一種具有自適應能力的彈性腳掌結構的製作方法

2024-01-30 09:43:15

本發明涉及機器人結構技術領域，尤其是一種具有自適應能力的彈性腳掌結構。

背景技術：

傳統機器人腳掌由剛性關節和齒輪等材料構成，並利用強筋等彈性材料對關節進行控制，利用點-面接觸，使機器人能靈敏快速的完成各種任務。然而，隨著科技的發展，機器人逐漸應用於工業、建築業、農業甚至是航天領域，複雜的作業環境給機器人傳統的點-面接觸設計帶來了巨大的挑戰。若機器人腳掌的接觸面不為平面，而是更為複雜的弧面，甚至是沒有規律的凸面，傳統的點-面接觸將會失靈。如果將機器人的腳掌與接觸面的接觸方式改為面-面接觸，將能增強機器人腳掌對複雜多變的接觸面的適應性。

目前，關於機器人腳掌與接觸面的面-面設計結構，國內外並沒有相關的技術。較為相似的，有多倫多大學(torontouniversity)研究的用於機器手指的軟材料，目的在於增強機器人手指的適應性，使機器人能搞牢固地抓住具有不平坦表面的物體；以及劍橋大學(cambridgeuniversity)研究的地面運動中的力傳感，目的在於利用機器人腳掌中的柔性材料減輕高衝擊力對腳掌中的傳感器的影響，保護傳感器避免受地面碰撞。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題在於，提供一種具有自適應能力的彈性腳掌結構，能夠使機器人腳掌與接觸面進行面-面接觸，適應複雜多變的工作環境。

為解決上述技術問題，本發明提供一種具有自適應能力的彈性腳掌結構，包括：頂層彈性體材料、底層彈性體材料和彈簧陣列；彈簧陣列嵌入彈性體材料外殼內部，一面與底層彈性體材料粘合，另一面與頂層彈性體材料粘合。

優選的，頂層彈性體材料的剛度稍大於底層彈性體材料的剛度。

優選的，彈簧陣列中的所有彈簧平行排列，彈簧陣列選用剛性模數相同的材料。

優選的，彈簧陣列中每個獨立彈簧的匝數、彈簧中徑以及彈簧間距隨著彈簧與機器人足端連接處距離增大而遞減。

優選的，彈性腳掌分別與結構接觸面和非結構接觸面接觸。

優選的，彈性腳掌與非結構接觸面接觸時，接觸方式具體為：

(1)機器人運作，彈性腳掌與接觸面接觸，如果接觸面為非結構面，則執行步驟(2)；如果接觸面平坦，則執行步驟(4)；

(2)底層彈性體材料為適應不平坦的接觸面發生形變，與接觸面的接觸方式近似為面-面接觸；

(3)彈簧陣列因受到底層彈性體材料擠壓發生形變而產生彈力，給予底層彈性體材料壓力以及給予頂層彈性體材料支持力；頂層彈性體材料形變較小，底層彈性體材料形變較大，彈性腳掌適應非結構接觸面，提供維持機器人行進穩定的支持力；

(4)底層彈性體材料不發生形變，彈簧陣列被壓縮，維持機器人彈性腳掌的形態並給予機器人支持力；

(5)機器人抬起彈性腳掌，彈性腳掌恢復初始狀態；

(6)如果機器人繼續工作，則進入步驟(1)；如果機器人停止工作，則結束工作。

本發明的有益效果為：本發明突破了傳統機器人腳掌與接觸面接觸的方式，將點-面接觸的改為面-面接觸，輻射狀排列的彈簧勁度係數特徵能在保持腳掌柔性的前提下給予機器人足夠的支持力；柔性機器人腳掌能很好地適應複雜多變的接觸面，有效地降低了機器人腳掌失靈的機率，減小腳掌與地面碰撞帶來的衝擊，增加了機器人腳掌工作的可靠性與穩定性。

附圖說明

圖1是本發明的機器人彈性腳掌結構示意圖。

圖2是本發明的機器人彈性腳掌剖面示意圖。

圖3是本發明的彈簧陣列勁度係數分布示意圖。

圖4是本發明的機器人彈性腳掌與接觸面接觸示意圖。

圖5是本發明的工作流程示意圖。

具體實施方式

本發明提供一種具有自適應能力的彈性腳掌結構，如圖1所示，包括基於柔性膠體和彈簧陣列的腳掌結構，其工作模式為面-面接觸。

如圖1所示，所述基於柔性膠體和彈簧陣列的腳掌結構，包括頂層彈性體材料1、底層彈性體材料2和彈簧陣列3，頂層材料的剛度應稍大於底層材料，以保持腳掌工作時的構型。

如圖1和圖3所示，所述彈簧陣列的結構為，彈簧陣列3中的所有彈簧平行排列，彈簧陣列選用統一的材料，即剛性模數相同。每個獨立彈簧的匝數、彈簧中徑以及彈簧間距，隨著彈簧與機器人足端連接處距離增大而遞減，即腳掌邊緣處的當量勁度係數較大而腳掌中心較小，以增大該結構運作過程中與非機構平面的接觸面。圖3中正五邊形表示彈簧與機器人足端連接處。

如圖2所示，所述頂層彈性體材料1、底層彈性體材料2和彈簧陣列3的組合方式為，彈簧陣列嵌入彈性體材料外殼內部，所述的彈簧陣列一面與底層彈性體材料粘合，彈簧陣列的另一面與頂層彈性體材料粘合，彈簧陣列起維持機器人彈性腳掌形態以及與非結構平面充分接觸的作用。

如圖4所示，當彈性腳掌與接觸面接觸時，接觸方式近似為面-面接觸。

如圖5所示，當機器人彈性腳掌與不規則接觸面接觸時，工作步驟如下：

(1)機器人運作，其彈性腳掌與接觸面接觸，如果接觸面為非結構面，則執行步驟(2)，如果接觸面平坦，則執行步驟(4)；

(2)底層彈性體材料2為適應不平坦的接觸面發生形變，與接觸面的接觸方式近似為面-面接觸；

(3)彈簧陣列3彈簧陣列因受到底層彈性體材料2擠壓發生形變而產生彈力，給予底層彈性體材料2壓力以及給予頂層彈性體材料1支持力；此時，頂層彈性體材料1形變較小，而底層彈性體材料2形變較大，機器人彈性腳掌得以適應接非結構接觸面，並提供維持機器人行進穩定的支持力；

(4)底層彈性體材料2不發生形變，彈簧陣列被壓縮，維持機器人彈性腳掌的形態並給予機器人支持力；

(5)機器人抬起腳掌，彈性腳掌恢復初始狀態；

(6)如果機器人繼續工作，則進入步驟(1)，如果機器人停止運行，則結束工作。

儘管本發明就優選實施方式進行了示意和描述，但本領域的技術人員應當理解，只要不超出本發明的權利要求所限定的範圍，可以對本發明進行各種變化和修改。