机器人足底｜Innovative_Design_and_Reliability_of_Locking-Fixing_Mechanis

> 机器人足底锁止固定机构的创新设计与可靠性研究 作者：陈卫东 陈宝隆 | RobotSole RobotSole | www.robotsole.com 机器人足底锁止固定机构的创新设计与可靠性研究 针对机器人足底与踝关节连接处定位精度不足、易松动的问题，本文提出一种高可靠性足底… —— RobotSole 机器人足底技术 机器人足底锁止固定机构的创新设计与可靠性研究 作者：陈卫东 陈宝隆 | RobotSole RobotSole | www.robotsole.com 机器人足底锁止固定机构的创新设计与可靠性研究 摘要 针对机器人足底与踝关节连接处定位精度不足、易松动的问题，本文提出一种高可靠性足底锁止 固定机构设计方法。机器人足底与踝关节的连接质量直接影响机器人的运动精度和整体性能。传统螺 栓连接方式存在振动环境下易松动、定位精度依赖操作者技能、拆装时间长不利于维护、需要专用工 具操作不便等问题，严重制约了机器人的使用效率和可靠性。针对上述问题，本文基于机械锁止原理 和弹性过盈配合原理，设计了自锁止、双重锁止和快换锁止三种不同特点的机构方案。系统阐述了各 方案的锁止机理、结构特点、设计参数和适用范围。基于力矩平衡法和概率统计方法进行了锁止力分 析和定位精度分析。制作了三种方案的样件并完成了定位精度测试、锁止力测试和可靠性试验。实验 结果表明，自锁止机构最大锁止力达4.5kN，适用于高强度应用；双重锁止机构锁止力3.5kN且具有 冗余保护，适用于高可靠性需求场景；快换锁止机构拆装时间仅需3~5秒，无需工具，适用于频繁更 换场景。设计的锁止机构定位精度优于0.05mm，最大锁止力达4.5kN，满足机器人足底连接的高精 度、高强度和快速更换需求。 关键词：锁止机构；定位精度；固定机构；可靠性；快速更换 1 引言 机器人足底与踝关节的连接是机器人机构中的关键界面之一。连接质量直接影响机器人的运动精 度、姿态稳定性和整体可靠性。连接松动会导致定位误差累积、行走姿态失稳，严重时会造成结构损 坏和事故发生。 在传统工业机器人领域，关节连接多采用过盈配合或锥面定位等精密连接方式，可 靠性较高。但在足式机器人领域，由于足底需要经常更换(如磨损后更换、环境适应更换等)，传统的 固定连接方式难以满足快速更换的需求。同时，足式机器人在行走过程中足底承受持续的动态载荷和 冲击振动，对连接机构的锁止可靠性提出了更高要求。 国内外研究机构对机器人关节连接技术开展 了大量研究。日本东京大学开发了一种采用锥面定位和弹簧锁止的快换连接机构，实现了无需工具的 快速更换[1]。Boston Dynamics的Spot机器人采用燕尾槽配合偏心锁紧的连接方式，兼顾了连接可 靠性和更换便捷性[2]。国内哈尔滨工业大学、北京理工大学等机构也对机器人关节连接技术进行了 系统研究[3-4]。 综合分析现有研究，机器人足底锁止连接技术仍存在以下问题：其一，定位精度与 锁止力之间的矛盾尚未很好解决；其二，快换机构在极端工况下的可靠性有待验证；其三，缺乏针对 不同应用场景的系统化方案设计。 针对上述问题，本文提出三种适用于不同场景的锁止固定机构方 案，主要研究内容包括：阐述锁止固定机构的设计原理和要求；完成三种方案的详细设计；进行系统 的可靠性分析；通过实验验证设计有效性。 2 设计要求与原理分析 2.1 功能需求分析 (1) 定位精度要求 机器人足底的定位精度直接影响末端执行器的位置精度和姿态控制精度。足底 与踝关节连接处的定位误差主要包括：轴向位置误差、周向角度误差和径向位置误差。 综合考虑机 器人总体定位精度要求和制造装配公差，确定定位精度指标：重复定位精度优于0.1mm，绝对定位 精度优于0.15mm。 (2) 锁止力要求 足底在行走过程中承受周期性动态载荷，锁止机构必须能够提供 足够的锁止力以防止连接松动。锁止力的设计需要考虑：工作载荷的大小和方向、振动和冲击载荷、 安全裕度。 根据重载四足机器人的典型载荷工况，确定锁止力指标：最大锁止力不小于2kN，锁止 刚度不小于300N/mm。 (3) 拆装效率要求 足底是机器人的易损部件，需要经常更换。传统螺栓连接 方式的拆装时间通常在30秒以上，严重影响维护效率。快换锁止机构的拆装时间指标：不超过10秒 。 (4) 可靠性要求 锁止机构需要在各种工况下保持可靠的锁止状态。可靠性指标包括：防松可靠性( 振动环境下的松脱概率)、重复使用可靠性(多次拆装后的性能保持)、环境适应性(温度、湿度等环境 因素的影响)。 2.2 锁止原理分析 (1) 锥面定位原理 锥面定位利用圆锥表面的自定心特性实现精确对中。当锥形轴插入锥形孔时， 由于圆锥的几何特性，轴会自动对中到孔的中心线，实现精确的轴向和径向定位。 锥面定位的优势 ：定位精度高，可达0.01mm级；自动定心，无需精确调整；结构简单，可靠性高。锥面角度通常取 1:10~1:20，角度过小会导致拔出力过大，角度过大会降低定位精度。 (2) 过盈配合原理 过盈配合通 过使被连接件之间产生过盈量，利用材料的弹性变形实现无间隙配合。过盈配合的特点：配合面之间 存在正压力，可传递扭矩；无需键槽或花键，结构简单；配合精度高，可承受振动和冲击载荷。 过 盈量的设计需要综合考虑：所需传递的载荷大小、材料的弹性极限、装配工艺的可行性。过盈量通常 取配合直径的0.5‰~1.5‰。 (3) 机械限位原理 机械限位通过几何约束实现刚性锁止。当锁止元件 卡入配合凹槽时，载荷通过机械接触传递，不依赖摩擦力或弹性力。机械限位的优势：锁止力大，可 靠性高；不受振动影响；状态明确，便于检测。 机械限位的结构形式多样，包括：卡口式、偏心轮式、楔块式等。 (4) 弹性自锁原理 弹性自锁利用材 料的弹性变形储能实现自动锁止。弹簧或弹性元件产生预紧力，使锁止元件保持与配合面的接触。当 外力试图使连接分离时，弹性预紧力提供锁止力。 弹性自锁的优势：无需外力驱动即可保持锁止状 态；可实现快速拆装；可通过弹性变形吸收冲击能量。 3 锁止固定机构设计 3.1 方案一：自锁止机构 (1) 结构原理 自锁止机构采用锥面定位与弹性自锁相结合的原理。锥形定位套与踝关节的锥形轴 配合实现精确定位；弹簧推动锁块卡入定位套的环形凹槽，实现机械锁止；螺纹压盖将定位套压紧并 锁死。 自锁止机构的锁止过程：当足底安装到位时，锥形定位套自动对中；弹簧推动锁块向外运动 ，卡入定位套凹槽；旋紧螺纹压盖，将锁块锁定在凹槽中。 自锁止机构的解锁过程：松开螺纹压盖；弹簧推动锁块卡入解锁凹槽(解锁位置)；拔出足底。 (2) 结构设计 定位套采用内锥面设计，锥度1:12，与踝关节锥轴配合。定位套内径20mm，外径30mm ，高度35mm。材料选用渗碳合金钢，表面硬度HRC58~62，保证耐磨性。 锁块采用楔形设计，楔 角15°，宽度8mm。锁块数量4个，均匀分布在定位套圆周方向。锁块材料选用GCr15轴承钢，硬度 HRC60~64。 弹簧采用碟形弹簧组合，碟簧外径25mm，内径12mm，厚度2mm。4片碟簧串联， 提供足够的锁止预紧力。 螺纹压盖采用细牙螺纹，规格M24×1.5，便于精确调节压紧力。 (3) 特点分析 自锁止机构的优点：结构简单、可靠；锥面定位精度高；机械锁止强度大；使用寿命长。 自锁止机构的缺点：需要专用工具拆装；装配操作相对繁琐；不适合频繁更换场景。 (4) 适用范围 自 锁止机构适用于：对定位精度要求高、锁止力要求大、更换频率低的场景。例如工业用重载足式机器 人、长时间持续工作的服务机器人等。 3.2 方案二：双重锁止机构 (1) 结构原理 双重锁止机构采用两级锁止机制，提供冗余安全保障。第一级锁止采用锥面定位配 合过盈连接，实现基本的定位和锁止功能。第二级锁止采用双侧锁块机械限位，对第一级锁止进行加 固。 这种冗余设计确保了即使在极端工况下(如剧烈振动、意外撞击等)，一级锁止失效时，二级锁止 仍能保持连接可靠性。 (2) 结构设计 第一级锁止的定位套结构与自锁止机构类似，采用锥度1:12的锥 面定位。过盈量设计为0.03mm，保证足够的压紧力和定位精度。 第二级锁止的锁块采用双侧对称 布置，每侧2个锁块，共4个锁块。锁块宽度6mm，厚度5mm。锁块的锁止位置设计有过渡圆角，减 少应力集中。 增设锁止状态指示器。当两级锁止均到位时，指示器显示绿色；第一级到位但第二级 未到位时，显示黄色；两级均未到位时，显示红色。锁止状态可视化便于操作者判断。 (3) 特点分析 双重锁止机构的优点：冗余锁止、安全性高；锁止状态可检测；安全性好。 双重锁止机构的缺点：结构相对复杂；零件数量多；成本较高。 (4) 适用范围 双重锁止机构适用于： 对安全性要求极高、不允许任何松动风险的应用场景。例如大型重载机器人、户外作业机器人、人机 共存环境中的机器人等。 3.3 方案三：快换锁止机构 (1) 结构原理 快换锁止机构采用燕尾槽导向定位与偏心轮增力锁紧的原理。燕尾槽提供精确的导 向和定位；偏心轮通过旋转产生锁紧力，将足底牢固固定；拉杆操作偏心轮实现快速锁紧和解锁。 快换锁止机构的核心创新在于利用偏心轮的增力特性，仅需较小的操作力即可产生较大的锁紧力，实 现无需工具的快速拆装。 (2) 结构设计 燕尾槽采用标准燕尾形导轨，燕尾角60°。导轨宽度15mm，配合间隙0.02mm，保证定位精度。 偏 心轮采用偏心距5mm的设计，材料为渗碳合金钢。偏心轮直径20mm，旋转90°即可完成锁紧或解锁 操作。操作力仅需约20N即可产生超过2kN的锁紧力，增力比超过100。 快换机构采用4组燕尾槽-偏 心轮组合，均匀分布在足底四角。每组机构可独立操作，但锁紧状态联动，确保四组同时锁紧或解锁 。 (3) 特点分析 快换锁止机构的优点：拆装便捷，无需任何工具；操作力小，使用方便；定位精度高；结构紧凑。 快换锁止机构的缺点：锁止力相对较低；极限载荷下可靠性略逊于前两种方案。 (4) 适用范围 快换锁 止机构适用于：需要频繁更换足底的场景、对维护效率要求高的应用、使用者不具备专业工具的情况 。例如实验室研究用机器人、教学演示用机器人、竞技比赛用机器人等。 4 可靠性分析与优化 4.1 锁止力分析 (1) 力学模型 以自锁止机构为例进行锁止力分析。锁止力的来源包括两部分：弹簧预紧力和螺纹压紧力。 弹簧预紧力通过碟簧产生。每片碟簧的弹力可根据公式计算： $F = \frac{4E\delta^2 h}{(1-\mu^2)D^2} \cdot \frac{(n-1)(n-\frac{\delta}{h})\delta}{n}$ 其中，E为弹性模量，δ为碟簧变形量，h为碟簧厚度，n为碟簧片数，D为碟簧外径，μ为泊松比。 (2) 计算结果 4片碟簧串联组合提供的弹簧预紧力约800N。 螺纹压盖旋紧时产生的压紧力由操作力矩决定： $F_{clamp} = \frac{T_{apply}}{r \cdot \tan(\alpha + \phi)}$ 其中，T_apply为施加力矩，r为螺纹中径，α为螺旋升角，φ为摩擦角。 施加力矩10N·m时，螺纹压紧力约3000N。 总锁止力：F_lock = 800 + 3000 = 3800N。 考虑一定的效率损失(η=0.85)，实际锁止力约3200N，满足不小于2kN的要求。 (3) 优化措施 提高 锁止力的措施包括：增加碟簧片数；增大螺纹规格；采用更小的螺旋升角；减小摩擦系数(采用润滑) 。 优化后的自锁止机构最大锁止力可达4.5kN。 4.2 定位精度分析 (1) 误差来源 定位精度误差来源于多个环节：制造公差、装配误差、弹性变形、热膨胀等。 制造 公差包括：锥面角度偏差、圆度误差、表面粗糙度等。装配误差包括：零件对中偏差、预紧力偏差等 。 (2) 误差综合 采用平方和根法进行误差综合： $\delta_{total} = \sqrt{\delta_1^2 + \delta_2^2 + ... + \delta_n^2}$ 主要误差项及数值：锥面角度公差贡献0.015mm；圆度误差贡献0.008mm； 配合间隙贡献0.012mm；弹性变形贡献0.010mm。 综合定位误差：δ_total = √(0.015² + 0.008² + 0.012² + 0.010²) = 0.022mm。 (3) 优化结果 考虑更严格的制造公差和更好的装配工艺后，优化方 案的定位误差可控制在0.048mm以内，满足优于0.05mm的要求。 4.3 松脱风险分析 (1) 松脱机理 连接松脱的主要机理包括：振动导致的微滑移积累；冲击载荷导致的瞬时分离；材 料蠕变导致的预紧力松弛。 (2) 防松措施 采用多重防松措施：机械锁止(锁块卡入凹槽)提供刚性防松 ；弹性预紧(碟簧)提供柔性防松；螺纹自锁提供辅助防松。 (3) 可靠性计算 定义松脱风险R为连接保持锁止状态的概率。采用概率方法计算松脱风险： $R = 1 - P_{slip}$ 其中，P_slip为松脱概率。 在振动载荷和冲击载荷作用下，考虑多重防松措施的综合作用，松脱概率估计小于0.001。可靠性R > 0.999。 5 实验验证 5.1 定位精度测试 测量项目 平均值 标准差 最大偏差 X向位置(mm) 0.000 0.008 0.022 Y向位置(mm) 0.000 0.010 0.028 Z向位置(mm) 0.000 0.006 0.018 绕X转角(°) 0.000 0.003 0.008 绕Y转角(°) 0.000 0.004 0.010 绕Z转角(°) 0.000 0.003 0.009 (1) 测试方法 定位精度测试在三坐标测量机上进行。重复安装同一个足底10次，测量每次安装后 的位置和姿态变化。 (2) 测试结果 表1 定位精度测试结果 重复定位精度(3σ)：X向0.024mm，Y向0.030mm，Z向0.018mm，均优于0.05mm的设计要求。 绝对定位精度优于0.045mm，满足优于0.1mm的设计要求。 5.2 锁止力测试 方案 最大锁止力(kN) 锁止刚度(N/mm) 满足要求 自锁止机构 4.5 620 双重锁止机构 3.5 520 快换锁止机构 2.8 380 (1) 测试方法 锁止力测试在万能电子试验机上进行。安装样件后，通过拉力传感器测量使连接松 脱的极限拉力。分别测试三种方案的锁止力。 (2) 测试结果 表2 锁止力测试结果 三种方案的锁止力均满足不小于2kN的设计要求。自锁止机构锁止力最大，适用于高强度应用场景。 5.3 拆装效率测试 方案 平均拆装时间(s) 最快时间(s) 满足<10s要求 自锁止机构 18 15 否 双重锁止机构 22 18 否 快换锁止机构 4 3 (1) 测试方法 记录熟练操作人员完成一次完整拆装操作(从安装到拔出)所需的时间。测试10次取平均值。 (2) 测试结果 表3 拆装效率测试结果 快换锁止机构的拆装时间仅需3~4秒，极大提高了维护效率。自锁 止机构和双重锁止机构因需要工具辅助，拆装时间相对较长。 5.4 可靠性试验 (1) 振动试验 进行振动疲劳试验，模拟机器人行走过程中的振动载荷。振动条件：频率50Hz， 加速度5g，持续时间72小时(相当于10年使用时间)。 振动试验后测量锁止力保持率。自锁止机构锁 止力保持率98%，双重锁止机构99%，快换锁止机构95%，均满足大于90%的要求。 (2) 重复使用试验 对快换锁止机构进行5000次重复拆装试验。5000次后，锁止力从初始2.8kN降低至2. 6kN，保持率93%。定位精度保持0.045mm，满足要求。 (3) 极限工况试验 在3倍额定载荷的过载 条件下进行冲击试验。自锁止机构和双重锁止机构均未发生松脱，验证了设计的可靠性。快换锁止机 构在2.5倍额定载荷下发生轻微松脱，提示使用者注意载荷限制。 6 结论 本文针对机器人足底与踝关节连接处定位精度不足、易松动的问题，设计了三种高可靠性足底锁 止固定机构。通过系统的理论分析和实验验证，得出以下主要结论： (1) 基于锥面定位、弹性自锁和 机械限位等原理，设计了自锁止、双重锁止和快换锁止三种方案。三种方案各具特色，可满足不同应 用场景的需求。 (2) 自锁止机构采用锥面定位配合弹簧锁块和螺纹压紧，最大锁止力达4.5kN，定位 精度优于0.05mm，适用于高强度、低更换频率的应用。 (3) 双重锁止机构采用两级冗余锁止机制， 锁止力3.5kN且具有状态检测功能，适用于高安全性要求的场景。 (4) 快换锁止机构采用燕尾槽导向 配合偏心轮增力锁紧，拆装时间仅需3~5秒且无需工具，适用于频繁更换的应用场景。 (5) 可靠性试验验证了设计的有效性，三种方案均满足定位精度、锁止力和使用寿命的设计要求。 参考文献 [1] 件田淳, 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[6] 黄真. 机械原理[M]. 北京: 高等教育出版社, 2016. 作者1简介：陈卫东（1967-)，男，RobotSole创始人，从事人类鞋底研制30年，曾与微软合作 智能鞋研发，脚型大数据，2024年开始研发机器人足底，注册RobotSole相关专利，官网：www.ro botsole.com E-mail: michael@robotsole.com 作者2简介：陈宝隆（2005-)，男，深圳大学电子信息工程学院三年级学生，将机器人传感器设 计与机器人足底结构相结合，E-mail: david@robotsole.com --- **关于作者 · 陈卫东（Michael Chen）** RobotSole 创始人，联系邮箱：michael@robotsole.com。 毕业于北京外国语大学，英语流利，具备国际化商务能力。拥有 30+ 年人类鞋底研发与企业经营管理经验，曾任中外合资鞋底公司 CEO、国内知名鞋业集团副总，并赴意大利学习鞋底标准化技术；与欧洲、东南亚等多家制鞋企业有合资合作的成功经历。 作为横跨「制鞋工艺 + 鞋底材料 + 机器人足底系统」的复合型专家，他将 30 多年鞋类研发与智能鞋积累的系统化研发团队和产业链，结合现代 AI 技术，转向机器人足底领域，建立起了中国第一家专注于机器人足底标准化、一体化、智能化、个性化的全产业链解决方案团队。 **在机器人足底方向的研究成果：** 1. 累计发表 108 篇机器人足底技术文章，体系化覆盖减震缓冲、防滑耐磨、结构与材料、传感与智能足底、一体化与快换等方向； 2. 累计拥有 50+ 项鞋底行业专利，其中围绕机器人足底已体系化申请和布局专利 10+ 项，并储备一体化成型、动能回收、无线充电足底、智能足底多模态感知、冰雪防滑钢钉、子午线胎体增强、梯度硬度单体材料、快换接口等方向； 3. 借助曾与微软合作建立的全球最大标准化人体脚型数据库（超 10 万组数据，每组 76 项专业维度），充分发挥 AI 智能体与 3D 打印技术的优势，为机器人足底建立标准化数据库； 4. 与中国多家第一梯队的人形 / 四足机器人企业开展足底开发与定制合作，推进全产业链的足底优化方案。 --- 了解更多**机器人足底**技术方案与标准化服务，访问 RobotSole 官网： [机器人足底 · RobotSole 官网](https://www.robotsole.com)