一種機器人的腳掌機構的制作方法
【專利摘要】本發明一種機器人的腳掌機構屬于機器人【技術領域】，特別涉及一種提升多足機器人足部爬坡能力的腳掌機構。該腳掌機構由接觸摩擦部分、主動抓地部分和與足聯結部分組成。在接觸摩擦部分中，采用具有復合花紋的足墊增大與接觸面間的摩擦系數，提高機器人足部爬坡的穩定性，適應多種復雜山地環境。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，從而對路況復雜的山地坡路具有更好的適應能力。在與足聯結部分中，采用分離半環形壓板結構可以實現腳掌與機器人足的便捷聯結。該腳掌機構具備防滑、保護機器人足端的功能，可以作為一個通用模塊來使用，調整、更換、維護簡便，提高了機器人行走的穩定性、適應性和靈活性。
【專利說明】一種機器人的腳掌機構
【技術領域】
[0001]本發明屬于機器人【技術領域】，涉及一種提升多足機器人足部爬坡能力的腳掌機構，具有良好的靈活性和適應性。
【背景技術】
[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，具有較高的自適應性，但是固定不變的足部對多種路況、復雜地貌的適應性有所局限。
[0003]近年來，多足機器人以其行動的靈活性和環境適應性的優勢而受到很大的關注。美國斯坦福大學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，從而實現爬壁作業，但是在光滑表面移動能力受限；西北工業大學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動的壁厚變化的軟吸盤機構，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，發明人為戴文鐘的發明專利《機器人腳掌結構》中對雙足式機器人的腳掌機構進行了設計。該腳掌機構仿照人體足弓結構，在有起伏的水平地面上可以穩定、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致機體整體打滑。
[0005]公布號為CN103204190A，發明人為王福吉等的發明專利《一種機器人足部機構》中對多足機器人的足端結構進行了設計。該足端結構同時具有大角度擺動和減振的功能，可以在復雜地貌上實現一定程度的穩定行走。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較低，爬坡性能受限。

【發明內容】

[0006]本發明要解決的技術難題是克服現有技術的不足，針對目前足式移動機器人領域缺少對復雜山地地貌缺少靈活適應性的現狀，發明一種具有提升機器人足端抓地能力的腳掌機構，即通過楔形爪齒塊與復位彈簧配合，爪齒結構在機器人足底實現靈活地張弛與縮回。該腳掌可以通用地安裝在機器人的足部，輔助機器人在復雜的山地坡面上穩定行進。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快速、可靠抓地，提高機器人足部的摩擦力。
[0007]本發明采取的技術方案為一種機器人的腳掌機構，其特征是，腳掌機構采用抓地元件環形均布結構，腳掌機構由接觸摩擦部分、主動抓地部分和與足聯結部分組成；接觸摩擦部分中，具有復合花紋的足墊I粘接在足底板2上，具有復合花紋的足墊I在中心區域A為半球形花紋，在主承載區域B為呈“人字形”的發散狀越野花紋，在邊界區域C為圓柱形花紋，將帶有止口的足底板2通過十二個內六角螺釘14聯接到基座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上環形均布的T形槽中，另一端分別與六個復位彈簧11相聯，復位彈簧11的另一端與旋入爪齒塊9的彈簧連接螺釘10相聯，六個擋板4分別通過四個擋板聯接螺釘5聯接到基座3上；在與足聯結部分中，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，同時兩個半環形壓板6蓋在機器人足部8的凸緣上。
[0008]本發明的有益效果是采用有復合花紋的足墊，增加腳掌接觸面間的摩擦力，適應多種復雜山地環境；采用有齒形的爪齒塊刺入地面，增加腳掌機構爬坡時的抓地力；采用分離壓板的結構可以實現腳掌與機器人足的便捷聯結。采用上述結構形式，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雜的山地坡路具有更好的適應能力。該腳掌機構具備防滑、保護機器人足端的功能，可以作為一個通用模塊來使用，調整、更換、維護簡便，提高了機器人行走的穩定性、適應性和靈活性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1是一種機器人的腳掌機構的軸側視圖，圖2是一種機器人的腳掌機構的俯視圖，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復位彈簧，12T形掛鉤，13緩沖橡膠墊，14內六角螺釘。
【具體實施方式】
[0010]結合附圖和技術方案詳細說明本發明的【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。采用復合花紋足墊提升足底接觸面間的基本摩擦系數；采用有齒形的爪塊結構刺入地面并實現張緊和把持的功能，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；采用拉簧結構實現爪齒塊的快速復位工作，避免爪齒塊復位速度過慢而導致機器人足部抬起后足底與地面發生干涉，影響機器人行走的穩定性；采用分開的兩個半環形壓板結構可以實現本腳掌與機器人足部的便捷聯結，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。環形均布結構還可以避免機器人足端落地時因各向異性導致的腳掌受力不均和落地不穩的現象。爪齒塊9上的齒形仿照農業工具犁的尖端形狀，具有較強的抓地性能。爪齒塊9采用非實心的結構具有質量輕、強度高的優勢，同時對內部的復位彈簧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合形式花紋。附圖6中的A區域是半球形花紋，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區域為呈“人字形”的發散狀越野花紋，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。具有復合花紋的足墊I結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雜路況的適應能力。
[0013]在附圖3中，腳掌處于抬起狀態，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的踩壓下而發生變形，爪齒的嵌入深度也有所增加。再結合足墊I的特殊復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，復位彈簧11回縮，爪齒塊9在復位彈簧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。當機器人足部8抬起至與兩個半環形壓板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，防止側向雜物進入干擾爪齒塊9的正常工作，并有在復位彈簧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，調整、更換、維護簡便，提高了機器人行走的穩定性、適應性和靈活性。
【權利要求】
1.一種機器人的腳掌機構，其特征是，腳掌機構采用抓地元件環形均布結構，腳掌機構由接觸摩擦部分、主動抓地部分和與足聯結部分組成。 在接觸摩擦部分中，具有復合花紋的足墊(I)粘接在足底板(2)上，具有復合花紋的足墊(I)在中心區域(A)為半球形花紋，在主承載區域(B)為呈“人字形”的發散狀越野花紋，在邊界區域(C)為圓柱形花紋，將帶有止口的足底板(2)通過十二個內六角螺釘(14)聯接到基座(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)上環形均布的T形槽中，另一端與六個復位彈簧(11)分別相聯，復位彈簧(11)的另一端與旋入爪齒塊(9)的彈簧連接螺釘(10)相聯，六個擋板(4)分別通過四個擋板聯接螺釘(5)聯接到基座(3)上。 在與足聯結部分中，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 優先權日:2013年8月8日
【發明者】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