一种提高双足机器人步态自然性与稳定性的仿生足技术领域
本发明涉及一种双足机器人仿生足，具体涉及一种提高双足机器人步态
自然性与稳定性的仿生足。
背景技术
随着科学技术的进步，仿生步行机器人获得了快速发展并在社会的多个领
域被广泛应用，如农业、军事、星际探索、野外科考、抢险救灾等。按步行
足数目，步行机器人可划分为单足、双足、三足、四足、六足、八足甚至更
多，其中偶数占绝大多数。而双足步行机器人相比其他类型，其行走方式与
人类相近，具有在非结构性复杂路面行走移动能力佳、环境适应性强等显著
特点，因此，得到了世界范围内的极大关注。然而，目前的双足机器人的足
部几乎均为刚性块整体设计，这种设计具有结构简单的特点。但是，由于机
器人足部整体刚性的限制使得双足机器人在行走过程中无法实现类似人的各
连续步态特征(初始足跟触地、足部平放、脚跟抬起、脚尖离地)，因此其行
走普遍存在步态僵硬、不自然的特点，这在一定程度上也降低了双足机器人
步行效能；同时，由于整体刚性设计，现有双足机器人的足部无法发挥类似
人体足弓的缓冲储能作用，因此在触地冲击中不能有效吸收或缓解地面的冲
击作用强度，显著降低了行走稳定性，增加了控制难度；目前，研究者大多
采取在两足步行机器人的腿机构中加入弹性阻尼元件或足底添加弹性材料层
的方式，以在一定程度上缓解地面接触对机体的冲击影响，但效果不理想。
人体足部作为人体在步行运动过程中唯一与地面发生作用的部位，发挥着
重要作用。在人体行走步态周期中，足跟着地时，由于动力要素的突然变化
导致足部瞬时承受几倍于人体体重的冲击力；在足部支撑中期，作为与地面
支撑相接触的唯一部位，足部需要调节与地接触状态及与地面间的相互作用
以稳定人体运动。因此，人体足部为了能够缓解、吸收地面冲击作用，其本
身需要具备柔性与适应性。而足部又需要非常高效地将地面作用力向人体下
肢进行传递，其不得不具备足够的刚度；为了保持运动稳定性，足部需要发
挥类似于阻尼系统的作用以调节与地面间的接触与作用。人体足部的这些功
能的展现与其足部足弓(内侧足弓、外侧足弓)、足底腱膜及足底软组织有着
密切的联系。人体足部的内侧纵弓，较高，由跟骨、距骨、舟骨、3个楔骨和
第1～3跖骨构成。内侧纵弓前支点为第1～3跖骨头，后支点为跟骨，整体
曲度较大，弹性较强，缓冲震荡作用较显著，故也被称做弹性足弓；而外侧
足弓较低，由跟骨、骰骨及第4、5跖骨构成，跟骨构成后支点，第4、5跖
骨头构成前支点。外侧纵弓在人体行走、跑跳运动中，在内侧纵弓承受躯干
重力之前，外侧纵弓首先承力。足底腱膜相当于足弓系统中的“弓弦”，足弓受
力下降时，在足弓前后支点间形成张力，使得足底腱膜受到拉伸作用，进而
储能。而足底软组织主要包括纤维网状结构及脂肪，整体呈现粘弹特性，能
够起到耗散冲击力，削弱冲击强度的作用。而目前的双足机器人的足部设计
尚缺乏相关考虑。
综观当前双足行走机器人足部的研究现状及人体足部的功能结构特征，急
需一种基于人体足部结构特征的能够提升双足机器人行走步态稳定性与自然
性的仿生足。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有双足机器人行走步态不自然、稳定性差的问
题，而提供一种能克服上述缺点的提高双足机器人步态自然性与稳定性的仿
生足。
本发明包括仿生足本体、仿生足踝。所述的仿生足本体包含外侧仿生足弓、
内侧仿生足弓、脚趾构件、足跟构件。第二仿生足弓连接件通过两个对称分
布的第三螺钉与足跟构件固连。第一仿生足弓连接件通过两个对称分布的第
五螺钉与第二仿生足弓连接件固连。外侧仿生足弓、内侧仿生足弓分别通过
第一螺钉与第一仿生足弓连接件固连。外侧足弓支承件、内侧足弓支承件分
别通过第二螺钉与外侧仿生足弓、内侧仿生足弓固连。脚趾构件分别通过第
一销轴与外侧足弓支承件、内侧足弓支承件铰接。滚轮通过第二销轴与压缩
弹簧推杆铰接。同时，压缩弹簧推杆分别和压缩弹簧支承件与外侧足弓支承
件、压缩弹簧支承件与内侧足弓支承件构成滑动连接。压缩弹簧推杆可以延
轴向滑动。调节螺母与压缩弹簧推杆之间的连接方式为螺纹连接。通过压缩
弹簧支承件与调节螺母相对距离的改变，可以调节压缩弹簧的压缩状态。这
里，压缩弹簧支承件分别通过两对第四螺钉与外侧足弓支承件、内侧足弓支
承件固连。在外侧足弓支承件、内侧足弓支承件与足跟构件之间，通过螺纹
连接的方式，对称分布着两对拉伸弹簧挂件，第一拉伸弹簧通过拉伸弹簧挂
件成对使用，第一拉伸弹簧在安装之后处于拉伸状态。脚趾粘弹材料层、外
侧足弓粘弹材料层、内侧足弓粘弹材料层、足跟粘弹材料层分别与脚趾构件、
外侧足弓支承件、内侧足弓支承件、足跟构件粘接。同时，脚趾橡胶防滑垫
片、足跟橡胶防滑垫分别与脚趾粘弹材料层、足跟粘弹材料层粘接，足弓橡
胶防滑垫片分别与外侧足弓粘弹材料层、内侧足弓粘弹材料层粘接。
所述的仿生足踝，包含踝关节第一连接件、踝关节第一平台、踝关节第二
连接件、踝关节第二平台。踝关节第一连接件通过第一螺母固连在足跟构件
的中部。踝关节第一平台通过第三销轴铰接在踝关节第一连接件上。踝关节
第二连接件通过螺纹连接固连在踝关节第一平台的中部，同时，踝关节第二
连接件通过固连在踝关节第二平台中部的第二铰链支座与踝关节第二平台形
成铰接。两个活塞式液压缸分别与对称分布在踝关节第一平台上的第一铰链
支座铰接，同时活塞端部与固连在踝关节第二平台上对称分布的第三铰链支
座形成铰接，两个活塞式液压缸上腔与上腔、下腔与下腔分别用柔性橡胶液
压管连接，整个液压系统注满液压油。其中，对称布置的第一铰链支座通过
两对第一螺栓、第二螺母固连在踝关节第一平台上。成对使用并且对称分布
的第二拉伸弹簧、第三拉伸弹簧，分别作用在踝关节第一平台与足跟构件、
踝关节第二平台与踝关节第一平台之间，在安装时处于拉伸状态。
本发明的工作过程和原理：
在机器人行进的过程中，在每个足部触地作用阶段，仿生足不断重复“初
始足跟触地、足部平放、脚跟抬起、脚尖离地”的步骤。首先，足跟橡胶防
滑垫着地，足跟粘弹材料层的粘弹性与足跟构件的U形结构的弹性变形均起
到缓冲作用。接下来足弓橡胶防滑垫片与脚趾橡胶防滑垫片着地，由于外侧
足弓粘弹材料层的厚度小于内侧足弓粘弹材料层。故随着足弓粘弹材料层的
压缩，刚度较小的外侧仿生足弓首先产生弹性变形，随着外侧足弓支承件高
度的上升，内侧足弓支承件也开始受到较大的作用力，产生向上的位移，内
侧仿生足弓开始产生弹性变形，此时内外侧仿生足弓同时起到缓冲作用。刚
度较小的外侧仿生足弓配合刚度较大的内侧仿生足弓成套使用，使整个仿生
足弓的可变刚度区间变大，能够更好地完成对不同冲击的有效吸收。在仿生
足弓变形的同时，脚趾粘弹材料层、第一拉伸弹簧、压缩弹簧均产生一定变
形，并协助仿生足弓吸收冲击。最后，仿生足趋近“脚尖离地”的步骤，此时，
脚趾构件绕第一销轴转动，推动滚轮沿压缩弹簧推杆进行轴向运动。最终通
过与滚轮铰接的压缩弹簧推杆将能量储存在压缩弹簧之中，在脚尖离地时，
储存在压缩弹簧之中的弹性势能又转化成了脚趾构件绕第一销轴转动的动
能，从而实现了仿生足运动的弹性启动。
对于踝关节的运动，可以通过踝关节第一平台绕第三销轴的转动实现内
翻、外翻动作，通过踝关节第二平台绕第四销轴的转动实现背曲、趾屈运动。
两个运动互不干涉，可以实现组合运动，而运动的复位是由对称分布的第二
拉伸弹簧、第三拉伸弹簧实现的。这里，背曲、趾屈运动的运动幅度较大，
为了防止第三拉伸弹簧产生快速回弹的现象，提高行走稳定性，加入成对的
活塞式液压缸与第三拉伸弹簧并联使用，通过选择恰当直径的柔性橡胶液压
管，在背曲、趾屈运动时产生合适的阻尼，使运动更加平稳。
本发明的有益效果：
1、本发明进行了内侧、外侧仿生足弓设计，可以增加整体足弓的弹性变
形区间，从而有效的减少不同冲击带来的不良后果，提高行走的稳定性。
2、本发明进行了人类脚趾的仿生设计，模仿人类“初始足跟触地、足部平
放、脚跟抬起、脚尖离地”的行走方式，使机器人步态更加自然。
3、本发明进行了人类足底软组织的仿生设计，采用三点触地的稳定结构，
同时在足底加入粘弹材料层，更有利于吸收冲击。
4、本发明的脚踝部分在控制背屈和趾屈这一运动时，加入了液压阻尼系
统，可以使背屈和趾屈运动更加平滑，提高运动的平稳性。
附图说明
图1为本发明的立体示意图。
图2为本发明的外侧脚趾机构主视图。
图3为本发明的外侧脚趾机构俯视图。
图4为本发明的内侧脚趾机构主视图。
图5为本发明的内侧脚趾机构俯视图。
图6本发明的足踝部分右视图。
图7为本发明的足踝部分主视图。
其中：1-第一仿生足弓连接件；2-第一螺钉；3-外侧仿生足弓；4-内侧仿
生足弓；5-第二螺钉；6-脚趾构件；7-足跟橡胶防滑垫；8-足跟粘弹材料层；
9-拉伸弹簧挂件；10-第一拉伸弹簧；11-足跟构件；12-第一螺母；13-第二仿
生足弓连接件；14-第三螺钉；15-第二拉伸弹簧；16-柔性橡胶液压管；17-
踝关节第一连接件；18-活塞式液压缸；19-第一铰链支座；20-踝关节第一平
台；21-第三拉伸弹簧；22-踝关节第二平台；23-第一销轴；24-脚趾粘弹材料
层；25-脚趾橡胶防滑垫片；26-外侧足弓粘弹材料层；27-足弓橡胶防滑垫片；
28-外侧足弓支承件；29-压缩弹簧支承件；30-第四螺钉；31-压缩弹簧推杆；
32-压缩弹簧；33-调节螺母；34-第二销轴；35-滚轮；36-内侧足弓粘弹材料层；
37-内侧足弓支承件；38-第三销轴39-第一螺栓；40-第五螺钉；41-第二螺母；
42-第四销轴；43-踝关节第二连接件；44-第二铰链支座；45-第三铰链支座。
具体实施方式
请参阅图1、图2图3、图4、图5、图6和图7所示，本实施例包括有
仿生足本体及仿生足踝；
所述的仿生足本体包含外侧仿生足弓3、内侧仿生足弓4、脚趾构件6和
足跟构件11，第二仿生足弓连接件13通过两个对称分布的第三螺钉14与足
跟构件11固连；第一仿生足弓连接件1通过两个对称分布的第五螺钉40与
第二仿生足弓连接件13固连；外侧仿生足弓3、内侧仿生足弓4分别通过第
一螺钉2与第一仿生足弓连接件1固连；外侧足弓支承件28、内侧足弓支承
件37分别通过第二螺钉5与外侧仿生足弓3、内侧仿生足弓4固连；脚趾构
件6分别通过第一销轴23与外侧足弓支承件28、内侧足弓支承件37铰接。
滚轮35通过第二销轴34与压缩弹簧推杆31铰接。同时，压缩弹簧推杆31
分别和压缩弹簧支承件29与外侧足弓支承件28、压缩弹簧支承件29与内侧
足弓支承件37构成滑动连接。压缩弹簧推杆31可以延轴向滑动；调节螺母
33与压缩弹簧推杆31之间的连接方式为螺纹连接。通过压缩弹簧支承件29
与调节螺母33相对距离的改变，可以调节压缩弹簧32的压缩状态；压缩弹
簧支承件29分别通过两对第四螺钉30与外侧足弓支承件28、内侧足弓支承
件37固连。在外侧足弓支承件28、内侧足弓支承件37与足跟构件11之间，
通过螺纹连接的方式，对称分布着两对拉伸弹簧挂件9，第一拉伸弹簧10通
过拉伸弹簧挂件9成对使用，第一拉伸弹簧10在安装之后处于拉伸状态；脚
趾粘弹材料层24、外侧足弓粘弹材料层26、内侧足弓粘弹材料层36、足跟粘
弹材料层8分别与脚趾构件6、外侧足弓支承件28、内侧足弓支承件37、足
跟构件11粘接。同时，脚趾橡胶防滑垫片25、足跟橡胶防滑垫7分别与脚趾
粘弹材料层24、足跟粘弹材料层8粘接，足弓橡胶防滑垫片27分别与外侧足
弓粘弹材料层26、内侧足弓粘弹材料层36粘接。
在机器人行进的过程中，仿生足不断重复“初始足跟触地、足部平放、脚
跟抬起、脚尖离地”的步骤。首先，足跟橡胶防滑垫7着地，足跟粘弹材料
层8的粘弹性与足跟构件11的U形结构的弹性变形都会起到缓冲作用。接下
来足弓橡胶防滑垫片27与脚趾橡胶防滑垫片25着地，由于外侧足弓粘弹材
料层26的厚度小于内侧足弓粘弹材料层36。故随着足弓粘弹材料层的压缩，
刚度较小的外侧仿生足弓3首先产生弹性变形，随着外侧足弓支承件28高度
的上升，内侧足弓支承件37也开始受到较大的作用力，产生向上的位移，内
侧仿生足弓4开始产生弹性变形，此时内外侧仿生足弓同时起到缓冲作用。
刚度小的外侧仿生足弓配合刚度大的内侧仿生足弓成套使用，使整个仿生足
弓的可变刚度区间变大，能够更好地完成对不同冲击的有效吸收。在仿生足
弓变形的同时，脚趾粘弹材料层24、第一拉伸弹簧10、压缩弹簧32都产生
了一定的变形，并协助仿生足弓吸收了一些冲击。最后，仿生足趋近“脚尖离
地”的步骤，此时，脚趾构件6绕第一销轴23转动，推动滚轮35沿压缩弹簧
推杆31进行轴向运动。最终通过与滚轮35铰接的压缩弹簧推杆31将能量储
存在压缩弹簧32之中，在脚尖离地时，储存在压缩弹簧32之中的弹性势能
又转化成了脚趾构件6绕第一销轴23转动的动能，从而实现了仿生足运动的
弹性启动。
所述的仿生足踝包含踝关节第一连接件17、踝关节第一平台20、踝关节
第二连接件43、踝关节第二平台22。踝关节第一连接件17通过第一螺母12
固连在足跟构件11的中部；踝关节第一平台20通过第三销轴38铰接在踝关
节第一连接件17上；踝关节第二连接件43通过螺纹连接固连在踝关节第一
平台20的中部；踝关节第二连接件43通过固连在踝关节第二平台22中部的
第二铰链支座44与踝关节第二平台22形成铰接；两个活塞式液压缸18分别
与对称分布在踝关节第一平台20上的第一铰链支座19铰接，活塞端部与固
连在踝关节第二平台22上对称分布的第三铰链支座45形成铰接，两个活塞
式液压缸18上腔与上腔、下腔与下腔分别用柔性橡胶液压管16连接，整个
液压系统注满液压油；对称布置的第一铰链支座19通过两对第一螺栓39、第
二螺母41固连在踝关节第一平台20上；成对使用并且对称分布的第二拉伸
弹簧15、第三拉伸弹簧21，分别作用在踝关节第一平台20与足跟构件11、
踝关节第二平台22与踝关节第一平台20之间，在安装时处于拉伸状态。
在机器人行进的过程中，可以通过踝关节第一平台20绕第三销轴38的转
动实现内翻、外翻动作，通过踝关节第二平台22绕第四销轴42的转动实现
背曲、趾屈运动。两个运动互不干涉，可以实现组合运动，而运动的复位是
由对称分布的第二拉伸弹簧15、第三拉伸弹簧21实现的。这里，背曲、趾屈
运动的运动幅度较大，为了防止第三拉伸弹簧21产生快速回弹的现象，提高
行走稳定性，加入成对的活塞式液压缸18与第三拉伸弹簧21并联使用，通
过选择恰当直径的柔性橡胶液压管16，在背曲、趾屈运动时产生合适的阻尼，
使运动更加平稳。
本实施例所描述的是用于两足机器人的右侧仿生足，其左侧仿生足与右
侧仿生足的结构为对称关系，且工作机理完全一致。