[发明专利]四足机器人全方位自适应弹性脚

说明书

技术领域

本发明属于仿生四足机器人技术领域，尤其涉及跑跳四足机器人的自适应性脚部。

背景技术

机器人脚部设计已经成为足式机器人设计的一项重要任务，其结构和功能影响机器人的运动稳定性和灵活性，以及对复杂环境的适应能力。传统做法通常是将其设计为刚体，机器人不经过任何缓冲装置而直接与地面冲击。这种设计将会减少机器人构件的寿命，不规则的震动也会损伤机器人的控制器件。此外，由于刚性脚部不具有姿态调整的机构，机器人运动不够灵活自然，也不具有美学价值。总之，刚性脚部设计方案不利于机器人姿态的调整，降低机器人对复杂地面的适应能力。

高仿真的机械脚虽然备受欢迎，但研究成本高，研制周期长，器件设计复杂，加工难度增大，还需要提供主动力，影响了其使用。同时，由于脚部受到冲击较大，且不规律，这对机器人控制器和驱动器的使用和维护提出更高要求，故而高仿真机械脚对于普通四足机器人并不适用。真正需要的是自适应能力强，调节方便快捷，可移植性好，且便于维护的弹性脚机构。

发明内容

从四足生物脚底垫片及生物脚部骨骼构造得到灵感，考虑到目前足式机器人脚底多为刚性或者仅沿小腿轴线方向减震的现状，本发明提供一种能够在合适幅度内全方位自适应调整的弹性脚部机构，从而以简单的机构实现很强的复杂地形适应能力。

四足机器人全方位自适应弹性脚以特殊形状的骨架外壳为主体骨架，其外形特征在于，骨架外壳由三段圆弧构成，半径较大的圆弧沿机器人的前后方向，如果机器人整条腿做摆动的状态多，半径可设置为整条腿的长度，如果机器人小腿做大幅度摆动的状态较多，半径也可设置为小腿长度。这样保证在主要运动状态下，机器人质心上下波动幅度最小。沿左右方向的圆弧半径设置为小腿长度，以保证腿部侧向移动时保持机器人质心上下波动幅度最小。如果对机器人质心波动要求不高，半径设置也可采用该方法。

骨架外壳内装有蝶形弹簧，其上装有一片沿前后方向的弹簧钢片，蝶形弹簧安装在柱形口内，弹簧钢片延伸到前后两段开设的槽内，同时，将弹簧钢片、旋转轴和踝骨用螺钉连接在一起。选择不同刚度的弹簧钢片和蝶形弹簧就可以实现弹性脚的不同减震性能，方便调换和优化。利用弹簧钢片万向吸振功能，可以实现脚部万向调节和吸振。旋转轴的轴线沿机器人的左右反向，可使得小腿绕此轴快速转动以调节姿态，同时利用弹簧钢片单向吸振能力，有效阻止上述旋转角度过大而超过了机构承载能力，造成运动失稳。旋转轴的轴座位于骨架外壳上，形状为竖直放置的腰形槽，使得旋转轴可上下移动。这样，这些弹性元件和旋转机构实现了弹性脚部机构减震，快速全方位自适应性调整的功能。

脚背挡片由沉头螺钉连接于骨架外壳的上端面，形成封闭的机构。采用沉头螺钉可保证脚背外观的平整，防止运动过程中被线状杂物缠绕。脚背挡片重心开有半径略大于踝骨的圆孔，使得小腿在脚部做万向自适应调整时不产生干涉。

该机构设计简单，易于加工，弹性元件可根据所需刚度灵活选择。弹性脚部机构可以快速、万向自适应调整，能够保证机器人稳定性，提高适应复杂地形的能力。

附图说明

下面参照附图对本发明的上述特征给予给详细的说明，其中

图1所示为本发明一个实施例中自适应弹性脚的轴测图。

图2所示为本发明一个实施例中自适应弹性脚的半剖视图。

图3所示为本发明一个实施例中自适应弹性脚的正视图。

图4所示为本发明一个实施例中自适应弹性脚的侧测图。

图5所示为本发明一个实施例中自适应弹性脚的装配关系图。

具体实施

如图1—5所示，本发明包括1骨架外壳、2蝶形弹簧、3弹簧钢片、4旋转轴、5脚背挡片和6踝骨共6部分。1骨架外壳外形有三段圆弧构成，从正视图可以看到沿左右方向的圆弧，从侧视图可以看到沿前后方向的圆弧。圆弧半径设定方法，如果机器人整条腿做摆动的状态多，半径可设置为整条腿的长度，如果机器人小腿做大幅度摆动的状态较多，半径也可设置为小腿长度。如果机器人腿部运动引起质心波动可忽略不计则可以按美观程度设计半径。1骨架外壳内部设有较大的活动空间，以供调整机构活动。改空间下端为圆柱状，方便安装3蝶形弹簧。1骨架外壳上端面和5脚背挡片设有8个沉头螺钉孔，可将1骨架外壳和5脚背挡板连为一体，实现机构封闭。

2蝶形弹簧上放置3弹簧钢片，3弹簧钢片上设有两个沉头螺钉孔，用来与4旋转轴和5踝骨连为一体。3弹簧钢片沿前后方向延伸至1骨架外壳开设的弧形槽内，该弧形槽起到约束3弹簧钢片运动的作用。

4旋转轴的轴线沿左右方向，两外伸的轴可以嵌入到1骨架外壳开设的两个腰形槽内，使得4旋转轴既可以上下调节，又可以沿轴线前后俯仰运动。在该运动下，2蝶形弹簧可以发挥万向吸振能力已达减震功效，如果前后俯仰运动趋势过大，3弹簧钢片的单向吸振能力配合约束槽可以保证运动被限制在合理范围内。4脚背挡片中心开设半径略大于5踝骨外径的圆孔，保证弹性脚部完成万向调节功能时5踝骨不与脚背挡片干涉。5踝骨设置为空心轴，其内壁呈现腰形状，其优点在于可以约束踝骨相对于小腿骨骼的周向运动。