[发明专利]一种基于仿生学的柔性被动足部系统

说明书

本发明涉及一种基于仿生学的柔性被动足部系统，包括柔性足趾关节和侧向缓冲减震层，使足部具备了稳定支撑、缓冲减震以及能量储存的功能。足趾关节的柔性由平行于脚掌的压缩弹簧提供，并通过一种曲柄连杆机构使足趾部分与脚掌连接。足部上下两层对称分布了减震弹簧，有助于在不平地面上行走时增强机器人的稳定性，同时能有效消除行走时地面对足部的冲击。本发明通过压缩弹簧的压缩和伸展功能实现足趾关节的屈伸自由度和足部侧向的被动自由度，同时利用弹簧的能量贮存特性使足部具有缓冲减震和节能的功能，可以提高机器人行走稳定性和降低能量损耗。本发明相对于传统机器人足部结构，具有仿人性好、步行稳定性高、能量效率高、结构紧凑且适应性好。

技术领域

本发明涉及一种基于仿生学的柔性被动足部系统，属于机器人技术领域。

背景技术

仿人机器人是目前机器人技术发展领域最先进的体现，它们具有类人的外形，在结构和行走方式上也模仿人类。仿人机器人稳定运行的核心技术与研究难点是实现稳定的双足步行。

从生物力学角度，双足步行可以分为基于主动控制的运动和基于被动行走的运动。这两种方式的缺点在于：能量消耗大，效率低，对驱动器的性能要求较高，步态不自然，与实际人类运动相差较大。未来双足步行机器人的发展趋势，是将主动控制与被动行走相结合，制作出既有较高的效率和自然的步态又能实现多种运动、有较强实用性的机器人。因此将具有柔性的被动足部与各关节主动驱动得双足机器人结合起来，实现主动控制，能获得更高效和更拟人化的双足机器人步行效果。

中国专利号CN101823517B发明了一种具有足底防滑减震垫和减震六维力矩传感器支座组成的双层减震足部结构，该足部能减小机器人竖直方向上的冲击，但是六维力矩传感器安装在第二层减震座上，测算的足部力矩参数不够准确，同时足部被动自由度比较单一。

中国专利号CN103738428A发明了一种由跖趾关节、脚跟和踝关节组成的通过扭簧提供柔性的足部结构，该足部具有仿人的跖趾关节，但是足部跖屈时与地面接触为线接触，支撑不稳。同时，该专利中跖趾关节用扭簧提供柔性，在用于实际机器人实验时，贮存于扭簧的能量不便于计算，致使实验的重复性差。

目前普遍的双足机器人足部结构多为刚性结构，以及具有竖直方向或者侧向的单一被动自由度的柔性足部，其中刚性的足部结构对机器人的冲击较大，且步行过程中稳定性也比较差；而采用单一被动自由度的柔性足部，其功能性比较差。在双足机器人领域，要得到运动高效、步态自然、能实现多种步态的双足运动，就需要在双足步行机器人中加入多自由度的被动关节和柔性驱动。

发明内容

本发明主要是为解决现有技术所存在的技术问题而提出了一种可用于双足机器人的基于仿生学的柔性被动足。该足部由被动足趾关节和侧向缓冲减震层组成双层结构，使足部具备了缓冲减震能力、步行过程中的稳定支撑功能以及足趾关节的能量储存能力。柔性被动式的足趾关节能将人体前倾时的能量储存并在单足支撑相末期释放，推动机器人前进，这样将本来在刚性足部中相位切换时消耗于滑动和摩擦的能量储存并利用起来，在理论上能降低机器人的能量消耗。该足部能够缓冲吸震、有效减少驱动电机所承受碰撞产生的瞬时转矩，并且行走步态更加自然；利用其自身固有动力学特性，使机器人具有节能、拟人的特点。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种基于仿生学的柔性被动足部系统，其特征在于，包括仿人被动柔性足趾关节、以及设置在仿人被动柔性足趾关节上的侧向缓冲减震层；所述侧向缓冲减震层通过减震组件设置在仿人被动柔性足趾关节上。