一种仿岩羊机械足

摘要

本发明公开了一种仿岩羊机械足装置,包括机械接口、踝关节、脚掌；机械接口将机械足与机器人的腿部固定，具有快速更换功能，对机器人的各种足端进行快速更换，踝关节固定于机械接口下方，具有两个对称的转轴，使足部两个脚掌可以绕轴转动，脚掌安装在踝关节下方，完成与地面接触，模拟岩羊足变形等功能，本发明能够模拟岩羊足在岩石表面攀爬时，蹄瓣张开嵌入石缝，包夹岩石，钩挂岩石突起等功能，改善腿式机器人在上述地貌行走特性，并能通过快速更换接口对不同种类足端进行快速更换。

说明书

技术领域

本发明属于机械设计领域，涉及一种仿岩羊机械足。

背景技术

传统的移动机器人可分为轮式机器人与腿式机器人。腿式机器人相对于轮式 机器人，可以采用不同步态及与地面不同接触方式，具有可避障与可适应复杂地 貌等特点。其中腿式机器人与地面的不同接触方式通过不同的机械足来实现。传 统机械足一般为球面足或简单平面、曲面足，辅以弹簧等减震装置。此类机械足 结构与功能简单，适合在刚性平整地面上行走，但在复杂路面上行走效果较差， 如传统机械足在岩石表面、大坡度、不平整地面行走时，会产生落地不稳、支撑 点打滑、推动力不足、行走困难等现象。目前国内外对具有特殊地貌适应性的机 械足研究甚少，不能满足科研需求，需要进一步研究。

发明内容

本发明针对上述传统机械足在岩石表面、大坡度、不平整地面行走困难问题， 提出了一种仿岩羊机械足装置，适合腿式、轮腿式机器人行走步态模式下在岩石、 大坡度等地面行走。

一种仿岩羊机械足，包括机械接口、踝关节和脚掌，其特征在于：

机械接口将机械足与机器人的腿部连接，包括与机器人腿部以及踝关节连接 的至少一个连接部件，以及快速更换系统；

踝关节固定于机械接口下方，包括固定部件、一对对称的转轴和扭簧，固定 部件与机械接口连接并安装有转轴和扭簧，扭簧套于转轴上，一端连接于固定部 件上，另一端连接于脚掌的蹄掌上，转轴与水平面形成一定角度，将脚掌绕水平 轴与绕铅垂轴两个方向的转动合成为一个转动；

脚掌包括两个蹄掌，通过与转轴连接而安装在踝关节下方，可以通过转轴分 别绕踝关节转动，并通过与之连接的扭簧增大转动阻尼，蹄掌中空，里面塞入柔 性材料制成的蹄垫，增大脚掌底部柔软度，整个脚掌模拟岩羊蹄掌的运动。

所述的至少一个连接部件包括接口内壳和接口外壳，所述的接口内壳与机器 人的腿部连接，且只有一个移动自由度，所述的接口外壳通过螺栓与踝关节固连。

接口外壳两侧通过螺钉与机械足踝关节固连，接口内壳套在接口外壳内，上 端开有四个通孔，通过螺栓与机器人的腿部固连，接口内壳和接口外壳两侧开有 直槽口；所述的快速更换系统为弹簧扣结构，包括快换杆、金属垫片和弹簧扣， 通过该弹簧扣结构对机械足进行快速固定和拆卸，快换杆能够在直槽口内移动， 接口外壳两侧同时开有弹簧扣槽，弹簧扣通过卡入固定或通过掰开拆卸。

踝关节的所述固定部件包括中心板和铰链盖，中心板两侧开有通孔，通过螺 钉与机械接口的接口外壳固定，中心板下端开有通孔，通过螺钉与铰链盖固定； 铰链盖下端开有用以安装转轴的通孔，转轴末端有螺纹，拧上螺母即固定在铰链 盖下端开设的通孔里；铰链盖侧方具有用来连接扭簧末端的通孔，扭簧套于转轴 上，一端靠在转轴端部的挡片上，并通过伸出的支脚连接于铰链盖侧方的通孔上， 扭簧的另一端连接于脚掌的蹄掌上；铰链盖、转轴和扭簧均为两个且对称。

脚掌的蹄掌有两个且对称，内部中空，上端开有铰链孔，穿入转轴并可绕转 轴转动，铰链孔旁开有用于连接扭簧末端的通孔，使蹄掌绕转轴转动时受到扭簧 的阻力；蹄掌内侧开有螺钉孔，由柔性材料制成的蹄垫开有与蹄掌螺钉孔对应的 螺钉通孔，塞入蹄掌内腔后，螺钉穿过上述螺钉孔和螺钉通孔将蹄掌与蹄垫固定， 蹄垫略凸出蹄掌底部，增大触地柔软度。

所述的柔性材料制成的蹄垫为橡胶蹄垫，橡胶蹄垫中部略内凹，橡胶柔软踩 在岩石尖点上会内凹，包夹住岩石表面，使脚掌不易滑动；两个对称的蹄掌前端 较尖，能够嵌入石缝中，来固定足部；蹄掌绕转轴向后转动时，后端合拢，同时 后端将高于前端，形成的夹角可以在下坡时钩挂住岩石凸起，防止滑动；蹄掌绕 转轴向前转动时前端合拢，同时前端高于后端，便于在上坡时钩挂住岩石凸起， 防止滑动。

本发明的优点在于：

(1)本发明所述的装置能够模拟岩羊足在岩石表面、大坡度、不平整地面 行走中的蹄掌张开，嵌入石缝，包夹岩石，钩挂岩石突起等功能，大大改善腿式 机器人在岩石表面、大坡度、不平整等地面的行走性能；

(2)本发明所述的装置的机械接口方便对各种机械足进行快速切换。

附图说明

图1是本发明的一种仿岩羊机械足的正视图；

图2是本发明的一种仿岩羊机械足的正视半剖图；

图3是本发明的一种仿岩羊机械足的侧视图；

图4是本发明的一种仿岩羊机械足的俯视图；

图5是本发明机械接口结构示意图；

图6是本发明的踝关节结构示意图；

图7是本发明的脚掌结构(未变形)示意图；

图8、图9是本发明的脚掌机构(着地变形)示意图；

图中：

1-机械接口     2-踝关节          3-脚掌

101-接口外壳   102-接口内壳      103-快换杆

104-弹簧扣     105-机器人的腿部

201-中心板     202-铰链盖       203-转轴

204-扭簧

301-蹄掌       302-橡胶蹄掌

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种仿岩羊机械足装置，如图1、图2、图3、图4所示，包括机 械接口1、踝关节2和脚掌3；

机械接口1如图5所示，包括接口外壳101、接口内壳102、快换杆103、 弹簧扣104和机器人的腿部105。

接口外壳101两侧通过螺钉与机械足踝关节固连，两侧开有直槽口，快换 杆103可以在槽口内移动，两侧同时开有弹簧扣槽，弹簧扣104可以卡入固定， 也可以掰开拆卸；接口内壳102套在接口外壳101内，两侧开有相应槽口，快 换杆103可在槽口内移动，接口内壳102上端开有四个通孔，通过螺栓与机器 人的腿部105固连。

踝关节2如图6所示，包括中心板201、铰链盖202、转轴203和扭簧 204。

中心板201两侧开有通孔，通过螺钉与机械接口的接口外壳101固定，中 心板201下端也开有通孔，通过螺钉与铰链盖202固定；铰链盖202下端开有 通孔，可以安装转轴203，铰链盖202还有一个通孔用来固定扭簧204末端； 转轴203末端有螺纹，拧上螺母即固定在铰链盖通孔里；转轴的另一端安装扭 簧204；扭簧204的另一个末端固定在脚掌3上。铰链盖202、转轴203和扭 簧204均有两个，且对称。

脚掌3如图7、图8所示，包括蹄掌301和橡胶蹄垫302。

蹄掌3有两个，且对称，内部中空，上端开有铰链孔，穿入转轴203，可 绕轴转动，铰链孔旁还开有通孔，用于固定扭簧204末端，使蹄掌301绕轴转 动时受到扭簧204的阻力，内侧开有螺钉孔；橡胶蹄垫302塞入蹄掌301内孔， 开有相应螺钉通孔，通过螺钉与蹄掌301固定，橡胶蹄垫302略凸出蹄掌301 底部，增大触地柔软度。

橡胶蹄垫302中部略内凹，橡胶柔软踩在岩石尖点上会内凹，包夹住岩石 表面，使脚掌3不易滑动；蹄掌301前端较尖，能够嵌入石缝中，来固定足部； 蹄掌301可以绕转轴203转动，向后转动见图8，蹄掌301后端合拢，同时后 端将高于前端，形成的夹角可以在下坡时钩挂住岩石凸起，防止滑动；向前转动 见图9，蹄掌301前端合拢，同时前端高于后端，便于在上坡时钩挂住岩石凸 起，防止滑动。

机器人更换机械足时，只需向外掰开弹簧扣104，拉开快换杆103，即可 向上拔出接口内壳102，装上新足的外壳接口101，推动快换杆，弹簧扣104 划入接口外壳101的弹簧扣槽内。

本发明参照岩羊足的攀岩特点，所述的仿岩羊机械足装置具有以下功能：

1、仿岩羊足前端尖利，能嵌入石缝中固定足部，防止滑动。

2、仿岩羊足在小坡度行走时，底部橡胶柔软，能包夹住地面凸起，防止滑 动。

3、仿岩羊足在上坡时，蹄掌绕转轴转动，使其前端高于后端，同时前端合 拢，便于钩挂住岩石凸起，利于攀爬。

4、仿岩羊足在下坡时，蹄掌绕转轴转动，使其前端低于后端，同时后端合 拢，能够包夹住岩石凸起，防止下滑。

本发明的一种仿岩羊机械足装置，机械接口1将机械足与机器人的腿部固 定，具有快速更换功能对机器人的各种足端进行快速更换。踝关节2固定于机 械接口1下方，具有沿两个对称转轴自由转动的功能，使脚掌可相对于机器人 具有两自由度转动。脚掌3安装在踝关节2下方，完成与地面接触，模拟岩羊 足变形等功能。