專(zhuān)利名稱(chēng)：機(jī)器人腳掌結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)器人腳掌結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著微電腦技術(shù)的突飛猛進(jìn)及電子產(chǎn)業(yè)的高度發(fā)展，機(jī)器人(Robot)已成為一種新興產(chǎn)業(yè)，在當(dāng)代工業(yè)中，機(jī)器人已能夠取代或協(xié)助人類(lèi)進(jìn)行高危險(xiǎn)性工作，如組裝、噴漆、焊接、高溫鑄鍛等，甚至是醫(yī)療救援、娛樂(lè)服務(wù)、軍事保全與太空探索等領(lǐng)域，亦使用了諸多機(jī)器人設(shè)備，根據(jù)IFR(International Federation of Robotics)所提供的統(tǒng)計(jì)資料，2010年全球機(jī)器人的消費(fèi)市場(chǎng)已達(dá)到350億美元，其中產(chǎn)業(yè)用機(jī) 器人的銷(xiāo)售額約為190億美元，服務(wù)型機(jī)器人的銷(xiāo)售額則約為160億美元，因此，為能設(shè)計(jì)出更為適用與高效能的機(jī)器人設(shè)備，現(xiàn)今已出現(xiàn)各種機(jī)器人競(jìng)賽，例如WR0國(guó)際奧林匹克機(jī)器人大賽、FLL OIC (OpenInternational Championship)高雄世界杯機(jī)器人大賽、PMC機(jī)器人創(chuàng)意競(jìng)賽、香港青少年機(jī)器人世界杯(RCJHK)，且眾多生產(chǎn)者亦紛紛針對(duì)機(jī)器人的各部位結(jié)構(gòu)進(jìn)行改良，以能滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)上的各種需求。一般而言，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的發(fā)展大抵朝向?qū)I(yè)應(yīng)用為主，但隨著社會(huì)結(jié)構(gòu)的變化，如老年人口增加、小家庭數(shù)量上升等諸多因素，服務(wù)型機(jī)器人的產(chǎn)品亦逐漸獲得生產(chǎn)者與消費(fèi)者的重視，理想的服務(wù)型機(jī)器人的整體外觀(guān)大多朝向于人類(lèi)的態(tài)樣發(fā)展，研發(fā)重點(diǎn)普遍著落于“靈巧手掌、安全感知、敏捷移動(dòng)、智慧控制”等各個(gè)方面，其中，對(duì)于“敏捷移動(dòng)”方面，針對(duì)現(xiàn)今的雙足機(jī)器人而言，其腳掌大多采用大面積平板式的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，如日本的ASIM0.HRP-2等機(jī)器人，均是使腳掌底面保持成水平面，令腳掌底面能夠貼靠至平坦的地面上，以使雙足式機(jī)器人能穩(wěn)固地站立于地面上。但是，前述的腳掌結(jié)構(gòu)在步行于平坦的地面上時(shí)，雖能使雙足式機(jī)器人平穩(wěn)地站立于地面上，但在應(yīng)用在非平坦的地面時(shí)，則會(huì)衍生出諸多不便，如圖I所示，當(dāng)雙足式機(jī)器人藉由兩腳掌11、12行走于非平坦的地面10上時(shí)，若其中一腳掌11踩踏至地面10的隆起處101，則受限于該腳掌11的平板式設(shè)計(jì)，將使得該腳掌11之底面僅有局部能碰觸到該隆起處101，此時(shí)，當(dāng)機(jī)器人抬起另一腳掌12后，雙足式機(jī)器人的全身重量將會(huì)落至該腳掌11上，由于該腳掌11絕大部分皆為懸空狀態(tài)，故會(huì)造成該雙足式機(jī)器人的重心不穩(wěn)，進(jìn)而發(fā)生晃動(dòng)甚至是摔倒等情形，不僅嚴(yán)重影響雙足式機(jī)器人在行走上的流暢性，更可能導(dǎo)致雙足式機(jī)器人損壞。此外，除了前述地面10隆起的情況外，當(dāng)?shù)孛?0具有凹陷處時(shí)，在雙足式機(jī)器人的其中一腳掌11、12踩踏至凹陷處后，同樣會(huì)發(fā)生重心不穩(wěn)的問(wèn)題，導(dǎo)致雙足式機(jī)器人整體傾斜而摔倒，因此目前的雙足機(jī)器人因其平板式腳掌11、12的結(jié)構(gòu)，僅適用于平坦的地面，而無(wú)法適應(yīng)于多變化的地形，使雙足式機(jī)器人的應(yīng)用范圍受到局限。同時(shí)，平板式的腳掌結(jié)構(gòu)除了有前述不易適應(yīng)地形的問(wèn)題之外，尚有其它缺點(diǎn)。舉例而言，當(dāng)雙足式機(jī)器人行走時(shí)，通常雙足式機(jī)器人的第一腳掌是完全貼靠至地面上，其第二腳掌則會(huì)完全抬起懸空并向前位移，在第二腳掌懸空位移的過(guò)程中，為避免雙足式機(jī)器人因重心不穩(wěn)摔倒，雙足式機(jī)器人的重心會(huì)偏向于第一腳掌上，直至第二腳掌碰觸到地面時(shí)，機(jī)器人的重心才會(huì)偏離至兩個(gè)腳掌之間，并逐漸移至第二腳掌上，因此，為能保持雙足式機(jī)器人移動(dòng)上的平衡性，除了需大幅增加腳掌的面積之外，兩個(gè)腳掌間的移動(dòng)距離亦無(wú)法過(guò)遠(yuǎn)，以避免摔倒，也就是說(shuō)，具有平板式的腳掌結(jié)構(gòu)的雙足式機(jī)器人無(wú)法進(jìn)行大步伐的位移，這一情況將使雙足式機(jī)器人的移動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，且移動(dòng)方式亦無(wú)法達(dá)到擬人化的效果，致使目前的雙足機(jī)器人行動(dòng)上的姿勢(shì)極為呆板而不自然。因此如何針對(duì)上述平板式的腳掌結(jié)構(gòu)所衍生的各種問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種嶄新的機(jī)器人腳掌結(jié)構(gòu)，即為本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種使得機(jī)器人腳掌能適應(yīng)于各種地形，且能更為穩(wěn)固地行走，產(chǎn)生擬人步態(tài)效果的機(jī)器人腳掌結(jié)構(gòu)。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種機(jī)器人腳掌結(jié)構(gòu)，包括傳動(dòng)軸，所述傳動(dòng)軸上設(shè)有足弓部，所述足弓部由前段、中段和后段連接組成，所述前段和后段的底面位于同一平面，而中段的底面向上凸起形成拱形結(jié)構(gòu)；所述前段的前端樞接有腳趾部，所述前段的前端與腳趾部的樞接位置上設(shè)置有加壓部。本發(fā)明所述前段的前端凹設(shè)有缺口，腳趾部的后端凸設(shè)有連接片，樞接軸穿過(guò)缺口與連接片將腳趾部樞接至前段的前端。本發(fā)明所述加壓部為扭簧，該扭簧套設(shè)在樞接軸上，且分別連接腳趾部的后端及前段的前端。本發(fā)明所述加壓部為致動(dòng)器。本發(fā)明所述足弓部的中段底側(cè)設(shè)有肋條。本發(fā)明所述腳趾部的底面與前段的底面在接近水平的狀態(tài)下，所述腳趾部的底面與足弓部的前段的底面間所形成的第二夾角不大于30度。本發(fā)明所述足弓部中段的頂面設(shè)有連接部，該連接部與傳動(dòng)軸相連接。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過(guò)足弓部與腳趾部的樞接結(jié)構(gòu)，能使機(jī)器人適應(yīng)于非平坦的地面行走，從而使機(jī)器人腳掌的行走步態(tài)更加擬人化。


圖I是現(xiàn)有機(jī)器人的行走示意圖；圖2是本發(fā)明機(jī)器人腳掌的立體示意圖；圖3是本發(fā)明機(jī)器人腳掌的第一狀態(tài)示意圖；圖4是本發(fā)明機(jī)器人腳掌的第二狀態(tài)示意圖；圖5是本發(fā)明機(jī)器人腳掌的第三狀態(tài)示意圖。附圖中主要零件符號(hào)說(shuō)明機(jī)器人腳掌……2足弓部............21前段............211缺口............2110中段............213、
連接部............214后段............215肋條............216樞接軸............22腳趾部……23連接片……231加壓部............25傳動(dòng)軸............27 平面............3預(yù)定距離............R第一夾角............Θ I第二夾角............Θ 具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。通常大多數(shù)人類(lèi)的腳掌底部通常會(huì)向上隆起，形成明顯的弓形，即稱(chēng)“足弓”，“足弓”的主要功能是在人行走過(guò)程中，能夠提高雙腳承受運(yùn)動(dòng)壓力、沖擊力與重力的能力，并能藉由弓形形狀而達(dá)到減震效果。鑒于人類(lèi)腳掌結(jié)構(gòu)的特殊性，本發(fā)明人除能達(dá)到上述的效果之外，還能適應(yīng)各種類(lèi)形的地形，使機(jī)器人于行走的過(guò)程中，能模擬出人類(lèi)行走的姿勢(shì)。如圖2及圖3所示，機(jī)器人腳掌2應(yīng)用至一機(jī)器人上，包括一足弓部21、至少一腳趾部23及至少一加壓部25，在本發(fā)明的一實(shí)施例中，該足弓部21為一體成形，且依序包括一前段211、一中段213及一后段215，其中前段211及后段215的底面位于同一平面且低于中段213的底面，即中段213的底面向上凸起，前段211及后段215的頂面亦低于中段213的頂面，使得足弓部21的中間區(qū)域能形成朝頂面隆起的狀態(tài)，即一拱形結(jié)構(gòu)。當(dāng)前段211及后段215的底面貼靠住一平面3時(shí)(如圖3所示)，中段213的底面會(huì)與平面3保持一預(yù)定距離R，如此，足弓部21能形成近似拱形形狀，使得中段213所承受的重量能朝前段211與后段215分散，使中段213具有較高的承受力量的能力。同時(shí)，中段213的頂面設(shè)有一連接部214，該連接部214能與機(jī)器人的傳動(dòng)軸27相連接組裝，使得足弓部21能被傳動(dòng)軸27帶動(dòng)，而朝遠(yuǎn)離平面3的方向位移。此外，在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，生產(chǎn)者還能按照不同的機(jī)器人需求，而對(duì)足弓部21的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，舉例而言，為能提高足弓部21的強(qiáng)度，生產(chǎn)者可以在中段213的底側(cè)增設(shè)至少一根肋條216，該肋條216的兩端分別鄰近或連接至前段211與后段215，從而使足弓部21的整體結(jié)構(gòu)更為堅(jiān)固，并能支撐較大的重量；或者生產(chǎn)者能采用韌性較佳的材質(zhì)來(lái)制作足弓部21，當(dāng)足弓部21由懸空狀態(tài)而朝平面3的方向位移，且前段211與后段215的底面貼靠住平面3時(shí)，通過(guò)中段213與平面3間的預(yù)定距離R與足弓部21的材質(zhì)特性，能使足弓部21略為變形，以達(dá)到減震效果，令機(jī)器人行走更為平穩(wěn)而不易晃動(dòng)。如圖2及圖3所示，前段211的前端凹設(shè)有至少一缺口 2110，腳趾部23的后端凸設(shè)有至少一連接片231，一樞接軸22能依序穿過(guò)前段211的缺口 2110與連接片231，使得腳趾部23能樞接至前段211的前端，并進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，當(dāng)足弓部21被傳動(dòng)軸27帶動(dòng)，而朝遠(yuǎn)離平面3的方向位移時(shí)，如圖4所示，由于腳趾部23的底面能貼靠至平面3上，因此，足弓部21能以腳趾部23為軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，使得腳趾部23的底面能與前段211的底面形成一個(gè)第一夾角Θ I。如此，當(dāng)機(jī)器人腳掌2踩踏至非平坦的地面上后，通過(guò)腳趾部23與足弓部21間的樞接作用，即可使機(jī)器人的腳掌2順應(yīng)地面而變形，同時(shí)，腳趾部23與足弓部21的前段211、后段215大多仍能貼靠至地面上，令機(jī)器人能穩(wěn)定地直立于地面上，而不會(huì)因重心不穩(wěn)發(fā)生晃動(dòng)或摔倒等情況。此外，由于足弓部21的中段213底面與平面3尚保持預(yù)定距離R，因此，若平面3上有雜物(如石粒)時(shí)，該雜物亦能夠容納在預(yù)定距離R中，而不會(huì)影響到機(jī)器人的平衡性，因此本發(fā)明的機(jī)器人腳掌2不僅具有較佳的適應(yīng)性，而能適用于各種類(lèi)形的地面，且不會(huì)如同現(xiàn)有的具有平板式腳掌的機(jī)器人一般僅能在平坦的地面上才具有良好的平衡性。如圖2 4所示，為使機(jī)器人腳掌2在行走時(shí)能達(dá)到高度擬人化運(yùn)動(dòng)的效果，傳動(dòng) 軸27在帶動(dòng)足弓部21時(shí)，能使足弓部21的后段215先行離開(kāi)平面3，再使前段211離開(kāi)平面3，僅靠腳趾部23的底面貼靠住該平面3，最后再帶動(dòng)腳趾部23離開(kāi)平面3，在上述過(guò)程中，機(jī)器人的重心會(huì)逐漸向腳趾部23的方向位移，且在腳趾部23完全離開(kāi)平面3之前，機(jī)器人的另一機(jī)器人腳掌2已貼靠住平面3，使得機(jī)器人的重心能由機(jī)器人腳掌2改變至另一機(jī)器人腳掌2上，如此，在機(jī)器人行走的過(guò)程中，雖然機(jī)器人的重心會(huì)逐漸向前(即朝腳趾部23的方向)移動(dòng)，但通過(guò)腳趾部23與足弓部21的樞接結(jié)構(gòu)，仍能使機(jī)器人腳掌2的局部區(qū)域(如腳趾部23)平穩(wěn)地貼靠至平面3上，除能提高機(jī)器人步行上的穩(wěn)定度之外，還能大幅增加機(jī)器人步行的步伐距離，令機(jī)器人的行走姿勢(shì)近似于人類(lèi)的行走姿勢(shì)。此外，按照本發(fā)明的足弓部21與腳趾部23的結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)者不需額外增加機(jī)器人腳掌2的面積，亦能夠保持行走上的平穩(wěn)與流暢度，故能大幅減縮機(jī)器人的整體體積，令機(jī)器人的整體外觀(guān)更近似于人類(lèi)的狀態(tài)。如圖3及圖4所示，前段211的前端與腳趾部23的樞接位置，還設(shè)有加壓部25，加壓部25可以采用扭簧或致動(dòng)器(actuator )。在該實(shí)施例中，加壓部25為扭簧，扭簧套設(shè)在樞接軸22上，且分別連接腳趾部的后端及前段的前端。當(dāng)足弓部21朝遠(yuǎn)離平面3的方向位移，使得腳趾部23的底面與前段211的底面間形成第一夾角Θ I時(shí)，加壓部25會(huì)對(duì)腳趾部23產(chǎn)生作用力，使得腳趾部23朝遠(yuǎn)離足弓部21的頂面方向翻轉(zhuǎn)，由于腳趾部23的底面貼靠于平面3上，受到加壓部25的作用力的影響，該腳趾部23會(huì)對(duì)平面3施加一向下作用力，此時(shí),該腳趾部23與平面3間的摩擦力即會(huì)增加，令腳趾部23能穩(wěn)固地定位于平面3上，而不易滑動(dòng)，如此，機(jī)器人行走的過(guò)程中即能增加行進(jìn)穩(wěn)定度，避免發(fā)生滑倒的情況。且在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，生產(chǎn)者能夠按照使用上的需求，而使加壓部25為致動(dòng)器或其它組件，只要加壓部25能夠在腳趾部23的底面貼靠至平面3上，且足弓部21朝遠(yuǎn)離平面3的方向位移時(shí)，迫使腳趾部23向平面3施加一向下作用力，即為本發(fā)明所述的加壓部25。如圖2及圖4所示，在上述的步行方式中，當(dāng)機(jī)器人腳掌2由接觸平面3改變至處于懸空狀態(tài)時(shí)，受到加壓部25的作用力影響，腳趾部23會(huì)受力而恢復(fù)至原位置，使得該腳趾部23的底面與足弓部21的前段211底面保持水平狀(如圖3的腳趾部23與足弓部21的位置關(guān)系)，或是接近水平狀態(tài)的位置，也就是說(shuō)，如圖5所示，腳趾部23的底面與足弓部21的前段211的底面間，所形成的第二夾角Θ2不會(huì)大于30度。在此特別指出，本發(fā)明的加壓部25對(duì)腳趾部23所施加的作用力，僅會(huì)使腳趾部23的底面位移到與足弓部21的前段211底面保持水平狀或接近水平狀為止，而不會(huì)使腳趾部23的底面朝足弓部21的底面方向過(guò)度翻轉(zhuǎn)，以避免腳趾部23的前端(如圖5所示的虛圈A)先碰觸到平面3，進(jìn)而使腳趾部23的底面貼靠到足弓部21的底面，造成機(jī)器人無(wú)法正常行走，甚至是損壞機(jī)器人腳掌2等問(wèn)題。如此，如圖3所示，當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)，藉由足弓部21的拱形結(jié)構(gòu)，即能以輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)增加機(jī)器人腳掌2承受重量及壓力的能力，此外，生產(chǎn)者能夠通過(guò)在足弓部21的底側(cè)增設(shè)肋條216，來(lái)提高足弓部21的強(qiáng)度，或者，生產(chǎn)者能通過(guò)改變足弓部21的材質(zhì)，而使足弓部21自身能產(chǎn)生形變，以提供適當(dāng)?shù)臏p震效果，令機(jī)器人在行走過(guò)程中，較不易晃動(dòng)， 此外，通過(guò)足弓部21與腳趾部23的樞接結(jié)構(gòu)，能使機(jī)器人行走于非平坦的地面上時(shí)，機(jī)器人腳掌2能順應(yīng)地形地產(chǎn)生變形，而仍能大幅度地貼靠至地面上，加強(qiáng)機(jī)器人的平衡性；同時(shí)，足弓部21與腳趾部23的樞接結(jié)構(gòu)，還能使機(jī)器人腳掌2模擬出人類(lèi)行走的姿勢(shì)，達(dá)成高度擬人化的效果。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，但本發(fā)明所主張的權(quán)利范圍并不局限于此，凡熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，依據(jù)本發(fā)明所披露的技術(shù)內(nèi)容，可輕易思及的等效變化，均應(yīng)屬不脫離本發(fā)明的保護(hù)范疇。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)器人腳掌結(jié)構(gòu)，包括傳動(dòng)軸，其特征在于所述傳動(dòng)軸上設(shè)有足弓部，所述足弓部由前段、中段和后段連接組成，所述前段和后段的底面位于同一平面，而中段的底面向上凸起形成拱形結(jié)構(gòu)；所述前段的前端樞接有腳趾部，所述前段的前端與腳趾部的樞接位置上設(shè)置有加壓部。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機(jī)器人腳掌結(jié)構(gòu)，其特征在于所述前段的前端凹設(shè)有缺口，腳趾部的后端凸設(shè)有連接片，樞接軸穿過(guò)缺口與連接片將腳趾部樞接至前段的前端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)器人腳掌結(jié)構(gòu)，其特征在于所述加壓部為扭簧，該扭簧套設(shè)在樞接軸上，且分別連接腳趾部的后端及前段的前端。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的機(jī)器人腳掌結(jié)構(gòu)，其特征在于所述加壓部為致動(dòng)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的機(jī)器人腳掌結(jié)構(gòu)，其特征在于所述足弓部的中段底側(cè)設(shè)有肋條。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的機(jī)器人腳掌結(jié)構(gòu)，其特征在于所述腳趾部的底面與前段的底面在接近水平的狀態(tài)下，所述腳趾部的底面與足弓部的前段的底面間所形成的第二夾角不大于30度。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的機(jī)器人腳掌結(jié)構(gòu)，其特征在于所述足弓部中段的頂面設(shè)有連接部，該連接部與傳動(dòng)軸相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種機(jī)器人腳掌結(jié)構(gòu)，要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種使得機(jī)器人腳掌能適應(yīng)于各種地形，且能更為穩(wěn)固地行走，產(chǎn)生擬人步態(tài)效果的機(jī)器人腳掌結(jié)構(gòu)。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案一種機(jī)器人腳掌結(jié)構(gòu)，包括傳動(dòng)軸，所述傳動(dòng)軸上設(shè)有足弓部，所述足弓部由前段、中段和后段連接組成，所述前段和后段的底面位于同一平面，而中段的底面向上凸起形成拱形結(jié)構(gòu)；所述前段的前端樞接有腳趾部，所述前段的前端與腳趾部的樞接位置上設(shè)置有加壓部。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，通過(guò)足弓部與腳趾部的樞接結(jié)構(gòu)，能使機(jī)器人適應(yīng)于非平坦的地面行走，從而使機(jī)器人腳掌的行走步態(tài)更加擬人化。
文檔編號(hào)B62D57/032GK102717846SQ20121020697
公開(kāi)日2012年10月10日 申請(qǐng)日期2012年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月21日
發(fā)明者戴文鐘 申請(qǐng)人:戴文鐘