机器人的多功能减震足结构

1.本发明属于仿人机器人技术领域，具体涉及一种机器人的多功能减震足结构。


背景技术：

2.仿人机器人能够模拟人的动作，在危险、极端环境中代替人类工作。作为浮动基机器人，仿人机器人在运动过程中足部与大地会频繁进行碰撞。如果不加以优化，频繁的大力撞击不仅容易让机器人产生震动，难以控制，而且有可能损害机器人内部的精密零件，造成损失。因此，为了减小碰撞给机器人的运动与控制带来的干扰，仿人机器足部除了具有防滑、支撑等基本功能外，减震也是其必不可少的功能。
3.人类在运动的过程中，进化出了足弓结构，能够减小人类在运动时足部与大地碰撞产生的震动。猫等动物的足底有纤维组织网和脂肪组织填充组成的肉垫，用于吸收落地的冲击力；山羊等动物蹄底部有不同密度的组织，用于攀附岩石、落地减震。从仿生学的角度出发，能给仿人机器人多功能减震足的设计提供启发。
4.现有技术已经存在各类仿人程度较高的机械足结构，但难以做到减震缓冲、稳定、防滑、外观及结构与人足相似、数据采集能力的统一。


技术实现要素：

5.针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种机器人的多功能减震足结构，减小机器人运动过程中足部与大地碰撞产生的震动，同时具有稳定、防滑、储能、外观及结构仿生等特性。
6.本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
7.一种机器人的多功能减震足结构，包括仿生足距、波形弹簧-剪切型阻尼器、仿生足根、仿生足跖和仿生脚趾，所述仿生足距下部连接波形弹簧-剪切型阻尼器，所述波形弹簧-剪切型阻尼器下部连接仿生足根，所述仿生足距侧面连接仿生足跖一端，所述仿生足跖另一端连接仿生脚趾；
8.所述波形弹簧-剪切型阻尼器包括波形弹簧和剪切型阻尼器，所述波形弹簧内部安装剪切型阻尼器；
9.所述仿生足根包括支撑金属片和防滑垫，所述支撑金属片顶部与波形弹簧-剪切型阻尼器相连，支撑金属片底部粘贴防滑垫；
10.所述仿生足跖包括s型弹簧、仿生跖骨和减震垫，所述s型弹簧与仿生跖骨固连，仿生跖骨底部粘贴减震垫；
11.所述仿生脚趾包括弹性铰链，所述弹性铰链连接仿生足跖和仿生脚趾。
12.上述技术方案中，所述波形弹簧内部装配有定位轴，定位轴内部安装剪切型阻尼器。
13.上述技术方案中，所述剪切型阻尼器包括顶部法兰、外壳、高阻尼橡胶、内壳和底部法兰；顶部法兰分别与外壳和仿生距骨固连，高阻尼橡胶的两侧分别与内壳、外壳的固
连，底部法兰分别与内壳、支撑金属片固连；所述高阻尼橡胶加工成星型筒状。
14.上述技术方案中，所述仿生脚趾还包括仿生趾骨和脚趾垫，所述仿生趾骨固定在弹性铰链外侧底部，且仿生趾骨底部粘贴脚趾垫。
15.上述技术方案中，所述防滑垫、减震垫和脚趾垫均底部设有锥形凸起花纹，凸起头部的横截面积小于根部的横截面积。
16.上述技术方案中，所述防滑垫、减震垫和脚趾垫均采用橡胶制成。
17.上述技术方案中，所述支撑金属片加工成圆弧面型，所述仿生跖骨加工成舟型。
18.上述技术方案中，所述弹性铰链由两片带折弯的金属片对合而成，且金属片转轴处设有扭簧。
19.上述技术方案中，所述仿生足距包括法兰和仿生距骨，法兰位于仿生距骨上部，所述仿生距骨连接波形弹簧-剪切型阻尼器。
20.上述技术方案中，所述剪切型阻尼器采用橡胶阻尼器。
21.本发明的有益效果为：
22.本发明的多功能减震足结构包括仿生足距、波形弹簧-剪切型阻尼器、仿生足根、仿生足跖和仿生脚趾，波形弹簧-剪切型阻尼器包括波形弹簧和剪切型阻尼器，仿生足根包括支撑金属片和防滑垫，仿生足跖包括s型弹簧、仿生跖骨和减震垫，仿生脚趾包括弹性铰链；本发明的多功能减震足结构能够实现机械足减震缓冲功能，提高机器人运动过程中的稳定性和防滑性，同时实现储能，兼具有外观及结构仿生性的特点。
附图说明
23.图1为本发明所述多功能减震足结构示意图；
24.图2(a)为本发明所述仿生足距结构示意图；
25.图2(b)为本发明所述仿生足距剖视图；
26.图3为本发明所述波形弹簧-剪切型阻尼器结构示意图；
27.图4为本发明所述波形弹簧结构示意图；
28.图5为本发明所述剪切型阻尼器结构示意图；
29.图6为本发明所述剪切型阻尼器爆炸图；
30.图7为本发明所述高阻尼橡胶结构示意图；
31.图8为本发明所述仿生足根结构示意图；
32.图9为本发明所述支撑金属片结构示意图；
33.图10为本发明所述凸起花纹形状示意图；
34.图11为本发明所述三种凸起花纹受压纵向形变图；
35.图12(a)为本发明所述凸起花纹一种实施例结构示意图；
36.图12(b)为本发明所述凸起花纹另一种实施例结构示意图；
37.图13为本发明所述仿生足跖结构示意图；
38.图14为本发明所述减震垫结构示意图；
39.图15为本发明所述仿生脚趾结构示意图；
40.图16为本发明所述脚趾垫结构示意图；
41.图17为本发明所述多功能减震足结构的参数优化过程图；
42.图18为本发明所述减震足结构的物理模型示意图；
43.图中：1-仿生足距，2-波形弹簧-剪切型阻尼器，3-仿生足根，4-仿生足跖，5-仿生脚趾，11-法兰，12-仿生距骨，21-波形弹簧，22-剪切型阻尼器，23-定位轴，221-顶部法兰，222-外壳，223-高阻尼橡胶，224-内壳，225-底部法兰，23-定位轴，31-支撑金属片，32-防滑垫，41-s型弹簧，42-仿生跖骨，43-减震垫，51-弹性铰链，52-仿生趾骨，53-脚趾垫。
具体实施方式
44.下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
45.如图1所示，本发明一种机器人的多功能减震足结构，包括仿生足距1、波形弹簧-剪切型阻尼器2、仿生足根3、仿生足跖4和仿生脚趾5。
46.仿生足距1上部连接六维力传感器，下部连接波形弹簧-剪切型阻尼器2，侧面连接仿生足跖4；仿生足距1是多功能减震足与机器人胫骨相接的部位。如图2(a)所示，仿生足距1由顶部的法兰11和底部的仿生距骨12主体组成；法兰11为凹盘形状，并加工螺纹孔，通过螺栓与srim3714b4六维力传感器固连；如图2(b)所示，法兰11和仿生距骨12中间留有空腔结构，防止配合时出现螺栓干涉。
47.如图3所示，波形弹簧-剪切型阻尼器2由波形弹簧21和剪切型阻尼器22并联而成。波形弹簧21具有质量轻、安装空间小、不易弯曲的特点，在机器人足部受到横向力或者转矩的时，不易发生大角度形变。此外，波形弹簧21的缓冲吸震能力强、耐冲击能力强，更能适应与大地频繁产生撞击的机器人足底的工作环境。如图4所示，波形弹簧21采取内部轴配合的装配形式，通过在弹簧内部装配定位轴23完成波形弹簧21的固定，定位轴23内部安装剪切型阻尼器22。剪切型阻尼器22采用橡胶阻尼器，通过橡胶的剪切变形，为仿生足距1和仿生足根3之间的相对运动提供阻力，以达到减震的目的，是足部减震功能的主要实现者。如图5、6所示，剪切型阻尼器22由顶部法兰221、外壳222、高阻尼橡胶223、内壳224和底部法兰225组成，顶部法兰221通过小螺钉与外壳222相连、通过大螺钉与仿生距骨12相连；高阻尼橡胶223加工成筒状，为了增加接触面积的同时不改变橡胶的厚度，将高阻尼橡胶223加工成星型(图7)，高阻尼橡胶223的两侧通过粘合胶水分别与内壳224、外壳222的固连；底部法兰225通过小螺钉与内壳224相连、通过大螺钉与支撑金属片31相连。
48.如图8所示，仿生足根3由支撑金属片31和防滑垫32组成。如图9所示的支撑金属片31顶部与波形弹簧-剪切型阻尼器2相连，支撑金属片31底部粘贴防滑垫32，防滑垫32采用橡胶材料制成，起到缓冲减震的效果；所述支撑金属片31模仿人类足根骨结构，加工成圆弧面型，保证足部在以一定的倾角冲击地面时，与平面型足相比，能够将力均匀地传递到足跖固定处，避免产生很大的力矩，减少对机器人踝关节、足部的损害。所述防滑垫32底部设有凸起花纹，起到防滑的作用；如图10所示，关于凸起花纹的形状一般有为方形、球形和锥形，通过对三种花纹受压纵向形变进行对比，在受力相同时，锥形凸起花纹硬度变化更为明显，所以本发明选择锥形凸起花纹，根据多功能减震足的实际使用场景，设计成图12(a)和图12(b)两种典型的凸起花纹，每个凸起头部比根部有更小的横截面积，使得头部硬度小、根部硬度大，为纵向变柔软度设计，为仿生足提供更好的减震效果。
49.如图13所示，仿生足跖4由s型弹簧41、仿生跖骨42和减震垫43组成。所述s型弹簧
41由50crva弹簧钢加工而成，加工出螺纹孔，通过螺钉连接仿生距骨12、仿生跖骨42；s型弹簧41模仿人类足部的跗跖关节，能为仿生足距1、仿生足跖4之间提供小范围、大刚度的相对运动；所述仿生跖骨42加工成舟型，左右两侧翘起，能够保证机器人足部以一定的倾角下落时足部均匀受力。所述仿生跖骨42一端翘起并与所述s型弹簧41相连，共同形成仿生足弓结构；根据研究表明，足弓结构能够有效减小碰撞运动过程中的震动，实现落地缓冲；所述仿生跖骨42另一端有螺纹孔，与仿生脚趾5相连；仿生跖骨42底部粘贴减震垫43，减震垫43采用橡胶制成；如图14所示，所述减震垫43一方面形状与仿生跖骨42类似，加工成舟型，以适应不同角度的落地冲击，另一方面外观与仿生足根3底部的防滑垫32类似，具有头部小跟部大的凸起状花纹，以提供更好的缓冲效果。
50.如图15所示，仿生脚趾5为欠驱动结构，由弹性铰链51、仿生趾骨52和脚趾垫53组成。所述弹性铰链51由两片带折弯的金属片对合而成，且金属片转轴处设有扭簧，从而为欠驱动仿生脚趾提供驱动力：在脚趾不受力时，脚趾与脚掌水平；在机器人踮脚时，脚趾受力，脚趾向上翻折，通过扭簧存储一定的能量；足部抬起时，脚趾不受力，脚趾回到初始位置。在机器人运动时实现储能-放能功能。所述弹性铰链51上加工螺纹孔，实现仿生足跖4与仿生脚趾5的连接。所述仿生趾骨52为金属片，固定在弹性铰链51外侧底部，且仿生趾骨52底部粘贴脚趾垫53，脚趾垫53采用橡胶制成。所述脚趾垫53与防滑垫32、减震垫43相同，表面也设有头部小跟部大的凸起状花纹(图16)，提供减震缓冲、防滑功能。
51.如图17所示，多功能减震足结构数学模型的建立过程为：
52.弹簧-阻尼二阶系统能够通过调整参数，改善冲击响应结果，以得到良好的相应曲线。建立多功能减震足的物理模型：将波形弹簧-剪切型阻尼器2(对应图18中k1和c1)、防滑垫32(对应图18中k3和c3)和减震垫43(对应图18中k4和c4)分别建立弹簧-阻尼二阶系统；将s型弹簧41(对应图18中k2)建立为扭簧系统，并简化为弹簧系统；其他模块简化为质量块；最终减震足结构的物理模型如图18所示。
53.在落地瞬间，以脚踝处的力为输入，以脚踝处相对于大地的位移为输出，建立数学模型；数学模型的微分方程为：
[0054][0055][0056][0057]
其中：f表示脚踝处的力，m表示仿生足距的质量，x表示脚踝处的位移，表示脚踝处的速度，表示脚踝处的加速度，x1表示支撑金属片31的位移，表示支撑金属片31的速度，表示支撑金属片31的加速度，x2表示仿生跖骨42的位移，表示仿生跖骨42的速度，表示仿生跖骨42的加速度，f1和f2均为中间变量；
[0058]
拉普拉斯变换后，模型的传递函数为：
[0059][0060]
其中：ai＝fi(m，c，k)，i＝0、1、2
…
6，bj＝fj(m，c，k)，j＝0、1、2
…
4；ai、bj是关于各部分质量m(包含m、仿生足根3的质量m1，仿生足跖4和仿生脚趾5的质量m2)、阻尼c(包含波形弹簧-剪切型阻尼器2、防滑垫32和减震垫43)、弹簧k(s型弹簧41、防滑垫32和减震垫43)的
函数；通过优化参数ai、bj，得到模型的最优响应，并推算出模型设计的参数m、m1、m2、k1、k2、k3、k4、c1、c3和c4。
[0061]
机器人在跳跃过程中主要依次经历站立态、起跳态、腾空态、落地态、站立态。减震足主要针对机器人走、跳等运动的落地瞬间，为机器人提供减震缓冲功能，保障机器人能够平稳落地。同时，在起跳前，脚趾结构能够存储能量，提高机器人的稳定性。
[0062]
在机器人落地瞬间，仿生足根3先着地，防滑垫32受到压力产生形变，并提供摩擦力，防止足部与地面产生滑动。与此同时，波形弹簧-剪切型阻尼器2受到压力产生形变，剪切型阻尼器22与防滑垫32的压缩使得减震足结构变扁。由于剪切型阻尼器22的作用，变形需要一段时间才能完成，这使得机器人在接触地面以后踝关节有一段时间的向下缓冲运动；缓冲运动让减震足结构用更长的时间吸收了相同的冲量，进而减小了碰撞力。机器人在落地后，一部分动能被减震足结构吸收，随即被释放出来，表现为机器人落地后机器人的弹起。通过引入大阻尼的剪切型阻尼器22，能够吸收大部分机器人落地瞬间的动能，机器人在落地后不回弹或者回弹较小，达到可以忽略不计的程度。波形弹簧-剪切型阻尼器2的系数可由仿多功能减震足结构数学模型参数求出，多功能减震足结构数学模型参数根据所需响应设计得到。
[0063]
在机器人离地时，仿生足根3先抬起，仿生脚趾5支撑在地面上；此时仿生脚趾5与仿生足跖4产生相对转动，弹性铰链51此时能够将转矩转化为能量存储起来。在仿生脚趾5离地时，扭簧回复到原来的位置，产生一个短暂的蹬地动作，蹬地的过程将存储在弹性铰链51的能量释放出来，减少机器人运动过程中的能耗。
[0064]
由于仿生脚趾5结构，机器人运动过程中，在脚掌抬起时，仿生脚趾5依旧能够支撑在地面上，机器人与地面之间继续保持面接触状态，便于机器人在运动过程中将zmp控制在支撑多边形内。与常规足部相比，仿生脚趾5能为机器人腿部关节提供更大的稳定运动范围，实现更大范围且更稳定的运动。
[0065]
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种机器人的多功能减震足结构，其特征在于，包括仿生足距(1)、波形弹簧-剪切型阻尼器(2)、仿生足根(3)、仿生足跖(4)和仿生脚趾(5)，所述仿生足距(1)下部连接波形弹簧-剪切型阻尼器(2)，所述波形弹簧-剪切型阻尼器(2)下部连接仿生足根(3)，所述仿生足距(1)侧面连接仿生足跖(4)一端，所述仿生足跖(4)另一端连接仿生脚趾(5)；所述波形弹簧-剪切型阻尼器(2)包括波形弹簧(21)和剪切型阻尼器(22)，所述波形弹簧(21)内部安装剪切型阻尼器(22)；所述仿生足根(3)包括支撑金属片(31)和防滑垫(32)，所述支撑金属片(31)顶部与波形弹簧-剪切型阻尼器(2)相连，支撑金属片(31)底部粘贴防滑垫(32)；所述仿生足跖(4)包括s型弹簧(41)、仿生跖骨(42)和减震垫(43)，所述s型弹簧(41)与仿生跖骨(42)固连，仿生跖骨(42)底部粘贴减震垫(43)；所述仿生脚趾(5)包括弹性铰链(51)，所述弹性铰链(51)连接仿生足跖(4)和仿生脚趾(5)。2.根据权利要求1所述的多功能减震足结构，其特征在于，所述波形弹簧(21)内部装配有定位轴(23)，定位轴(23)内部安装剪切型阻尼器(22)。3.根据权利要求1所述的多功能减震足结构，其特征在于，所述剪切型阻尼器(22)包括顶部法兰(221)、外壳(222)、高阻尼橡胶(223)、内壳(224)和底部法兰(225)；顶部法兰(221)分别与外壳(222)和仿生距骨(12)固连，高阻尼橡胶(223)的两侧分别与内壳(224)、外壳(222)的固连，底部法兰(225)分别与内壳(224)、支撑金属片(31)固连；所述高阻尼橡胶(223)加工成星型筒状。4.根据权利要求1所述的多功能减震足结构，其特征在于，所述仿生脚趾(5)还包括仿生趾骨(52)和脚趾垫(53)，所述仿生趾骨(52)固定在弹性铰链(51)外侧底部，且仿生趾骨(52)底部粘贴脚趾垫(53)。5.根据权利要求4所述的多功能减震足结构，其特征在于，所述防滑垫(32)、减震垫(43)和脚趾垫(53)均底部设有锥形凸起花纹，凸起头部的横截面积小于根部的横截面积。6.根据权利要求4所述的多功能减震足结构，其特征在于，所述防滑垫(32)、减震垫(43)和脚趾垫(53)均采用橡胶制成。7.根据权利要求1所述的多功能减震足结构，其特征在于，所述支撑金属片(31)加工成圆弧面型，所述仿生跖骨(42)加工成舟型。8.根据权利要求1所述的多功能减震足结构，其特征在于，所述弹性铰链(51)由两片带折弯的金属片对合而成，且金属片转轴处设有扭簧。9.根据权利要求1所述的多功能减震足结构，其特征在于，所述仿生足距(1)包括法兰(11)和仿生距骨(12)，法兰(11)位于仿生距骨(12)上部，所述仿生距骨(12)连接波形弹簧-剪切型阻尼器(2)。10.根据权利要求1所述的多功能减震足结构，其特征在于，所述剪切型阻尼器(22)采用橡胶阻尼器。

技术总结
本发明提供了一种机器人的多功能减震足结构，包括仿生足距、波形弹簧-剪切型阻尼器、仿生足根、仿生足跖和仿生脚趾，仿生足距下部连接波形弹簧-剪切型阻尼器，波形弹簧-剪切型阻尼器下部连接仿生足根，仿生足距侧面连接仿生足跖一端，仿生足跖另一端连接仿生脚趾；波形弹簧-剪切型阻尼器包括波形弹簧和剪切型阻尼器，仿生足根包括支撑金属片和防滑垫，仿生足跖包括S型弹簧、仿生跖骨和减震垫，仿生脚趾包括弹性铰链。本发明的多功能减震足结构实现机器人足部的减震缓冲，同时兼具稳定、防滑、外观与结构仿生的特性。观与结构仿生的特性。观与结构仿生的特性。


技术研发人员：黄强 仪传库 陈学超 余张国 黄高 石青
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：2021.12.10
技术公布日：2022/3/8