本发明公开了一种仿牛足机械足装置，包括机械接口、踝关节、脚掌；机械接口将机械足与机器人的腿部固定，具有快速更换功能对机器人的各种足端进行快速更换。踝关节固定于机械接口下方，具有沿水平面两个方向轴自由转动的功能，使脚掌可相对于机器人具有两自由度转动。脚掌安装在踝关节下方，完成与地面接触，模拟牛足变形等功能。本发明能够模拟牛足在泥地、软土等地行走时的蹄尖着地，垂直入土，蹄瓣张开，蹄瓣固土，出土收拢恢复等功能，改善腿式机器人在上述地貌行走特性，并能通过快速更换接口对不同种类足端进行快速更换。
1.一种牛足机械足装置，其特征在于，包括机械接口、踝关节和脚掌；
机械接口将机械足与机器人的腿部固定，分为接口外壳、接口内壳和快速更换系统，其中接口外壳与机器人腿部连接，接口内壳套在接口外壳内，与踝关节固连，只有一个移动自由度，通过快速更换系统的插销对机械足进行快速固定和拆卸；踝关节固定于机械接口下方，包括一对相互垂直的转动关节，具有沿水平面两个方向轴自由转动的功能，使脚掌能够相对于机器人具有两自由度转动；脚掌安装在踝关节下方，脚掌包括主蹄、蹄轴、悬蹄、柔性铰链，主蹄通过蹄轴安装在踝关节上，悬蹄直接安装在踝关节上，主蹄在地面与柔性铰链的作用下可围绕蹄轴转动。
2.根据权利要求1所述的一种牛足机械足装置，其特征在于，所述的机械接口包括接口外壳、接口内壳、快速更换系统；快速更换系统包括预紧弹簧、预紧弹簧导杆和插销；
接口外壳左右两侧通过螺钉与机器人腿部连接，上端打有螺纹通孔，安装预紧弹簧倒杆，预紧弹簧倒杆外围安装预紧弹簧，下端安装插销，预紧弹簧、插销均能沿预紧弹簧倒杆上下移动，接口内壳与接口外壳内壁四面接触，底部开通孔固定插销的四个插头，并开有通孔连接踝关节的上关节。
3.根据权利要求1所述的一种牛足机械足装置，其特征在于，所述的踝关节包括一对相互垂直的转动关节，具体为：上关节、下关节、短轴、长轴和支承座；
上关节上表面开有通孔一，通过螺钉与机械接口的接口内壳固定，上关节两侧也分别开有通孔二，通孔二与长轴配合，长轴两端有螺纹，通过螺母固定在上关节上，下关节与上关节接触的两侧开有通孔三，长轴与通孔三配合，下关节能够以长轴为轴自由转动，下关节的另外两侧也分别开有通孔四，两个通孔四分别与两个短轴配合，每个短轴穿过支承座一侧的通孔五，短轴两端设有螺纹，通过螺母固定轴向位置，支承座可沿短轴自由转动，支承座下表面开有四个通孔六，通过螺母与脚掌的蹄轴、悬蹄固定相连。
4.根据权利要求1所述的一种牛足机械足装置，其特征在于，所述的脚掌包括左蹄瓣、右蹄瓣、蹄轴、柔性铰链和悬蹄；
左蹄瓣、右蹄瓣组成主蹄，主蹄的形状为仿照牛足的形状设置，左蹄瓣、右蹄瓣底端设有内侧斜面，左蹄瓣、右蹄瓣上还分别设有凹槽，凹槽的侧面形成小平台，初始时两个小平台平行设置，凹槽还设有通孔；
两个蹄轴中部均开有凹槽，两端设有螺纹，一端通过螺母与制动垫片与支承座前端两个通孔连接固定，第一个蹄轴的另一端连接左蹄瓣的通孔，下端用螺母固定左蹄瓣的轴向位置，第二个蹄轴的另一端连接右蹄瓣的通孔，下端用螺母固定右蹄瓣的轴向位置，两个蹄轴的凹槽平行向内侧位置，凹槽平面上设有两个螺纹孔，分别与两个柔性铰链的一端通过通孔配合，并用螺钉连接，两个柔性铰链的另一端分别接触左蹄瓣、右蹄瓣上的小平台，通过上述连接，左蹄瓣、右蹄瓣分别能够绕蹄轴转动同时受到柔性铰链的阻力；
两个悬蹄的上端为圆柱形，下端为长方体结构，并且底端为锥形，上端设有螺纹，通过螺母与制动垫片固定在支承座两个后通孔上，悬蹄平面法线为前后方向。
5.根据权利要求1所述的一种牛足机械足装置，其特征在于，所述的脚掌模拟牛蹄完成蹄尖着地，垂直入土，蹄瓣张开，蹄瓣固土，出土恢复功能。
一种仿牛足机械足装置
技术领域
[0001] 本发明涉及一种仿牛足机械足装置，属于机械设计领域。
背景技术
[0002] 传统的移动机器人可分为轮式机器人与腿式机器人。腿式机器人相对于轮式机器人，可以采用不同步态及与地面不同接触方式，具有可避障与可适应复杂地貌等特点。其中腿式机器人与地面的不同接触方式通过不同的机械足来实现。传统机械足一般为球面足或简单平面、曲面足，辅以弹簧等减震装置。此类机械足结构与功能简单，适合在刚性平整地面上行走，但在复杂路面上行走效果较差，如传统机械足在泥地、软土地行走时，会产生下陷过深、支撑点打滑、推动力不足、出足困难等现象。目前国内外对具有特殊地貌适应性的机械足研究甚少，不能满足科研需求，需要进一步发掘研究。
发明内容
[0003] 本发明针对上述传统机械足在泥地、软土地面行走困难问题，提出了一种仿牛足机械足装置，适合腿式、轮腿式机器人行走步态模式下在泥地、软土等地面行走。
[0004] 一种仿牛足机械足装置，包括机械接口、踝关节和脚掌；
[0005] 机械接口将机械足与机器人的腿部固定，分为接口外壳、接口内壳和快速更换系统，其中接口外壳与机器人腿部连接，接口内壳套在接口外壳内，与仿生足踝关节固连，只有一个移动自由度，通过快速更换系统的插销对机械足进行快速固定和拆卸；踝关节固定于机械接口下方，包括一对相互垂直的转动关节，具有沿水平面两个方向轴自由转动的功能，使脚掌能够相对于机器人具有两自由度转动；脚掌安装在踝关节下方，两个主蹄通过蹄轴与踝关节的支承座前孔相连，并可沿蹄轴转动，两个悬蹄直接固定在支承座的后孔上，柔性铰链固定在蹄轴的凹槽上并与主蹄接触，整个脚掌模拟牛蹄掌的运动。
[0006] 所述的机械接口包括接口外壳、接口内壳、预紧弹簧、预紧弹簧导杆和插销；所述的快速更换系统是指预紧弹簧、预紧弹簧导杆和插销；接口外壳左右两侧通过螺钉与机器人腿部连接，上端打有螺纹通孔，安装预紧弹簧倒杆，预紧弹簧倒杆外围安装预紧弹簧，下端安装插销，预紧弹簧、插销均能沿预紧弹簧倒杆上下移动，接口内壳与接口外壳内壁四面接触，底部开通孔固定插销的四个插头，并开有通孔连接踝关节的上关节。
[0007] 所述的踝关节包括上关节、下关节、短轴、长轴和支承座；上关节上表面开有通孔，通过螺钉与机械接口的接口内壳固定，上关节两侧也分别开有通孔，通孔与长轴配合，长轴两端有螺纹，通过螺母固定在上关节上，下关节与上关节接触的两侧开有通孔，长轴与下关节该处的通孔配合，下关节能够以长轴为轴自由转动；下关节的另外两侧也分别开有通孔，两个通孔分别与两个短轴配合，每个短轴穿过支承座一侧的通孔，短轴两端设有螺纹，通过螺母固定轴向位置，支承座可沿短轴自由转动；支承座的下表面处开有四个通孔，通过螺母与制动垫片和脚掌的蹄轴与悬蹄相连。
[0008] 所述的脚掌包括主蹄、蹄轴、柔性铰链、悬蹄，其中主蹄包括左蹄瓣和右蹄瓣；两个蹄轴两端有螺纹，通过螺母与制动垫片与支承座前端两个孔连接固定，蹄轴上开有凹槽，安装蹄轴时两个蹄轴的凹槽平行向内侧位置，凹槽平面上打有两个螺纹孔，与柔性铰链的通孔配合，并用螺钉连接，主蹄的两个蹄瓣分别通过其通孔对应安装在蹄轴上，上端与支承座下表面接触，下端用螺母固定轴向位置，外侧小平面刚好与柔性铰链另一端的活动平面接触，使蹄瓣可以绕蹄轴转动同时受到柔性铰链的阻力，两个悬蹄圆端有螺纹，通过螺母与制动垫片固定在支承座两个后孔上，安装悬蹄时其平面法线为前后方向。
[0009] 本发明的优点在于：
[0010] (1)本发明所述的装置能够模拟牛足在泥地、软土地行走中的蹄尖着地，垂直入土，蹄瓣张开，蹄瓣固土，出土收拢恢复等功能，大大改善腿式机器人在泥地，软土地等地面的行走性能；
[0011] (2)本发明所述的装置的机械接口方便对各种机械足进行快速切换。
附图说明
[0012] 图1是本发明的一种仿牛足机械足的正视图；
[0013] 图2是本发明的一种仿牛足机械足的左视图；
[0014] 图3是本发明的一种仿牛足机械足的俯视图；
[0015] 图4是本发明机械接口结构示意图；
[0016] 图5是本发明的踝关节结构示意图；
[0017] 图6是本发明的脚掌结构(未着地)示意图；
[0018] 图7是本发明的脚掌机构(着地展开)示意图；
[0019] 图中：
[0020]
具体实施方式
[0021] 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0022] 本发明是一种仿牛足机械足装置，如图1、图2、图3所示，包括机械接口1、踝关节2和脚掌3；
[0023] 机械接口1如图4所示，包括接口外壳101、接口内壳102、预紧弹簧103、预紧弹簧导杆104和插销105。
[0024] 接口外壳101左右两侧通过螺钉与机器人腿部连接，上端打有螺纹通孔，安装预紧弹簧倒杆104，预紧弹簧倒杆104外围安装预紧弹簧103，下端安装插销105，预紧弹簧103、插销105均能沿预紧弹簧倒杆104上下移动，接口内壳102与接口外壳101内壁四面接触，底部开通孔固定插销105的四个插头，并开有通孔连接踝关节2的上关节201。
[0025] 踝关节2如图5所示，包括上关节201、下关节202、短轴203、长轴204和支承座205。
[0026] 上关节201上表面开有通孔(用于穿过螺钉)，通过螺钉与机械接口1的接口内壳102固定，上关节201两侧也分别开有通孔，通孔与长轴204配合，长轴204两端有螺纹，通过螺母固定在上关节201上，下关节202与上关节201接触的两侧开有通孔，长轴204与下关节202中间的通孔配合，下关节202能够以长轴204为轴自由转动。下关节202的另外两侧也分别开有通孔，两个通孔分别与两个短轴203配合，每个短轴203穿过支承座205一侧的通孔，短轴203两端设有螺纹，通过螺母固定轴向位置，支承座205可沿短轴203自由转动。支承座205下表面开有四个通孔，通过螺母与脚掌3的蹄轴303、悬蹄305固定相连。
[0027] 脚掌3如图6、图7所示，包括左蹄瓣301、右蹄瓣302、蹄轴303、柔性铰链304、悬蹄305。
[0028] 左蹄瓣301、右蹄瓣302组成主蹄，主蹄的形状为仿照牛足设置，如图7所示，左蹄瓣301、右蹄瓣302底端设有内侧斜面306，如图6所示，左蹄瓣301、右蹄瓣302上还分别设有凹槽，凹槽的侧面形成小平台，初始时两个小平台平行设置，凹槽还设有通孔。
[0029] 两个蹄轴303中部均开有凹槽，两端设有螺纹，一端通过螺母与制动垫片与支承座205前端两个通孔连接固定，第一个蹄轴303的另一端连接左蹄瓣301的通孔，下端用螺母固定左蹄瓣301的轴向位置，第二个蹄轴303的另一端连接右蹄瓣302的通孔，下端用螺母固定右蹄瓣302的轴向位置，两个蹄轴303的凹槽平行向内侧位置，凹槽平面上设有两个螺纹孔，分别与两个柔性铰链304的一端通过通孔配合，并用螺钉连接。两个柔性铰链304的另一端分别接触左蹄瓣301、右蹄瓣302上的小平台。通过上述连接，左蹄瓣301、右蹄瓣302分别可以绕蹄轴303转动同时受到柔性铰链304的阻力。
[0030] 两个悬蹄305的上端为圆柱形，下端为长方体结构，并且底端为锥形，便于入土并产生推力和摩擦力，上端设有螺纹，通过螺母与制动垫片固定在支承座205两个后通孔上，悬蹄305平面法线为前后方向，即长方体的一个面朝向正前方。
[0031] 机器人更换机械足时，只需向上拔出插销105，退出接口内壳102，装上新足的内壳接口102，插入插销105即可。
[0032] 脚掌3各工作状态可见图6、图7，具体为：
[0033] 如图6所示，初始时脚掌3未接触地面，左蹄瓣301、右蹄瓣302内侧铅垂平面保持平行，此时柔性铰链304未受力作用，没有发生形变，与蹄轴303凹槽的接触面和与相应蹄瓣的接触面保持平行。由于踝关节2具有两个维度的转动自由度，仿牛足在悬空状态时，在左蹄瓣301、右蹄瓣302与悬蹄305重力作用下，脚掌3保持接近水平且主蹄略低的姿态，可以保证在落地时主蹄的足尖先着地。如图7所示，当脚掌3着地时，脚掌姿态迅速变为水平，在机器人重力作用下，脚掌3垂直入土，土的反力作用在左蹄瓣301、右蹄瓣302内侧下部的斜面306上，产生水平向外方向的分力，进而产生相对于蹄轴303的转矩，使左蹄瓣301、右蹄瓣302绕蹄轴303向外侧转动，并挤压柔性铰链304，使其产生变形及反力，此时泥土嵌入左蹄瓣301、右蹄瓣302之间，增大了地面与脚掌3的摩擦力，防止足端下陷，当柔性铰链304形变达到一定程度时提供的反力可抵消左蹄瓣301、右蹄瓣302的转动力矩，左蹄瓣301、右蹄瓣302停止转动，此时主蹄内侧两铅垂平面存在一定夹角，并夹紧左蹄瓣301、右蹄瓣302间的土壤，起到了固土的作用，进一步防止足端下陷，悬蹄305陷入土壤中，可防止脚掌3打滑并提供一部分向前对机器人的推动力。当仿牛足抬起时，后端较轻的悬蹄305先抬起，然后主蹄出土，由于前端左蹄瓣301、右蹄瓣302的曲面外形设计，其出土阻力很小，随着接触力的减小，柔性铰链304形变减小，两蹄瓣间夹角逐渐减小为零，脚掌3重新回到悬空状态。
[0034] 本发明参照牛足的行走特点，所述的仿牛足机械足装置具有以下功能：
[0035] 1、仿牛足在悬空状态时可保持脚掌接近水平，前端略向下的姿态，可保证主蹄尖先着地，着地后迅速变为水平，使脚掌垂直入土。
[0036] 2、当仿牛足入土后，在地面反力的作用下，主蹄的两个蹄瓣张开，泥土嵌入蹄瓣缝中，增大了摩擦力，防止脚掌下陷。
[0037] 3、主蹄瓣张开一定角度后停止并加紧其间的泥土，起到了固土作用，进一步防止脚掌下陷。
[0038] 4、当仿牛足离地时，足端后部先抬起，前部后出土，蹄瓣间夹角归零，机械足恢复初始状态。
[0039] 本发明的一种仿牛足机械足装置，机械接口1将机械足与机器人的腿部固定，具有快速更换功能对机器人的各种足端进行快速更换。踝关节2固定于机械接口1下方，具有沿水平面两个方向轴自由转动的功能，使脚掌可相对于机器人具有两自由度转动。脚掌3安装在踝关节2下方，完成与地面接触，模拟牛足变形等功能。
[0040] 本发明中踝关节2具有一对相互共面垂直的转轴，可使其连接的两部分在平面内两自由度相对转动，使脚掌3以固定姿态接触地面，并模拟牛足垂直入土，蹄瓣固土等效果。所述的脚掌3具有左蹄瓣301、右蹄瓣302、蹄轴303、柔性铰链304组成的单自由度机构，该机构可模拟牛足蹄瓣张开、蹄瓣固土等动作。
