一種機器人的腳掌機構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明一種機器人的腳掌機構(gòu)屬于機器人【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種提升多足機器人足部爬坡能力的腳掌機構(gòu)。該腳掌機構(gòu)由接觸摩擦部分、主動抓地部分和與足聯(lián)結(jié)部分組成。在接觸摩擦部分中，采用具有復(fù)合花紋的足墊增大與接觸面間的摩擦系數(shù)，提高機器人足部爬坡的穩(wěn)定性，適應(yīng)多種復(fù)雜山地環(huán)境。在主動抓地部分中，采用有齒形的爪齒塊刺入進地面，增加機器人足部抓地力，從而對路況復(fù)雜的山地坡路具有更好的適應(yīng)能力。在與足聯(lián)結(jié)部分中，采用分離半環(huán)形壓板結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)腳掌與機器人足的便捷聯(lián)結(jié)。該腳掌機構(gòu)具備防滑、保護機器人足端的功能，可以作為一個通用模塊來使用，調(diào)整、更換、維護簡便，提高了機器人行走的穩(wěn)定性、適應(yīng)性和靈活性。
【專利說明】一種機器人的腳掌機構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機器人【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種提升多足機器人足部爬坡能力的腳掌機構(gòu)，具有良好的靈活性和適應(yīng)性。
【背景技術(shù)】
[0002]多足式機器人可通過離散的落足點跨越障礙、攀登階梯、跋涉沼澤等，具有較高的自適應(yīng)性，但是固定不變的足部對多種路況、復(fù)雜地貌的適應(yīng)性有所局限。
[0003]近年來，多足機器人以其行動的靈活性和環(huán)境適應(yīng)性的優(yōu)勢而受到很大的關(guān)注。美國斯坦福大學(xué)模擬蟑螂研制成微小型機器人Spiny-Bot，它的腳上長有極微細的倒鉤刺，“扣”住粗糙壁面上的凸緣，通過倒刺增加與墻壁接觸面間的摩擦力，從而實現(xiàn)爬壁作業(yè)，但是在光滑表面移動能力受限；西北工業(yè)大學(xué)提出一種真空吸附式壁面爬壁機器人，腳上有一種由真空泵驅(qū)動的壁厚變化的軟吸盤機構(gòu)，通過真空吸附方式增加與墻壁接觸面間的摩擦力，但是對于粗糙表面其功能受限。
[0004]公布號為CN102001370A，發(fā)明人為戴文鐘的發(fā)明專利《機器人腳掌結(jié)構(gòu)》中對雙足式機器人的腳掌機構(gòu)進行了設(shè)計。該腳掌機構(gòu)仿照人體足弓結(jié)構(gòu)，在有起伏的水平地面上可以穩(wěn)定、大步距行走，具有良好的減振性能。但是其在爬坡過程中很難保證足夠的抓地能力，尤其在具有沙石顆粒的山地斜坡路面上，腳掌與地面間的摩擦力過小而導(dǎo)致機體整體打滑。
[0005]公布號為CN103204190A，發(fā)明人為王福吉等的發(fā)明專利《一種機器人足部機構(gòu)》中對多足機器人的足端結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計。該足端結(jié)構(gòu)同時具有大角度擺動和減振的功能，可以在復(fù)雜地貌上實現(xiàn)一定程度的穩(wěn)定行走。但是在爬較大角度斜坡的過程中足底橡膠與路面間的摩擦系數(shù)較低，爬坡性能受限。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)難題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，針對目前足式移動機器人領(lǐng)域缺少對復(fù)雜山地地貌缺少靈活適應(yīng)性的現(xiàn)狀，發(fā)明一種具有提升機器人足端抓地能力的腳掌機構(gòu)，即通過楔形爪齒塊與復(fù)位彈簧配合，爪齒結(jié)構(gòu)在機器人足底實現(xiàn)靈活地張弛與縮回。該腳掌可以通用地安裝在機器人的足部，輔助機器人在復(fù)雜的山地坡面上穩(wěn)定行進。同時具有方便拆裝和通用性強的特點，在不同地貌都可以實現(xiàn)快速、可靠抓地，提高機器人足部的摩擦力。
[0007]本發(fā)明采取的技術(shù)方案為一種機器人的腳掌機構(gòu)，其特征是，腳掌機構(gòu)采用抓地元件環(huán)形均布結(jié)構(gòu)，腳掌機構(gòu)由接觸摩擦部分、主動抓地部分和與足聯(lián)結(jié)部分組成；接觸摩擦部分中，具有復(fù)合花紋的足墊I粘接在足底板2上，具有復(fù)合花紋的足墊I在中心區(qū)域A為半球形花紋，在主承載區(qū)域B為呈“人字形”的發(fā)散狀越野花紋，在邊界區(qū)域C為圓柱形花紋，將帶有止口的足底板2通過十二個內(nèi)六角螺釘14聯(lián)接到基座3上；在主動抓地部分中，六個有齒形的爪齒塊9分別布置在基座3上環(huán)形均布的楔形槽中，六個T形掛鉤12的“一”字端分別嵌入基座3上環(huán)形均布的T形槽中，另一端分別與六個復(fù)位彈簧11相聯(lián)，復(fù)位彈簧11的另一端與旋入爪齒塊9的彈簧連接螺釘10相聯(lián)，六個擋板4分別通過四個擋板聯(lián)接螺釘5聯(lián)接到基座3上；在與足聯(lián)結(jié)部分中，機器人足部8放置在爪齒塊9上，緩沖橡膠墊13粘接在基座3的上表面上，兩個半環(huán)形壓板6分別通過六個外六角螺釘7固定在基座3上，同時兩個半環(huán)形壓板6蓋在機器人足部8的凸緣上。
[0008]本發(fā)明的有益效果是采用有復(fù)合花紋的足墊，增加腳掌接觸面間的摩擦力，適應(yīng)多種復(fù)雜山地環(huán)境；采用有齒形的爪齒塊刺入地面，增加腳掌機構(gòu)爬坡時的抓地力；采用分離壓板的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)腳掌與機器人足的便捷聯(lián)結(jié)。采用上述結(jié)構(gòu)形式，使機器人足部整體在不同路面上都保持較強的抓地能力，從而使機器人足部對路況復(fù)雜的山地坡路具有更好的適應(yīng)能力。該腳掌機構(gòu)具備防滑、保護機器人足端的功能，可以作為一個通用模塊來使用，調(diào)整、更換、維護簡便，提高了機器人行走的穩(wěn)定性、適應(yīng)性和靈活性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是一種機器人的腳掌機構(gòu)的軸側(cè)視圖，圖2是一種機器人的腳掌機構(gòu)的俯視圖，圖3是圖2中的A-A剖視圖，圖4是圖3中爪齒塊9伸出后的剖視圖，圖5是圖2中的B-B剖視圖，圖6是圖5中的C方向視圖。圖中:I足墊，2足底板，3基座，4擋板，5擋板連接螺釘，6半環(huán)形壓板，7外六角螺釘，8機器人足部，9爪齒塊，10彈簧連接螺釘，11復(fù)位彈簧，12T形掛鉤，13緩沖橡膠墊，14內(nèi)六角螺釘。
【具體實施方式】
[0010]結(jié)合附圖和技術(shù)方案詳細說明本發(fā)明的【具體實施方式】:該腳掌是獨立于機器人足部的一個輔助裝置，具有一定的通用性和普適性。采用復(fù)合花紋足墊提升足底接觸面間的基本摩擦系數(shù)；采用有齒形的爪塊結(jié)構(gòu)刺入地面并實現(xiàn)張緊和把持的功能，提升機器人足端的抓地能力，進而增加足端整體的摩擦性能；采用拉簧結(jié)構(gòu)實現(xiàn)爪齒塊的快速復(fù)位工作，避免爪齒塊復(fù)位速度過慢而導(dǎo)致機器人足部抬起后足底與地面發(fā)生干涉，影響機器人行走的穩(wěn)定性；采用分開的兩個半環(huán)形壓板結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)本腳掌與機器人足部的便捷聯(lián)結(jié)，使得腳掌的更換、維護和升級更加靈活；在機器人足部與基座之間添加一層緩沖橡膠墊用以減緩足部下落造成的沖擊和振動，減緩腳掌的疲勞損壞。
[0011]從附圖1和附圖2中可以看到共有六個爪齒塊9環(huán)形分布均布于整個腳掌，可以滿足機器人足底各向同性的要求，各個爪齒塊9的使用損耗也將相似。環(huán)形均布結(jié)構(gòu)還可以避免機器人足端落地時因各向異性導(dǎo)致的腳掌受力不均和落地不穩(wěn)的現(xiàn)象。爪齒塊9上的齒形仿照農(nóng)業(yè)工具犁的尖端形狀，具有較強的抓地性能。爪齒塊9采用非實心的結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、強度高的優(yōu)勢，同時對內(nèi)部的復(fù)位彈簧11還具有一定的封裝保護作用，整體上可以承受一定的沖擊載荷，安全可靠。
[0012]可以從附圖6中看到，足墊I采用的花紋是由簡單花紋組合成的復(fù)合形式花紋。附圖6中的A區(qū)域是半球形花紋，在與接觸面接觸時依次觸碰到球面的頂部、腰部，接觸面積迅速擴大，同時半球花紋由于擠壓變形會與周圍半球配合在無花紋處形成空腔并產(chǎn)生一定的負壓，從而快速增加抓地力，適于在如冰雪路面的較光滑路面行走。附圖6中的B區(qū)域為呈“人字形”的發(fā)散狀越野花紋，適于在松土路、泥雪路、泥濘的地面上行走，為機器人足部在起伏不平的地面上行進時提供絕大部分的摩擦力。附圖6中C區(qū)域為圓柱形花紋，在與地面接觸時，可以耙住底面，增加抓地性能。具有復(fù)合花紋的足墊I結(jié)合嵌入地面的爪齒塊9，可以為機器人足部提供較強的抓地能力，大幅提高機器人足部對復(fù)雜路況的適應(yīng)能力。
[0013]在附圖3中，腳掌處于抬起狀態(tài)，機器人足部8的活動范圍為壓板6的下邊緣到緩沖橡膠墊13。如附圖4中所示當(dāng)機器人足部8落下時，爪齒塊9受壓沿基座3上的楔形槽方向滑動，從足墊I伸出并刺入地面，同時，復(fù)位彈簧11拉伸。爪齒塊9齒形端刺入地面時，足墊I也會因為機器人足部8的踩壓下而發(fā)生變形，爪齒的嵌入深度也有所增加。再結(jié)合足墊I的特殊復(fù)合型花紋可以很大增加腳掌與地面間的摩擦力。
[0014]如附圖5所示，機器人足部8抬起時，復(fù)位彈簧11回縮，爪齒塊9在復(fù)位彈簧11的作用下沿楔形槽方向快速收回，在此過程中爪齒塊9的上表面始終保持與機器人足部8接觸。當(dāng)機器人足部8抬起至與兩個半環(huán)形壓板6接觸后，腳掌與地面完全脫離，再之后機器人足部8帶動整個腳掌抬升，最終實現(xiàn)機器人足端8與機器人腳掌的一致運動。
[0015]擋板4主要是對爪齒塊9進行一定程度的封裝，防止側(cè)向雜物進入干擾爪齒塊9的正常工作，并有在復(fù)位彈簧11失效后防止爪齒塊9脫落的功能。緩沖橡膠墊13主要用于減緩足部下落造成的沖擊和振動，減緩腳掌的疲勞損壞。
[0016]該腳掌機構(gòu)具備防滑、保護機器人足端的功能，可以作為一個通用模塊來使用，調(diào)整、更換、維護簡便，提高了機器人行走的穩(wěn)定性、適應(yīng)性和靈活性。
【權(quán)利要求】
1.一種機器人的腳掌機構(gòu)，其特征是，腳掌機構(gòu)采用抓地元件環(huán)形均布結(jié)構(gòu)，腳掌機構(gòu)由接觸摩擦部分、主動抓地部分和與足聯(lián)結(jié)部分組成。 在接觸摩擦部分中，具有復(fù)合花紋的足墊(I)粘接在足底板(2)上，具有復(fù)合花紋的足墊(I)在中心區(qū)域(A)為半球形花紋，在主承載區(qū)域(B)為呈“人字形”的發(fā)散狀越野花紋，在邊界區(qū)域(C)為圓柱形花紋，將帶有止口的足底板(2)通過十二個內(nèi)六角螺釘(14)聯(lián)接到基座(3)上。 在主動抓地部分中，六個有齒形的爪齒塊(9)分別布置在基座(3)上環(huán)形均布的楔形槽中，六個T形掛鉤(12)的“一”字端分別嵌入基座(3)上環(huán)形均布的T形槽中，另一端與六個復(fù)位彈簧(11)分別相聯(lián)，復(fù)位彈簧(11)的另一端與旋入爪齒塊(9)的彈簧連接螺釘(10)相聯(lián)，六個擋板(4)分別通過四個擋板聯(lián)接螺釘(5)聯(lián)接到基座(3)上。 在與足聯(lián)結(jié)部分中，機器人足部(8 )放置在爪齒塊(9 )上，緩沖橡膠墊(13)粘接在基座(3)的上表面上，兩個半環(huán)形壓板(6)分別通過六個外六角螺釘(7)固定在基座(3)上，同時兩個半環(huán)形壓板(6)蓋在機器人足部(8)的凸緣上。
【文檔編號】B62D57/02GK103434581SQ201310347962
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月8日
【發(fā)明者】王福吉, 許強, 馬建偉, 李明星, 賈振元, 寧福達 申請人:大連理工大學(xué)