[发明专利]一种提高双足机器人步态自然性与稳定性的仿生足

说明书

技术领域

本发明涉及一种双足机器人仿生足，具体涉及一种提高双足机器人步态自然性与稳定性的仿生足。

背景技术

随着科学技术的进步，仿生步行机器人获得了快速发展并在社会的多个领域被广泛应用，如农业、军事、星际探索、野外科考、抢险救灾等。按步行足数目，步行机器人可划分为单足、双足、三足、四足、六足、八足甚至更多，其中偶数占绝大多数。而双足步行机器人相比其他类型，其行走方式与人类相近，具有在非结构性复杂路面行走移动能力佳、环境适应性强等显著特点，因此，得到了世界范围内的极大关注。然而，目前的双足机器人的足部几乎均为刚性块整体设计，这种设计具有结构简单的特点。但是，由于机器人足部整体刚性的限制使得双足机器人在行走过程中无法实现类似人的各连续步态特征(初始足跟触地、足部平放、脚跟抬起、脚尖离地)，因此其行走普遍存在步态僵硬、不自然的特点，这在一定程度上也降低了双足机器人步行效能；同时，由于整体刚性设计，现有双足机器人的足部无法发挥类似人体足弓的缓冲储能作用，因此在触地冲击中不能有效吸收或缓解地面的冲击作用强度，显著降低了行走稳定性，增加了控制难度；目前，研究者大多采取在两足步行机器人的腿机构中加入弹性阻尼元件或足底添加弹性材料层的方式，以在一定程度上缓解地面接触对机体的冲击影响，但效果不理想。

人体足部作为人体在步行运动过程中唯一与地面发生作用的部位，发挥着重要作用。在人体行走步态周期中，足跟着地时，由于动力要素的突然变化导致足部瞬时承受几倍于人体体重的冲击力；在足部支撑中期，作为与地面支撑相接触的唯一部位，足部需要调节与地接触状态及与地面间的相互作用以稳定人体运动。因此，人体足部为了能够缓解、吸收地面冲击作用，其本身需要具备柔性与适应性。而足部又需要非常高效地将地面作用力向人体下肢进行传递，其不得不具备足够的刚度；为了保持运动稳定性，足部需要发挥类似于阻尼系统的作用以调节与地面间的接触与作用。人体足部的这些功能的展现与其足部足弓(内侧足弓、外侧足弓)、足底腱膜及足底软组织有着密切的联系。人体足部的内侧纵弓，较高，由跟骨、距骨、舟骨、3个楔骨和第1～3跖骨构成。内侧纵弓前支点为第1～3跖骨头，后支点为跟骨，整体曲度较大，弹性较强，缓冲震荡作用较显著，故也被称做弹性足弓；而外侧足弓较低，由跟骨、骰骨及第4、5跖骨构成，跟骨构成后支点，第4、5跖骨头构成前支点。外侧纵弓在人体行走、跑跳运动中，在内侧纵弓承受躯干重力之前，外侧纵弓首先承力。足底腱膜相当于足弓系统中的“弓弦”，足弓受力下降时，在足弓前后支点间形成张力，使得足底腱膜受到拉伸作用，进而储能。而足底软组织主要包括纤维网状结构及脂肪，整体呈现粘弹特性，能够起到耗散冲击力，削弱冲击强度的作用。而目前的双足机器人的足部设计尚缺乏相关考虑。

综观当前双足行走机器人足部的研究现状及人体足部的功能结构特征，急需一种基于人体足部结构特征的能够提升双足机器人行走步态稳定性与自然性的仿生足。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有双足机器人行走步态不自然、稳定性差的问题，而提供一种能克服上述缺点的提高双足机器人步态自然性与稳定性的仿生足。