一种提高腿足式机器人触地稳定性的耦合仿生足垫

本发明涉及机械仿生工程领域，特别涉及一种应用于腿足式机器人足底、提高机器人触地稳定性的仿生足垫。

背景技术：

近年来，腿足式机器人技术快速发展，广泛应用于军事侦察、抢险救灾等领域，这极大降低了人的工作强度、提高了安全性。然而，复杂的路面和地形环境对机器人性能提出了更高的要求和挑战，尤其是机器人腿足式系统的路面适应性和高效缓冲减震性能，以及由两者共同作用决定的机器人腿足式系统的触地稳定性。

文献调研表明：当前的腿足式机器人主要通过在腿足系统中设计复杂的缓冲机构/结构或添加弹性材料/元件的方式来缓解地面作用力强度，起到了一定的缓冲减震效果，但由于弹性材料/元件的各向同性的材料力学特性限制，尚不具备良好的触地各向柔顺适应性，常常造成触地振颤、稳定性差等问题，目前主要依靠复杂的控制系统、传感反馈来实时精确调整足部姿态以适应复杂路面和地形变化，而这又直接导致了机器人的整体控制难度增加，成本增加等问题，因此亟需解决。

而自然界生物的腿足式运动给问题的解决提供了天然的学习蓝本。人在行走过程中，其足部跟骨的脂肪垫(足跟垫)是与地面接触的首要部位。生物力学研究表明：足跟垫内特殊的多层隔室结构及材料协调耦合作用使其具备了优异的生物力学性能。

足跟垫是由较硬的胶原纤维和柔性的脂肪组织构成,胶原纤维包绕粘弹性的脂肪组织形成了封闭的椭球状、羽状大隔室及蜂窝状小隔室。

在足部触地作用时，足垫的粘弹性脂肪组织首先通过其粘弹、阻尼特性耗散足跟垫吸收的部分能量,可有效缓冲减震；同时，较硬的胶原纤维形成封闭独立的脂肪隔室结构单元及粘弹性脂肪组织构成了具有“刚柔耦合”特点的静液压系统，可通过初始大变形进一步削弱冲击力作用强度，，并促使足跟垫在各个方向上具有较好的初始柔顺性，能有效防止“触地震颤”产生，显著提高了足对路面的适应性；该静液压系统在足垫变形末期达到稳定状态后充分发挥其静液压特性，产生足够的触地刚度进行稳定支撑。因此，足跟垫在整个触地运动过程中通过其结构、材料的耦合作用展现了高效缓冲减震和路面适应性功能，综合实现了良好的触地稳定性。

综上所述，足跟垫的材料和结构的协同耦合作用在提高足部触地稳定性方面发挥了重要作用。因此，基于人体足跟垫的材料组成、力学特性和结构特征启发启发，本发明提供一种可有效提高腿足式机器人触地稳定性的耦合仿生足垫。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有机器人足垫性能不良而导致机器人足部触地稳定性差的难点问题，而提供一种可有效提高腿足式机器人触地稳定性的耦合仿生足垫。

本发明受具有高效缓冲减震、超强各向异性等优异生物力学功能的人体足跟垫的启示，基于其独特的多室封闭结构及刚柔材料的耦合作用，能够有效解决以上问题。

一种提高腿足式机器人触地稳定性的耦合仿生足垫包括：仿生足垫基层、仿生足垫中层、仿生足垫下层、触地表层；

仿生足垫基层模仿了足底筋膜组织，仿生足垫基层选用与足底筋膜力学性能相当的高刚度材料，如：ecoflex0050硅胶等，仿生足垫基层的厚度为1±0.5mm；仿生足垫基层的上下两表面涂有柔性粘合剂，分别与机器人足底表面、仿生足垫中层的上表面相粘结；

仿生足垫中层模仿了足跟垫中大隔室椭球状、羽状结构及材料组成，仿生足垫中层的基体选用多孔乳胶材料，仿生足垫中层的厚度为1.5±0.5cm。仿生足垫中层中挖有羽状隔室、椭球状隔室；椭球状隔室呈横向的扁平状，扁率为0.5—0.7；羽状隔室前后两侧壁凸向机器人行走方向，经过方向a投影该结构呈上宽下窄的鸟翼状，经方向b投影呈上宽下窄的月牙状，由下往上该羽状隔室横截面面积逐渐增大；两侧羽状隔室位于椭球状隔室的两侧，两侧羽状隔室分别向内侧弯曲包绕着椭球状隔室，并呈对称分布；羽状隔室中填充粘弹性填充物，椭球状隔室中填充具有多孔结构的粘弹性填充物，粘弹性填充物中孔的直径从下往上呈逐渐增大的规律分布；椭球状隔室内壁开设螺旋纤维槽，该螺旋纤维槽内置刚性的胶原纳米纤维束；

仿生足垫下层模仿了足跟垫中小隔室蜂窝状结构及材料组成。仿生足垫下层使用较为柔软的基体材料，如：ecoflex0010硅胶等，仿生足垫下层的厚度为3±0.5mm；结合3d打印技术，该层内部开设蜂窝状空腔，蜂窝状空腔横截面呈正六边形，蜂窝状空腔与蜂窝状空腔之间呈等距均匀分布，蜂窝状空腔内部填充粘弹性填充物；仿生足垫下层的仿生足垫下层上表面和仿生足垫下层下表面涂有柔性粘合剂，分别与仿生足垫中层及触地表层相粘结；

触地表层使用ecoflex0010硅胶为基体材料，触地表层的厚度为2±0.5mm；触地表层的下表面开设网状花纹。

本发明的工作原理和过程为：

本发明受具有高效缓冲减震、超强各向异性等优异生物力学功能的人体足跟垫的启示，基于其独特的多室封闭结构及刚柔材料的耦合作用可提高机器人的触地稳定性。本发明的四层仿生材料通过柔性粘合剂组合后整体呈长条状长方体结构，仿生足垫基层贴附于机器人足垫下表面，触地表层与地面直接接触。仿生足垫与地面触地的过程中，地面的冲击力作用于触地表层，竖直方向上仿生足垫中层的大隔室初始发生大变形，其表现出低刚度力学现象，随着压缩的继续进行，包绕粘弹性填充物的螺旋纤维被拉伸，仿生足垫中层不能再继续发生较大的形变，此时表现出较高刚度，因此在压缩力f1作用下仿生足垫整体呈现出高度非线性；在水平方向上，羽状隔室在水平剪切力f2的作用下初始有较大的形变，而随着剪切力的增大两侧的羽状隔室难以发生形变，该方向上仿生足垫整体表现出非线性刚度的特点。因此，该仿生足垫高度各向异性的力学行为使其表现出较好的柔顺性，提高了制动稳定性，可有效提高触地稳定性；同时，仿生足垫的初始大变形行为延长了冲击力的作用时间，有效起到缓冲作用。

仿生足垫中层的胶原纳米纤维束及粘弹性填充物作为储能功能耦合的耦元，粘弹性填充物以蠕变、热量等形式耗散能量，使震动减弱。仿生足垫下层中蜂窝状隔室结构及粘弹性填充物通过耦合作用进一步提高了吸震性能。

本发明的有益效果：

1、本发明基于人体足跟垫的多隔室多层结构，设计了具有类似特征的仿生足垫。该仿生足垫在竖直方向能够实现非线性刚度，压缩初期呈现高柔顺性，扩大了仿生足垫与地面的接触面积、提高了路面适应性；压缩后期呈现较高刚度，有效起到稳定支撑的作用。本发明的羽状隔室结构及刚柔材料组合，使仿生足垫在水平方向上能够实现非线性刚度，可有效起到制动作用。本发明的触地表层的下表面开设网状花纹，在运动过程中可起到防滑作用。

2、本发明的材料组成，通过胶原纳米纤维束—粘弹性材料耦合作用使该仿生足垫具有优异的缓冲吸震性能。仿生足垫下层呈现蜂窝状封闭结构，封闭的蜂窝状结构可形成静液压系统，在运动过程中具有良好的吸震性能。

3、本发明通过提高腿足式机器人的路面适应性、改善缓冲减震性能两种方式提高了其触地稳定性。

4、本发明的基底材料为弹性模量较高的材料，可以防止仿生足垫出现过大变形，提高了材料的耐久性。本发明的仿生足垫基层上表面可直接涂抹柔性粘合剂，贴附于腿足式机器人足底表面，操作方便，便于更换。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的主视图。

图3为本发明的俯视图。

图4为图3中的a-a剖面图。

图5为椭球状隔室结构示意图。

图6为羽状隔室结构示意图。

图7为触地表层下表面的网状花纹示意图。

其中：1—仿生足垫基层；11—基层上表面；12—基层下表面；2—仿生足垫中层；21—椭球状隔室；22—羽状隔室；221—羽状隔室前侧壁；222—羽状隔室后侧壁；23—仿生足垫中层上表面；24—仿生足垫中层下表面；3—仿生足垫下层；31—仿生足垫下层上表面；32—蜂窝状空腔；33—仿生足垫下层下表面；4—触地表层；41—触地表层上表面；42—触地表层下表面；43—网格状花纹；5—粘弹性填充物。

具体实施方式

请参阅图1至图7所示，一种提高腿足式机器人触地稳定性的耦合仿生足垫，包括仿生足垫基层1、仿生足垫中层2、仿生足垫下层3和触地表层4；

仿生足垫基层1选用与足底筋膜刚度等力学性能相当的材料，如：ecoflex0050硅胶等，仿生足垫基层1的厚度为1±0.5mm；基层上表面11与基层下表面12涂有柔性粘合剂，分别与机器人足底表面、仿生足垫中层上表面23相粘结；由于该基层的刚度较大，不仅可以防止仿生足垫出现过大变形，提高材料的耐久性，而且可以使力通过该层均匀地传递到下方的仿生足垫中层2。

仿生足垫中层2的基层材料选用多孔乳胶材料，仿生足垫中层2的厚度为1.5±0.5cm。仿生足垫中层2包括羽状隔室22和椭球状隔室21；两侧羽状隔室22位于椭球状隔室21的两侧，两侧羽状隔室22分别向内侧弯曲包绕着椭球状隔室21，并呈对称分布；椭球状隔室21呈横向的扁平状，扁率为0.5—0.7；羽状隔室前侧壁221与羽状隔室后侧壁222凸向机器人行走方向，经过方向a投影该结构呈上宽下窄的鸟翼状，经方向b投影呈上宽下窄的月牙状，由下往上该羽状隔室22横截面面积逐渐增大；羽状隔室22中填充粘弹性填充物，椭球状隔室21中填充具有多孔结构的粘弹性填充物，粘弹性填充物中孔的直径从下往上呈逐渐增大的规律分布；椭球状隔室21内壁开设螺旋纤维槽212，螺旋纤维槽212内置刚性的胶原纳米纤维束；仿生足垫中层2受到运动过程中的力时，在竖直力f1的作用下椭球状隔室21及两侧羽状隔室22的内部粘弹性填充物迅速被压缩，两侧羽状隔室22向两侧弯曲以配合中间椭球状隔室21的变形，初始压缩阶段仿生足垫中层2表现出大变形行为，具有较好的柔顺性；随着压缩的继续进行，包绕粘弹性填充物的螺旋纤维被拉伸，仿生足垫中层2不能再继续发生较大的形变，此时仿生足垫中层表现出较高刚度，因此压缩力作用下仿生足垫整体呈现出高度非线性，具有该种力学性能的足垫增大了与地面的接触面积，有效地提高了触地稳定性，且具有良好的缓冲作用。水平方向上，羽状隔室22在水平剪切力f2的作用下初始有较大的形变，而随着剪切力的增大两侧的羽状隔室22难以发生形变，因此在水平方向上，仿生足垫整体表现出非线性刚度的特点，具有该种力学性能的材料有利于机器人运动的制动，提高了运动的稳定性。仿生足垫中层2中刚柔材料耦合作用有助于储能减震。

仿生足垫下层3使用较为柔软的基体材料，如：ecoflex0010硅胶等，仿生足垫下层3的厚度为3±0.5mm；结合3d打印技术，仿生足垫下层3内部开设封闭的蜂窝状空腔32，蜂窝状空腔32横截面呈正六边形，蜂窝状空腔32与蜂窝状空腔32之间呈等距均匀分布，蜂窝状空腔32内部填充粘弹性填充物5；仿生足垫下层3的仿生足垫下层上表面31和仿生足垫下层下表面33涂有柔性粘合剂，分别与仿生足垫中层下表面24及触地表层上表面41相粘结；仿生足垫下层3具有封闭的蜂窝状结构，可形成“静液压系统”，在运动过程中具有良好的吸震性能。

触地表层4使用ecoflex0010硅胶为基体材料，触地表层4的厚度为2±0.5mm；触地表层下表面42开设网格状花纹43，在运动过程中可起到防滑作用，增强了运动的稳定性。