[发明专利]一种主动变刚度的柔性机械足

说明书

本发明公开了一种主动变刚度的柔性机械足，包括脚踝机构、脚掌机构和主动变刚度机构。脚踝机构主要通过两个铰链串联组成，这样的设计能够节省空间，减小连接处的磨损，延长机械的使用寿命，在保证灵活性的要求的同时还提供了较大的承载能力。主动变刚度机构包含两根弹簧，能够同时承受拉力和压力，缓冲踝关节运动时产生的拉力和压力，贮存能量，提高能量的利用效率。主动变刚度机构能够通过电机主动调节弹簧的刚度，改变机械足的柔性，更快速的适应变化的复杂环境，提高机械足在崎岖地形运动时的稳定性，同时满足机械在不同速度下对机械足柔性的需求。缓解机械足着地时对机体的冲击，避免造成对机器人本体的损伤。

技术领域

本发明涉及机器人技术，具体为一种主动变刚度的柔性机械足。

背景技术

传统的移动机器人主要指多足类移动机器人和轮式机器人，其中轮式机器人包括履带式移动机器人和轮腿复合式移动机器人。地球上大约有一半的地面是轮式或履带车无法行走的，但是人类和动物可以步行到任何地方。足式机器人能穿越自然界中崎岖不平的山丘或沼泽等地形。在占地球陆地总面积90％以上的各种非结构环境中，多足机器人在军事运输、矿山开采、水下建筑、核工业、星球探测、农业及森林采伐、教育、艺术及娱乐等行业有着非常广阔的应用前景。其中最为常见的多足机器人是四足机器人。随着四足类机器人研究的不断深入，对四足类机器人腿部柔性的要求越来越受到重视，具有优异腿部柔性的四足类机器人在行走过程当中可以有效减弱机器人足端与接触地面之间的接触力，缓和冲击，延长机器人零部件的寿命，增强机器人零部件的可靠性；同时，具有柔性腿结构的机器人能量利用率更高，行走过程当中的倾覆稳定性能更加良好。四足机器人机械足的设计是四足机器人单腿设计的重要一环，传统的四足机器人机械足的结构较为简单，一般情况下为平面结构、球面结构或者仿生足弓结构，这些类型的机械足结构简单，功能单一，无法提供给多足类机器人单腿足够的柔性，已经越来越不适应多足类机器人的发展需要。

事实上，大自然中动物与人的运动关节就表现出了非常出色的运动特性，不仅具有快速响应、大力矩输出能力，还体现出优秀的柔顺特性。关节柔顺特性不仅仅保护动物机体组织在外力作用时免受损伤，而且能够保证精准的力输出。同时，为适应不同情况，动物能够调整肌肉-肌腱组织的刚度，提高运动稳定性及能量优化特性。在国内外，很多机械足的柔性通过弹簧来实现，例如文献《张彻，陈浩，张群.一种仿骆驼足的设计与仿真分析，北京航空航天大学机械工程与自动化学院，2012》中通过弹簧和连杆机构组合，当脚掌与地面接触时，连杆转动增大与地面的接触面积，同时弹簧压缩减小机械所受到的地面冲击，展现出机械足的柔性，提高机械的稳定性。但是这种结构也存在着一定的不足。机械足能够做到外翻、内翻、俯仰和旋转，但却无法控制运动幅度，缺乏柔性。当机械足抬起的时候，脚掌依靠重力来复位，反应较慢且精确度较低。这容易使机械足在下一次着地时以脚尖率先触地，而不是整个脚掌同时触底，造成机械稳定性的降低，这种情况在机器人快速移动时尤为明显。

美国专利US20170027716，其结构整体结构紧凑，多个弹簧形成耦合单元，形成柔性，帮助机器足实现俯仰等动作。但是这种结构缺乏关节，完全依靠弹簧的弹性形变来完成各种动作，内翻和外翻很难实现，不具有旋转功能。另外，这种结构不能主动变刚度，适用于平整路面，不适合在复杂环境中使用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种主动变刚度的柔性机械足。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，提供一种主动变刚度的柔性机械足，其特征在于该机械足包括脚踝机构、脚掌机构和主动变刚度机构；