本發(fā)明涉及機(jī)器人結(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種具有自適應(yīng)能力的彈性腳掌結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)機(jī)器人腳掌由剛性關(guān)節(jié)和齒輪等材料構(gòu)成，并利用強(qiáng)筋等彈性材料對關(guān)節(jié)進(jìn)行控制，利用點-面接觸，使機(jī)器人能靈敏快速的完成各種任務(wù)。然而，隨著科技的發(fā)展，機(jī)器人逐漸應(yīng)用于工業(yè)、建筑業(yè)、農(nóng)業(yè)甚至是航天領(lǐng)域，復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境給機(jī)器人傳統(tǒng)的點-面接觸設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。若機(jī)器人腳掌的接觸面不為平面，而是更為復(fù)雜的弧面，甚至是沒有規(guī)律的凸面，傳統(tǒng)的點-面接觸將會失靈。如果將機(jī)器人的腳掌與接觸面的接觸方式改為面-面接觸，將能增強(qiáng)機(jī)器人腳掌對復(fù)雜多變的接觸面的適應(yīng)性。

目前，關(guān)于機(jī)器人腳掌與接觸面的面-面設(shè)計結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外并沒有相關(guān)的技術(shù)。較為相似的，有多倫多大學(xué)(torontouniversity)研究的用于機(jī)器手指的軟材料，目的在于增強(qiáng)機(jī)器人手指的適應(yīng)性，使機(jī)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(xué)(cambridgeuniversity)研究的地面運(yùn)動中的力傳感，目的在于利用機(jī)器人腳掌中的柔性材料減輕高沖擊力對腳掌中的傳感器的影響，保護(hù)傳感器避免受地面碰撞。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于，提供一種具有自適應(yīng)能力的彈性腳掌結(jié)構(gòu)，能夠使機(jī)器人腳掌與接觸面進(jìn)行面-面接觸，適應(yīng)復(fù)雜多變的工作環(huán)境。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種具有自適應(yīng)能力的彈性腳掌結(jié)構(gòu)，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(nèi)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(yōu)選的，頂層彈性體材料的剛度稍大于底層彈性體材料的剛度。

優(yōu)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(shù)相同的材料。

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

優(yōu)選的，彈性腳掌分別與結(jié)構(gòu)接觸面和非結(jié)構(gòu)接觸面接觸。

優(yōu)選的，彈性腳掌與非結(jié)構(gòu)接觸面接觸時，接觸方式具體為：

(1)機(jī)器人運(yùn)作，彈性腳掌與接觸面接觸，如果接觸面為非結(jié)構(gòu)面，則執(zhí)行步驟(2)；如果接觸面平坦，則執(zhí)行步驟(4)；

(2)底層彈性體材料為適應(yīng)不平坦的接觸面發(fā)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(fā)生形變而產(chǎn)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(yīng)非結(jié)構(gòu)接觸面，提供維持機(jī)器人行進(jìn)穩(wěn)定的支持力；

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

(5)機(jī)器人抬起彈性腳掌，彈性腳掌恢復(fù)初始狀態(tài)；

(6)如果機(jī)器人繼續(xù)工作，則進(jìn)入步驟(1)；如果機(jī)器人停止工作，則結(jié)束工作。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明突破了傳統(tǒng)機(jī)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系數(shù)特征能在保持腳掌柔性的前提下給予機(jī)器人足夠的支持力；柔性機(jī)器人腳掌能很好地適應(yīng)復(fù)雜多變的接觸面，有效地降低了機(jī)器人腳掌失靈的幾率，減小腳掌與地面碰撞帶來的沖擊，增加了機(jī)器人腳掌工作的可靠性與穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的機(jī)器人彈性腳掌結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的機(jī)器人彈性腳掌剖面示意圖。

圖3是本發(fā)明的彈簧陣列勁度系數(shù)分布示意圖。

圖4是本發(fā)明的機(jī)器人彈性腳掌與接觸面接觸示意圖。

圖5是本發(fā)明的工作流程示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供一種具有自適應(yīng)能力的彈性腳掌結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括基于柔性膠體和彈簧陣列的腳掌結(jié)構(gòu)，其工作模式為面-面接觸。

如圖1所示，所述基于柔性膠體和彈簧陣列的腳掌結(jié)構(gòu)，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(yīng)稍大于底層材料，以保持腳掌工作時的構(gòu)型。

如圖1和圖3所示，所述彈簧陣列的結(jié)構(gòu)為，彈簧陣列3中的所有彈簧平行排列，彈簧陣列選用統(tǒng)一的材料，即剛性模數(shù)相同。每個獨立彈簧的匝數(shù)、彈簧中徑以及彈簧間距，隨著彈簧與機(jī)器人足端連接處距離增大而遞減，即腳掌邊緣處的當(dāng)量勁度系數(shù)較大而腳掌中心較小，以增大該結(jié)構(gòu)運(yùn)作過程中與非機(jī)構(gòu)平面的接觸面。圖3中正五邊形表示彈簧與機(jī)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(nèi)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(jī)器人彈性腳掌形態(tài)以及與非結(jié)構(gòu)平面充分接觸的作用。

如圖4所示，當(dāng)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(dāng)機(jī)器人彈性腳掌與不規(guī)則接觸面接觸時，工作步驟如下：

(1)機(jī)器人運(yùn)作，其彈性腳掌與接觸面接觸，如果接觸面為非結(jié)構(gòu)面，則執(zhí)行步驟(2)，如果接觸面平坦，則執(zhí)行步驟(4)；

(2)底層彈性體材料2為適應(yīng)不平坦的接觸面發(fā)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(fā)生形變而產(chǎn)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(jī)器人彈性腳掌得以適應(yīng)接非結(jié)構(gòu)接觸面，并提供維持機(jī)器人行進(jìn)穩(wěn)定的支持力；

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

(5)機(jī)器人抬起腳掌，彈性腳掌恢復(fù)初始狀態(tài)；

(6)如果機(jī)器人繼續(xù)工作，則進(jìn)入步驟(1)，如果機(jī)器人停止運(yùn)行，則結(jié)束工作。

盡管本發(fā)明就優(yōu)選實施方式進(jìn)行了示意和描述，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，只要不超出本發(fā)明的權(quán)利要求所限定的范圍，可以對本發(fā)明進(jìn)行各種變化和修改。

技術(shù)特征：

技術(shù)總結(jié)
一種具有自適應(yīng)能力的彈性腳掌結(jié)構(gòu)，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(nèi)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。本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明突破了傳統(tǒng)機(jī)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系數(shù)特征能在保持腳掌柔性的前提下給予機(jī)器人足夠的支持力；柔性機(jī)器人腳掌能很好地適應(yīng)復(fù)雜多變的接觸面，有效地降低了機(jī)器人腳掌失靈的幾率，減小腳掌與地面碰撞帶來的沖擊，增加了機(jī)器人腳掌工作的可靠性與穩(wěn)定性。

技術(shù)研發(fā)人員：鄭墨泓;汪中原;黃煜翔;張芳芳;王嬌嬈;尹壽芳
受保護(hù)的技術(shù)使用者：南京航空航天大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：2017.05.12
技術(shù)公布日：2017.09.29