专利名称：机器人脚掌结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种机器人脚掌结构。
背景技术：
随着微电脑技术的突飞猛进及电子产业的高度发展，机器人(Robot)已成为一种新兴产业，在当代工业中，机器人已能够取代或协助人类进行高危险性工作，如组装、喷漆、焊接、高温铸锻等，甚至是医疗救援、娱乐服务、军事保全与太空探索等领域，亦使用了诸多机器人设备，根据IFR(International Federation of Robotics)所提供的统计资料，2010年全球机器人的消费市场已达到350亿美元，其中产业用机 器人的销售额约为190亿美元，服务型机器人的销售额则约为160亿美元，因此，为能设计出更为适用与高效能的机器人设备，现今已出现各种机器人竞赛，例如WR0国际奥林匹克机器人大赛、FLL OIC (OpenInternational Championship)高雄世界杯机器人大赛、PMC机器人创意竞赛、香港青少年机器人世界杯(RCJHK)，且众多生产者亦纷纷针对机器人的各部位结构进行改良，以能满足产业上的各种需求。一般而言，机器人产业的发展大抵朝向专业应用为主，但随着社会结构的变化，如老年人口增加、小家庭数量上升等诸多因素，服务型机器人的产品亦逐渐获得生产者与消费者的重视，理想的服务型机器人的整体外观大多朝向于人类的态样发展，研发重点普遍着落于“灵巧手掌、安全感知、敏捷移动、智慧控制”等各个方面，其中，对于“敏捷移动”方面，针对现今的双足机器人而言，其脚掌大多采用大面积平板式的设计结构，如日本的ASIM0.HRP-2等机器人，均是使脚掌底面保持成水平面，令脚掌底面能够贴靠至平坦的地面上，以使双足式机器人能稳固地站立于地面上。但是，前述的脚掌结构在步行于平坦的地面上时，虽能使双足式机器人平稳地站立于地面上，但在应用在非平坦的地面时，则会衍生出诸多不便，如图I所示，当双足式机器人藉由两脚掌11、12行走于非平坦的地面10上时，若其中一脚掌11踩踏至地面10的隆起处101，则受限于该脚掌11的平板式设计，将使得该脚掌11之底面仅有局部能碰触到该隆起处101，此时，当机器人抬起另一脚掌12后，双足式机器人的全身重量将会落至该脚掌11上，由于该脚掌11绝大部分皆为悬空状态，故会造成该双足式机器人的重心不稳，进而发生晃动甚至是摔倒等情形，不仅严重影响双足式机器人在行走上的流畅性，更可能导致双足式机器人损坏。此外，除了前述地面10隆起的情况外，当地面10具有凹陷处时，在双足式机器人的其中一脚掌11、12踩踏至凹陷处后，同样会发生重心不稳的问题，导致双足式机器人整体倾斜而摔倒，因此目前的双足机器人因其平板式脚掌11、12的结构，仅适用于平坦的地面，而无法适应于多变化的地形，使双足式机器人的应用范围受到局限。同时，平板式的脚掌结构除了有前述不易适应地形的问题之外，尚有其它缺点。举例而言，当双足式机器人行走时，通常双足式机器人的第一脚掌是完全贴靠至地面上，其第二脚掌则会完全抬起悬空并向前位移，在第二脚掌悬空位移的过程中，为避免双足式机器人因重心不稳摔倒，双足式机器人的重心会偏向于第一脚掌上，直至第二脚掌碰触到地面时，机器人的重心才会偏离至两个脚掌之间，并逐渐移至第二脚掌上，因此，为能保持双足式机器人移动上的平衡性，除了需大幅增加脚掌的面积之外，两个脚掌间的移动距离亦无法过远，以避免摔倒，也就是说，具有平板式的脚掌结构的双足式机器人无法进行大步伐的位移，这一情况将使双足式机器人的移动时间较长，且移动方式亦无法达到拟人化的效果，致使目前的双足机器人行动上的姿势极为呆板而不自然。因此如何针对上述平板式的脚掌结构所衍生的各种问题，设计出一种崭新的机器人脚掌结构，即为本发明要解决的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种使得机器人脚掌能适应于各种地形，且能更为稳固地行走，产生拟人步态效果的机器人脚掌结构。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案一种机器人脚掌结构，包括传动轴，所述传动轴上设有足弓部，所述足弓部由前段、中段和后段连接组成，所述前段和后段的底面位于同一平面，而中段的底面向上凸起形成拱形结构；所述前段的前端枢接有脚趾部，所述前段的前端与脚趾部的枢接位置上设置有加压部。本发明所述前段的前端凹设有缺口，脚趾部的后端凸设有连接片，枢接轴穿过缺口与连接片将脚趾部枢接至前段的前端。本发明所述加压部为扭簧，该扭簧套设在枢接轴上，且分别连接脚趾部的后端及前段的前端。本发明所述加压部为致动器。本发明所述足弓部的中段底侧设有肋条。本发明所述脚趾部的底面与前段的底面在接近水平的状态下，所述脚趾部的底面与足弓部的前段的底面间所形成的第二夹角不大于30度。本发明所述足弓部中段的顶面设有连接部，该连接部与传动轴相连接。本发明与现有技术相比，通过足弓部与脚趾部的枢接结构，能使机器人适应于非平坦的地面行走，从而使机器人脚掌的行走步态更加拟人化。
图I是现有机器人的行走示意图；图2是本发明机器人脚掌的立体示意图；图3是本发明机器人脚掌的第一状态示意图；图4是本发明机器人脚掌的第二状态示意图；图5是本发明机器人脚掌的第三状态示意图。附图中主要零件符号说明机器人脚掌……2足弓部............21前段............211缺口............2110中段............213、
连接部............214后段............215肋条............216枢接轴............22脚趾部……23连接片……231加压部............25传动轴............27 平面............3预定距离............R第一夹角............Θ I第二夹角............Θ 具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。通常大多数人类的脚掌底部通常会向上隆起，形成明显的弓形，即称“足弓”，“足弓”的主要功能是在人行走过程中，能够提高双脚承受运动压力、冲击力与重力的能力，并能藉由弓形形状而达到减震效果。鉴于人类脚掌结构的特殊性，本发明人除能达到上述的效果之外，还能适应各种类形的地形，使机器人于行走的过程中，能模拟出人类行走的姿势。如图2及图3所示，机器人脚掌2应用至一机器人上，包括一足弓部21、至少一脚趾部23及至少一加压部25，在本发明的一实施例中，该足弓部21为一体成形，且依序包括一前段211、一中段213及一后段215，其中前段211及后段215的底面位于同一平面且低于中段213的底面，即中段213的底面向上凸起，前段211及后段215的顶面亦低于中段213的顶面，使得足弓部21的中间区域能形成朝顶面隆起的状态，即一拱形结构。当前段211及后段215的底面贴靠住一平面3时(如图3所示)，中段213的底面会与平面3保持一预定距离R，如此，足弓部21能形成近似拱形形状，使得中段213所承受的重量能朝前段211与后段215分散，使中段213具有较高的承受力量的能力。同时，中段213的顶面设有一连接部214，该连接部214能与机器人的传动轴27相连接组装，使得足弓部21能被传动轴27带动，而朝远离平面3的方向位移。此外，在本发明的其它实施例中，生产者还能按照不同的机器人需求，而对足弓部21的结构进行调整，举例而言，为能提高足弓部21的强度，生产者可以在中段213的底侧增设至少一根肋条216，该肋条216的两端分别邻近或连接至前段211与后段215，从而使足弓部21的整体结构更为坚固，并能支撑较大的重量；或者生产者能采用韧性较佳的材质来制作足弓部21，当足弓部21由悬空状态而朝平面3的方向位移，且前段211与后段215的底面贴靠住平面3时，通过中段213与平面3间的预定距离R与足弓部21的材质特性，能使足弓部21略为变形，以达到减震效果，令机器人行走更为平稳而不易晃动。如图2及图3所示，前段211的前端凹设有至少一缺口 2110，脚趾部23的后端凸设有至少一连接片231，一枢接轴22能依序穿过前段211的缺口 2110与连接片231，使得脚趾部23能枢接至前段211的前端，并进行翻转，当足弓部21被传动轴27带动，而朝远离平面3的方向位移时，如图4所示，由于脚趾部23的底面能贴靠至平面3上，因此，足弓部21能以脚趾部23为轴心转动，使得脚趾部23的底面能与前段211的底面形成一个第一夹角Θ I。如此，当机器人脚掌2踩踏至非平坦的地面上后，通过脚趾部23与足弓部21间的枢接作用，即可使机器人的脚掌2顺应地面而变形，同时，脚趾部23与足弓部21的前段211、后段215大多仍能贴靠至地面上，令机器人能稳定地直立于地面上，而不会因重心不稳发生晃动或摔倒等情况。此外，由于足弓部21的中段213底面与平面3尚保持预定距离R，因此，若平面3上有杂物(如石粒)时，该杂物亦能够容纳在预定距离R中，而不会影响到机器人的平衡性，因此本发明的机器人脚掌2不仅具有较佳的适应性，而能适用于各种类形的地面，且不会如同现有的具有平板式脚掌的机器人一般仅能在平坦的地面上才具有良好的平衡性。如图2 4所示，为使机器人脚掌2在行走时能达到高度拟人化运动的效果，传动 轴27在带动足弓部21时，能使足弓部21的后段215先行离开平面3，再使前段211离开平面3，仅靠脚趾部23的底面贴靠住该平面3，最后再带动脚趾部23离开平面3，在上述过程中，机器人的重心会逐渐向脚趾部23的方向位移，且在脚趾部23完全离开平面3之前，机器人的另一机器人脚掌2已贴靠住平面3，使得机器人的重心能由机器人脚掌2改变至另一机器人脚掌2上，如此，在机器人行走的过程中，虽然机器人的重心会逐渐向前(即朝脚趾部23的方向)移动，但通过脚趾部23与足弓部21的枢接结构，仍能使机器人脚掌2的局部区域(如脚趾部23)平稳地贴靠至平面3上，除能提高机器人步行上的稳定度之外，还能大幅增加机器人步行的步伐距离，令机器人的行走姿势近似于人类的行走姿势。此外，按照本发明的足弓部21与脚趾部23的结构，生产者不需额外增加机器人脚掌2的面积，亦能够保持行走上的平稳与流畅度，故能大幅减缩机器人的整体体积，令机器人的整体外观更近似于人类的状态。如图3及图4所示，前段211的前端与脚趾部23的枢接位置，还设有加压部25，加压部25可以采用扭簧或致动器(actuator )。在该实施例中，加压部25为扭簧，扭簧套设在枢接轴22上，且分别连接脚趾部的后端及前段的前端。当足弓部21朝远离平面3的方向位移，使得脚趾部23的底面与前段211的底面间形成第一夹角Θ I时，加压部25会对脚趾部23产生作用力，使得脚趾部23朝远离足弓部21的顶面方向翻转，由于脚趾部23的底面贴靠于平面3上，受到加压部25的作用力的影响，该脚趾部23会对平面3施加一向下作用力，此时,该脚趾部23与平面3间的摩擦力即会增加，令脚趾部23能稳固地定位于平面3上，而不易滑动，如此，机器人行走的过程中即能增加行进稳定度，避免发生滑倒的情况。且在本发明的其它实施例中，生产者能够按照使用上的需求，而使加压部25为致动器或其它组件，只要加压部25能够在脚趾部23的底面贴靠至平面3上，且足弓部21朝远离平面3的方向位移时，迫使脚趾部23向平面3施加一向下作用力，即为本发明所述的加压部25。如图2及图4所示，在上述的步行方式中，当机器人脚掌2由接触平面3改变至处于悬空状态时，受到加压部25的作用力影响，脚趾部23会受力而恢复至原位置，使得该脚趾部23的底面与足弓部21的前段211底面保持水平状(如图3的脚趾部23与足弓部21的位置关系)，或是接近水平状态的位置，也就是说，如图5所示，脚趾部23的底面与足弓部21的前段211的底面间，所形成的第二夹角Θ2不会大于30度。在此特别指出，本发明的加压部25对脚趾部23所施加的作用力，仅会使脚趾部23的底面位移到与足弓部21的前段211底面保持水平状或接近水平状为止，而不会使脚趾部23的底面朝足弓部21的底面方向过度翻转，以避免脚趾部23的前端(如图5所示的虚圈A)先碰触到平面3，进而使脚趾部23的底面贴靠到足弓部21的底面，造成机器人无法正常行走，甚至是损坏机器人脚掌2等问题。如此，如图3所示，当机器人行走时，藉由足弓部21的拱形结构，即能以轻量化结构设计来增加机器人脚掌2承受重量及压力的能力，此外，生产者能够通过在足弓部21的底侧增设肋条216，来提高足弓部21的强度，或者，生产者能通过改变足弓部21的材质，而使足弓部21自身能产生形变，以提供适当的减震效果，令机器人在行走过程中，较不易晃动， 此外，通过足弓部21与脚趾部23的枢接结构，能使机器人行走于非平坦的地面上时，机器人脚掌2能顺应地形地产生变形，而仍能大幅度地贴靠至地面上，加强机器人的平衡性；同时，足弓部21与脚趾部23的枢接结构，还能使机器人脚掌2模拟出人类行走的姿势，达成高度拟人化的效果。以上所述，仅为本发明的较佳实施例，但本发明所主张的权利范围并不局限于此，凡熟悉本领域的技术人员，依据本发明所披露的技术内容，可轻易思及的等效变化，均应属不脱离本发明的保护范畴。
权利要求
1.一种机器人脚掌结构，包括传动轴，其特征在于所述传动轴上设有足弓部，所述足弓部由前段、中段和后段连接组成，所述前段和后段的底面位于同一平面，而中段的底面向上凸起形成拱形结构；所述前段的前端枢接有脚趾部，所述前段的前端与脚趾部的枢接位置上设置有加压部。
2.根据权利要求I所述的机器人脚掌结构，其特征在于所述前段的前端凹设有缺口，脚趾部的后端凸设有连接片，枢接轴穿过缺口与连接片将脚趾部枢接至前段的前端。
3.根据权利要求2所述的机器人脚掌结构，其特征在于所述加压部为扭簧，该扭簧套设在枢接轴上，且分别连接脚趾部的后端及前段的前端。
4.根据权利要求2所述的机器人脚掌结构，其特征在于所述加压部为致动器。
5.根据权利要求3或4所述的机器人脚掌结构，其特征在于所述足弓部的中段底侧设有肋条。
6.根据权利要求5所述的机器人脚掌结构，其特征在于所述脚趾部的底面与前段的底面在接近水平的状态下，所述脚趾部的底面与足弓部的前段的底面间所形成的第二夹角不大于30度。
7.根据权利要求6所述的机器人脚掌结构，其特征在于所述足弓部中段的顶面设有连接部，该连接部与传动轴相连接。
全文摘要
本发明公开了一种机器人脚掌结构，要解决的技术问题是提供一种使得机器人脚掌能适应于各种地形，且能更为稳固地行走，产生拟人步态效果的机器人脚掌结构。为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案一种机器人脚掌结构，包括传动轴，所述传动轴上设有足弓部，所述足弓部由前段、中段和后段连接组成，所述前段和后段的底面位于同一平面，而中段的底面向上凸起形成拱形结构；所述前段的前端枢接有脚趾部，所述前段的前端与脚趾部的枢接位置上设置有加压部。本发明与现有技术相比，通过足弓部与脚趾部的枢接结构，能使机器人适应于非平坦的地面行走，从而使机器人脚掌的行走步态更加拟人化。
文档编号B62D57/032GK102717846SQ20121020697
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月21日 优先权日2012年6月21日
发明者戴文钟 申请人:戴文钟