[发明专利]一种提高腿足式机器人触地稳定性的耦合仿生足垫

说明书

一种提高腿足式机器人触地稳定性的耦合仿生足垫，仿生足垫通过模仿人体足跟垫独特的隔室结构及材料组合，可实现优异的生物力学功能。本发明包括仿生足垫基层、仿生足垫中层、仿生足垫下层和触地表层，各层之间通过柔性粘合剂相固定。仿生足垫基层具有较高的硬度；仿生足垫中层设有椭球状隔室和羽状隔室，隔室内部镶嵌着包覆粘弹性填充物的纳米纤维束，通过结构及材料的耦合作用，仿生足垫呈现出高度各向异性的机械力学特性，仿生足垫下层设有包裹粘弹性填充物的蜂窝状封闭隔室，通过该种结构可实现良好的吸震储能效果，可有效提高机器人腿足式系统的触地稳定性。

技术领域

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。

发明内容

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；