一种仿生张拉缓冲足-踝系统技术方案

一种仿生张拉缓冲足‑踝系统，包括两级张拉结构，第一级张拉结构既保证了整体结构起到缓冲的作用，又由于张拉结构自平衡自稳定性保证了足‑踝系统整体触地时的稳定平衡性，实现了刚性支撑和柔性缓冲的功能特征。第二级张拉结构在保证结构稳定性的同时通过拉力弹簧的变形吸收冲击力，再次通过具有柔性和自平衡自稳定性的张拉结构强化了仿生张拉足‑踝系统的缓冲功能特征。

A bionic ankle foot tension buffer system

【技术实现步骤摘要】
一种仿生张拉缓冲足-踝系统
本专利技术涉及机械仿生工程
，特别涉及一种应用于四足机器人的仿生张拉缓冲足-踝系统。
技术介绍
随着仿生技术的快速发展，仿生步行机器人在各个行业的众多领域被广泛应用，如军事侦察、物资运送、野外科考、抢险救灾等，代替人从事危险工作，极大地增大了人的工作安全性并降低了工作强度。四足步行机器人不仅具有承载能力强、稳定性好、结构简单等显著特点，其还能够以静态步行方式实现结构路面及复杂地形上的行走，并可以动态步行方式实现高速运动，因而受到世界范围内研究者的广泛关注。目前四足机器人的足部多为圆弧面或球形的整体刚性设计，难以保证高可靠度的接触及缓冲效果；且机器人的踝关节均被简化设计为机械式铰连接，在运动过程中往往承受剪切、弯曲、扭转和较大地面冲击等多种类型载荷的作用，同时由于铰连接多为刚性连接，刚性体之间不可避免地存在摩擦与撞击。研究表明，在快/高速运动状态下，四足机器人的下肢关节极易由于地面冲击力左右而发生结构破坏，进而限制了机器人运动的适用性和性能的进一步提升。目前，研究者大多采取在步行机器人的腿机构中采用高弹性材料，以在一定程度上减少地面接触对机器人的冲击影响，但足部几乎仍均为刚性整体设计，因此整体效果仍不理想。近年来，本专利技术申请人基于张拉思想，提出了一种仿生膝关节，用以降低冲击；同时受四足动物足垫结构启发对四足机器人的球形足进行了仿生设计。文献调研表明，目前国内外针对四足机器人系统的足-踝系统尚未有太多考虑。陆地上善于奔跑的四足趾行动物(如猫、犬等)的腿-足系统构成与当前机器人的腿-足结构设计有着明显的不同。四足趾行动物的腿-足系统具有精细的骨骼-肌肉系统，该系统又可细分为骨骼系统与肌肉系统，前者包括骨骼、软骨、韧带等，后者主要由肌肉和肌腱组成。研究表明，生物肢体的骨骼肌肉系统是一种存在于生物体的特殊“张拉结构”。张拉结构具备整体结构柔性，可使得机器人腿-足系统尤其是关节在运动中能够从容应对足-地冲击载荷，降低关节损伤并减小关节驱动负担；张拉结构具备的自平衡特性，则可以保证步态周期中腿部关节的稳定性。因此，结合研究现状，将张拉结构引入四足机器人的足-踝系统的创新设计研究，可能为降低机器人下肢冲击损伤问题的解决提供了全新的思路。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有四足机器人腿-足系统踝关节均采用刚性铰连接、足部采用整体式设计而带来的缓冲性能差的问题，而提供一种能克服上述缺点的仿生张拉缓冲足-踝系统。本专利技术包括有第一指、第二指、第三指、足掌部、腿部、第一橡胶块、第二橡胶块、第三橡胶块、第一受拉构件组、第二受拉构件组、第三受拉构件组、第四受拉构件组、第五受拉构件组、第六受拉构件组、第七受拉构件体、第一拉力弹簧组、第二拉力弹簧组、第三拉力弹簧组、第四弹拉力簧组、第五拉力弹簧组、足部外套。其中，第一受拉构件组由九个受拉构件单元组成；第二受拉构件组由十一个受拉构件单元组成；第三受拉构件组由九个受拉构件单元组成；第四受拉构件组由九个受拉构件单元组成；第五受拉构件组由十一个受拉构件单元组成；第六受拉构件组由九个受拉构件单元组成；第七受拉构件体一端又分为三个受拉构件分支，分别为第一受拉构件分支、第二受拉构件分支和第三受拉构件分支；足部的整体由第一指和第二指采用第一橡胶块粘结、第二指和第三指采用第二橡胶块粘结而构成。第一指与第三指大小相等且相对于第二指呈对称分布。足部的整体呈弧形，与地面接触部分为平面。第一指、第二指、第三指通过第三橡胶块与足掌部用螺栓、受拉构件组连接，具体为：第一指与第三橡胶块通过两个第一螺栓紧固连接，第二指与第三橡胶块通过两个第一螺栓紧固连接，第三指与第三橡胶块通过两个第一螺栓紧固连接；第三橡胶块与足掌部通过六个第一螺栓紧固连接；第一受拉构件组位于第一指和足掌部的上侧,组成第一受拉构件组的九个受拉构件单元等角度呈扇形排列并通过十八个第一螺钉连接第一指和足掌部；第四受拉构件组位于第一指与足掌部的底部，与第一受拉构件组对称分布，通过十八个第一螺钉连接第一指和足掌部；第二受拉构件组位于第二指与足掌部的上侧，组成第二受拉构件组的十一个受拉构件单元等角度呈扇形排列并通过二十二个第一螺钉连接第二指和足掌部；第五受拉构件组位于第二指与足掌部的底部，与第二受拉构件组对称分布，通过二十二个第一螺钉连接第二指和足掌部；第三受拉构件组位于第三指与足掌部的上侧，通过十八个第一螺钉连接第三指和足掌部；第六受拉构件组位于第三指与足掌部的底部，与第三受拉构件组对称分布，通过十八个第一螺钉连接第三指和足掌部。第七受拉构件体第一受拉构件分支通过第二螺钉连接第一指，第二受拉构件分支通过第二螺钉连接第二指，第三受拉构件分支通过第二螺钉连接第三指，第七受拉构件体的另一端通过三个第三螺钉紧固在足掌部。足掌部与腿部形成的踝关节通过第一拉力弹簧组、第二拉力弹簧组、第三拉力弹簧组、第四拉力弹簧组、第五拉力弹簧组形成张拉式的连接，其中第一拉力弹簧组由八个拉力弹簧单元组成，第二拉力弹簧组由八个拉力弹簧单元组成，第三拉力弹簧组由八个拉力弹簧单元组成，第四拉力弹簧组由八个拉力弹簧单元组成，第五拉力弹簧组由四个拉力弹簧单元组成；第一拉力弹簧组在足掌部上侧连接足掌部和腿部；第二拉力弹簧组在足掌部上侧与第一拉力弹簧组对称安装连接足掌部和腿部；第三拉力弹簧组和第四拉力弹簧组在足掌部底部分别与第一弹簧组和第二拉力弹簧组对称安装连接足掌部和腿部；第五拉力弹簧组连接掌部和腿部。第一拉力弹簧组、第二拉力弹簧组、第三拉力弹簧组、第四拉力弹簧组、第五拉力弹簧组、腿部、足掌部共同构成张拉结构，进而确保了腿部与足掌部的相对位置稳定。足部外套完全贴合套在第一指、第二指、第三指和足掌部，通过十个第四螺钉紧固在足掌部。本专利技术的工作原理和过程为：本专利技术是基于具有优良缓冲性能的趾行四足动物的足部和踝关节的张拉结构特征解析而得到的启示。陆地上的多数四足趾行动物(如犬、猫等)在奔跑时优先采用对角小跑或奔驰步态，在此运动状态下，地面对动物足部的冲击作用非常显著，而趾行动物在该步态模式下的运动尤为平稳顺畅，缓冲表现突出。经过观察分析，发现，趾行动物足部和踝关节均主要由骨骼、软骨、韧带、肌肉组成，足部还有足垫。其中，骨骼具有较高的刚性特征，在运动过程中主要承受压力，而连接骨骼的呈空间特殊结构排布的韧带具备柔性特征，在运动中则主要承受拉力，这是一种特殊的具备高柔性特征的生物“张拉结构”。当动物的足部与地面间发生接触作用时，冲击力逐次通过该张拉结构，由于该结构的整体柔性及自平衡特性，而产生一定程度的冲击能量耗散及传播方向的分散与改变，将冲击力降低到适当范围，同时仍能保证整体的结构稳定性，从而避免了冲击力过大对下肢造成损伤或结构破坏。基于四足趾行动物的足部与踝关节的拓扑结构及其材料特征，本专利技术将机器人的缓冲足-踝系统设计为主要由刚性受压构件和柔性受拉构件(除却足部外套)两类构件组成的仿生张拉足-踝系统。当仿生张拉足-踝系统与地面发生接触冲击作用时，足部外套首先产生弹性变形储存能量缓冲并降低冲击力峰值；之后，冲击力传递至由呈扇形等角度排列的第一受拉构件组、第二受拉构件组、第三受拉构件、第四受拉构件组、第五受拉构件组、第六受拉构件组、第一指、第二指、第三指、第一橡胶块、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿生张拉缓冲足‑踝系统，其特征在于：包括有第一指(21)、第二指(19)、第三指(17)、足掌部(5)、腿部(6)、第七受拉构件体(37)、第一橡胶块(20)、第二橡胶块(18)、第三橡胶块(33)、第一受拉构件组(105)、第二受拉构件组(106)、第三受拉构件组(107)、第四受拉构件组(108)、第五受拉构件组(109)、第六受拉构件组(110)、第一拉力弹簧组(101)、第二拉力弹簧组(102)、第三拉力弹簧组(103)、第四拉力弹簧组(104)、第五拉力弹簧组(99)、足部外套(1)；第一受拉构件组(105)由九个受拉构件单元组成；第二受拉构件组(106)由十一个受拉构件单元组成；第三受拉构件组(107)由九个受拉构件单元组成；第四受拉构件组(108)由九个受拉构件单元组成；第五受拉构件组(109)由十一个受拉构件单元组成；第六受拉构件组(110)由九个受拉构件单元组成；第七受拉构件体(37)一端又分为三个受拉构件分支，分别为第一受拉构件分支、第二受拉构件分支和第三受拉构件分支；足部的整体由第一指(21)和第二指(19)采用第一橡胶块(20)粘结、第二指(19)和第三指(17)采用第二橡胶块(18)粘结而构成；第一指(21)与第三指(17)大小相等且相对于第二指(19)呈对称分布；足部的整体呈弧形，与地面接触部分为平面；第一指(21)与第三橡胶块(33)通过两个第一螺栓(32)紧固连接，第二指(19)与第三橡胶块(33)通过两个第一螺栓(32)紧固连接，第三指(17)与第三橡胶块(33)通过两个第一螺栓(32)紧固连接；第三橡胶块(33)与足掌部(5)通过六个第一螺栓(32)紧固连接；第一受拉构件组(105)位于第一指(21)和足掌部(5)的上侧,组成第一受拉构件组(105)的九个受拉构件单元等角度呈扇形排列并通过十八个第一螺钉(31)连接第一指(21)和足掌部(5)；第四受拉构件组(108)位于第一指(21)与足掌部(5)的底部，与第一受拉构件组(105)对称分布，通过十八个第一螺钉(31)连接第一指(21)和足掌部(5)；第二受拉构件组(106)位于第二指(19)与足掌部(5)的上侧，组成第二受拉构件组(106)的十一个受拉构件单元等角度呈扇形排列并通过二十二个第一螺钉(31)连接第二指(19)和足掌部(5)；第五受拉构件组(109)位于第二指(19)与足掌部(5)的底部，与第二受拉构件组(106)对称分布，通过二十二个第一螺钉(31)连接第二指(19)和足掌部(5)；第三受拉构件组(107)位于第三指(17)与足掌部(5)的上侧，通过十八个第一螺钉(31)连接第三指(17)和足掌部(5)；第六受拉构件组(110)位于第三指(17)与足掌部(5)的底部，与第三受拉构件组(107)对称分布，通过十八个第一螺钉(31)连接第三指(17)和足掌部(5)；第七受拉构件体(37)第一受拉构件分支通过第二螺钉(55)连接第一指(21)，第二受拉构件分支通过第二螺钉(55)连接第二指(19)，第三受拉构件分支通过第二螺钉(55)连接第三指(17)，第七受拉构件体(37)另一端通过三个第三螺钉(36)紧固在足掌部(5)；足掌部(5)与腿部(6)形成的踝关节通过第一拉力弹簧组(101)、第二拉力弹簧组(102)、第三拉力弹簧组(103)、第四拉力弹簧组(104)、第五拉力弹簧组(99)形成张拉式的连接，其中第一拉力弹簧组(101)由八个拉力弹簧单元组成，第二拉力弹簧组(102)由八个拉力弹簧单元组成，第三拉力弹簧组(103)由八个拉力弹簧单元组成，第四拉力弹簧组(104)由八个拉力弹簧单元组成，第五拉力弹簧(99)组由四个拉力弹簧单元组成；第一拉力弹簧组(101)在足掌部(5)上侧连接足掌部(5)和腿部(6)；第二拉力弹簧组(102)在足掌部(5)上侧与第一拉力弹簧组(101)对称安装连接足掌部(5)和腿部(6)；第三拉力弹簧组(103)和第四拉力弹簧组(104)在足掌部(5)底部分别与第一弹簧组(101)和第二拉力弹簧组(102)对称安装连接足掌部(5)和腿部(6)；第五拉力弹簧组(99)连接足掌部(5)和腿部(6)；第一拉力弹簧组(101)、第二拉力弹簧组(102)、第三拉力弹簧组(103)、第四拉力弹簧组(104)、第五拉力弹簧组(99)、腿部(6)、足掌部(5)共同构成张拉结构，进而确保了腿部(6)与足掌部(5)的相对位置稳定；足部外套(1)完全贴合套在第一指(21)、第二指(19)、第三指(17)和足掌部(5)，通过第四螺钉(2)紧固在足掌部(5)。...

【技术特征摘要】
1.一种仿生张拉缓冲足-踝系统，其特征在于：包括有第一指(21)、第二指(19)、第三指(17)、足掌部(5)、腿部(6)、第七受拉构件体(37)、第一橡胶块(20)、第二橡胶块(18)、第三橡胶块(33)、第一受拉构件组(105)、第二受拉构件组(106)、第三受拉构件组(107)、第四受拉构件组(108)、第五受拉构件组(109)、第六受拉构件组(110)、第一拉力弹簧组(101)、第二拉力弹簧组(102)、第三拉力弹簧组(103)、第四拉力弹簧组(104)、第五拉力弹簧组(99)、足部外套(1)；第一受拉构件组(105)由九个受拉构件单元组成；第二受拉构件组(106)由十一个受拉构件单元组成；第三受拉构件组(107)由九个受拉构件单元组成；第四受拉构件组(108)由九个受拉构件单元组成；第五受拉构件组(109)由十一个受拉构件单元组成；第六受拉构件组(110)由九个受拉构件单元组成；第七受拉构件体(37)一端又分为三个受拉构件分支，分别为第一受拉构件分支、第二受拉构件分支和第三受拉构件分支；足部的整体由第一指(21)和第二指(19)采用第一橡胶块(20)粘结、第二指(19)和第三指(17)采用第二橡胶块(18)粘结而构成；第一指(21)与第三指(17)大小相等且相对于第二指(19)呈对称分布；足部的整体呈弧形，与地面接触部分为平面；第一指(21)与第三橡胶块(33)通过两个第一螺栓(32)紧固连接，第二指(19)与第三橡胶块(33)通过两个第一螺栓(32)紧固连接，第三指(17)与第三橡胶块(33)通过两个第一螺栓(32)紧固连接；第三橡胶块(33)与足掌部(5)通过六个第一螺栓(32)紧固连接；第一受拉构件组(105)位于第一指(21)和足掌部(5)的上侧,组成第一受拉构件组(105)的九个受拉构件单元等角度呈扇形排列并通过十八个第一螺钉(31)连接第一指(21)和足掌部(5)；第四受拉构件组(108)位于第一指(21)与足掌部(5)的底部，与第一受拉构件组(105)对称分布，通过十八个第一螺钉(31)连接第一指(21)和足掌部(5)；第二受拉构件组(106)位于第二指(19)与足掌部(5)的上侧，组成第二受拉构件组(106)的十一个受拉构件单元等角度呈扇形排列并通过二十二个第一螺钉(31)连接第二指(19)和足掌部(5)；第五受拉构件组(109)位于第二指(19)与足掌部(5)的底部，与第二受拉构件组(...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱志辉，王强，周亮，武冀杰，任雷，任露泉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22