一种基于张拉整体结构的仿生足跖趾关节机构及装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。具有广阔的应用前景。具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于张拉整体结构的仿生足跖趾关节机构及装置


[0001]本专利技术涉及仿生工程
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。

技术实现思路

[0006]为此，本专利技术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。
[0007]本专利技术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：
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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
[0011]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。
[0012]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术公开提供了一种基于张拉整体结构的仿生足跖趾关节机构，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，本专利技术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，具有更好的灵活性，在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，符合人体膝关节的生物力学特性，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。
[0013]进一步地，每一组所述上连杆和所述下连杆之间均通过推力球轴承分隔限位，且所述推力球轴承设置于所述连接杆上。
[0014]进一步地，每一个所述张拉单元前支撑杆的一端与所述仿生足前掌前端连接，另一端上设置有支撑所述张拉单元前杆的安装孔一，其由一端至另一端圆弧过渡且朝向所述滑轨支撑座方向倾斜；每一个所述张拉单元后支撑杆均包括固定段和连接段，所述固定段和所述连接段之间的夹角为钝角，所述固定段固定于所述滑轨支撑座侧面，所述连接段远离所述固定段一端具有用于连接所述张拉单元后杆的安装孔二。
[0015]进一步地，所述后掌连接杆包括连接盘、角度连接杆及过渡杆，所述角度连接杆一端与所述仿生足后掌侧面固定，其另一端连接所述连接盘，所述连接盘上具有多个用于与所述张拉单元后支撑杆的连接段安装的固定孔，所述过渡杆连接于所述接盘和所述角度连接杆的一端之间。
[0016]进一步地，所述弹簧套件为对称布置的两组，每一组均包括：第一弹簧、第二弹簧、第三弹簧、第四弹簧、第五弹簧及第六弹簧；所述第二弹簧与所述第五弹簧劲度系数相同，用于提供所述滑块在所述滑轨上的稳定滑动；所述第一弹簧与所述第三弹簧劲度系数大于所述第四弹簧和所述第六弹簧，且所述第一弹簧与所述第三弹簧原长小于所述第四弹簧及所述第六弹簧。
[0017]进一步地，所述滑块的两侧对称设置有两组中一弹簧套索、中二弹簧套索，且中一弹簧套索、中二弹簧套索均与所述连接杆轴线汇合，并可绕轴线运动不受约束；所述第二弹簧、第五弹簧分为两组，均对称布置于所述滑块的两侧，其中所述第二弹簧一端安装于所述中一弹簧套索，另一端与所述张拉单元前杆相连；所述第五弹簧一端安装于所述中二弹簧套索，另一端与所述张拉单元后杆相连。
[0018]进一步地，所述上连杆的下侧开设有用于供所述连接杆通过的轴孔一，且其顶部与张拉单元前杆通过所述第一弹簧连接，其顶部还与张拉单元后杆通过第四弹簧连接；每一组所述下连杆的上侧开设有用于供所述连接杆通过的轴孔二，其底部与张拉单元前杆通过第三弹簧连接，其底部还与张拉单元后杆通过第六弹簧连接；所述下连杆中间部分开设有用于连接所述后掌连接杆的圆孔。
[0019]进一步地，所述滑块的两侧对称设置有两组后一弹簧套索、后二弹簧套索、后三弹簧套索；且后一弹簧套索、后二弹簧套索、后三弹簧套索均与张拉单元后杆轴线汇合，其可绕张拉单元后杆的轴线运动不受约束；所述第四弹簧、第五弹簧、第六弹簧分为两组，均对
称布置于滑块的两侧，其中所述第四弹簧一端安装于所述后一弹簧套索，另一端与所述上连杆相连；所述第五弹簧一端安装于所述后二弹簧套索，另一端与所述连接杆相连；所述第六弹簧一端安装于所述后三弹簧套索，另一端与所述下连杆相连。
[0020]进一步地，所述仿生足前掌顶部开设有方槽，所述方槽尺寸与所述滑轨支撑座底部相同，所述滑轨支撑座放置于所述方槽中并与所述仿生足前掌固定。
[0021]本专利技术的另一个目的在于提供了一种具有基于张拉整体结构的仿生足跖趾关节机构的装置，包括装置本体及与其配合的所述的基于张拉整体结构的仿生足跖趾关节机构。
附图说明
[0022]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于张拉整体结构的仿生足跖趾关节机构，其特征在于，包括：仿生足前掌(1)，所述仿生足前掌(1)顶部设置有滑轨支撑座(13)，所述滑轨支撑座(13)上设置有滑轨(15)；所述仿生足前掌(1)前端对称设置有两个张拉单元前支撑杆(11)，所述滑轨支撑座(13)两侧对称设置有两组张拉单元后支撑杆(12)；两个张拉单元前支撑杆(11)顶部支撑一水平布置的张拉单元前杆(14)，两组张拉单元后支撑杆(12)顶部支撑一水平布置的张拉单元后杆(16)；张拉单元(2)，所述张拉单元(2)包括滑块(21)、上连杆(23)、下连杆(22)及连接杆(24)；所述滑块(21)滑动于所述滑轨(15)上，所述滑块(21)两侧一一对应转动连接两组所述上连杆(23)、所述下连杆(22)，每一组所述上连杆(23)、所述下连杆(22)均通过一所述连接杆(24)连接至滑块(21)对应的侧面；仿生足后掌(3)，所述仿生足后掌(3)前端两侧对称布置有两组后掌连接杆(31)，两组所述后掌连接杆(31)一一对应连接两组张拉单元后支撑杆(12)；以及弹簧套件，所述上连杆(23)、所述下连杆(22)通过所述弹簧套件对应连接所述张拉单元前杆(14)、所述张拉单元后杆(16)，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(21)沿滑轨(15)移动且带动所述上连杆(23)、所述下连杆(22)绕轴孔转动，所述后掌连接杆(31)跟随所述下连杆(22)运动并带动所述仿生足后掌(3)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。2.根据权利要求1所述的一种基于张拉整体结构的仿生足跖趾关节机构，其特征在于，每一组所述上连杆(23)和所述下连杆(22)之间均通过推力球轴承(221)分隔限位，且所述推力球轴承(221)设置于所述连接杆(24)上。3.根据权利要求1所述的一种基于张拉整体结构的仿生足跖趾关节机构，其特征在于，每一个所述张拉单元前支撑杆(11)的一端与所述仿生足前掌(1)前端连接，另一端上设置有支撑所述张拉单元前杆(14)的安装孔一，其由一端至另一端圆弧过渡且朝向所述滑轨支撑座(13)方向倾斜；每一个所述张拉单元后支撑杆(12)均包括固定段和连接段，所述固定段和所述连接段之间的夹角为钝角，所述固定段固定于所述滑轨支撑座(13)侧面，所述连接段远离所述固定段一端具有用于连接所述张拉单元后杆(16)的安装孔二。4.根据权利要求3所述的一种基于张拉整体结构的仿生足跖趾关节机构，其特征在于，所述后掌连接杆(31)包括连接盘(311)、角度连接杆(312)及过渡杆(313)，所述角度连接杆(312)一端与所述仿生足后掌(3)侧面固定，其另一端连接所述连接盘(311)，所述连接盘(311)上具有多个用于与所述张拉单元后支撑杆(12)的连接段安装的固定孔，所述过渡杆(313)连接于所述接盘(311)和所述角度连接杆(312)的一端之间。5.根据权利要求4所述的一种基于张拉整体结构的仿生足跖趾关节机构，其特征在于，所述弹簧套件为对称布置的两组，每一组均包括：第一弹簧(41)、第二弹簧(42)、第三弹簧(43)、第...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙建伟，王振宇，张松宇，张炜，李维佳，高嵩，
申请(专利权)人：长春工业大学，
类型：发明
国别省市：