(19)中华人民共和国国家知识产权局 口龄▣ (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN104802876A (43)申请公布日2015.07.29 (21)申请号201510239337.2 (22)申请日2015.05.12 (71)申请人北京理工大学 地址100081北京市海淀区中关村南大街5 号北京理工大学 (72)发明人陈学超黄强刘华欣周宇航 张伟民余张国左久林 (51)Int.CI. B62D57032(2006.01) 权利要求书1页说明书3页附图2页 (54)发明名称 一种仿人机器人的仿生足 (57)摘要 本发明提供了一种仿人机器人的仿生足，其 包括脚底基座、仿生足弓、防滑脚垫、活动脚掌： 所述仿生足为拱形结构，模仿人体足弓，包括四 个由多个板状弹簧块依次错开叠置形成的仿足弓 板状弹簧堆叠模块，可以在机器人行走、爬楼梯时 起到缓冲作用，很大程度减少地面的冲击力。所述 活动脚掌通过转轴与所述脚底基座枢转连接，使 两者有一个自由度，且所述转轴中用弹簧施加预 紧力从而形成被动关节，在行走时使活动脚掌紧 贴地面，增大足部的灵活性，改善行走时的足部运 动姿态
CN104802876A 权利要求书 1/1页 1.一种仿人机器人的仿生足，其包括脚底基座、仿生足弓、防滑脚垫：其特征在于：所 述仿生足弓为拱形结构。 2.根据权利要求1所述的仿生足，其特征在于：所述仿生足还具有前脚掌，其通过转轴 与所述脚底基座枢转连接。 3.根据权利要求2所述的仿生足，其特征在于：其中所述转轴中用弹簧施加预紧力从 而形成被动关节：所述脚底基座沿着转轴转动离开地面时，所述被动关节使弹簧压缩储存 能量，增大扭矩：在所述脚底基座回到地面时，所述弹簧舒张，减小扭矩。 4.根据权利要求1所述的仿生足，其特征在于：所述仿生足弓包括四个仿足弓板状弹 簧堆叠模块。 5.根据权利要求4所述的仿生足，其特征在于：所述仿足弓板状弹簧堆叠模块由多个 板状弹簧块依次错开叠置形成。 6.根据权利要求5所述的仿生足，其特征在于：每个板状弹簧块由多片板状弹簧片叠 在一起构成。 7.根据权利要求5或6所述的仿生足，其特征在于：所述仿足弓板状弹簧堆叠模块由 四个板状弹簧块依次错开叠置形成：每个板状弹簧块由5片板状弹簧片叠在一起构成：所 述板状弹簧片的尺寸为30mm*20mm*1mm;所述错开的间距为5mm。 8.根据权利要求2或3所述的仿生足，其特征在于：所述仿生足还具有仿人机器人脚 踝、六维力传感器、六维力传感器固定板：所述仿生足设置于六维力传感器固定板和脚底 基座之间，分别位于六维力传感器固定板的四个角的位置处，并通过粘接固定。 9.根据权利要求2或3所述的仿生足，其特征在于：所述前脚掌与脚底基座的长度比 为1：2。 10.根据权利要求8所述的仿生足，其特征在于：所述仿生足弓的高度与由所述前脚掌 与脚底基座构成的整个足底的长度的比例为1：10：所述转轴的高度与六维力传感器固定 板的高度一致。 2
CN104802876A 说明书 1/3页 一种仿人机器人的仿生足 技术领域 [0001]本发明涉及一种仿人机器人，具体涉及一种仿人机器人的仿生足。 背景技术 [0002]仿人机器人是与人类最接近的一种机器人，与传统的轮式机器人或履带机器人相 比，仿人机器人更能适应人类日常生活环境，同时更便于使用人类发明设计的各种工具，因 此，仿人机器人具有广阔的发展前景。 [0003]仿人机器人行走过程中会遇到的最大困难就是稳定性和平衡性，地面对机器人的 冲击可能会导致机器人身上零部件和传感器的损伤，与此同时冲击力可能对机器人造成瞬 时的不稳定，导致其稳定性破坏从而摔倒。这一点通过ZP理论可以得到解决。行走过程中 还会产生较大的冲击力和对地面的碰撞，这就需要足部结构能减小冲击起到缓冲保护。与 此同时，仿人机器人行走过程中还会遇到滑到的问题，地面打滑将极大抑制机器人不太稳 定性和灵活性，因此，必须要在机器人足部设置足够的防滑措施，才能使机器人能够抓牢地 面。 [0004] 仿生足应用于仿人机器人上，作为仿人机器人直接接触地面的结构，是仿人机器 人承载重量和支撑、行走的重要组成部分。仿人机器人在地面行走过程中，必须要时刻感知 地面情况并根据反馈实时改变自身形态从而获得稳定行走。足部的姿态和位置可以反映机 器人的行走时的状态和地面的支撑情况，因此获得足部位置和姿态和足底接触位置是仿人 机器人行走和运动的必要条件。 [0005]专利200810224557.8设计了一种仿人机器人足部吸收装置。该专利通过将减震 柱安装在脚底板，实现了对仿人机器人足部冲击吸收机构柔性的连续可调。 [0006]专利200710131102.7设计了一种人形机器人脚通过六维力传感器和信号处理系 统测量脚与路面接触时反作用力，触觉阵列检测接触信息计算机器人行走的路面情况，提 高人形机器人行走时的步态稳定性和自然性。 [0007]但是，现有的仿人机器人的足部很少有利用到仿生学原理，很少采用人体足弓的 仿生设计，因而在双足机器人行走时，通过脚底板的橡胶皮缓冲，仍会产生较大的冲击力。 发明内容 [0008]本发明的目的在于提供一种仿生足，其可以使机器人的运动过程中更加平滑稳 定，受到更少的冲击。 [0009]本发明的技术方案是，设计了一种仿生足，其包括脚底基座、仿生足弓、防滑脚垫； 其特征在于：所述仿生足弓为拱形结构。 [0010] 根据上述的仿生足，所述仿生足还具有活动脚掌。 [0011] 根据上述的任一仿生足，所述活动脚掌为前脚掌，其通过转轴与所述脚底基座枢 转连接。 [0012] 根据上述的任一仿生足，其中所述转轴中用弹簧施加预紧力从而形成被动关节。 3
CN104802876A 说明书 2/3页 [0013] 根据上述的任一仿生足，所述脚底基座沿着转轴转动离开地面时，所述被动关节 使弹簧压缩储存能量，增大扭矩；在所述脚底基座回到地面时，所述弹簧舒张，减小扭矩。 [0014] 根据上述的任一仿生足，所述脚底基座为后脚掌，其由一块铝合金板构成。 [0015] 根据上述的任一仿生足，所述仿生足弓包括四个仿足弓板状弹簧堆叠模块 [0016] 根据上述的任一仿生足，所述仿足弓板状弹簧堆叠模块由多个板状弹簧块依次错 开叠置形成。 [0017] 根据上述的任一仿生足，每个板状弹簧块由多片板状弹簧片叠在一起构成。 [0018]根据上述的任一仿生足，所述仿足弓板状弹簧堆叠模块由四个板状弹簧块依次错 开叠置形成。 [0019] 根据上述的任一仿生足，每个板状弹簧块由5片板状弹簧片叠在一起构成。 [0020] 根据上述的任一仿生足，所述板状弹簧片的尺寸为30mm*20mm*1mm。 [0021] 根据上述的任一仿生足，所述错开的间距为5mm。 [0022]根据上述的任一仿生足，所述防滑脚垫为防滑胶皮。 [0023] 根据上述的任一仿生足，所述仿生足还具有仿人机器人脚踝、六维力传感器、六维 力传感器固定板。 [0024] 根据上述的任一仿生足，所述仿人机器人脚踝、六维力传感器、六维力传感器固定 板由螺钉固连。 [0025]根据上述的任一仿生足，所述仿生足弓设置于六维力传感器固定板和后脚掌之 间，分别位于六维力传感器固定板3的四个角的位置处，并通过粘接固定。 [0026]根据上述的任一仿生足，所述前脚掌与后脚掌的长度比为1：2。 [0027] 根据上述的任一仿生足，所述仿生足弓的高度与由所述前脚掌与后脚掌构成的整 个足底的长度的比例为1：10。 [0028] 根据上述的任一仿生足，所述转轴的高度与六维力传感器固定板的高度一致。 [0029] 因此，本发明采用仿生学原理设计的仿生足，从仿生机理出发，模仿人体足弓，通 过板状弹簧块堆叠而具有的拱形仿足弓结构，能够储存更大能量并能更大程度上减小冲击 力，从而加强直立时机器人足底支撑的稳定性。并且，该仿生足可以在机器人行走、爬楼梯 时起到缓冲作用，更大程度减少地面对机器人的冲击力，使得机器人在运动过程中更加平 滑稳定，受到更少的冲击。此外，通过前、后脚掌的分开设计，增大了仿生足的自由度，使其 具有更大的灵活性。 附图说明 [0030] 图1是本发明的结构示意图 [0031] 图2是图1中的侧视图 [0032] 图3是由板状弹簧片形成板状弹簧块再到形成仿足弓板状弹簧堆叠模块的示意 图 [0033] 附图标记：1.仿人机器人脚踝：2.六维力传感器：3.六维力传感器固定板：4.拱 形的仿生足弓：5.后脚掌：6.前脚掌：7.后脚掌防滑胶皮：8.前脚掌防滑胶皮。 具体实施方式
CN104802876A 说明书 3/3页 [0034] 仿人机器人的仿生足包括：脚底基座、仿生足弓4、活动脚掌、防滑脚垫、仿人机器 人脚踝1、六维力传感器2、六维力传感器固定板3。 [0035]所述脚底基座为后脚掌5，是整个仿生足的基础，与现有的仿人机器人脚板尺寸相 同，由一块铝合金板构成。如图1所示结构由上到下依次是仿人机器人脚踝1、六维力传感 器2、六维力传感器固定板3、拱形的仿生足弓4、仿生足的后脚掌5、前脚掌6、后脚掌防滑胶 皮8、前脚掌防滑胶皮7。 [0036]所述仿人机器人脚踝1、六维力传感器2、六维力传感器固定板3由螺钉固连。所 述仿生足弓4设置于六维力传感器固定板3和后脚掌5之间，分别位于六维力传感器固定 板3的四个角的位置处，并通过粘接固定。 [0037]所述活动脚掌通过转轴与所述后脚掌5枢转连接，使两者有一个自由度 [0038]其中所述转轴中用弹簧施加预紧力从而形成被动关节，行走时活动脚掌紧贴地 面，所述后脚掌5沿着转轴转动离开地面时，所述被动关节使弹簧压缩储存能量，增大扭 矩：在所述后脚掌5回到地面时，所述弹簧舒张，减小扭矩，增大足部的灵活性，改善行走时 的足部运动姿态。 [0039]拱形的仿生足弓4包括四个仿足弓板状弹簧堆叠模块。所述仿足弓板状弹簧堆叠 模块由板状弹簧块堆叠而成，模拟人足弓的特点，构成弯月状：优选由多个板状弹簧块依次 错开叠置形成，更优选由四个板状弹簧块依次错开叠置形成。板状弹簧块具有良好的形变 和弹力，可以作为仿人机器人足部缓冲部分缓解行走时地面对仿人机器人脚踝1及以上关 节的冲击。 [0040] 每个板状弹簧块由多片板状弹簧片叠在一起构成，优选由5片板状弹簧片叠在一 起构成。 [0041]所述板状弹簧片的尺寸为30mm*20mm*1mm。所述板状弹簧块依次错开5mm叠置形 成所述仿足弓板状弹簧堆叠模块。 [0042] 所述防滑胶皮8、7分别与前、后脚掌采用粘接固定，为仿生足提供摩擦力，防止机 器人行走过程中打滑。 [0043] 根据仿生学人体足弓比例，所述前脚掌6与后脚掌5的长度比为L1:L2=1:2。 [0044]所述仿生足弓4的高度与由所述前脚掌6与后脚掌5构成的整个足底的长度的比 例为h:L=1:10。 [0045]所述转轴的高度与六维力传感器固定板3的高度一致。 [0046] 以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式的一种，本领域的技术人 员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。 5
CN104802876A 说明书附图 1/2页 2 3 (4) 5 7 图1 图2 6
CN104802876A 说明书附图 2/2页 图3 7