一种具有绳索驱动脚趾的机器人脚掌的制作方法

本发明涉及一种具有绳索驱动脚趾的机器人脚掌，属于机器人技术领域。

背景技术：

目前，机器人的移动方式主要有轮式、履带式和腿式，而野外作业特种机器人行走中仍存在较多问题。在面对沼泽、沙漠等复杂环境时，机器人对于地形的适应问题尤为突出，传统轮式机器人难以解决该问题，履带式机器人虽然可以大幅度降低对地形的要求，但也存在灵活性差、维护成本高等缺点；腿式机器人由于每条腿能实现不同的动作，可以依靠腿的协调动作，离散地与不同地面接触，因此腿式机器人的地形适应能力更强。改进腿式机器人的脚掌和脚趾结构的设计方案，改善其脚部的防沉陷性能，是提高复杂软土环境下机器人行走稳定性的重要途径。

技术实现要素：

为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种具有绳索驱动脚趾的机器人脚掌，提高机器人对软土地面情况的适应能力，增强其地面支撑的可靠性，使其在面对复杂地形时拥有更优良的行走能力。

一种具有绳索驱动脚趾的机器人脚掌，包括脚趾机构和脚掌机构，其中，脚趾机构包括若干组脚趾、脚趾连接板、第一绳索、第二绳索和第三绳索，所述脚趾包括前脚趾、前脚趾脚蹼、脚趾关节、关节齿轮、后脚趾、后脚趾脚蹼、脚蹼挡板、下连杆、上连杆、滑轮和三个复位弹簧；前脚趾与前脚趾脚蹼固连，前脚趾与关节齿轮分别与脚趾关节铰接，且前脚趾与关节齿轮形成齿轮啮合；脚趾关节与后脚趾的一端固连，且后脚趾两侧分别与一对后脚趾脚蹼铰接，所述后脚趾另一端设有凸起，且与下连杆的一端铰接，所述下连杆另一端与上连杆的一端铰接，所述上连杆的另一端铰接在脚趾连接板上，所述三个复位弹簧中的两个安装在一对后脚趾脚蹼上部的圆孔中，另一个复位弹簧一端与上连杆固连，另一端固连在脚趾连接板上；所述后脚趾末端与脚趾连接板铰接，所述滑轮安装在后脚趾末端与脚趾连接板的铰接处，所述第一绳索穿过脚趾连接板与上连杆连接，所述第二绳索和第三绳索一上一下按顺序穿过脚趾连接板、滑轮、后脚趾和脚趾关节，分别与关节齿轮的上端和下端固连；脚蹼挡板固连在对应后脚趾脚蹼上方的脚趾连接板处；

所述脚掌机构包括脚掌体、电机、支撑板、绕线轮、缓冲脚垫、缓冲弹簧、柔性隔膜、辅助支撑块、和辅助弹簧，脚掌体与所述脚趾连接板固连，所述支撑板安装在脚掌体中，且电机与支撑板固连，所述第一绳索、第二绳索和第三绳索从脚趾连接板穿过后末端分别固定在三个绕线轮上，所述绕线轮与电机输出轴固连，由电机驱动；所述脚掌体底部设有脚垫凹槽，所述缓冲脚垫通过缓冲弹簧安装在脚掌体的脚垫凹槽内，所述柔性隔膜安装在脚掌体底部的蹄形槽上；辅助支撑块通过辅助弹簧安装在脚掌体四周的滑道内。

优选地，前脚趾和前脚趾脚蹼工作面上有锥状凸起。

优选地，脚趾关节、后脚趾和脚趾连接板中设有通孔，绳索从通孔中穿过。

优选地，辅助支撑块为倾斜安装。

优选地，所述脚趾机构包括三组脚趾，每组脚趾分为前后两个趾节。

优选地，脚掌体后侧面为弧面。

有益效果：本发明采用一种具有绳索驱动脚趾的机器人脚掌，工作时，利用绳索的拉动，控制前脚趾和前脚趾脚蹼上的凸起先行入土，防止接触侧滑，控制上下连杆与后脚趾形成自锁，同时后脚趾脚蹼在弹性作用下展开，形成了脚趾的稳定支撑动作，脚掌机构入土时，缓冲脚垫对脚掌落地起缓冲作用，柔性隔膜在脚掌体内部空腔的压力下也起到缓冲作用，随着脚掌入土程度的增加，柔性隔膜挤压空气，脚掌体四周斜伸出辅助支撑块，起到辅助支撑的作用；结束工作时，绳索卸荷，后脚趾抬起，后脚趾脚蹼与脚蹼挡板作用而收起，脚掌体后侧面弧面形状便于出土，脚掌离开软土地面，缓冲脚垫由缓冲弹簧推回原位，辅助支撑块在辅助弹簧和脚掌空腔压力下回复原位，脚趾机构和脚掌机构共同作用，提高了机器人对软土地面行走的适应能力和可靠性。

附图说明

图1是本发明的机器人脚掌的立体结构示意图；

图2是本发明的机器人脚掌俯视图；

图3是本发明的脚趾机构爆炸示意图；

图4是本发明的脚掌机构爆炸示意图；

图5是本发明的脚趾绕线剖面示意图；

图6是本发明的脚掌体底部结构示意图；

其中，1-脚趾机构，101-前脚趾，102-前脚趾脚蹼，103-脚趾关节，104-关节齿轮，1051-第一绳索，1052-第二绳索、1053-第三绳索、106-后脚趾，107-后脚趾脚蹼，108-脚蹼挡板，109-下连杆，110-上连杆，111-滑轮，112-复位弹簧，113-脚趾连接板，2-脚掌机构，201-脚掌体，202-电机，203-支撑板，204-绕线轮，205-缓冲脚垫，206-缓冲弹簧，207-柔性隔膜，208-辅助支撑块，209-辅助弹簧，2011-脚垫凹槽、2022-蹄形槽。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

如图1～5所示，一种具有绳索驱动脚趾的机器人脚掌，包括脚趾机构1和脚掌机构2，其中，脚趾机构1包括若干组脚趾、脚趾连接板113、第一绳索1051、第二绳索1052和第三绳索1053，所述脚趾包括前脚趾101、前脚趾脚蹼102、脚趾关节103、关节齿轮104、后脚趾106、后脚趾脚蹼107、脚蹼挡板108、下连杆109、上连杆110、滑轮111和三个复位弹簧112；前脚趾101与前脚趾脚蹼102固连，前脚趾101与关节齿轮104分别与脚趾关节103铰接，且前脚趾101与关节齿轮104形成齿轮啮合；脚趾关节103与后脚趾的106一端固连，且后脚趾106两侧分别与一对后脚趾脚蹼107铰接，所述后脚趾106另一端设有凸起，且与下连杆109的一端铰接，所述下连杆109另一端与上连杆的一端铰接，所述上连杆的另一端铰接在脚趾连接板113上，所述三个复位弹簧112中的两个安装在一对后脚趾脚蹼107上部的圆孔中，另一个复位弹簧112一端与上连杆110固连，另一端固连在脚趾连接板113上（每组脚趾有三个复位弹簧，两个用于复位后脚趾脚蹼，一个用于复位连杆）；后脚趾106末端与脚趾连接板113铰接，所述滑轮111安装在后脚趾106末端与脚趾连接板113的铰接处，所述第一绳索1051穿过脚趾连接板113与上连杆110连接，所述第二绳索1052和第三绳索1053一上一下按顺序穿过脚趾连接板113、滑轮111、后脚趾106和脚趾关节103，分别与关节齿轮104的上端和下端固连（每组脚趾有三根绳索，一条用于拉动连杆，两条用于控制关节齿轮的转动）；脚蹼挡板108固连在对应后脚趾脚蹼107上方的脚趾连接板113处；

所述脚掌机构2包括脚掌体201、电机202、支撑板203、绕线轮204、缓冲脚垫205、缓冲弹簧206、柔性隔膜207、辅助支撑块208、和辅助弹簧209，脚掌体201与所述脚趾连接板113固连，所述支撑板安装在脚掌体201中，且电机与支撑板固连，所述第一绳索1051、第二绳索1052和第三绳索1053从脚趾连接板113穿过后末端分别固定在三个绕线轮204上，所述绕线轮204与电机202输出轴固连，由电机202驱动；所述脚掌体201底部设有脚垫凹槽，所述缓冲脚垫205通过缓冲弹簧206安装在脚掌体201的脚垫凹槽内，所述柔性隔膜207安装在脚掌体201底部的蹄形槽上；辅助支撑块208通过辅助弹簧209安装在脚掌体201四周的滑道内。

优选地，前脚趾101和前脚趾脚蹼102工作面上有锥状凸起。

优选地，脚趾关节103、后脚趾106和脚趾连接板113中设有通孔，绳索105从通孔中穿过。

优选地，辅助支撑块208为倾斜安装。

优选地，所述脚趾机构包括三组脚趾，每组脚趾分为前后两个趾节。

优选地，脚掌体201后侧面为弧面。

本发明的工作原理如下：

如图1所示，工作时，在与地面接触前，脚趾的第二绳索1052和第三绳索1053由电机202协同驱动，拉动关节齿轮104转动，调整前脚趾101和前脚趾脚蹼102俯仰角度，脚趾上的凸起利于脚趾入土，起到防止脚侧滑的作用，脚趾上部分的第一绳索1051在电机202驱动下拉动上连杆110，使得工作时上连杆110、下连杆109、脚趾连接板113和后脚趾106形成自锁结构，提高了支撑稳定性，同时后脚趾脚蹼107在离开脚蹼挡板108时在复位弹簧112的弹性作用下展开，增大了与土壤的接触面积，很好的提升了脚趾的支持能力，脚掌机构2触地时，缓冲脚垫205在缓冲弹簧206的作用下对接触起到缓冲作用，柔性隔膜207在利用脚掌体201蹄形槽空腔气压提供缓冲的同时，随着脚掌入土程度增加，空腔体积变小，气压增大，压力使得四周辅助支撑块208沿脚掌体201内封闭倾斜滑道伸出，起到辅助支撑的作用；结束工作时，第一绳索1051卸荷，上连杆110在回复弹簧112作用下抬起后脚趾106，抬到一定角度后脚趾脚蹼107与脚蹼挡板108作用而收起，脚掌离开软土地面，缓冲脚垫205被缓冲弹簧206推回原位，辅助支撑块208被辅助弹簧209拉回脚掌体201内，柔性隔膜207在空腔压力回复时恢复，整个机器人脚掌变回初始状态。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。