[发明专利]具有变刚度脚趾脚跟关节的仿生足

说明书

本发明提供了一种具有变刚度脚趾脚跟关节的仿生足，包括：结构主体，包括脚掌、脚趾和脚跟，所述脚趾和脚跟能够相对所述脚掌枢转；第一连接机构，连接在所述脚掌与所述脚趾之间，和/或所述脚掌与所述脚跟之间；所述第一连接机构包括一弹性部件，所述弹性部件能够随所述脚趾和/或所述脚跟的转动发生弹性弯曲，从而提供对所述转动的反力矩；第二连接机构，连接在所述脚掌与所述仿人机器人的腿部之间。其中弹性部件的刚度随弯折角度呈非线性变化。本发明利用连杆机构将脚趾和/或脚跟关节的旋转转化成玻璃纤维板的弯曲，弯折刚度随着脚趾和/或脚跟的翻折角度增加而增大，不容易出现塑性形变。

技术领域

本发明涉及一种仿生足，属于仿人机器人技术领域。

背景技术

当前仿人机器人主要依靠脚掌与地面进行接触，是一种浮动基机器人。仿人机器人的稳定性与脚掌和地面的相互作用有很大联系。人类在行走或奔跑动作时，通常脚跟先触地，脚尖离地。这是为了利用重力，被动地产生向前的运动，更省力。脚跟在接触地面时，由于人体组织的弹性，可以很好地吸收冲击，减少不稳定的因素。脚尖在离地时，会提供一个较大的向后的推力，使人实现快速的行走。而推力的来源，一部分是脚趾在被压迫的过程中肌腱储存的能量释放。在机器人领域，需要更多地参考人类的运动方式，实现能量效率更高，更稳定的运动。实时的检测脚掌与地面接触受力情况，例如受力点和力的大小，方向等。并将反馈信息输入到闭环的控制系统中，用来产生稳定的仿人机器人动作。

中国发明专利201110102356.2公开了一种带有柔性脚趾脚跟关节的仿生足。该发明的特点有：脚趾关节采用两个弯成矩形的带局部较薄的部分的弹簧钢板构成一个柔性铰链，矩形两侧分别与脚趾和脚掌固连。柔性铰链同时起到提供刚度和弯曲自由度的作用；脚跟利用单片柔性铰链将脚跟与脚掌连接起来，弯曲时能够提供刚度，上边利用三角形的连杆将冲击转化成弹簧的线性压缩。但该发明脚跟的连杆长度没有经过验证，运动的可解性未知，可能出现机构锁死的现象。脚趾关节也有同样的问题。此外整体结构缺乏优化，缺少减重，特殊部位加强的特征。机构复杂，凭添了重量。柔性铰链的材料不适合大角度的弯曲。

中国发明专利201510239337.2公开的仿生足引入了“足弓”的概念，利用板装弹簧堆叠产生弧形的结构，用来吸收地面冲击。脚趾关节加入被动弹簧，弯曲时储能，恢复时释放能量。但该发明的脚趾关节刚度是恒定的的，不能根据弯曲角度的增加增加刚度。弹簧压缩力矩是线性变化的，储能能力受到了限制。

由此可见，现有技术中的仿生足的设计存在无法改变脚趾关节的刚性，储能效果差的缺陷，需要解决平整脚掌承受冲击后不稳定，能量效率低的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够集成力传感器，具有人类的有柔性的脚趾，脚跟特征，能通过弹性储能、释放辅助机器人运动，且结构强度满足大型仿人机器人快速运动的要求的仿人机器人专用脚。

本发明的技术方案如下。

一种仿人机器人的仿生足，包括：

脚掌、脚趾和脚跟，所述脚趾和脚跟能够相对所述脚掌枢转；

第一连接机构，连接在所述脚掌与所述脚趾之间，和/或所述脚掌与所述脚跟之间；所述第一连接机构包括一弹性部件，所述弹性部件能够随所述脚趾和/或所述脚跟的转动发生弹性弯曲，从而提供对所述转动的反力矩；

第二连接机构，连接在所述脚掌与所述仿人机器人的腿部之间。

优选地，所述脚掌呈向上凸起的弧形；所述脚掌与所述脚趾之间通过第一铰链连接，所述脚掌与所述脚跟之间通过第二铰链连接。

优选地，所述第一铰链的轴与所述脚趾固连，所述第二铰链的轴与所述脚跟固连。

优选地，所述结构主体还包括加强筋，其可拆卸地安装在所述脚掌上。