本發(fā)明涉及機(jī)器人，尤其涉及一種基于低熔點合金的可變剛度仿生機(jī)器人腳。

背景技術(shù)：

1、在機(jī)器人領(lǐng)域中，仿生機(jī)器人一直是應(yīng)用于研究的熱門方向，尤其是模仿人類運(yùn)動的機(jī)器人，更昭示著未來機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向。

2、為了更好的使機(jī)器人模擬人類行走動作，研究人員們設(shè)計了許多創(chuàng)新的機(jī)器人仿生腳踝結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)更好的緩震與支撐效果，漸漸的，研究人員發(fā)現(xiàn)固定剛度的機(jī)器人仿生腳踝在面對不同的行走環(huán)境與負(fù)載工作模式時并不靈活，適應(yīng)能力差，因此，許多可變剛度的腳踝結(jié)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生。

3、以往的變剛度仿生機(jī)器人腳踝的變剛度功能通常通過復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，往往伴隨著昂貴的成本與較高的故障率，因此，相關(guān)領(lǐng)域需要一種結(jié)構(gòu)簡單，效果穩(wěn)定的新設(shè)計。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述不足，提出一種基于低熔點合金的可變剛度仿生機(jī)器人腳。

2、本發(fā)明的一種基于低熔點合金的可變剛度仿生機(jī)器人腳，包括仿生機(jī)器人足底、仿生機(jī)器人小腿和兩個踝關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)；所述踝關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)包括連接柱和設(shè)置在所述連接柱的一端的可變彈性組件；所述仿生機(jī)器人小腿的底部通過第一連接軸可轉(zhuǎn)動的設(shè)置在所述仿生機(jī)器人足底的中部，兩個所述連接柱通過第二連接軸可轉(zhuǎn)動的設(shè)置在所述仿生機(jī)器人小腿的中部兩側(cè)，兩個所述可變彈性組件通過第三連接軸可轉(zhuǎn)動的設(shè)置在所述仿生機(jī)器人足底的后端；

3、所述可變彈性組件包括底座、低熔點合金可變剛度層、彈性件、頂板、至少兩個導(dǎo)向柱；低熔點合金可變剛度層固定于底座上，至少兩個所述導(dǎo)向柱豎直間隔設(shè)置在底座上，所述頂板上設(shè)有至少兩個導(dǎo)向孔，所述頂板由所述導(dǎo)向孔可滑動的設(shè)置在所述導(dǎo)向柱上，彈性件一側(cè)與低熔點合金可變剛度層上表面連接，另一側(cè)與頂板連接。

4、進(jìn)一步的，所述低熔點合金可變剛度層包括從下至上依次設(shè)置的硅膠底層、低熔點合金塊、硅膠夾層、電加熱絲和硅膠頂層，所述電加熱絲的兩端外接電源。

5、進(jìn)一步的，所述電加熱絲彎折為漩渦狀，兩端延長暴露于低熔點合金變剛度層外與電源相連接。

6、進(jìn)一步的，所述導(dǎo)向孔上均設(shè)有滑動軸承，所述導(dǎo)向柱穿設(shè)在所述滑動軸承內(nèi)。

7、進(jìn)一步的，所述彈性件為圓柱螺旋壓縮彈簧。

8、進(jìn)一步的，所述頂板下表面設(shè)有圓柱形突起，直徑與圓柱螺旋壓縮彈簧內(nèi)徑相等，所述圓柱螺旋壓縮彈簧套設(shè)在所述圓柱形突起上。

9、進(jìn)一步的，所述底座為一中心開孔的圓柱體；所述底座上設(shè)有凹槽，所述可變彈性組件設(shè)置在所述凹槽內(nèi)。

10、進(jìn)一步的，所述凹槽外壁設(shè)有供所述電加熱絲兩端延長伸出的開口。

11、進(jìn)一步的，所述底座設(shè)有至少兩個安裝孔，所述導(dǎo)向柱設(shè)置在所述安裝孔內(nèi)。

12、進(jìn)一步的，所述安裝孔的個數(shù)為三個，且三個所述安裝孔的連線為正三角形。

13、本發(fā)明中，在機(jī)器人邁步時，仿生機(jī)器人小腿可繞第一連接軸相對仿生機(jī)器人足底前后旋轉(zhuǎn)，模擬人類邁步時足與小腿的狀態(tài)；同時，踝關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)與基于可變彈性組件在仿生機(jī)器人足底觸地與離地時提供緩震與支撐；通過改變可變彈性組件的彈性系數(shù)，可以改變其緩震效果與支撐力度，從而改變仿生機(jī)器人踝關(guān)節(jié)的剛度。這種改變剛度地能力可以使機(jī)器人適應(yīng)不同的行走環(huán)境與工作模式。

14、可變彈性組件的變剛度原理為，可以通過向電加熱絲通直流電加熱使低熔點合金塊熔化，降低低熔點合金可變剛度層的剛度；停止通電后可通過自然散熱使低熔點合金塊凝固，恢復(fù)低熔點合金可變剛度層的剛度。在不通電時，低熔點合金可變剛度層為高剛度狀態(tài)，此時給彈簧上頂板施加向下的壓力，圓柱螺旋壓縮彈簧壓縮，產(chǎn)生彈力，低熔點合金可變剛度層形態(tài)保持不變，此時可變彈性系數(shù)彈簧的整體彈性系數(shù)等于圓柱螺旋壓縮彈簧的彈性系數(shù)；在通電加熱后，低熔點合金可變剛度層轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛣偠葼顟B(tài)，此時給頂板施加向下的壓力，圓柱螺旋壓縮彈簧壓縮的同時，低熔點合金可變剛度層中心下陷，使得可變彈性系數(shù)彈簧在受到同樣的壓力時，彈簧上頂板的位移距離增加，此時可變彈性系數(shù)彈簧的整體彈性系數(shù)低于圓柱螺旋壓縮彈簧的彈性系數(shù)，實現(xiàn)了彈性系數(shù)的改變。這種變剛度方式不改變彈簧整體結(jié)構(gòu)與作用長度，易于實現(xiàn)對機(jī)器人關(guān)節(jié)的建模與控制。

15、本發(fā)明的可變彈性組件通過控制低熔點合金的溫度，實現(xiàn)固態(tài)和液態(tài)的可控切換，進(jìn)而實現(xiàn)對可變彈性組件彈性系數(shù)的動態(tài)調(diào)節(jié)。同時，基于低熔點合金的可變彈性系數(shù)彈簧變剛度性能良好，性質(zhì)穩(wěn)定，應(yīng)用于仿生機(jī)器人踝關(guān)節(jié)中，可有效降低制造與維護(hù)成本，提高工作穩(wěn)定性。

16、本發(fā)明的實施例提供的技術(shù)方案帶來的有益效果是：本發(fā)明的一種基于低熔點合金的可變剛度仿生機(jī)器人腳，可以有效實現(xiàn)對人類踝足關(guān)節(jié)的模仿工作，為機(jī)器人行走與運(yùn)動提供良好的緩震與支撐作用。其中，核心部件為基于低熔點合金的可變彈性組件，通過控制低熔點合金可變剛度層的溫度，可以實現(xiàn)對可變彈性組件的彈性系數(shù)進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，從而滿足不同工作條件下的需求，這種新穎的變彈性系數(shù)原理在改變彈簧彈性系數(shù)的同時，不改變彈簧的結(jié)構(gòu)與作用長度，同時變剛度過程不依賴電機(jī)，進(jìn)一步提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；同時，結(jié)構(gòu)簡單，無需復(fù)雜的零部件和裝配過程，易于制造和維護(hù)。

技術(shù)特征：

1.一種基于低熔點合金的可變剛度仿生機(jī)器人腳，其特征在于：包括仿生機(jī)器人足底(1)、仿生機(jī)器人小腿(2)和兩個踝關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)(3)；所述踝關(guān)節(jié)連接機(jī)構(gòu)(3)包括連接柱(4)和設(shè)置在所述連接柱(4)的一端的可變彈性組件(5)；所述仿生機(jī)器人小腿(2)的底部通過第一連接軸(6)可轉(zhuǎn)動的設(shè)置在所述仿生機(jī)器人足底(1)的中部，兩個所述連接柱(4)通過第二連接軸(7)可轉(zhuǎn)動的設(shè)置在所述仿生機(jī)器人小腿(2)的中部兩側(cè)，兩個所述可變彈性組件(5)通過第三連接軸(8)可轉(zhuǎn)動的設(shè)置在所述仿生機(jī)器人足底(1)的后端；

2.如權(quán)利要求1所述的一種基于低熔點合金的可變剛度仿生機(jī)器人腳，其特征在于：所述低熔點合金可變剛度層(52)包括從下至上依次設(shè)置的硅膠底層(521)、低熔點合金塊(522)、硅膠夾層(523)、電加熱絲(524)和硅膠頂層(525)，所述電加熱絲(524)的兩端外接電源。

3.如權(quán)利要求2所述的一種基于低熔點合金的可變剛度仿生機(jī)器人腳，其特征在于：所述電加熱絲(524)彎折為漩渦狀，兩端延長暴露于低熔點合金可變剛度層(52)外與電源相連接。

4.如權(quán)利要求1所述的一種基于低熔點合金的可變剛度仿生機(jī)器人腳，其特征在于：所述導(dǎo)向孔(541)上均設(shè)有滑動軸承(542)，所述導(dǎo)向柱(55)穿設(shè)在所述滑動軸承(542)內(nèi)。

5.如權(quán)利要求1所述的一種基于低熔點合金的可變剛度仿生機(jī)器人腳，其特征在于：所述彈性件(53)為圓柱螺旋壓縮彈簧。

6.如權(quán)利要求1所述的一種基于低熔點合金的可變剛度仿生機(jī)器人腳，其特征在于：所述頂板(54)下表面設(shè)有圓柱形突起，直徑與圓柱螺旋壓縮彈簧內(nèi)徑相等，所述圓柱螺旋壓縮彈簧套設(shè)在所述圓柱形突起上。

7.如權(quán)利要求2所述的一種基于低熔點合金的可變剛度仿生機(jī)器人腳，其特征在于：所述底座(51)為一中心開孔的圓柱體；所述底座(51)設(shè)有凹槽(511)，所述可變彈性組件(5)設(shè)置在所述凹槽(511)內(nèi)。

8.如權(quán)利要求7所述的一種基于低熔點合金的可變剛度仿生機(jī)器人腳，其特征在于：所述凹槽(511)外壁設(shè)有供所述電加熱絲(524)兩端延長伸出的開口(512)。

9.如權(quán)利要求8所述的一種基于低熔點合金的可變剛度仿生機(jī)器人腳，其特征在于：所述底座(51)設(shè)有至少兩個安裝孔(513)，所述導(dǎo)向柱(55)設(shè)置在所述安裝孔(513)內(nèi)。

10.如權(quán)利要求9所述的一種基于低熔點合金的可變剛度仿生機(jī)器人腳，其特征在于：所述安裝孔(513)的個數(shù)為三個，且三個所述安裝孔(513)的連線為正三角形。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于低熔點合金的可變剛度仿生機(jī)器人腳。本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明的仿生機(jī)器人小腿的底部通過第一連接軸可轉(zhuǎn)動的設(shè)置在仿生機(jī)器人足底的中部，兩個連接柱通過第二連接軸可轉(zhuǎn)動的設(shè)置在仿生機(jī)器人小腿的中部兩側(cè)，兩個可變彈性組件通過第三連接軸可轉(zhuǎn)動的設(shè)置在仿生機(jī)器人足底的后端；可變彈性組件包括底座、低熔點合金可變剛度層、彈性件、頂板、至少兩個導(dǎo)向柱。本發(fā)明可以有效實現(xiàn)對人類踝足關(guān)節(jié)的模仿工作，為機(jī)器人行走與運(yùn)動提供良好的緩震與支撐作用。其中，通過控制低熔點合金可變剛度層的溫度，可以實現(xiàn)對可變彈性組件的彈性系數(shù)進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，從而滿足不同工作條件下的需求。

技術(shù)研發(fā)人員：吳俊東,羅澍,王亞午,孟慶鑫
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9