CN110206840B - 一种仿股骨头减震结构及步行机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种仿股骨头减震结构及步行机器人，该仿股骨头减震结构包括内中外三层，内层骨架包括至少两个减震支撑单元，减震支撑单元包括弓形减震结构及支撑结构，弓形减震结构包括中间连接块及弹性杆组，弹性杆组包括多个周向均布的弧形撑杆，各个弧形撑杆的第一端与中间连接块连接，各个弧形撑杆的第二端沿径向呈辐射状向外延伸构成撑杆组的配合端并卡接有减震垫块；支撑结构包括两根平行并排设置的支撑杆，两个减震支撑单元通过支撑结构依次连接，末端的减震支撑单元的支撑结构末端设置有连接件；中间缓冲层及外层护壳从内到外包裹于内层骨架外；本案的仿股骨头减震结构利用仿生技术可实现良好的减震效果，并兼顾刚性要求以及轻量化要求。

Description

一种仿股骨头减震结构及步行机器人
技术领域
本发明涉及自动化设备零部件领域，特别涉及一种仿股骨头减震结构及步行机器人。
背景技术
步行机器人的足部会在机器人运动中频繁进行摆动相与支撑相的转换，在这个过程中，机器人足部将受到规律性的频繁冲击。同时步行机器人因其多自由度特殊结构，需有效减低执行器末端惯量以使其运动灵活。受上述两个原因影响，机器人的足部需要的结构最好具有良好的减震性与较轻的重量。目前机器人足部主要通过整体成型的结构件进行支撑，一般为纯金属材料或纯工程塑料材料，采用纯金属材料则减震和轻量化效果都有所欠缺，采用纯工程塑料材料则仅仅能够满足低强度使用，且会面临整体使用寿命短等缺陷。
发明内容
有鉴于此，本发明的第一个目的在于提供一种仿股骨头减震结构，在满足刚性要求的前提下，实现轻量化与减震设计，满足步行机器人足部末端支撑结构的需求。
本发明的第二个目的在于提供一种基于上述仿股骨头减震结构的步行机器人。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种仿股骨头减震结构，包括：
内层骨架，包括至少两个减震支撑单元，所述减震支撑单元包括弓形减震结构以及支撑结构，所述弓形减震结构包括中间连接块以及对称地设置于所述中间连接块两侧的两个弹性杆组，所述弹性杆组包括多个周向均布的弧形撑杆，各个所述弧形撑杆的第一端构成所述弹性杆组的连接端与所述中间连接块连接，各个所述弧形撑杆的第二端沿径向呈辐射状向外延伸构成所述撑杆组的配合端并卡接有减震垫块；所述支撑结构包括两根平行并排设置的支撑杆，两根所述支撑杆的第一端连接于所述弓形减震结构的第一端的所述减震垫块，两根所述支撑杆的第二端连接于另一个所述减震支撑单元的第二端的所述减震垫块，且位于所述内层骨架末端的所述减震支撑单元的两个支撑杆的第二端设置有连接件；
包裹于所述内层骨架外的中间缓冲层，所述中间缓冲层用于限制所述内层骨架的形变；
包裹于所述中间缓冲层外的外层护壳，所述外层护壳的两端设置有通向所述内层骨架的安装孔。
优选地，所述弧形撑杆的第二端设置有卡接凸台，所述弹性杆组中的各弧形撑杆上的卡接凸台构成卡接结构以与所述减震垫块卡接配合。
优选地，所述弧形撑杆的曲率为
Figure BDA0002103011310000021
优选地，所述弓形减震结构与所述支撑结构的长度比为1:2.5。
优选地，所述支撑结构的两根所述支撑杆的间距等于所述减震垫块的半径的长度。
优选地，所述支撑杆以及所述弧形撑杆均由AZ31镁合金制成。
优选地，所述中间连接块由钛合金制成。
优选地，所述中间缓冲层由泡沫塑料制成。
优选地，所述外层护壳以及所述减震垫块均由ABS工程塑料制成，且所述外层护壳厚度为1.2mm。
一种步行机器人，包括足部构件，所述足部构件包括如上任意一项所述的仿股骨头减震结构。
为实现上述第一个目的，本发明提供了一种仿股骨头减震结构，包括内层骨架、中间缓冲层以及外层护壳，其中，内层骨架包括至少两个减震支撑单元，减震支撑单元包括弓形减震结构以及支撑结构，弓形减震结构包括中间连接块以及对称地设置于中间连接块两侧的两个弹性杆组，弹性杆组包括多个周向均布的弧形撑杆，各个弧形撑杆的第一端构成弹性杆组的连接端与中间连接块连接，各个弧形撑杆的第二端沿径向呈辐射状向外延伸构成撑杆组的配合端并卡接有减震垫块；支撑结构包括两根平行并排设置的支撑杆，需要注意的是，在组装应用时，两根支撑杆之间的连线应当平行于步足的摆动方向，两根支撑杆的第一端连接于弓形减震结构的第一端的减震垫块，两根支撑杆的第二端连接于另一个减震支撑单元的第二端的减震垫块，且位于内层骨架末端的减震支撑单元的两个支撑杆的第二端设置有连接件；中间缓冲层以及外层护壳从内到外依次包裹于内层骨架外，中间缓冲层用于限制内层骨架的形变；外层护壳的两端设置有通向内层骨架的安装孔；上述仿股骨头减震结构对动物肢干进行仿生，同时结合对股骨头在盆骨中的减震结构的分析测算，采用内中外三层结构，仿造人体中“骨骼+肌肉+皮肤”机制，可根据各层结构所起的作用不同采用不同的材料制作，内层骨架通过弓形减震结构以及支撑结构两者配合实现受力传导，弓形减震结构可以在一定的形变限度内实现有效的减震，因此内层骨架可采用强度较高的金属材料制作，如镁、铝等轻质合金，中间缓冲层仿造横纹肌对骨骼的保护原理包裹内层骨架，限制内层工件的形变，同时也避免外界冲击使内层骨架发生塑形形变，因此可采用恢复性好的软弹材料制作，外层护壳将内层骨架以及中间缓冲层包裹其中，起到良好的保护作用，美化外观，可采用塑料、金属等材料制成；由此可见，本案的仿股骨头减震结构利用仿生技术形成内中外三层结构，可实现良好的减震效果，并可根据各层功能的不同采用不同的材料进行制作，从而兼顾刚性要求以及轻量化要求。
为实现上述第二个目的，本发明还提供了一种具有上述仿股骨头减震结构的步行机器人，由于上述的仿股骨头减震结构具有上述技术效果，具有该仿股骨头减震结构的步行机器人也应具有相应的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的仿股骨头减震结构的轴测图；
图2为本发明实施例提供的步行机器人的足部构件结构示意图。
图中：
1为减震支撑单元；110为弓形减震结构；111为中间连接块；112为弧形撑杆；113为减震垫块；114为卡接凸台；120为支撑杆；2为连接件；3为足部构件；301为小腿部；302为安装支架；303为舵机；304为U形支架；305为大腿部。
具体实施方式
本发明的第一个目的在于提供一种仿股骨头减震结构，该仿股骨头减震结构的结构设计能够缓解传动轴收到的侧向撞击力，达到保护传动轴的目的。
本发明的第一个目的在于提供一种具有上述仿股骨头减震结构的步行机器人关节结构以及步行机器人。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，图1为本发明实施例提供的仿股骨头减震结构的轴测图。
本发明实施例提供的一种仿股骨头减震结构，包括内层骨架、中间缓冲层以及外层护壳。
其中，内层骨架包括至少两个减震支撑单元1，减震支撑单元1包括弓形减震结构110以及支撑结构，弓形减震结构110包括中间连接块111以及对称地设置于中间连接块111两侧的两个弹性杆组，弹性杆组包括多个周向均布的弧形撑杆112，各个弧形撑杆112的第一端构成弹性杆组的连接端与中间连接块111连接，各个弧形撑杆112的第二端沿径向呈辐射状向外延伸构成撑杆组的配合端并卡接有减震垫块113；支撑结构包括两根平行并排设置的支撑杆120，需要注意的是，在组装应用时，两根支撑杆120之间的连线应当平行于步足的摆动方向，两根支撑杆120的第一端连接于弓形减震结构110的第一端的减震垫块113，两根支撑杆120的第二端连接于另一个减震支撑单元1的第二端的减震垫块113，且位于内层骨架末端的减震支撑单元1的两个支撑杆120的第二端设置有连接件2；中间缓冲层以及外层护壳(图中未示出)从内到外依次包裹于内层骨架外，中间缓冲层用于限制内层骨架的形变；外层护壳的两端设置有通向内层骨架的安装孔。
与现有技术相比，本发明提供的仿股骨头减震结构通过对动物肢干进行仿生，同时结合对股骨头在盆骨中的减震结构的分析测算，采用了内中外三层结构，仿造人体中“骨骼+肌肉+皮肤”机制，可根据各层结构所起的作用不同采用不同的材料制作，内层骨架通过弓形减震结构110以及支撑结构两者配合实现受力传导，弓形减震结构110可以在一定的形变限度内实现有效的减震，因此内层骨架可采用强度较高的金属材料制作，如镁、铝等轻质合金，中间缓冲层仿造横纹肌对骨骼的保护原理包裹内层骨架，限制内层工件的形变，同时也避免外界冲击使内层骨架发生塑形形变，因此可采用恢复性好的软弹材料制作，外层护壳将内层骨架以及中间缓冲层包裹其中，起到良好的保护作用，美化外观，可采用塑料、金属等材料制成；由此可见，本案的仿股骨头减震结构利用仿生技术形成内中外三层结构，可实现良好的减震效果，并可根据各层功能的不同采用不同的材料进行制作，从而兼顾刚性要求以及轻量化要求。
如图1所示，在一种优选实施例中，连接件2为弧形杆，弧形杆的两端分别与一个支撑结构中的两根支撑杆120的第二端之间。
上述支撑杆120、弧形撑杆112以及弧形杆并不局限于实心的杆状结构，还可以是空心的管状结构，或者部分实心部分空心的组合式结构。
作为优选地，上述支撑杆120以及弧形撑杆112均由AZ31镁合金制成，中间连接块111由钛合金制成，减震垫块113由ABS工程塑料制成，弧形撑杆112与中间连接块111之间焊接，支撑杆120与减震垫块113通过螺栓连接，中间缓冲层由泡沫塑料制成，泡沫塑料优选为聚苯乙烯闭孔泡沫塑料，中间缓冲层充满外层护壳与内层骨架之间的间隙，外层护壳由ABS工程塑料制成，且外层护壳厚度为1.2mm。
进一步优化上述技术方案，如图1所示，为便于弓形减震结构110与减震垫块113的配合连接，在本发明实施例中弧形撑杆112的第二端设置有卡接凸台114，弹性杆组中的各弧形撑杆112上的卡接凸台114在周向上分布构成卡接结构，卡接结构与减震垫块113的周向侧壁卡接配合对减震垫块113进行固定。
作为优选地，弧形撑杆112的曲率为
Figure BDA0002103011310000061
作为优选地，弓形减震结构110与支撑结构的长度比为1:2.5。
作为优选地，支撑结构的两根支撑杆120的间距等于减震垫块113的半径的长度。
基于上述实施例中提供的仿股骨头减震结构，本发明还提供了一种步行机器人，该步行机器人包括足部构件，该足部构件包括上述实施例中的仿股骨头减震结构，由于该步行机器人采用了上述实施例中的仿股骨头减震结构，所以步行机器人的有益效果请参考上述实施例。
具体地，请参阅图2，图2为本发明实施例提供的步行机器人的足部构件结构示意图，该足部构件包括大腿部305以及小腿部301，其中小腿部301通过安装支架302连接于舵机303，舵机303的输出轴固定于U形支架304，U形支架304与大腿部305连接，上述实施例中的仿股骨头减震结构设置于小腿部301内，当然也可以直接将仿股骨头减震结构作为小腿部使用，其设置有连接件2的一端位于小腿部301远离大腿部305的一端，仿股骨头减震结构远离连接件2的内层骨架的端部直接与安装支架302连接，支撑结构中的两根支撑杆的构成的平面与舵机303的摆动平面平行。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种仿股骨头减震结构，其特征在于，包括：
内层骨架，包括至少两个减震支撑单元，所述减震支撑单元包括弓形减震结构以及支撑结构，所述弓形减震结构包括中间连接块以及对称地设置于所述中间连接块两侧的两个弹性杆组，所述弹性杆组包括多个周向均布的弧形撑杆，各个所述弧形撑杆的第一端构成所述弹性杆组的连接端与所述中间连接块连接，各个所述弧形撑杆的第二端沿径向呈辐射状向外延伸构成所述弹性杆组的配合端并卡接有减震垫块；所述支撑结构包括两根平行并排设置的支撑杆，两根所述支撑杆的第一端连接于所述弓形减震结构的第一端的所述减震垫块，两根所述支撑杆的第二端连接于另一个所述减震支撑单元的第二端的所述减震垫块，且位于所述内层骨架末端的所述减震支撑单元的两个支撑杆的第二端设置有连接件；
包裹于所述内层骨架外的中间缓冲层，所述中间缓冲层用于限制所述内层骨架的形变；
包裹于所述中间缓冲层外的外层护壳，所述外层护壳的两端设置有通向所述内层骨架的安装孔。
2.根据权利要求1所述的仿股骨头减震结构，其特征在于，所述弧形撑杆的第二端设置有卡接凸台，所述弹性杆组中的各弧形撑杆上的卡接凸台构成卡接结构以与所述减震垫块卡接配合。
3.根据权利要求1所述的仿股骨头减震结构，其特征在于，所述弧形撑杆的曲率为
Figure FDA0002469260660000011
4.根据权利要求1所述的仿股骨头减震结构，其特征在于，所述弓形减震结构与所述支撑结构的长度比为1:2.5。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的仿股骨头减震结构，其特征在于，所述支撑结构的两根所述支撑杆的间距等于所述减震垫块的半径的长度。
6.根据权利要求1-4任意一项所述的仿股骨头减震结构，其特征在于，所述支撑杆以及所述弧形撑杆均由AZ31镁合金制成。
7.根据权利要求1-4任意一项所述的仿股骨头减震结构，其特征在于，所述中间连接块由钛合金制成。
8.根据权利要求1-4任意一项所述的仿股骨头减震结构，其特征在于，所述中间缓冲层由泡沫塑料制成。
9.根据权利要求1-4任意一项所述的仿股骨头减震结构，其特征在于，所述外层护壳以及所述减震垫块均由ABS工程塑料制成，且所述外层护壳厚度为1.2mm。
10.一种步行机器人，包括足部构件，其特征在于，所述足部构件包括如权利要求1-9任意一项所述的仿股骨头减震结构。
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