一种欠驱动仿人机械足的制作方法

本发明涉及机械足领域，特别涉及一种欠驱动仿人机械足。

背景技术：

人在行走过程中，脚掌通常需要完成如下步骤：向前迈出脚，然后由后脚跟或者整个脚底板接触地面；之后主要受力点逐渐从后脚跟向脚趾部位转移；最终，受力部位转移到脚趾以及跖骨上，此时后脚跟离地而前脚掌以及脚趾抓地受力，直至脚完全抬起再向前迈出一步。

现代机械设计试验中，为了使得机器人能够更好地模拟正常人的行走方式，机器人的脚部设计也逐渐从平板类的简单机械脚向仿人型升级，以方便进一步对仿人机器人进行开发。

现有技术中已有各类仿人程度较高的机械足，如申请号为cn201610482910.7的中国发明专利中提供了一种柔性仿人机械足。在这个发明中，针对于脚掌组件部分，其分别设计了前脚掌和后脚掌，前脚掌与后脚掌之间通过旋转轴活动连接，且在前脚掌与后脚掌之间设计有一个扭簧，扭簧的两端分别固定连接前脚掌和后脚掌，以提供支撑作用。但是这项发明在铰接位置处只使用了简单的结构进行连接，其后脚掌的旋转运动并没有受到限制，在没有与前掌相互碰撞的情况下能无限制地旋转。然而实际上，人的前脚掌以及脚趾的可旋转角度是受到骨骼限制的，旋转到一定角度后便不能再继续旋转，否则会发生骨折。因而，上述发明对脚掌的仿人程度较低，在进行仿人模拟实验时得到的试验结果与实际情况存在较大误差。

而其他的机械足发明，其脚掌部位的设计过于复杂，尤其是对于前脚掌与后脚掌的连接方式上，部分发明直接使用弹簧连接，部分发明又使用连杆结构，弹簧在多次试验后容易失效，而推杆结构又过于复杂，制作与使用较为麻烦。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：现有技术中对于前脚掌与后脚掌的连接位置处的仿人程度不够，导致方案中的机械足整体的仿人程度有限，难以适应特别的研究需要；且现有技术整体方案较为复杂，拆装较为麻烦，不适合作为需要反复拆装的试验模型进行试验。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：

本发明提供一种欠驱动仿人机械足，至少包括前脚掌和后脚掌，所述前脚掌和所述后脚掌之间铰接，还包括：

脚掌连接件，所述脚掌连接件设置于所述前脚掌和后脚掌的铰接位置处，所述脚掌连接件朝向内侧的表面上对应所述前脚掌和后脚掌的铰接位置处设有至少一个弧形限位槽；

限位凸起，所述限位凸起固定设置于所述后脚掌上对应所述弧形限位槽的位置，所述限位凸起与所述弧形限位槽活动连接；

所述前脚掌与后脚掌平齐时所述限位凸起与所述弧形限位槽相互限制；所述前脚掌与后脚掌之间固定设有弹性件。

优选的，所述弹性件为扭簧，所述扭簧包括第一簧臂和第二簧臂，所述第一簧臂与所述前脚掌固定连接，所述第二簧臂与所述后脚掌固定连接。

进一步的，所述前脚掌上对应所述第一簧臂的位置设有与第一簧臂适配的第一安装槽；所述后脚掌上对应所述第二簧臂的位置设有与第二簧臂适配的第二安装槽。

优选的，所述后脚掌的上端面上固定设有用于安装动力源的驱动装置连接件。

优选的，所述脚掌连接件包括一个固定段，所述固定段与所述前脚掌两侧的边缘固定连接，且所述固定段与所述前脚掌的两侧边缘上相互对应设置有连接孔。

优选的，所述前脚掌与后脚掌的铰接位置设有连接轴，所述弹性件套在所述连接轴外部。

进一步的，所述连接轴为花键轴，所述后脚掌与所述连接轴连接的位置设有数个与所述连接轴适配的凹槽。

优选的，所述后脚掌整体呈弧形，后脚掌的中间部分向上凸起，且所述后脚掌的下端面靠近自由端端部的位置设有一个向下凸出的后根部。

进一步的，所述前脚掌与后脚掌铰接位置处的两侧分别设有环状凸起，所述环状凸起的下端部与所述前脚掌的下端面平齐，且所述环状凸起与所述后脚掌同步同轴转动。

其特征在于，所述前脚掌的下端面、后根部的下端面以及环状凸起的外周面上均设有软垫。

本发明的优点在于，限位凸起和弧形限位槽能够相互之间起到限制前脚掌和后脚掌之间相互转动角度的作用，在前脚掌与后脚掌平齐时，限位凸起受到弧形限位槽的限制，进而前脚掌不会向下转动；当前脚掌向上转动到一定角度时，限位凸起又受到弧形限位槽的限制而不会进一步的转动，恰好模拟了人体骨骼对脚掌转动的限制。并且，这种位置关系的限制以及变化实际上是由本发明自身的机械结构进行限制和驱动的，因而并不需要特别设计与每个运动自由度均一一对应的动力源，这种欠驱动的方式能够有效节省设计及使用的成本，使得结构以及使用方法非常简单，能够有效提升试验效率。

附图说明

图1所示为本发明的一种优选实施例的示意图；

图2所示为前脚掌和后脚掌的连接关系的俯视图；

图3所示为图2a部分的剖切示意图；

图4所示为图3b部分的局部放大图；

图5所示为图2c部分的剖切示意图；

图6所示为扭簧的示意图；

附图标记说明：1-前脚掌，11-第一安装槽，2-后脚掌，20-环状凸起，21-第二安装槽，22-限位凸起，23-后根部，3-扭簧，31-第一簧臂，32-第二簧臂，4-脚掌连接件，41-弧形限位槽，42-固定段，43-连接孔，5-驱动装置连接件，6-软垫，7-连接轴。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明的一种优选的实施例的示意图如图1至图6所示。至少包括前脚掌1和后脚掌2，前脚掌1与后脚掌2铰接，在前脚掌1的两侧靠近前脚掌1与后脚掌2铰接位置处设有脚掌连接件4，所述脚掌连接件4上对应铰接位置处，如图3和图4所示，设有弧形限位槽41，同时在后脚掌2上对应弧形限位槽41的位置设有限位凸起22，限位凸起22与弧形限位槽41适配。此处需要说明的是，当前脚掌1与后脚掌2平齐时限位凸起22刚好受到弧形限位槽41的限制，在前脚掌1的下方无支撑的情况下，前脚掌1无法进一步向下翻转，以模拟人脚在抬起状态下整个脚部基本为一条直线的情况。而弧形限位槽41的弧度大小应结合人体实际脚趾和前脚掌能够转动的实际角度进行设计，达到对本发明中的后脚掌2可旋转角度的控制，以达到更好的模拟效果。前脚掌1与后脚掌2之间还连接有弹性件，弹性件能够在前脚掌1完全离开地面后驱动前脚掌1回弹至与后脚掌2平齐的位置，实现复位；同时弹性件还能模拟类似于肌肉受压缩时能提供的缓冲效果，使得后脚掌2的旋转过程更加符合实际人体。

在上述方案中，整个欠驱动仿人机械足的行走过程如下：首先，后脚掌2的后端部先着地，然后逐渐使得整个欠驱动仿人机械足都贴在地面上。之后，在外部机械的驱动下，欠驱动仿人机械足模仿人实际的行走过程，受力点逐渐前移，直至移动到前脚掌1上，此时后脚掌2绕铰接位置向上旋转，同时限位凸起22沿弧形限位槽41移动，直至限位凸起22碰到弧形限位槽41的端部时，此时后脚掌2停止继续向上旋转，模拟实际行走中后脚掌受骨骼影响转动到一定位置后便不能继续转动的情况。之后前脚掌1离地，在弹性件的作用下前脚掌1恢复到与后脚掌2平齐的位置，此时限位凸起22再受到弧形限位槽41的限制，使得前脚掌1与后脚掌2保持平齐，完成一个行走模拟周期。

其中，弹性件优选的为扭簧3，扭簧3包括第一簧臂31和第二簧臂32，其中第一簧臂31与前脚掌1固定连接，第二簧臂32与后脚掌2固定连接，扭簧3的中间部分套在连接轴7外部，由前脚掌1、后脚掌2和连接轴7共同为扭簧3提供定位以及限位。当后脚掌2旋转抬起时，第二簧臂32受力随着后脚掌2移动，此时扭簧3向后脚掌2提供一个反向的阻力，起到类似于肌肉受压缩时提供的缓冲的作用。当前脚掌1完全脱离地面后，扭簧3再驱动前脚掌1复位。为了方便第一簧臂31和第二簧臂32的安装，前脚掌1上设有第一安装槽11，后脚掌2上设有第二安装槽21，以分别用于安装第一簧臂31和第二簧臂32，避免第一簧臂31或者第二簧臂32打滑或脱落进而失去缓冲及复位功能。

为了更贴近实际的人脚掌，后脚掌2整体呈弧形设置，其中间部分向上凸出，且所述后脚掌2自由端的下端面向下凸出设有后根部23，更符合实际的脚掌形状，以提供更好的仿人模拟效果。进一步的，为了模拟脚底肌肉行走时提供的缓冲作用，前脚掌1的下端面和后根部23的下端面上固定设有提供缓冲的软垫6，软垫6同时还能起到防滑减震作用。为了更好地模仿人脚的脚后跟的实际形状，后根部23连接的软垫6呈向外凸出的弧形，弧形的软垫6能够在欠驱动仿人机械足在后根部23着地、整个机械足贴地以及后脚掌2抬起等不同的行走状态转换时能够平滑地过渡。其中，特别是在后根部23着地过程中，后根部23与地面之间首先是线接触，之后随着欠驱动仿人机械足与地面之间的压力逐渐增大，后根部23与地面之间逐渐变为面接触，而不是直接变为面接触，因而这种设计使得后根部23的着地过程更加平滑、自然，能够更加有效地减少后根部23着地时产生的冲击，起到更好的减震效果。

其中优选的，在前脚掌1与后脚掌2的铰接位置的两侧还分别设有环状凸起20，环状凸起20的下端部与前脚掌1的下端面平齐。环状凸起20与后脚掌2同步同轴转动。这种设计主要用于模拟脚掌的“三点支撑”理论，“三点支撑”的理论要点是，人体在静立时，体重的负荷主要由脚后跟、位于脚趾位置两侧的第一跖骨和第五跖骨三个部位完成。本设计中，环状凸起20主要用于在两侧模拟第一跖骨和第五跖骨，使得欠驱动仿人机械足在地面上直立时，支撑部位主要为后根部23和两侧的环状凸起20，实现“三点支撑”，进一步提升欠驱动仿人机械足的仿人程度。当然，环状凸起20的外周面上同样可以设置软垫6，以提供缓冲效果。

在后脚掌2的上端面上还设置有驱动装置连接件5用以连接踝关节机械结构，为整个欠驱动仿人机械足提供移动的动力。

为了方便固定脚掌连接件4，所述脚掌连接件4包括一个固定段42，所述固定段42与所述前脚掌1的边缘固定连接，且固定段42以及前脚掌1上对应设有用于安装脚掌连接件的连接孔43，插入螺钉等紧固件即可将两者固定连接。

为了方便安装弹性件，两侧的所述脚掌连接件4之间活动连接有连接轴7，且连接轴7与后脚掌2固定连接。弹性件套在连接轴7外，本实施例中，扭簧3套在连接轴7上。优选的，连接轴7为花键轴，同时后脚掌2与连接轴7的连接位置处设有数个适配的凹槽。这种设计下，连接轴7能够更方便地与后脚掌2固定连接。

总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。