專利名稱：一種仿蝗蟲腳掌的機(jī)器人腳的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及仿生機(jī)器人領(lǐng)域，具體指的是一種足式機(jī)器人腳的仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計。
背景技術(shù)：
隨著機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，機(jī)器人在現(xiàn)代工業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。而足式 機(jī)器人對復(fù)雜的山地非結(jié)構(gòu)環(huán)境具有良好的適應(yīng)能力，以及較大的承載能力，在山地搜救、 地震、泥石流災(zāi)害后的物資運(yùn)輸?shù)确矫婢哂袕V泛的應(yīng)用價值。要提高足式機(jī)器人的運(yùn)動適應(yīng)能力，機(jī)器人腳掌設(shè)計必須滿足以下幾個條件1. 低接觸剛度，優(yōu)良的抓地性能；2.優(yōu)越的減震和緩沖作用，節(jié)省能耗；3.良好的支撐剛度， 具備一定的承載能力?，F(xiàn)有足式機(jī)器人中有關(guān)機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)，大都采用橡膠腳底層的結(jié)構(gòu)來增加 腳與地面的摩擦性能，但對于不平地面來說，橡膠制成的平面腳底無法獲得足夠的抓地 力，因而無法滿足機(jī)器人整體高效性的要求。如吳仲城等人申請的專利號為CN1513647A、 專利名稱為“一種人形機(jī)器人腳及腳力信息檢測方法”的專利中的腳結(jié)構(gòu)。地面上的力作 用到腳底后，雖然橡膠腳底層在垂直方向上產(chǎn)生的彈性變形能夠減少沖擊負(fù)載的作用，但 該腳結(jié)構(gòu)沒有提供穩(wěn)定行走的機(jī)構(gòu)。當(dāng)振動施加在機(jī)器人的腳跟后，不能有效地減小振動。為了解決這個問題，胡貫朋等人發(fā)表了專利公開號為CN1586966A，專利名稱為“足 部浮動支撐的四足步行機(jī)器人的腳結(jié)構(gòu)”的專利，該專利所述的腳部結(jié)構(gòu)設(shè)計了具有彈性 補(bǔ)償能力的平面移動副連接，因而保證此結(jié)構(gòu)在水平方向內(nèi)具有彈性。但是該結(jié)構(gòu)在垂直 方向上卻沒有提供彈性緩沖機(jī)構(gòu)，這樣就無法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人腳在與地面有較大沖擊時具有緩 沖作用。此外，Jinichi Yamaquchi等人發(fā)表的名稱為“用于獲得著地表面位置信息并使動 態(tài)兩足行走穩(wěn)定的帶振動吸收材料的腳機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)研制”的文章中，公開了一種用于人形 機(jī)器人的先進(jìn)的腳部結(jié)構(gòu)，但此種結(jié)構(gòu)機(jī)器人腳沒有腳趾關(guān)節(jié)，這樣腳在行走時的推離運(yùn) 動中抓地力就不夠，不能保證地面和腳部之間的緊密接觸。而專利公開號為CN165U95A，專利名稱為人形機(jī)器人的腳部結(jié)構(gòu)及具有該腳 部結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，申請日為2005年8月10日，該專利腳部結(jié)構(gòu)能夠吸收沖擊并穩(wěn)定機(jī)器 人的步態(tài)。但該專利的腳部結(jié)構(gòu)對不平地面適應(yīng)性較差，當(dāng)機(jī)器人處于山地或崎嶇地段的 時候，機(jī)器人腳無法保證高效工作。同時該腳部結(jié)構(gòu)設(shè)計復(fù)雜。由此可見，機(jī)器人腳的結(jié)構(gòu)設(shè)計迫切需要原創(chuàng)的理念，從而滿足機(jī)器人在各種復(fù) 雜表面上的穩(wěn)定附著、良好的抓地性能和支撐剛度。在上百萬年的進(jìn)化過程中，昆蟲的足掌獲得了最佳的幾何設(shè)計和生物材料特性， 保證了昆蟲能夠在各種生活環(huán)境、不同材料、質(zhì)構(gòu)、粗糙度的表面上運(yùn)動、停留。其中，蝗蟲 足掌的結(jié)構(gòu)精巧，通過軟性外表皮(內(nèi)包含血漿(液體))與地面接觸實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定附著。觀測蝗蟲第3對足(跳躍足)跗骨，發(fā)現(xiàn)其剖面形狀類似W型，結(jié)構(gòu)主要包括黑色 表皮、氣囊、含桿狀組織的軟外表皮和血漿。其中軟外表皮是相對滑軟的易變形材料，為蝗蟲腳掌的工作平面。采用簡化模型對蝗蟲跳躍足跗骨剖面進(jìn)行有限元分析，結(jié)果表明蝗蟲腳掌的結(jié) 構(gòu)設(shè)計具有優(yōu)越的力學(xué)性能，內(nèi)含血漿的軟性外表皮與地面接觸時，由于接觸剛度低，在載 荷作用下可使腳掌獲得較大的接觸面積；同時軟外表皮下的樹叢狀桿組織結(jié)構(gòu)提高了蝗蟲 足掌在各種表面上的適應(yīng)性，降低足掌內(nèi)部的應(yīng)力。蝗蟲腳掌的這種精巧的W型結(jié)構(gòu)使它 以兩種方式獲得最大的摩擦力①在接觸過程中，由于腳掌的變形，已經(jīng)產(chǎn)生了較大的摩擦 力，這樣在蝗蟲腿主動運(yùn)動時，摩擦力從一個較大的值開始增加，這有利于獲得穩(wěn)定附著； ②腳掌的W型結(jié)構(gòu)設(shè)計使得它獲得盡可能大的接觸面積，在有毛細(xì)作用情況下，這有利于 獲得較大的粘著力?；认x足掌的這種精巧結(jié)構(gòu)為我們設(shè)計具有高度環(huán)境適應(yīng)性的機(jī)器人腳提供了設(shè) 計靈感和創(chuàng)新源泉。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種抓地性能良好且在水平和垂直方向上都 具有彈性緩沖作用的仿蝗蟲腳掌的機(jī)器人腳。本發(fā)明主要由腳背1和腳掌2組成，腳背1采用硬質(zhì)材料，腳掌2采用彈性材料，腳 掌2位于腳背1下方且兩者之間形成空腔，空腔內(nèi)部填充的物質(zhì)為液體或氣體；腳掌2底部 還具有花瓣型結(jié)構(gòu)，該花瓣型結(jié)構(gòu)是模仿蝗蟲腳剖面的類W型結(jié)構(gòu)繞W型中心軸旋轉(zhuǎn)，再 在旋轉(zhuǎn)后得到的曲面上沿圓周進(jìn)行等分，得到若干等分的花瓣體，過中心軸與各等分線處 的截面類W型彎曲的曲率小于瓣型中心線截面的類W型彎曲曲率，且瓣型中心線與等分線 間各截面的類W型彎曲曲率逐漸遞減，從而形成了圓形等分的具有褶痕狀的花瓣型結(jié)構(gòu)。 由于花瓣型結(jié)構(gòu)本身的接觸面積大，變形后還會獲得更大的接觸面積，同時溝槽狀結(jié)構(gòu)能 夠起到一定的推力作用，因此在機(jī)器人腿蹬地過程中，能使腳底與地面充分接觸，從而增 大了接觸面積，增大了與地面的摩擦力/抓地力。本發(fā)明的工作原理本發(fā)明通過對蝗蟲腳掌剖面進(jìn)行有限元分析，揭示了蝗蟲腳 掌具有較大的抓地力，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的附著的特性，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種仿蝗蟲腳掌的 機(jī)器人腳結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)簡單、易于推廣，具有良好的實(shí)用價值。腳掌底部的變形是彈性的， 當(dāng)足抬起時，腳掌底部恢復(fù)到原有的形狀；當(dāng)足觸地時，腳掌受力后與地接觸面積變大，同 時在液壓的作用下，腳掌上方部位向外擴(kuò)張，可以保證腳掌和腳背更加緊密結(jié)合；當(dāng)腿受到 水平和鉛垂方向的沖擊力時，軟質(zhì)材料的腳掌會產(chǎn)生變形，從而起到緩沖作用。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比還具有如下優(yōu)點(diǎn)
1.本發(fā)明的腳結(jié)構(gòu)設(shè)計有空腔，空腔中可充入液體，起到阻尼作用，吸收沖擊和振 動，緩解機(jī)器人腳著地時的沖擊力，減少腳結(jié)構(gòu)在高頻帶的振動，從而保證了足式機(jī)器人的 整體穩(wěn)定性。該腳部結(jié)構(gòu)能夠?yàn)樽闶綑C(jī)器人腿部提供完好的保護(hù)，甚至在堅硬的石頭面上 如履平地。2.本發(fā)明具有良好的支撐剛度，可以應(yīng)用于高負(fù)載的條件下。3.本發(fā)明的腳結(jié)構(gòu)簡單、輕便，易于加工、實(shí)用價值高，易于推廣。


圖1為本發(fā)明一種仿蝗蟲腳掌的機(jī)器人腳結(jié)構(gòu)的半剖結(jié)構(gòu)圖； 圖2為本發(fā)明一種仿蝗蟲腳掌的機(jī)器人腳結(jié)構(gòu)的腳背結(jié)構(gòu)圖3為本發(fā)明一種仿蝗蟲腳掌的機(jī)器人腳結(jié)構(gòu)的腳掌主視圖； 圖4為本發(fā)明一種仿蝗蟲腳掌的機(jī)器人腳結(jié)構(gòu)的腳掌仰視圖； 圖5為本發(fā)明一種仿蝗蟲腳掌的機(jī)器人腳結(jié)構(gòu)未受力時演示圖； 圖6為本發(fā)明一種仿蝗蟲腳掌的機(jī)器人腳結(jié)構(gòu)受力時演示圖。圖中標(biāo)號名稱1、腳背；2、腳掌；3、膠層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明
結(jié)合圖1、2、3、4，本實(shí)例為一種仿蝗蟲腳掌的機(jī)器人腳結(jié)構(gòu)，包括腳背1、腳掌2、膠 層3。上述腳掌底部還具有花瓣型結(jié)構(gòu)，該花瓣型結(jié)構(gòu)是模仿蝗蟲腳剖面的類W型結(jié)構(gòu)繞W 型中心軸旋轉(zhuǎn)，再在旋轉(zhuǎn)后得到的曲面上沿圓周進(jìn)行等分，得到如干等分的“花瓣”，過中 心軸與各等分線處的截面類W型彎曲的曲率小于瓣型中心線截面的類W型彎曲曲率，且瓣 型中心線與等分線間各截面的類W型彎曲曲率逐漸遞減，從而形成了圓形等分的具有褶痕 狀的花瓣型結(jié)構(gòu)。如圖1所示，腳背1采用鋁合金材料，腳掌2采用聚氨酯橡膠材料，膠層3為703 膠。腳背1與腳掌2通過膠層3連接。由于703膠固化后附著力強(qiáng)，富有彈性，其粘接密封 效果好；同時703膠固化后易于去除，方便日后更換腳背或者腳掌。在使用的過程中，在腳 掌和腳背形成的空腔中注入液體水。所述的腳背1的上端通過螺紋與機(jī)器人腿部連接。本實(shí)施例在使用中，腳掌底部的變形是彈性的，當(dāng)足抬起時，腳掌底部恢復(fù)到原有 的形狀；當(dāng)足觸地時，腳掌受力后與地接觸面積變大，同時在液壓的作用下，腳掌上方部位 向外擴(kuò)張，可以保證腳掌和腳背更加緊密結(jié)合；當(dāng)腿受到水平和鉛垂方向的沖擊力時，橡膠 材料的腳掌會產(chǎn)生變形，從而起到緩沖作用，同時由于腳掌底部為類蝗蟲腳剖面的花瓣型 結(jié)構(gòu)，受到?jīng)_擊力后，由于花瓣型的結(jié)構(gòu)變形，會產(chǎn)生更大的附著力。圖5、圖6是一個機(jī)器人腳結(jié)構(gòu)效果演示對比圖。在圖5、圖6中，通過使用ANSYS10.0(可以從ANSYS有限公司購買)進(jìn)行非線性有 限元分析來計算腳掌2接觸面積的增大量。本實(shí)施對整個模型的1/4進(jìn)行分析，同時使用 一個圓塞代替機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)與腳背1的上端連接。圖5為整個模型未受力時的情形，此 時腳掌2與地面接觸類型為線面接觸；圖6為整個模型在受到50N承載力時的變形圖，此時 腳掌2與地面的接觸類型為面面接觸，接觸面積增至2721. 23mm2。綜上所述，本發(fā)明的機(jī)器人仿生腳結(jié)構(gòu)具有減震緩沖和優(yōu)良的地面附著能力，同 時該結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、支撐剛度高，是一種較優(yōu)實(shí)施方案。本實(shí)例只是其中的一種實(shí)施方式，本發(fā)明主要包括其特殊的功能結(jié)構(gòu)形式，對使 用的材料種類不限，可依據(jù)具體工況選擇合適材料。
權(quán)利要求
1.一種仿蝗蟲腳掌的機(jī)器人腳，其特征在于由腳背(1)和腳掌(2)組成，其中腳背(1) 采用硬質(zhì)材料，腳掌(2)采用彈性材料，腳掌(2)位于腳背(1)下方且兩者之間形成空腔，空 腔內(nèi)部填充的物質(zhì)為液體或氣體；上述腳掌(2)底部還具有花瓣型結(jié)構(gòu)，該花瓣型結(jié)構(gòu)是 模仿蝗蟲腳剖面的類W型結(jié)構(gòu)繞W型中心軸旋轉(zhuǎn)，再在旋轉(zhuǎn)后得到的曲面上沿圓周進(jìn)行等 分，得到若干等分的花瓣體，過中心軸與各等分線處的截面類W型彎曲的曲率小于瓣型中 心線截面的類W型彎曲曲率，且瓣型中心線與等分線間各截面的類W型彎曲曲率逐漸遞減， 從而形成了圓形等分的具有褶痕狀的花瓣型結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿蝗蟲腳掌的機(jī)器人腳，其特征在于上述腳掌(2)的壁厚均勻。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿蝗蟲腳掌的機(jī)器人腳，其特征在于上述腳背(1)和腳掌 (2)之間用膠層(3)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿蝗蟲腳掌的機(jī)器人腳，其特征在于所述的腳背(1)的下端 內(nèi)表面通過膠層(3)與腳掌(2)的上端外表面粘結(jié)在一起。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿蝗蟲腳掌的機(jī)器人腳，其特征在于上述腳背(1)和腳掌 (2)構(gòu)成的腳整體呈中心法線對稱形式。
全文摘要
一種用于仿生機(jī)器人領(lǐng)域的仿蝗蟲腳掌的機(jī)器人腳結(jié)構(gòu)，其能夠提供較大的抓地力并保持系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性。所述結(jié)構(gòu)包括腳背，腳掌，膠層。腳掌和腳背通過膠層粘結(jié)在一起，在腳背與腳掌形成的空腔中注入液體，腳背上端與腿部連接。當(dāng)機(jī)器人腳承受載荷時，彈性材料制成的腳掌發(fā)生變形后會增大與地面的接觸面積，同時由于腳掌的底部采用了類蝗蟲腳剖面的花瓣型結(jié)構(gòu)，可增大腳與地面的摩擦力。而彈性材料和空腔中的液體又能夠吸收腳著地時的沖擊力，進(jìn)一步保證了機(jī)器人的整體穩(wěn)定性。
文檔編號B25J19/00GK102079095SQ201010564598
公開日2011年6月1日 申請日期2010年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月30日
發(fā)明者俞志偉, 盧松明, 戴振東, 郭策 申請人:南京航空航天大學(xué)