一种仿骆驼足机械足装置

摘要

本发明公开了一种仿骆驼足机械足装置，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，具有沿水平面两个方向轴自由转动的功能，使脚掌可相对于机器人具有两自由度转动。脚掌安装在踝关节下方，完成与地面接触，模拟骆驼足变形等功能。本发明能够模拟骆驼足在沙漠、软土等地行走时的面积扩展、下凹固沙、旋转蹬沙、旋转出沙等功能，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

本发明涉及一种仿骆驼机械足装置，属于机械设计领域。

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，如传统机械足在沙地、软土地行走时，会产生下陷过深、支 撑点打滑、推动力不足、出足困难等现象。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，需要进一步发掘研究。

发明内容

本发明针对上述传统机械足在沙地、软土地面行走困难问题，提出了一种仿骆驼足机械 足装置，适合腿式、轮腿式机器人行走步态模式下在沙地、软土等地面行走。

一种仿骆驼足机械足装置，包括机械接口、踝关节和脚掌；

机械接口将机械足与机器人的腿部固定，分为接口外壳、接口内壳和快速更换系统，其 中接口外壳与机器人腿部连接，接口内壳套在接口外壳内，与仿生足踝关节固连，只有一个 移动自由度，通过快速更换系统的插销对机械足进行快速固定和拆卸；踝关节固定于机械接 口下方，包括一对相互垂直的转动关节，具有沿水平面两个方向轴自由转动的功能，使脚掌 能够相对于机器人具有两自由度转动；脚掌安装在踝关节下方，上板与下板通过连杆板与摇 杆板链接，内部通过回位弹簧与承载弹簧支承，并通过脚掌导杆导引运动轨迹。

所述的机械接口包括接口外壳、接口内壳、预紧弹簧、预紧弹簧导杆和插销；所述的快 速更换系统是指预紧弹簧、预紧弹簧导杆和插销；接口外壳左右两侧通过螺钉与机器人腿部 连接，上端打有螺纹通孔，安装预紧弹簧倒杆，预紧弹簧倒杆外围安装预紧弹簧，下端安装 插销，预紧弹簧、插销均能沿预紧弹簧倒杆上下移动，接口内壳与接口外壳内壁四面接触， 底部开通孔固定插销的四个插头，并开有通孔连接踝关节的上关节。

所述的踝关节包括上关节、下关节、短轴、长轴和支承座；上关节上表面开有通孔，通 过螺钉与机械接口的接口内壳固定，上关节两侧也分别开有通孔，通孔与长轴配合，长轴两 端有螺纹，通过螺母固定在上关节上，下关节与上关节接触的两侧开有通孔，长轴与下关节 该处的通孔配合，下关节能够以长轴为轴自由转动；下关节的另外两侧也分别开有通孔，两 个通孔分别与两个短轴配合，每个短轴穿过支承座一侧的通孔，短轴两端设有螺纹，通过螺 母固定轴向位置，支承座可沿短轴自由转动；支承座的下表面四个顶点处开有通孔，通过螺 钉与脚掌的上板固定相连，支承座中心开有圆形通孔，脚掌上板凸台与脚掌导杆从其中穿过。

所述的脚掌包括上板、圆柱销、连杆板、摇杆板、下板、回位弹簧、承载弹簧、脚掌导 杆和垫片；上板上表面开有通孔，通过螺钉与踝关节的支承座下表面连接，上板上表面中心 还设有凸台，凸台中心为通孔，上板与下板平行放置，上板左前、右前、后部三处通过连杆 板、摇杆板与下板连接，上板与连杆板之间、连杆板与摇杆板之间、摇杆板与下板之间均通 过圆柱销连接，圆柱销为紧配合固定，相邻板能够沿连接处圆柱销相对转动，左前、右前、 后部三处形成三个铰链结构；上板下部与下板上部对应分布四组弹簧端头，用于安装回位弹 簧，下板中心设有一个弹簧端头，弹簧端头上面开有螺纹通孔，用于固定脚掌导杆，脚掌导 杆穿过上板上表面中心凸台的通孔，不受外力时脚掌导杆的导杆帽与凸台上表面接触，使整 个机构只能沿脚掌导杆方向运动，脚掌导杆中间有一台阶，台阶下表面与垫片配合，垫片下 表面与承载弹簧接触，承载弹簧安装在下板上表面中心弹簧端头与垫片之间，套在脚掌导杆 外围。

本发明的优点在于：

(1)本发明所述的装置能够模拟骆驼足在行走中的快速扩展，下凹固沙，旋转蹬沙，旋 转出沙等功能，大大改善腿式机器人在沙地，软土地等地面的行走性能；

(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是本发明的一种仿骆驼足机械足的正视剖面图；

图2是本发明的一种仿骆驼足机械足的左视图；

图3是本发明的一种仿骆驼足机械足的俯视图；

图4是本发明机械接口结构示意图；

图5是本发明的踝关节结构示意图；

图6是本发明的脚掌初始状态(未接触地面)示意图；

图7是本发明的脚掌面积扩展状态示意图；

图8是本发明的脚掌承载状态示意图；

图9是本发明的脚掌无弹簧状态内部示意图。

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-预紧弹簧

104-预紧弹簧导杆      105-插销

201-上关节        202-下关节        203-短轴

204-长轴          205-支承座

301-上板          302-圆柱销        303-连杆板

304-摇杆板        305-下板          306-回位弹簧

307-承载弹簧      308-脚掌导杆      309-垫片

310-凸台          311-弹簧端头

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。

本发明是一种仿骆驼足机械足装置，如图1、图2、图3所示，包括机械接口1、踝关 节2和脚掌3；

机械接口1如图4所示，包括接口外壳101、接口内壳102、预紧弹簧103、预紧弹簧 导杆104和插销105。

接口外壳101左右两侧通过螺钉与机器人腿部连接，上端打有螺纹通孔，安装预紧弹簧 倒杆104，预紧弹簧倒杆104外围安装预紧弹簧103，下端安装插销105，预紧弹簧103、 插销105均能沿预紧弹簧倒杆104上下移动，接口内壳102与接口外壳101内壁四面接触， 底部开通孔固定插销105的四个插头，并开有通孔连接踝关节2的上关节201。

踝关节2如图5所示，包括上关节201、下关节202、短轴203、长轴204和支承座 205。

上关节201上表面开有通孔(用于穿过螺钉)，通过螺钉与机械接口1的接口内壳102 固定，上关节201两侧也分别开有通孔，通孔与长轴204配合，长轴204两端有螺纹，通 过螺母固定在上关节201上，下关节202与上关节接触的两侧开有通孔，长轴204与下关 节202中间的通孔配合，下关节202能够以长轴204为轴自由转动。下关节202的另外两 侧也分别开有通孔，两个通孔分别与两个短轴203配合，每个短轴203穿过支承座205一 侧的通孔，短轴203两端设有螺纹，通过螺母固定轴向位置，支承座205可沿短轴203自 由转动。支承座205下表面开有通孔，通过螺钉与脚掌3的上板301固定相连。

脚掌3如图6、图7、图8、图9所示，包括上板301、圆柱销302、连杆板303、摇 杆板304、下板305、回位弹簧306、承载弹簧307、脚掌导杆308和垫片309。

上板301上表面开有通孔，通过螺钉与踝关节2的固定板206连接，上板301上表面 中心还设有凸台310，凸台310中心为通孔，上板301与下板305平行放置，如图3所示， 上板301左前、右前、后部三处通过连杆板303、摇杆板304与下板305连接，上板301 与连杆板303之间、连杆板303与摇杆板304之间、摇杆板304与下板305之间均通过 圆柱销302连接，圆柱销302为紧配合固定，相邻板可沿连接处圆柱销302相对转动，左 前、右前、后部三处形成三个铰链结构。所述的脚掌3的上板301与下板间305有三个运 动链，两个在脚掌前部，向外侧倾斜，一个在脚掌后部，无倾斜角，整个脚掌3呈骆驼足状。 上板301下部与下板305上部对应分布四组弹簧端头311，用于安装回位弹簧306，下板 305中心设有一个弹簧端头311，弹簧端头311上面开有螺纹通孔，用于固定脚掌导杆308， 脚掌导杆308穿过上板301上表面中心凸台310的通孔，不受外力时脚掌导杆308的导杆 帽与凸台310上表面接触，使整个机构只能沿脚掌导杆308方向运动，脚掌导杆308中间 有一台阶，台阶下表面与垫片309配合，垫片309下表面与承载弹簧307接触，承载弹簧 307安装在下板305上表面中心弹簧端头311与垫片309之间，套在脚掌导杆308外围。 所述的脚掌3在面积扩展状态只有回位弹簧306受压，在承载状态上板301沿脚掌导杆308 运动压迫垫片309进而挤压承载弹簧307，两种弹簧同时受压，保证机构的运动及机构与弹 簧的强度要求。

机器人更换机械足时，只需向上拔出插销105，退出接口内壳102，装上新足的内壳接 口102，插入插销105即可。

脚掌3各工作状态可见图6至图9，具体为：

如图6所示，初始时脚掌3未接触地面，在回位弹簧306的作用下，上板301上表面 中心凸台与脚掌导杆308导杆帽接触，脚掌3处于初始状态；如图7所示，当脚掌3下板 305与地面接触时，脚掌3受挤压，回位弹簧306刚度很低，迅速变形至摇杆板304与下 板305平行，脚掌3以最大面积接触地面，上板301下表面与垫片309接触，此时脚掌3 处于面积扩展状态；如图8所示，当载荷进一步加大，刚度很大的承载弹簧307受力压缩， 摇杆板304继续向下摇摆至设计位置，脚掌3呈下凹状，起到固沙作用，此时脚掌3处于承 载状态。

如图9所示，随着机器人的向前移动，重心会前移，机械足与地面的受力分布也会随之 前移，脚掌3相对于踝关节2下关节202缓慢转动，脚掌3前端略向下倾，可提供机器人 足够的推力；当机械足抬起时，上板301在回位弹簧306与承载弹簧307的作用下迅速恢 复初始形状，脚掌3的截面小于刚与地面接触时的面积扩展状态，可以防止挑沙现象，下板 305与地面脱离，由于脚掌3质量分布的特性，重心偏前，所以脚掌3相对于踝关节2下关 节202转动，跟部率先抬起，达到旋转出沙效果，进一步防止挑沙现象发生。

本发明参照骆驼足的行走特点，所述的仿骆驼足机械足装置具有以下功能：

1、仿驼足着地后能迅速扩大接地面积。为了避免足着地后，底部面积仍在扩展而破坏表 层沙颗粒的接合强度，要求仿驼足着地后迅速变形，当足完全踏地时，以最大面积与地面接 触。

2、当仿驼足完全接地后载荷进一步增大时，仿驼足底部能形成内凹的接地形状，防止沙 承压后流动，起到固沙作用。

3、仿驼足在踏沙过程中重心前移，逐渐向前转动，增大推进力。

4、当仿驼足离地时，足部具有收缩作用，并且足跟先出沙，模拟“旋转出沙”效果，以 减少足在出沙时的“挑沙”现象，减小出沙阻力。

本发明的一种仿骆驼足机械足装置，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，具有沿水 平面两个方向轴自由转动的功能，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，模拟骆驼足变形等功能。

本发明中踝关节2具有一对相互共面垂直的转轴，可使其连接的两部分在平面内两自由 度相对转动，使脚掌3以固定姿态接触地面，并模拟骆驼足旋转蹬沙，旋转出沙的效果。所 述的脚掌3具有上板301、下板305、连杆板303、摇杆板304及中间脚掌导杆308组成 的单自由度闭环机构，该机构可模拟骆驼足面积扩展、下凹固沙等动作。