一种缓冲增稳的仿人机器人足部机构的制作方法

本发明涉及仿人机器人的足部机构，特别是能够缓冲地面冲击并且适应在不同地面上行走的足部机构。

背景技术：

仿人机器人已经能像人类一样行走，能够完成人类最基本的动作，比如行走、上下楼梯。其中行走机构是仿人机器人的关键技术，其机构的好坏直接影响着机器人行走的速度、稳定性和步态的灵活性。而这些正是决定仿人机器人工作能力与效率的关键因素。行走机构中，足部机构是机器人位移接触地面的部位，因此足部设计十分重要。

目前，仿人机器人足部机构能够对机器人起到缓冲、优化步态的作用，但是并不能使机器人的行走更加平稳。究其原因时应为绝大多数足部机构着地面为平板，这样并不能提供很好的摩擦力，这是导致机器人不能沿直线行走重要原因之一。

中国专利申请公布cn101402380a提出了一种仿人机器人足部冲击吸收机构，通过减震器吸收脚底与地面接触产生的巨大冲击力，但是该种仿人机器人足部并不能增加机器人与地面之间的摩擦力。

现有技术的论文“cat-inspiredmechanicaldesignofself-adaptivetoesforaleggedrobot”阐述了一种爪式结构，能够扎入地面以提供足够的摩擦力。但是，该种机构只能用于相对柔软的地面上，才能使爪尖扎入地面，很难适应坚硬地面。若仿人机器人行走在坚硬地面(如柏油路面)时，足部的爪址会被损坏。

仿人机器人在单脚支撑期中，一只腿着地而另一只腿摆动，会使机器人自身绕支撑腿旋转。由于上半身不动，只有支撑脚底板的摩擦力能够平衡摆动腿的转动，再加上着地的冲击力反弹，十分容易与地面发生的相对滑动，使机器人直线行走能力大大下降。此外，仿人机器人的摆动腿着地的时候，由于机构、控制等缺陷不能很好的减小足底与地面的冲击力，冲击力频繁的冲击对刚性结构会有所损坏。另外，现有的仿人机器人不能很好的适应不同硬度的地面。

技术实现要素：

本发明的目的是设计一种仿人机器人足部机构，其具有缓冲、增加摩擦力的功能，同时还能够适应不同的环境。同时，本发明还提供包括以上仿人机器人足部机构的仿人机器人。

本发明的技术方案如下。

一种仿人机器人的足部机构，包括：

脚底连接部件，其用于连接所述仿人机器人的小腿部分；

一个或多个爪趾机构，其安装在所述仿人机器人足部；每一个所述爪趾机构包括：机架、爪尖、连杆、第一弹性部件，以及一缓冲机构；所述爪趾机构具有适于在柔软地面行走的第一模式，以及适于在坚硬地面行走的第二模式。

优选地，所述机架与所述仿人机器人足部可拆卸地连接；所述爪尖的第一连接端与所述机架通过铰链连接，所述爪尖的第二连接端与所述连杆的一端通过铰链连接；所述第一弹性部件将所述爪尖的第三连接端与所述机架连接，从而在所述仿人机器人抬脚过程中提供恢复力。

优选地，所述缓冲机构包括滑槽、滑块、挡块、第二弹性部件，以及一弹性保持机构；所述连杆的另一端与所述滑块通过铰链连接；所述滑块能够在所述滑槽中滑动，所述第二弹性部件能够在所述仿人机器人抬脚过程中对所述滑块施加推力；所述弹性保持机构能够对所述挡块施加一弹性力，从而将所述滑块卡在所述滑槽中。

优选地，在所述缓冲机构还包括一缓冲块，所述缓冲块设置于所述滑槽下方，其能够在所述仿人机器人落脚时与地面接触。

优选地，所述第二弹性部件为橡胶块。

优选地，在所述第一模式中，当所述仿人机器人落脚时，所述缓冲块接触地面，受到地面的压力，所述滑槽向上移动；滑槽-机架-爪尖-连杆形成四连杆机构，所述爪尖向下运动，刺入地面，为机器人行走提供足够的抓地力。

优选地，刺入地面时，所述滑块对所述挡块的力小于所述弹性保持机构的压力。

优选地，在所述第二模式中，当所述仿人机器人落脚时，所述缓冲块接触地面，受到地面的压力，所述滑槽向上移动；当所述爪尖接触地面时，所述滑块对所述挡块的冲击力大于所述弹性保持机构所提供的压力，因此挡块被滑块顶开，向滑槽后面滑动；当所述仿人机器人抬脚时，所述第二弹性部件为所述滑块提供恢复力，使得所述滑块再次被所述挡块固定，所述第一弹性部件为四连杆提供恢复力。

优选地，所述第一弹性部件为弹簧。

本发明的另一方面提供了一种仿人机器人，包括行走机构，其中所述行走机构包括根据以上技术方案中任一项所述的仿人机器人的足部机构。

通过以上技术方案，本发明在前人研究的基础上，通过对机构的改进，设计出了新的足部机构，使其不仅具有缓冲增稳功能，而且能够适应更加复杂的环境，解决了之前机构只能在柔软地面上行走的问题。

附图说明

图1是本发明的仿人机器人足部机构的结构示意图

图2是图1中的一爪趾机构的细节放大图。

图中各个附图标记的含义如下。

100：爪趾机构；200：脚底连接板。

1：机架；2：爪尖；3：连杆；4：弹簧；5：滑块；6：橡胶块；7：滑槽；8：弹簧片；9：缓冲块；10：挡块。

具体实施方式

如附图1所示，根据本发明的一种仿人机器人足部机构主要由4个爪趾机构100和一个脚底连接板200组成。脚底连接板200用于连接仿人机器人小腿部分。爪趾机构100安装在机器人足部四角。

本领域技术人员能够理解，虽然图1中所示的仿人机器人足部机构包括4个爪趾机构，然而本发明并不局限于此。根据仿人机器人应用场景的需要，其足部机构可以具有一个或多个爪趾机构200。

如附图2所示，爪趾机构200的每一个包括：机架1、爪尖2、连杆3、弹簧4，以及一缓冲机构。所述爪趾机构200具有适于在柔软地面行走的第一模式，以及适于在坚硬地面行走的第二模式。

在一优选的实施方式中，所述机架1与所述仿人机器人足部可拆卸地连接；所述爪尖2的第一连接端与所述机架1通过铰链连接，所述爪尖2的第二连接端与所述连杆3的一端通过铰链连接；所述弹簧4将所述爪尖2的第三连接端与所述机架1连接，从而在所述仿人机器人抬脚过程中提供恢复力。

在一优选的实施方式中，所述缓冲机构包括滑块5、橡胶块6、滑槽7、弹簧片8，以及挡块10。所述连杆3的另一端与所述滑块5通过铰链连接。所述滑块5能够在所述滑槽7中滑动，滑槽7的后方安装一块橡胶块6。当仿人机器人抬脚时，滑块5向后滑动一点距离后，橡胶块6能够给滑块一个向前的推力。所述弹簧片8能够对所述挡块10施加一弹性力，从而将所述滑块5卡在所述滑槽中。

在一优选的实施方式中，所述缓冲机构还包括一缓冲块9，所述缓冲块9设置于所述滑槽下方，其能够在所述仿人机器人落脚时与地面接触。

在一更为优选的实施方式中，所述缓冲块9可根据仿人机器人的使用场景选择不同弹性的材料。此外，在所述缓冲块9的与地面接触的表面的至少一部分上可以根据仿人机器人的使用场景选择不同的表面特征，诸如在表面设置不同摩擦特性的材料、涂层，或者施加不同的表面处理工艺等。

当仿人机器人在柔软地面行走的时候，所述爪趾机构200处在所述第一模式中。当所述仿人机器人落脚时，所述缓冲块接触地面，受到地面的压力，所述滑槽7向上移动。此时，滑槽7-机架1-爪尖2-连杆3形成四连杆机构，所述爪尖2向下运动，刺入地面，为机器人行走提供足够的抓地力。

本领域技术人员能够理解，要使所述爪趾机构200处在所述第一模式，爪趾机构200的爪尖2刺入地面时，所述滑块对所述挡块的力应当小于所述弹性保持机构的压力。

当仿人机器人在坚硬地面行走的时候，所述爪趾机构200处在所述第二模式中。当所述仿人机器人落脚时，所述缓冲块9接触地面，受到地面的压力，所述滑槽7向上移动。当所述爪尖2接触地面时，所述滑块5对所述挡块10的冲击力大于所述弹簧片8所提供的压力，因此挡块10被滑块5顶开，向滑槽7后面滑动，同时滑块5对橡胶块6进行挤压。当所述仿人机器人抬脚时，所述橡胶块6为所述滑块5提供恢复力，使得所述滑块5再次被所述挡块10固定，所述弹簧4为四连杆提供恢复力。

在一优选的实施方式中，所述弹簧片8所提供的压力应当根据所述仿人机器人自身的重力、足部爪趾机构的数量、爪趾机构的爪尖的受力范围，以及缓冲块的弹性参数确定，以保证爪趾机构能够提供足够的刺入地面的能力，同时避免爪趾机构的爪尖被坚硬的地面损坏。

本领域技术人员能够理解，以上表述中出现的“前”是指的爪趾机构中沿着滑槽滑动直线指向爪尖的方向。以上表述中出现的“后”、“后面”是指沿着滑槽活动直线指向橡胶块的方向。

从以上实施例可见，本发明通过对机构的改进，设计出了新的足部机构，使其不仅具有缓冲增稳功能，而且能够适应更加复杂的环境，解决了之前机构只能在柔软地面上行走的问题。

以上虽然已经示出和描述了本发明的特定实施例，但本发明并不局限于此。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种变化和修改都是显而易见的。因此，本发明涵盖的范围应包括在本发明的精神和范围中各种的替代、变形及等同方式。