[发明专利]一种基于张拉整体结构的仿生足跖趾关节机构及装置

说明书

本发明涉及一种基于张拉整体结构的仿生足跖趾关节机构及装置，机构包括：仿生足前掌，张拉单元，仿生足后掌及弹簧套件，改变了传统仿生足体积大，重量沉、灵活性差及控制系统复杂等不足，具有张拉整体结构带来的柔顺性及弹簧刚度匹配带来的稳定性，灵活性好，保证制造成本低廉的同时使结构搭建更为简单快捷，充分发挥跖趾关节在仿人步行机器人行走过程中的流畅性，保证机器人的稳定行走；结构简单，机构的运动过程模拟人足在行走过程中第一至第五跖趾关节处发生的协同转动，能够在冠状面方向实现内屈、外伸动作，有助于提高野外勘探机器人、软体机器人和体育研究机器人等新兴领域的性能优化和设计水平，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及仿生工程技术领域，可应用于机器人、可穿戴等研究领域，更具体的说是涉及一种基于张拉整体结构的仿生足跖趾关节机构及装置。

背景技术

机器人在科学探索、航空航天、交通运输、设备维护、社交娱乐以及康复医疗等领域均具有良好的应用前景，其中仿人步行机器人具有运动灵活性高和自适应强等特点，在运动过程中能够实现在非结构环境下的稳定自适应行走，具有巨大的应用前景、良好的社会效益和经济收益，已经成为当今社会研究的热点。

但是，仿人机器人在稳定行走、步行速度、行走效率、反映速度存在差距，特别在自适应行走方面存在瓶颈还有待突破解决。作为唯一与地面接触的部位，足部机构是影响仿人足式机器人行走性能的主要因素之一。

而现有的仿生足结构仅能够实现仿人足式机器人在平坦地面上的行走，且多数聚焦于对人体足部踝关节的研究，忽略了跖趾关节在整个步态周期中发挥的重要作用；一般采用普遍性的铰链、转轴结构设计，仅能简单的在结构方面模仿人体足部生物学特性，其他生物学特征仍需要通过控制系统等进一步完善。虽然仿生足部机构在辅助机器人行走方面得到了极大的关注，取得了一定的进展，但与人体踝关节、跖趾关节结构相比较，仍存在柔度差、重量大、控制系统复杂等缺点。

因此，如何研究出一种兼具稳定性、灵活性、轻量化特性和能够实现跖趾切换的仿生足跖趾关节机构是本领域研究人员亟须解决的问题。

发明内容

为此，本发明的一个目的在于提出一种基于张拉整体结构的仿生足跖趾关节机构，解决现有仿生足体积大，重量沉、灵活性差及控制系统复杂的问题。

本发明提供了一种基于张拉整体结构的仿生足跖趾关节机构，包括：

仿生足前掌，所述仿生足前掌顶部设置有滑轨支撑座，所述滑轨支撑座上设置有滑轨；所述仿生足前掌前端对称设置有两个张拉单元前支撑杆，所述滑轨支撑座两侧对称设置有两组张拉单元后支撑杆；两个张拉单元前支撑杆顶部支撑一水平布置的张拉单元前杆，两组张拉单元后支撑杆顶部支撑一水平布置的张拉单元后杆；

张拉单元，所述张拉单元包括滑块、上连杆、下连杆及连接杆；所述滑块滑动于所述滑轨上，所述滑块两侧一一对应转动连接两组所述上连杆、所述下连杆，每一组所述上连杆、所述下连杆均通过一所述连接杆连接至滑块对应的侧面；

仿生足后掌，所述仿生足后掌前端两侧对称布置有两组后掌连接杆，两组所述后掌连接杆一一对应连接两组张拉单元后支撑杆；以及

弹簧套件，所述上连杆、所述下连杆通过所述弹簧套件对应连接所述张拉单元前杆、所述张拉单元后杆，用于模拟第一至第五跖趾关节之间协同运动的生物力学特性；滑块沿滑轨移动且带动所述上连杆、所述下连杆绕轴孔转动，所述后掌连接杆跟随所述下连杆运动并带动所述仿生足后掌与非结构化地形抵接或分离实现跖行状态与趾行状态的切换。