本實用新型屬于機器人領(lǐng)域，具體涉及一種具有仿生距-腿、距-跟關(guān)節(jié)的完全被動雙足步行機。

背景技術(shù)：

由于雙足步行機器人具有與人類十分接近的形態(tài)及運動特征，適合在日常生活中代替人類完成一系列繁雜、危險的工作。因此，近年來，有關(guān)雙足步行機器人的研究工作得到廣泛開展。然而，傳統(tǒng)的基于主動控制的雙足步行機器人大多采用跟蹤預設(shè)關(guān)節(jié)軌跡的控制方法，雖然可以實現(xiàn)類人行走和跑動，但由于行走機理與人類存在差異，所以普遍存在能耗高、能效低等問題。

上世紀八十年代，加拿大學者T.McGeer提出了被動動力學理論，由此有了“機器人被動行走”的概念。之后，一系列基于此概念的雙足步行機應運而生。文獻調(diào)研表明，現(xiàn)有的完全被動雙足步行機相比主動控制步行機雖然具有行走效率高的特點，如荷蘭delft大學的Simplest Walker、美國cornell大學的有膝被動雙足機器人等，但現(xiàn)有步行機的下肢膝關(guān)節(jié)、踝關(guān)節(jié)多為單軸理想鉸連接，僅能實現(xiàn)矢狀平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運動，由此造成了其行走穩(wěn)定性差、步態(tài)不自然的技術(shù)問題。

而人類的足部關(guān)節(jié)含有距-腿關(guān)節(jié)、距-跟關(guān)節(jié)等多個主要大關(guān)節(jié)。距-腿關(guān)節(jié)由脛、腓骨端關(guān)節(jié)面與距骨滑車構(gòu)成，可以在人體行走中完成特定動作。生物運動力學研究表明，距-跟關(guān)節(jié)是保持足部穩(wěn)定的樞軸，它承受并傳導人體的體重，轉(zhuǎn)換下肢的旋轉(zhuǎn)效應，并協(xié)同和輔助踝關(guān)節(jié)的運動。同時，距-腿關(guān)節(jié)、距-跟關(guān)節(jié)在行走過程中的運動旋轉(zhuǎn)軸分別在水平面、矢狀面內(nèi)也形成了一定的偏角，這均有利于提高行走的穩(wěn)定性、步態(tài)的自然性以及側(cè)向運動的能力，由此為完全被動行走步行機實現(xiàn)節(jié)能、穩(wěn)定自然行走提供了天然的學習藍本。

綜觀上述被動行走的研究現(xiàn)狀及人體踝關(guān)節(jié)的優(yōu)異生物結(jié)構(gòu)特征，急需一種穩(wěn)定性更好、步態(tài)更自然的完全被動雙足步行機。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有完全被動雙足步行機普遍存在的穩(wěn)定性差、步態(tài)不自然的問題，而提供一種具有距-腿關(guān)節(jié)、距-跟關(guān)節(jié)的完全被動雙足步行機，該完全被動雙足步行機具有耗能低、穩(wěn)定性好、步態(tài)自然等特點。

本實用新型包括髖部總成、腿部總成、距-腿關(guān)節(jié)總成、距-跟關(guān)節(jié)總成、左腳掌、右腳掌、腳趾總成；腿部總成布置在髖部總成和距-腿關(guān)節(jié)總成之間，構(gòu)成步行機的主體部分；距-跟關(guān)節(jié)總成布置在距-腿關(guān)節(jié)總成與腳掌之間，腳趾總成分布在腳掌的兩側(cè)；腳掌包括左腳掌和右腳掌；

所述的髖部總成包含配重、髖部橫梁、第一軸承座、髖部連接件等。其中，配重通過配重固定銷插接在髖部橫梁上，第一軸承座對稱分布，分別通過第一圓柱銷插接在髖部橫梁上，髖關(guān)節(jié)軸的旋轉(zhuǎn)運動及空間相對位置由第一軸承座、成對使用的第一深溝球軸承、卡簧共同確定，髖部連接件由第二圓柱銷與髖關(guān)節(jié)軸確定固連關(guān)系；

所述的腿部總成包含第一彈簧掛件、圓管，對稱分布的圓管構(gòu)成雙足步行機的腿部主體部分，圓管通過第四圓柱銷插接在髖部連接件上，同時，第一彈簧掛件通過第三圓柱銷插接在圓管上。

所述的距-腿關(guān)節(jié)總成同樣對稱分布，距-腿關(guān)節(jié)總成包含腿部連接件、第一距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件、第二距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件，腿部連接件通過第五圓柱銷固連在圓管上，成對使用的第一螺栓、第一螺母使第一距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件與腿部連接件固連在一起，成對使用的第三螺母、第三螺栓使對稱分布的第二軸承座固連在第二距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件上。第一距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)運動及空間相對位置由第二軸承座和嵌入其中的第二深溝球軸承共同確定。由于第二距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件在裝配時在水平面內(nèi)具有偏角，偏角范圍為11°～17°，這就使距-腿關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸在水平面內(nèi)具有這一偏角，在確定第二距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件偏轉(zhuǎn)的角度之后，可用成對使用的第二螺栓、第二螺母使第二距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件保持確定的位置。第二彈簧掛件通過第七圓柱銷固連在第一距-跟關(guān)節(jié)構(gòu)件上。對稱布置的第一彈簧布置在第一彈簧掛件、第二彈簧掛件之間，在雙足步行機行走的過程中起到能量轉(zhuǎn)化、輔助行走的作用。

所述的距-跟關(guān)節(jié)總成位于距-腿關(guān)節(jié)總成的下方，距-跟關(guān)節(jié)總成包含第一距-跟關(guān)節(jié)構(gòu)件、第一連接軸、腳部連接件，在雙足步行機的左右兩足中，腳部連接件通過成對使用的第五螺栓、第五螺母分別固連在左腳掌、右腳掌上。同時，第五螺栓、第五螺母還起到將第四軸承座固連在腳部連接件上的作用。而第三軸承座則通過成對使用的第四螺栓、第四螺母固連在腳部連接件上。這里，通過更換不同的腳部連接件可以使距-跟關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸在矢狀面形成不同的偏角，偏角范圍為42°～45°。通過第六圓柱銷，第一距-跟關(guān)節(jié)構(gòu)件與第一連接軸形成相對確定的運動關(guān)系。而第一連接軸的旋轉(zhuǎn)運動和空間相對位置關(guān)系由嵌入第三軸承座的第三深溝球軸承及嵌入第四軸承座的角接觸球軸承確定。通過第六圓柱銷的插接作用，第三彈簧掛件固連在第一連接軸上，同時也使距-跟關(guān)節(jié)構(gòu)件保持確定的空間相對位置。對稱分布的第二彈簧布置在第三彈簧掛件與鉸接在左腳掌、右腳掌上的第三彈簧掛件之間，同樣起到能量轉(zhuǎn)化和輔助行走的作用。

所述的距-跟關(guān)節(jié)總成位于腳掌的兩側(cè)且對稱分布，距-跟關(guān)節(jié)總成包含第三彈簧、腳趾構(gòu)件、腳趾，腳趾構(gòu)件通過成對使用的第六螺栓、第六螺母分別固連在左腳掌、右腳掌上，腳趾通過第二連接軸與腳趾構(gòu)件形成鉸接。第四彈簧掛件成對使用，以螺紋連接的方式分別與腳趾、左腳掌、右腳掌固連。成對的第四彈簧掛件之間布置有第三彈簧，第三彈簧的使用可使雙足步行機在被動行走中實現(xiàn)行走過程中的彈性啟動，使步態(tài)更加接近人類。

本實用新型的工作過程和原理：

應使完全被動雙足步行機置于具有一定傾斜角度的斜面之上。首先應該給予擺動腿一定的初速度，當擺動腿觸地后變?yōu)橹瓮?，完全被動雙足步行機將會隨著支撐腿在距-腿關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動而在矢狀面內(nèi)有一個向前的運動。同時，在第二彈簧的作用下，完全被動雙足步行機的支撐腿會隨著距-跟關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動而在冠狀面內(nèi)有一個側(cè)擺的運動。當擺動腿再一次與地面碰撞時，原支撐腿變?yōu)樾碌臄[動腿，半個周期步行完成。完全被動雙足步行機將按此規(guī)律連續(xù)工作，最終完成完全被動行走。

本實用新型的有益效果：

1、仿生距-腿關(guān)節(jié)、仿生距-跟關(guān)節(jié)的采用，使步行機在完成3D行走的同時，可以有效提高完全被動雙足步行機的行走穩(wěn)定性和自然性。

2、完全被動雙足步行機中含有彈簧作用的腳趾，可以實現(xiàn)行走過程中腳尖離地時的彈性啟動，使步態(tài)更加接近人類。

3、完全被動雙足步行機可有效地利用重力勢能完成被動行走，將行走能效最優(yōu)化。

附圖說明

圖1為本實用新型的立體示意圖。

圖2為本實用新型的主視圖。

圖3為本實用新型的左視圖。

圖4為圖3的局部剖視圖。

圖5為圖2的A-A視圖。

其中：1-髖部總成；11-配重；12-配重固定銷；13-髖部橫梁；14-第一軸承座；15-第一圓柱銷；16-第一深溝球軸承；17-髖關(guān)節(jié)軸；18-卡簧；19-第二圓柱銷；110-髖部連接件；2-腿部總成；21-第一彈簧掛件；22-第三圓柱銷；23-第四圓柱銷；24-圓管；3-距-腿關(guān)節(jié)總成；31-腿部連接件；32-第一螺栓；33-第一螺母；34-第一距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件；35-第二螺栓；36-第二螺母；37-第五圓柱銷；38-第三螺母；39-第三螺栓；310-第二深溝球軸承；311-第二軸承座；312-第二彈簧掛件；313-第一彈簧；314-第二距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件；4-距-跟關(guān)節(jié)總成；41-第一距-跟關(guān)節(jié)構(gòu)件；42-第三軸承座；43-第三深溝球軸承；44-第六圓柱銷；45-第四軸承座；46-第三彈簧掛件；47-第一連接軸；48-角接觸球軸承；49-第七圓柱銷；410-第四螺栓；411-第四螺母；412-第五螺栓；413-第五螺母；414-腳部連接件；415-第二彈簧；416-第三彈簧掛件；5-左腳掌；6-右腳掌；7-腳趾總成；71-第四彈簧掛件；72-第三彈簧；73-第六螺栓；74-第六螺母；75-腳趾構(gòu)件；76-第二連接軸；77-腳趾。

具體實施方式

請參閱圖1、圖2、圖3、圖4及圖5所示，本實施例包括髖部總成1、腿部總成2、距-腿關(guān)節(jié)總成3、距-跟關(guān)節(jié)總成4、左腳掌5、右腳掌6、腳趾總成7；腿部總成2布置在髖部總成1和距-腿關(guān)節(jié)總成3之間，構(gòu)成步行機的主體部分；距-跟關(guān)節(jié)總成4布置在距-腿關(guān)節(jié)總成3與腳掌之間，腳趾總成7分布在腳掌的兩側(cè)；腳掌包括左腳掌5和右腳掌6。

所述的髖部總成1包含配重11、髖部橫梁13、第一軸承座14、髖部連接件110，配重11通過配重固定銷12插接在髖部橫梁13上，第一軸承座14對稱分布，分別通過第一圓柱銷15插接在髖部橫梁13上，髖關(guān)節(jié)軸17的旋轉(zhuǎn)運動及空間相對位置由第一軸承座14、成對使用的第一深溝球軸承16、卡簧18共同確定，髖部連接件110由第二圓柱銷19與髖關(guān)節(jié)軸17確定固連關(guān)系；

所述的腿部總成2包含第一彈簧掛件21、圓管24，對稱分布的圓管24構(gòu)成雙足步行機的腿部主體部分，圓管24通過第四圓柱銷23插接在髖部連接件110上；第一彈簧掛件21通過第三圓柱銷22插接在圓管24上；

所述的距-腿關(guān)節(jié)總成3對稱分布，距-腿關(guān)節(jié)總成3包含腿部連接件31、第一距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件34、第二距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件314，腿部連接件31通過第五圓柱銷37固連在圓管24上，成對使用的第一螺栓32、第一螺母33使第一距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件34與腿部連接件31固連在一起，成對使用的第三螺母38、第三螺栓39使對稱分布的第二軸承座311固連在第二距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件314上；第一距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件34的旋轉(zhuǎn)運動及空間相對位置由第二軸承座311和嵌入其中的第二深溝球軸承310共同確定怕；由于第二距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件314在裝配時在水平面內(nèi)有偏角，偏角范圍為11°～17°，這就使距-腿關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸在水平面內(nèi)具有這一偏角，在確定第二距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件314偏轉(zhuǎn)的角度之后，成對使用的第二螺栓35、第二螺母36使第二距-腿關(guān)節(jié)構(gòu)件314保持確定的位置；第二彈簧掛件312通過第七圓柱銷49固連在第一距-跟關(guān)節(jié)構(gòu)件41上；對稱布置的第一彈簧313布置在第一彈簧掛件21、第二彈簧掛件312之間，在雙足步行機行走的過程中起到能量轉(zhuǎn)化、輔助行走的作用；

所述的距-跟關(guān)節(jié)總成4位于距-腿關(guān)節(jié)總成3的下方，距-跟關(guān)節(jié)總成4包含第一距-跟關(guān)節(jié)構(gòu)件41、第一連接軸47、腳部連接件414；在雙足步行機的左右兩足中，腳部連接件414通過成對使用的第五螺栓412、第五螺母413分別固連在左腳掌5、右腳掌6上，第五螺栓412、第五螺母413還起到將第四軸承座45固連在腳部連接件414上的作用；而第三軸承座42則通過成對使用的第四螺栓410、第四螺母411固連在腳部連接件414上，通過更換不同的腳部連接件414可以使距-跟關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)軸在矢狀面形成偏角；偏角范圍為42°～45°；通過第六圓柱銷44，第一距-跟關(guān)節(jié)構(gòu)件41與第一連接軸47形成相對確定的運動關(guān)系；而第一連接軸47的旋轉(zhuǎn)運動和空間相對位置關(guān)系由嵌入第三軸承座42的第三深溝球軸承43及嵌入第四軸承座45的角接觸球軸承48確定；通過第六圓柱銷44的插接作用，第三彈簧掛件46固連在第一連接軸47上，使距-跟關(guān)節(jié)構(gòu)件41保持確定的空間相對位置；對稱分布的第二彈簧415布置在第三彈簧掛件46與鉸接在左腳掌5、右腳掌6上的第三彈簧掛件416之間，同樣起到能量轉(zhuǎn)化和輔助行走的作用。

所述的腳趾總成7位于腳掌的兩側(cè)且對稱分布，包含第三彈簧72、腳趾構(gòu)件75、腳趾77，腳趾構(gòu)件75通過成對使用的第六螺栓73、第六螺母74分別固連在左腳掌5、右腳掌6上，腳趾77通過第二連接軸76與腳趾構(gòu)件75形成鉸接；第四彈簧掛件71成對使用，以螺紋連接的方式分別與腳趾77、左腳掌5、右腳掌6固連；成對的第四彈簧掛件71之間布置有第三彈簧72，第三彈簧72的使用可使雙足步行機在被動行走中實現(xiàn)行走過程中的彈性啟動，使步態(tài)更加接近人類。