一种仿生张拉缓冲足‑踝系统的制作方法

本发明涉及机械仿生工程技术领域，特别涉及一种应用于四足机器人的仿生张拉缓冲足-踝系统。

背景技术：

随着仿生技术的快速发展，仿生步行机器人在各个行业的众多领域被广泛应用，如军事侦察、物资运送、野外科考、抢险救灾等，代替人从事危险工作，极大地增大了人的工作安全性并降低了工作强度。四足步行机器人不仅具有承载能力强、稳定性好、结构简单等显著特点，其还能够以静态步行方式实现结构路面及复杂地形上的行走，并可以动态步行方式实现高速运动，因而受到世界范围内研究者的广泛关注。

目前四足机器人的足部多为圆弧面或球形的整体刚性设计，难以保证高可靠度的接触及缓冲效果；且机器人的踝关节均被简化设计为机械式铰连接，在运动过程中往往承受剪切、弯曲、扭转和较大地面冲击等多种类型载荷的作用，同时由于铰连接多为刚性连接，刚性体之间不可避免地存在摩擦与撞击。研究表明，在快/高速运动状态下，四足机器人的下肢关节极易由于地面冲击力左右而发生结构破坏，进而限制了机器人运动的适用性和性能的进一步提升。

目前，研究者大多采取在步行机器人的腿机构中采用高弹性材料，以在一定程度上减少地面接触对机器人的冲击影响，但足部几乎仍均为刚性整体设计，因此整体效果仍不理想。近年来，本发明申请人基于张拉思想，提出了一种仿生膝关节，用以降低冲击；同时受四足动物足垫结构启发对四足机器人的球形足进行了仿生设计。文献调研表明，目前国内外针对四足机器人系统的足-踝系统尚未有太多考虑。陆地上善于奔跑的四足趾行动物(如猫、犬等)的腿-足系统构成与当前机器人的腿-足结构设计有着明显的不同。四足趾行动物的腿-足系统具有精细的骨骼-肌肉系统，该系统又可细分为骨骼系统与肌肉系统，前者包括骨骼、软骨、韧带等，后者主要由肌肉和肌腱组成。研究表明，生物肢体的骨骼肌肉系统是一种存在于生物体的特殊“张拉结构”。张拉结构具备整体结构柔性，可使得机器人腿-足系统尤其是关节在运动中能够从容应对足-地冲击载荷，降低关节损伤并减小关节驱动负担；张拉结构具备的自平衡特性，则可以保证步态周期中腿部关节的稳定性。因此，结合研究现状，将张拉结构引入四足机器人的足-踝系统的创新设计研究，可能为降低机器人下肢冲击损伤问题的解决提供了全新的思路。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有四足机器人腿-足系统踝关节均采用刚性铰连接、足部采用整体式设计而带来的缓冲性能差的问题，而提供一种能克服上述缺点的仿生张拉缓冲足-踝系统。

本发明包括有第一指、第二指、第三指、足掌部、腿部、第一橡胶块、第二橡胶块、第三橡胶块、第一受拉构件组、第二受拉构件组、第三受拉构件组、第四受拉构件组、第五受拉构件组、第六受拉构件组、第七受拉构件体、第一拉力弹簧组、第二拉力弹簧组、第三拉力弹簧组、第四弹拉力簧组、第五拉力弹簧组、足部外套。其中，第一受拉构件组由九个受拉构件单元组成；第二受拉构件组由十一个受拉构件单元组成；第三受拉构件组由九个受拉构件单元组成；第四受拉构件组由九个受拉构件单元组成；第五受拉构件组由十一个受拉构件单元组成；第六受拉构件组由九个受拉构件单元组成；第七受拉构件体一端又分为三个受拉构件分支，分别为第一受拉构件分支、第二受拉构件分支和第三受拉构件分支；足部的整体由第一指和第二指采用第一橡胶块粘结、第二指和第三指采用第二橡胶块粘结而构成。第一指与第三指大小相等且相对于第二指呈对称分布。足部的整体呈弧形，与地面接触部分为平面。第一指、第二指、第三指通过第三橡胶块与足掌部用螺栓、受拉构件组连接，具体为：第一指与第三橡胶块通过两个第一螺栓紧固连接，第二指与第三橡胶块通过两个第一螺栓紧固连接，第三指与第三橡胶块通过两个第一螺栓紧固连接；第三橡胶块与足掌部通过六个第一螺栓紧固连接；第一受拉构件组位于第一指和足掌部的上侧,组成第一受拉构件组的九个受拉构件单元等角度呈扇形排列并通过十八个第一螺钉连接第一指和足掌部；第四受拉构件组位于第一指与足掌部的底部，与第一受拉构件组对称分布，通过十八个第一螺钉连接第一指和足掌部；第二受拉构件组位于第二指与足掌部的上侧，组成第二受拉构件组的十一个受拉构件单元等角度呈扇形排列并通过二十二个第一螺钉连接第二指和足掌部；第五受拉构件组位于第二指与足掌部的底部，与第二受拉构件组对称分布，通过二十二个第一螺钉连接第二指和足掌部；第三受拉构件组位于第三指与足掌部的上侧，通过十八个第一螺钉连接第三指和足掌部；第六受拉构件组位于第三指与足掌部的底部，与第三受拉构件组对称分布，通过十八个第一螺钉连接第三指和足掌部。第七受拉构件体第一受拉构件分支通过第二螺钉连接第一指，第二受拉构件分支通过第二螺钉连接第二指，第三受拉构件分支通过第二螺钉连接第三指，第七受拉构件体的另一端通过三个第三螺钉紧固在足掌部。足掌部与腿部形成的踝关节通过第一拉力弹簧组、第二拉力弹簧组、第三拉力弹簧组、第四拉力弹簧组、第五拉力弹簧组形成张拉式的连接，其中第一拉力弹簧组由八个拉力弹簧单元组成，第二拉力弹簧组由八个拉力弹簧单元组成，第三拉力弹簧组由八个拉力弹簧单元组成，第四拉力弹簧组由八个拉力弹簧单元组成，第五拉力弹簧组由四个拉力弹簧单元组成；第一拉力弹簧组在足掌部上侧连接足掌部和腿部；第二拉力弹簧组在足掌部上侧与第一拉力弹簧组对称安装连接足掌部和腿部；第三拉力弹簧组和第四拉力弹簧组在足掌部底部分别与第一弹簧组和第二拉力弹簧组对称安装连接足掌部和腿部；第五拉力弹簧组连接掌部和腿部。第一拉力弹簧组、第二拉力弹簧组、第三拉力弹簧组、第四拉力弹簧组、第五拉力弹簧组、腿部、足掌部共同构成张拉结构，进而确保了腿部与足掌部的相对位置稳定。足部外套完全贴合套在第一指、第二指、第三指和足掌部，通过十个第四螺钉紧固在足掌部。

本发明的工作原理和过程为：本发明是基于具有优良缓冲性能的趾行四足动物的足部和踝关节的张拉结构特征解析而得到的启示。

陆地上的多数四足趾行动物(如犬、猫等)在奔跑时优先采用对角小跑或奔驰步态，在此运动状态下，地面对动物足部的冲击作用非常显著，而趾行动物在该步态模式下的运动尤为平稳顺畅，缓冲表现突出。

经过观察分析，发现，趾行动物足部和踝关节均主要由骨骼、软骨、韧带、肌肉组成，足部还有足垫。其中，骨骼具有较高的刚性特征，在运动过程中主要承受压力，而连接骨骼的呈空间特殊结构排布的韧带具备柔性特征，在运动中则主要承受拉力，这是一种特殊的具备高柔性特征的生物“张拉结构”。当动物的足部与地面间发生接触作用时，冲击力逐次通过该张拉结构，由于该结构的整体柔性及自平衡特性，而产生一定程度的冲击能量耗散及传播方向的分散与改变，将冲击力降低到适当范围，同时仍能保证整体的结构稳定性，从而避免了冲击力过大对下肢造成损伤或结构破坏。

基于四足趾行动物的足部与踝关节的拓扑结构及其材料特征，本发明将机器人的缓冲足-踝系统设计为主要由刚性受压构件和柔性受拉构件(除却足部外套)两类构件组成的仿生张拉足-踝系统。

当仿生张拉足-踝系统与地面发生接触冲击作用时，足部外套首先产生弹性变形储存能量缓冲并降低冲击力峰值；之后，冲击力传递至由呈扇形等角度排列的第一受拉构件组、第二受拉构件组、第三受拉构件、第四受拉构件组、第五受拉构件组、第六受拉构件组、第一指、第二指、第三指、第一橡胶块、第二橡胶块、第三橡胶块、足掌部所形成的第一级张拉结构，此时，刚性第一指、第二指、第三指和刚性足掌部受冲击力作用产生空间三维运动，第一受拉构件组、第二受拉构件组、第三受拉构件组、第四受拉构件组、第五受拉构件组、第六受拉构件组由于足指部和足掌部的运动分别承受不同程度的拉力作用，由于张拉结构的特性保证了整体结构的稳定性，同时实现了刚性支撑、柔性缓冲的功能特征；用于连接足部与腿部形成踝关节的五个拉力弹簧组在安装时通过施加预紧拉力，且五个拉力弹簧组仅受拉力作用，起到了类似于第七受拉构件体的作用，形成了稳定的空间结构，由此，五个拉力弹簧组、足部及腿部也构成了第二张拉结构，当冲击力进一步由足部向踝关节进行传递时，通过五个拉力弹簧组的受拉变形，保证了其所连接的腿部和足部的整体结构的稳定性，同时亦发挥了刚性支撑、柔性缓冲的功能，进而再次保证了冲击力的有效衰减与缓释，以及冲击能量的吸收，避免了机器人肢体及关节刚性连接轴的触地冲击损坏。

本发明的有益效果：

1、通过第一指、第二指、第三指、第一橡胶块、第二橡胶块、第三橡胶块组成的柔性整体的分块化设计模拟趾行动物的指部结构，既保证柔性整体具有柔性连接结构起到缓冲的作用，又保证了整体触地时的稳定平衡性。

2、第一指、第二指、第三指、足掌部、受拉构件组与受拉构件体构成第一级张拉结构，使得初始冲击峰值力获得有效吸收与衰减，同时保证了第一指、第二指、第三指与足掌部结构的稳定性，实现了刚性支撑和柔性缓冲的功能特征；

3、足掌部、腿部和拉力弹簧组构成了第二级张拉结构，且无需传统下肢关节所需的刚性连接轴，从而进一步避免了刚体直接接触而产生的摩擦损耗与冲击损坏问题，在保证结构稳定性的同时通过拉力弹簧的变形吸收冲击力，再次强化了仿生张拉足-踝系统的缓冲功能特征。

附图说明

图1为本发明实施例的整体示意图。

图2为本发明去掉足部外套的主视图。

图3为图2的a向视图。

图4为本发明去掉足部外套的底部视图。

其中：1—足部外套；2—第四螺钉；5—足掌部；6—腿部；17—第三指；18—第二橡胶块；19—第二指；20—第一橡胶块；21—第一指；31—第一螺钉；32—第一螺栓；33—第三橡胶块；36—第三螺钉；37—第七受拉构件体；55—第二螺钉；99—第五拉力弹簧组；101—第一拉力弹簧组；102—第二拉力弹簧组、103—第三拉力弹簧组；104—第四拉力弹簧组；105—第一受拉构件组；106—第二受拉构件组；107—第三受拉构件组；108—第四受拉构件组；109—第五受拉构件组；110—第六受拉构件组。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3、图4所示，本发明包括有第一指21、第二指19、第三指17、足掌部5、腿部6、第七受拉构件体37、第一橡胶块20、第二橡胶块18、第三橡胶块33、第一受拉构件组105、第二受拉构件组106、第三受拉构件组107、第四受拉构件组108、第五受拉构件组109、第六受拉构件组110、第一拉力弹簧组101、第二拉力弹簧组102、第三拉力弹簧组103、第四拉力弹簧组104、第五拉力弹簧组99、足部外套1。其中，第一受拉构件组105由九个受拉构件单元组成；第二受拉构件组106由十一个受拉构件单元组成；第三受拉构件组107由九个受拉构件单元组成；第四受拉构件组108由九个受拉构件单元组成；第五受拉构件组109由十一个受拉构件单元组成；第六受拉构件组110由九个受拉构件单元组成；第七受拉构件体37一端又分为三个受拉构件分支，分别为第一受拉构件分支、第二受拉构件分支和第三受拉构件分支；足部的整体由第一指21和第二指19采用第一橡胶块20粘结、第二指19和第三指17采用第二橡胶块18粘结而构成。第一指21与第三指17大小相等且相对于第二指19呈对称分布。足部的整体呈弧形，与地面接触部分为平面。第一指21、第二指19、第三指17通过第三橡胶块33与足掌部5用螺栓、受拉构件组连接，具体为：第一指21与第三橡胶块33通过两个第一螺栓32紧固连接，第二指19与第三橡胶块33通过两个第一螺栓32紧固连接，第三指17与第三橡胶块33通过两个第一螺栓32紧固连接；第三橡胶块33与足掌部5通过六个第一螺栓32紧固连接；第一受拉构件组105位于第一指21和足掌部5的上侧,组成第一受拉构件组105的九个受拉构件单元等角度呈扇形排列并通过十八个第一螺钉31连接第一指21和足掌部5；第四受拉构件组108位于第一指21与足掌部5的底部，与第一受拉构件组105对称分布，通过十八个第一螺钉31连接第一指21和足掌部5；第二受拉构件组106位于第二指19与足掌部5的上侧，组成第二受拉构件组106的十一个受拉构件单元等角度呈扇形排列并通过二十二个第一螺钉31连接第二指19和足掌部5；第五受拉构件组109位于第二指19与足掌部5的底部，与第二受拉构件组106对称分布，通过二十二个第一螺钉31连接第二指19和足掌部5；第三受拉构件组107位于第三指17与足掌部5的上侧，通过十八个第一螺钉31连接第三指17和足掌部5；第六受拉构件组110位于第三指17与足掌部5的底部，与第三受拉构件组107对称分布，通过十八个第一螺钉31连接第三指17和足掌部5。第七受拉构件体37第一受拉构件分支通过第二螺钉55连接第一指21，第二受拉构件分支通过第二螺钉55连接第二指19，第三受拉构件分支通过第二螺钉55连接第三指17，第七受拉构件体37另一端通过三个第三螺钉36紧固在足掌部5。足掌部5与腿部6形成的踝关节通过第一拉力弹簧组101、第二拉力弹簧组102、第三拉力弹簧组103、第四拉力弹簧组104、第五拉力弹簧组99形成张拉式的连接，其中第一拉力弹簧组101由八个拉力弹簧单元组成，第二拉力弹簧组102由八个拉力弹簧单元组成，第三拉力弹簧组103由八个拉力弹簧单元组成，第四拉力弹簧组104由八个拉力弹簧单元组成，第五拉力弹簧99组由四个拉力弹簧单元组成；第一拉力弹簧组101在足掌部5上侧连接足掌部5和腿部6；第二拉力弹簧组102在足掌部5上侧与第一拉力弹簧组101对称安装连接足掌部5和腿部6；第三拉力弹簧组103和第四拉力弹簧组104在足掌部5底部分别与第一弹簧组101和第二拉力弹簧组102对称安装连接足掌部5和腿部6；第五拉力弹簧组99连接足掌部5和腿部6。第一拉力弹簧组101、第二拉力弹簧组102、第三拉力弹簧组103、第四拉力弹簧组104、第五拉力弹簧组99、腿部6、足掌部5共同构成张拉结构，进而确保了腿部6与足掌部5的相对位置稳定。足部外套1完全贴合套在第一指21、第二指19、第三指17和足掌部5，通过十个第四螺钉2紧固在足掌部5。