆11另一端与第一连杆5铰接。第五连杆5的一端与前脚掌5铰接，第五连杆5的另一端与第六连杆8一端铰接，所述第六连杆8另一端通过活塞机构与前脚掌5铰接。进一步的，第七连杆11有两个，分别设于第六连杆8两侧。所述第二连杆机构包括第八连杆17，第八连杆17一端与第四连杆124铰接，另一端与后脚掌6铰接。进一步的，第八连杆17有两个，分别设于第二连杆186两侧。本实施例中，第八连杆17呈L型结构。活塞机构包括滑杆9和导向筒10，滑杆9和导向筒10滑动连接，滑杆9能够在导向筒10中上下滑动；由于活塞机构与前脚掌5铰接，又通过主体支撑部18与后脚掌6铰接，从而控制前脚掌5、后脚掌6的行走幅度。进一步的，如图6所示，所述滑杆9包括第一连接头91和杆体92，第一连接头91与杆体92一端为螺纹连接，杆体92另一端具有凸起块。所述导向筒10包括筒体101和第二连接头102，第二连接头102与筒体101为螺纹连接。筒体101为内部具有空腔的圆柱体结构，杆体92设于筒体101内部，并可在筒体101内部移动；杆体92端部的凸起块能够避免杆体92滑出筒体101。第一连接头91与第六连杆8铰接，第二连接头102与前脚掌5铰接，二者为连接部件，只要能够实现铰接即可，对其形状不作限定。前脚掌5上方安装前脚掌外壳1，前脚掌外壳1将第一连杆机构包覆于内部，前脚掌外壳1前端可以设置连接外壳3，使结构更加协调；后脚掌6上方安装后脚掌外壳2，后脚掌外壳2将第二连杆机构包覆于内部。前脚掌外壳1、后脚掌外壳2的结构可根据使用要求具体设置。本实施例将缓冲组件与多连杆机构相结合，可实现在快速行走、负重作业场合的使用，可适用于各种足部机器人，装卸方便，有效提高了整个双足机器人的可靠性和控制的便捷性。实施例二：本实施例提供了一种双足机器人，包括两个实施例一的仿生足部机构，所述仿生足部机构的球形外壳与腿部机构相连，通过缓冲组件实现与腿部机构的柔性连接，增加机器人行走过程中的负重能力和抗冲击能力。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

权利要求：1.一种机器人仿生足部机构，其特征在于，包括相互分离的前脚掌和后脚掌，前脚掌和后脚掌之间设置缓冲组件，所述缓冲组件一侧通过第一连杆机构与前脚掌相连，另一侧通过第二连杆机构与脚掌相连；其中，前脚掌与第一连杆机构之间安装有用于控制行走幅度的活塞机构。2.根据权利要求1所述的一种机器人仿生足部机构，其特征在于，所述缓冲组件周向外侧具有连接部，缓冲组件下方安装主体支撑部。3.根据权利要求2所述的一种机器人仿生足部机构，其特征在于，所述缓冲组件包括弹簧和弹簧导套，所述主体支撑部具有导柱；弹簧套设于导柱外侧并在弹簧导套与主体支撑部之间产生弹力。4.根据权利要求3所述的一种机器人仿生足部机构，其特征在于，所述弹簧导套包括套筒和其可拆卸连接的套筒盖，所述套筒远离套筒盖一端具有压板，压板内侧与弹簧一端接触。5.根据权利要求3所述的一种机器人仿生足部机构，其特征在于，所述主体支撑部包括与导柱相连的中心支撑，中心支撑两侧设有分别与前脚掌相连的第一连杆、与后脚掌相连的第二连杆；所述导柱顶部安装有与弹簧导套滑动连接的滑动卡扣。6.根据权利要求2所述的一种机器人仿生足部机构，其特征在于，所述连接部包括中心连接件，中心连接件表面具有多个定位部，中心连接件两侧设有分别与第一连杆机构相连的第三连杆、与第二连杆机构相连的第四连杆。7.根据权利要求6所述的一种机器人仿生足部机构，其特征在于，所述连接部通过定位部与球形外壳相连。8.根据权利要求1所述的一种机器人仿生足部机构，其特征在于，所述活塞机构包括与第一连杆机构铰接的滑杆、与前脚掌铰接的导向筒，所述滑杆与导向筒滑动连接。9.根据权利要求1所述的一种机器人仿生足部机构，其特征在于，所述后脚掌与前脚掌的底面具有若干相间的凸起与凹槽。10.一种双足机器人，其特征在于，包括如权利要求1-9任一所述的仿生足部机构。

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