专利名称:一种仿蝗虫脚掌的机器人脚的制作方法
技术领域:
本发明涉及仿生机器人领域,具体指的是一种足式机器人脚的仿生结构设计。
背景技术:
随着机器人产业化的发展,机器人在现代工业中发挥越来越重要的作用。而足式 机器人对复杂的山地非结构环境具有良好的适应能力,以及较大的承载能力,在山地搜救、 地震、泥石流灾害后的物资运输等方面具有广泛的应用价值。要提高足式机器人的运动适应能力,机器人脚掌设计必须满足以下几个条件1. 低接触刚度,优良的抓地性能;2.优越的减震和缓冲作用,节省能耗;3.良好的支撑刚度, 具备一定的承载能力。现有足式机器人中有关机器人的脚部结构,大都采用橡胶脚底层的结构来增加 脚与地面的摩擦性能,但对于不平地面来说,橡胶制成的平面脚底无法获得足够的抓地 力,因而无法满足机器人整体高效性的要求。如吴仲城等人申请的专利号为CN1513647A、 专利名称为“一种人形机器人脚及脚力信息检测方法”的专利中的脚结构。地面上的力作 用到脚底后,虽然橡胶脚底层在垂直方向上产生的弹性变形能够减少冲击负载的作用,但 该脚结构没有提供稳定行走的机构。当振动施加在机器人的脚跟后,不能有效地减小振动。为了解决这个问题,胡贯朋等人发表了专利公开号为CN1586966A,专利名称为“足 部浮动支撑的四足步行机器人的脚结构”的专利,该专利所述的脚部结构设计了具有弹性 补偿能力的平面移动副连接,因而保证此结构在水平方向内具有弹性。但是该结构在垂直 方向上却没有提供弹性缓冲机构,这样就无法实现机器人脚在与地面有较大冲击时具有缓 冲作用。此外,Jinichi Yamaquchi等人发表的名称为“用于获得着地表面位置信息并使动 态两足行走稳定的带振动吸收材料的脚机构的试验研制”的文章中,公开了一种用于人形 机器人的先进的脚部结构,但此种结构机器人脚没有脚趾关节,这样脚在行走时的推离运 动中抓地力就不够,不能保证地面和脚部之间的紧密接触。而专利公开号为CN165U95A,专利名称为人形机器人的脚部结构及具有该脚 部结构的机器人,申请日为2005年8月10日,该专利脚部结构能够吸收冲击并稳定机器 人的步态。但该专利的脚部结构对不平地面适应性较差,当机器人处于山地或崎岖地段的 时候,机器人脚无法保证高效工作。同时该脚部结构设计复杂。由此可见,机器人脚的结构设计迫切需要原创的理念,从而满足机器人在各种复 杂表面上的稳定附着、良好的抓地性能和支撑刚度。在上百万年的进化过程中,昆虫的足掌获得了最佳的几何设计和生物材料特性, 保证了昆虫能够在各种生活环境、不同材料、质构、粗糙度的表面上运动、停留。其中,蝗虫 足掌的结构精巧,通过软性外表皮(内包含血浆(液体))与地面接触实现稳定附着。观测蝗虫第3对足(跳跃足)跗骨,发现其剖面形状类似W型,结构主要包括黑色 表皮、气囊、含杆状组织的软外表皮和血浆。其中软外表皮是相对滑软的易变形材料,为蝗虫脚掌的工作平面。采用简化模型对蝗虫跳跃足跗骨剖面进行有限元分析,结果表明蝗虫脚掌的结 构设计具有优越的力学性能,内含血浆的软性外表皮与地面接触时,由于接触刚度低,在载 荷作用下可使脚掌获得较大的接触面积;同时软外表皮下的树丛状杆组织结构提高了蝗虫 足掌在各种表面上的适应性,降低足掌内部的应力。蝗虫脚掌的这种精巧的W型结构使它 以两种方式获得最大的摩擦力①在接触过程中,由于脚掌的变形,已经产生了较大的摩擦 力,这样在蝗虫腿主动运动时,摩擦力从一个较大的值开始增加,这有利于获得稳定附着; ②脚掌的W型结构设计使得它获得尽可能大的接触面积,在有毛细作用情况下,这有利于 获得较大的粘着力。蝗虫足掌的这种精巧结构为我们设计具有高度环境适应性的机器人脚提供了设 计灵感和创新源泉。
发明内容
本发明针对现有技术中的不足,提供一种抓地性能良好且在水平和垂直方向上都 具有弹性缓冲作用的仿蝗虫脚掌的机器人脚。本发明主要由脚背1和脚掌2组成,脚背1采用硬质材料,脚掌2采用弹性材料,脚 掌2位于脚背1下方且两者之间形成空腔,空腔内部填充的物质为液体或气体;脚掌2底部 还具有花瓣型结构,该花瓣型结构是模仿蝗虫脚剖面的类W型结构绕W型中心轴旋转,再 在旋转后得到的曲面上沿圆周进行等分,得到若干等分的花瓣体,过中心轴与各等分线处 的截面类W型弯曲的曲率小于瓣型中心线截面的类W型弯曲曲率,且瓣型中心线与等分线 间各截面的类W型弯曲曲率逐渐递减,从而形成了圆形等分的具有褶痕状的花瓣型结构。 由于花瓣型结构本身的接触面积大,变形后还会获得更大的接触面积,同时沟槽状结构能 够起到一定的推力作用,因此在机器人腿蹬地过程中,能使脚底与地面充分接触,从而增 大了接触面积,增大了与地面的摩擦力/抓地力。本发明的工作原理本发明通过对蝗虫脚掌剖面进行有限元分析,揭示了蝗虫脚 掌具有较大的抓地力,能够实现稳定的附着的特性,在此基础上设计了一种仿蝗虫脚掌的 机器人脚结构。该结构简单、易于推广,具有良好的实用价值。脚掌底部的变形是弹性的, 当足抬起时,脚掌底部恢复到原有的形状;当足触地时,脚掌受力后与地接触面积变大,同 时在液压的作用下,脚掌上方部位向外扩张,可以保证脚掌和脚背更加紧密结合;当腿受到 水平和铅垂方向的冲击力时,软质材料的脚掌会产生变形,从而起到缓冲作用。本发明与现有技术相比还具有如下优点
1.本发明的脚结构设计有空腔,空腔中可充入液体,起到阻尼作用,吸收冲击和振 动,缓解机器人脚着地时的冲击力,减少脚结构在高频带的振动,从而保证了足式机器人的 整体稳定性。该脚部结构能够为足式机器人腿部提供完好的保护,甚至在坚硬的石头面上 如履平地。2.本发明具有良好的支撑刚度,可以应用于高负载的条件下。3.本发明的脚结构简单、轻便,易于加工、实用价值高,易于推广。
图1为本发明一种仿蝗虫脚掌的机器人脚结构的半剖结构图; 图2为本发明一种仿蝗虫脚掌的机器人脚结构的脚背结构图3为本发明一种仿蝗虫脚掌的机器人脚结构的脚掌主视图; 图4为本发明一种仿蝗虫脚掌的机器人脚结构的脚掌仰视图; 图5为本发明一种仿蝗虫脚掌的机器人脚结构未受力时演示图; 图6为本发明一种仿蝗虫脚掌的机器人脚结构受力时演示图。图中标号名称1、脚背;2、脚掌;3、胶层。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明
结合图1、2、3、4,本实例为一种仿蝗虫脚掌的机器人脚结构,包括脚背1、脚掌2、胶 层3。上述脚掌底部还具有花瓣型结构,该花瓣型结构是模仿蝗虫脚剖面的类W型结构绕W 型中心轴旋转,再在旋转后得到的曲面上沿圆周进行等分,得到如干等分的“花瓣”,过中 心轴与各等分线处的截面类W型弯曲的曲率小于瓣型中心线截面的类W型弯曲曲率,且瓣 型中心线与等分线间各截面的类W型弯曲曲率逐渐递减,从而形成了圆形等分的具有褶痕 状的花瓣型结构。如图1所示,脚背1采用铝合金材料,脚掌2采用聚氨酯橡胶材料,胶层3为703 胶。脚背1与脚掌2通过胶层3连接。由于703胶固化后附着力强,富有弹性,其粘接密封 效果好;同时703胶固化后易于去除,方便日后更换脚背或者脚掌。在使用的过程中,在脚 掌和脚背形成的空腔中注入液体水。所述的脚背1的上端通过螺纹与机器人腿部连接。本实施例在使用中,脚掌底部的变形是弹性的,当足抬起时,脚掌底部恢复到原有 的形状;当足触地时,脚掌受力后与地接触面积变大,同时在液压的作用下,脚掌上方部位 向外扩张,可以保证脚掌和脚背更加紧密结合;当腿受到水平和铅垂方向的冲击力时,橡胶 材料的脚掌会产生变形,从而起到缓冲作用,同时由于脚掌底部为类蝗虫脚剖面的花瓣型 结构,受到冲击力后,由于花瓣型的结构变形,会产生更大的附着力。图5、图6是一个机器人脚结构效果演示对比图。在图5、图6中,通过使用ANSYS10.0(可以从ANSYS有限公司购买)进行非线性有 限元分析来计算脚掌2接触面积的增大量。本实施对整个模型的1/4进行分析,同时使用 一个圆塞代替机器人腿部结构与脚背1的上端连接。图5为整个模型未受力时的情形,此 时脚掌2与地面接触类型为线面接触;图6为整个模型在受到50N承载力时的变形图,此时 脚掌2与地面的接触类型为面面接触,接触面积增至2721. 23mm2。综上所述,本发明的机器人仿生脚结构具有减震缓冲和优良的地面附着能力,同 时该结构质量轻、支撑刚度高,是一种较优实施方案。本实例只是其中的一种实施方式,本发明主要包括其特殊的功能结构形式,对使 用的材料种类不限,可依据具体工况选择合适材料。
权利要求
1.一种仿蝗虫脚掌的机器人脚,其特征在于由脚背(1)和脚掌(2)组成,其中脚背(1) 采用硬质材料,脚掌(2)采用弹性材料,脚掌(2)位于脚背(1)下方且两者之间形成空腔,空 腔内部填充的物质为液体或气体;上述脚掌(2)底部还具有花瓣型结构,该花瓣型结构是 模仿蝗虫脚剖面的类W型结构绕W型中心轴旋转,再在旋转后得到的曲面上沿圆周进行等 分,得到若干等分的花瓣体,过中心轴与各等分线处的截面类W型弯曲的曲率小于瓣型中 心线截面的类W型弯曲曲率,且瓣型中心线与等分线间各截面的类W型弯曲曲率逐渐递减, 从而形成了圆形等分的具有褶痕状的花瓣型结构。
2.根据权利要求1所述的仿蝗虫脚掌的机器人脚,其特征在于上述脚掌(2)的壁厚均勻。
3.根据权利要求1所述的仿蝗虫脚掌的机器人脚,其特征在于上述脚背(1)和脚掌 (2)之间用胶层(3)连接。
4.根据权利要求1所述的仿蝗虫脚掌的机器人脚,其特征在于所述的脚背(1)的下端 内表面通过胶层(3)与脚掌(2)的上端外表面粘结在一起。
5.根据权利要求1所述的仿蝗虫脚掌的机器人脚,其特征在于上述脚背(1)和脚掌 (2)构成的脚整体呈中心法线对称形式。
全文摘要
一种用于仿生机器人领域的仿蝗虫脚掌的机器人脚结构,其能够提供较大的抓地力并保持系统整体的稳定性。所述结构包括脚背,脚掌,胶层。脚掌和脚背通过胶层粘结在一起,在脚背与脚掌形成的空腔中注入液体,脚背上端与腿部连接。当机器人脚承受载荷时,弹性材料制成的脚掌发生变形后会增大与地面的接触面积,同时由于脚掌的底部采用了类蝗虫脚剖面的花瓣型结构,可增大脚与地面的摩擦力。而弹性材料和空腔中的液体又能够吸收脚着地时的冲击力,进一步保证了机器人的整体稳定性。
文档编号B25J19/00GK102079095SQ201010564598
公开日2011年6月1日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者俞志伟, 卢松明, 戴振东, 郭策 申请人:南京航空航天大学