一种具有自适应能力的弹性脚掌结构的制作方法

本发明涉及机器人结构技术领域，尤其是一种具有自适应能力的弹性脚掌结构。

背景技术：

传统机器人脚掌由刚性关节和齿轮等材料构成，并利用强筋等弹性材料对关节进行控制，利用点-面接触，使机器人能灵敏快速的完成各种任务。然而，随着科技的发展，机器人逐渐应用于工业、建筑业、农业甚至是航天领域，复杂的作业环境给机器人传统的点-面接触设计带来了巨大的挑战。若机器人脚掌的接触面不为平面，而是更为复杂的弧面，甚至是没有规律的凸面，传统的点-面接触将会失灵。如果将机器人的脚掌与接触面的接触方式改为面-面接触，将能增强机器人脚掌对复杂多变的接触面的适应性。

目前，关于机器人脚掌与接触面的面-面设计结构，国内外并没有相关的技术。较为相似的，有多伦多大学(torontouniversity)研究的用于机器手指的软材料，目的在于增强机器人手指的适应性，使机器人能搞牢固地抓住具有不平坦表面的物体；以及剑桥大学(cambridgeuniversity)研究的地面运动中的力传感，目的在于利用机器人脚掌中的柔性材料减轻高冲击力对脚掌中的传感器的影响，保护传感器避免受地面碰撞。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有自适应能力的弹性脚掌结构，能够使机器人脚掌与接触面进行面-面接触，适应复杂多变的工作环境。

为解决上述技术问题，本发明提供一种具有自适应能力的弹性脚掌结构，包括：顶层弹性体材料、底层弹性体材料和弹簧阵列；弹簧阵列嵌入弹性体材料外壳内部，一面与底层弹性体材料粘合，另一面与顶层弹性体材料粘合。

优选的，顶层弹性体材料的刚度稍大于底层弹性体材料的刚度。

优选的，弹簧阵列中的所有弹簧平行排列，弹簧阵列选用刚性模数相同的材料。

优选的，弹簧阵列中每个独立弹簧的匝数、弹簧中径以及弹簧间距随着弹簧与机器人足端连接处距离增大而递减。

优选的，弹性脚掌分别与结构接触面和非结构接触面接触。

优选的，弹性脚掌与非结构接触面接触时，接触方式具体为：

(1)机器人运作，弹性脚掌与接触面接触，如果接触面为非结构面，则执行步骤(2)；如果接触面平坦，则执行步骤(4)；

(2)底层弹性体材料为适应不平坦的接触面发生形变，与接触面的接触方式近似为面-面接触；

(3)弹簧阵列因受到底层弹性体材料挤压发生形变而产生弹力，给予底层弹性体材料压力以及给予顶层弹性体材料支持力；顶层弹性体材料形变较小，底层弹性体材料形变较大，弹性脚掌适应非结构接触面，提供维持机器人行进稳定的支持力；

(4)底层弹性体材料不发生形变，弹簧阵列被压缩，维持机器人弹性脚掌的形态并给予机器人支持力；

(5)机器人抬起弹性脚掌，弹性脚掌恢复初始状态；

(6)如果机器人继续工作，则进入步骤(1)；如果机器人停止工作，则结束工作。

本发明的有益效果为：本发明突破了传统机器人脚掌与接触面接触的方式，将点-面接触的改为面-面接触，辐射状排列的弹簧劲度系数特征能在保持脚掌柔性的前提下给予机器人足够的支持力；柔性机器人脚掌能很好地适应复杂多变的接触面，有效地降低了机器人脚掌失灵的几率，减小脚掌与地面碰撞带来的冲击，增加了机器人脚掌工作的可靠性与稳定性。

附图说明

图1是本发明的机器人弹性脚掌结构示意图。

图2是本发明的机器人弹性脚掌剖面示意图。

图3是本发明的弹簧阵列劲度系数分布示意图。

图4是本发明的机器人弹性脚掌与接触面接触示意图。

图5是本发明的工作流程示意图。

具体实施方式

本发明提供一种具有自适应能力的弹性脚掌结构，如图1所示，包括基于柔性胶体和弹簧阵列的脚掌结构，其工作模式为面-面接触。

如图1所示，所述基于柔性胶体和弹簧阵列的脚掌结构，包括顶层弹性体材料1、底层弹性体材料2和弹簧阵列3，顶层材料的刚度应稍大于底层材料，以保持脚掌工作时的构型。

如图1和图3所示，所述弹簧阵列的结构为，弹簧阵列3中的所有弹簧平行排列，弹簧阵列选用统一的材料，即刚性模数相同。每个独立弹簧的匝数、弹簧中径以及弹簧间距，随着弹簧与机器人足端连接处距离增大而递减，即脚掌边缘处的当量劲度系数较大而脚掌中心较小，以增大该结构运作过程中与非机构平面的接触面。图3中正五边形表示弹簧与机器人足端连接处。

如图2所示，所述顶层弹性体材料1、底层弹性体材料2和弹簧阵列3的组合方式为，弹簧阵列嵌入弹性体材料外壳内部，所述的弹簧阵列一面与底层弹性体材料粘合，弹簧阵列的另一面与顶层弹性体材料粘合，弹簧阵列起维持机器人弹性脚掌形态以及与非结构平面充分接触的作用。

如图4所示，当弹性脚掌与接触面接触时，接触方式近似为面-面接触。

如图5所示，当机器人弹性脚掌与不规则接触面接触时，工作步骤如下：

(1)机器人运作，其弹性脚掌与接触面接触，如果接触面为非结构面，则执行步骤(2)，如果接触面平坦，则执行步骤(4)；

(2)底层弹性体材料2为适应不平坦的接触面发生形变，与接触面的接触方式近似为面-面接触；

(3)弹簧阵列3弹簧阵列因受到底层弹性体材料2挤压发生形变而产生弹力，给予底层弹性体材料2压力以及给予顶层弹性体材料1支持力；此时，顶层弹性体材料1形变较小，而底层弹性体材料2形变较大，机器人弹性脚掌得以适应接非结构接触面，并提供维持机器人行进稳定的支持力；

(4)底层弹性体材料2不发生形变，弹簧阵列被压缩，维持机器人弹性脚掌的形态并给予机器人支持力；

(5)机器人抬起脚掌，弹性脚掌恢复初始状态；

(6)如果机器人继续工作，则进入步骤(1)，如果机器人停止运行，则结束工作。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。

技术特征：

技术总结
一种具有自适应能力的弹性脚掌结构，包括：顶层弹性体材料、底层弹性体材料和弹簧阵列；弹簧阵列嵌入弹性体材料外壳内部，一面与底层弹性体材料粘合，另一面与顶层弹性体材料粘合。本发明的有益效果为：本发明突破了传统机器人脚掌与接触面接触的方式，将点‑面接触的改为面‑面接触，辐射状排列的弹簧劲度系数特征能在保持脚掌柔性的前提下给予机器人足够的支持力；柔性机器人脚掌能很好地适应复杂多变的接触面，有效地降低了机器人脚掌失灵的几率，减小脚掌与地面碰撞带来的冲击，增加了机器人脚掌工作的可靠性与稳定性。

技术研发人员：郑墨泓;汪中原;黄煜翔;张芳芳;王娇娆;尹寿芳
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2017.05.12
技术公布日：2017.09.29