本發(fā)明屬于工程仿生技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種緩沖節(jié)能與主動(dòng)抗沉陷仿生機(jī)械足。

背景技術(shù)：

隨著機(jī)械設(shè)計(jì)和控制技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人已儼然成為一個(gè)研究熱點(diǎn)。各國(guó)相繼研究出不同的機(jī)器人，主要應(yīng)用包括礦產(chǎn)采掘、星際探測(cè)、搶險(xiǎn)救災(zāi)和軍事偵查與反恐等。但是，當(dāng)前機(jī)器人面向的環(huán)境多是硬地面，面向松軟地面的機(jī)器人相對(duì)較少。足作為機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，精細(xì)化研究已顯的尤為重要。足部設(shè)計(jì)的好壞，將對(duì)機(jī)器人的平衡性、通過(guò)性、牽引性等會(huì)產(chǎn)生深刻的影響。已經(jīng)研究出的機(jī)械足多從支撐平衡、緩沖等方面考慮，主動(dòng)抗沉陷的研究則相對(duì)較少。另外，緩沖、減振等功能多數(shù)是通過(guò)彈簧、套筒等組裝，材料組裝和構(gòu)件組裝等剛?cè)狁詈蠎?yīng)用則相對(duì)較少。

非洲鴕鳥(niǎo)，是一種不會(huì)飛，但是奔跑速度很快的鳥(niǎo)。鴕鳥(niǎo)常年生活在沙漠地帶，體型巨大，體高1.75～2.75m，體重60～160kg，奔跑速度可達(dá)50km/h，持續(xù)半小時(shí)以上。在鴕鳥(niǎo)高速奔跑過(guò)程中，足作為與沙地直接接觸的部位，獨(dú)特的結(jié)構(gòu)形貌、運(yùn)動(dòng)形態(tài)等起到了緩沖減振、抗沖擊、節(jié)能、抗沉陷等作用。因此，選取鴕鳥(niǎo)足為仿生原型，從鴕鳥(niǎo)足的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和材料組裝等方面考慮，設(shè)計(jì)了一種緩沖節(jié)能與主動(dòng)抗沉陷仿生機(jī)械足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是基于工程仿生原理，以鴕鳥(niǎo)足為仿生原型，通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)和控制相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種緩沖節(jié)能與主動(dòng)抗沉陷仿生機(jī)械足，本發(fā)明一方面模仿鴕鳥(niǎo)跖趾關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，起到了緩沖、減振、儲(chǔ)能、節(jié)能等作用；另一方面，通過(guò)剛性和柔性材料組裝，模仿鴕鳥(niǎo)足的骨架和足底趾墊，對(duì)整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)起到了保護(hù)作用。同時(shí)，模仿鴕鳥(niǎo)足離沙姿態(tài)——趾骨依次離地，起到了主動(dòng)抗沉陷的作用。該仿生機(jī)械足主要應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域，尤其是提高機(jī)器人在松軟地面的通過(guò)性具有較好的效果。

本發(fā)明包括跖趾關(guān)節(jié)、底座、支座、第一彈簧、銷(xiāo)軸、垂直滑塊、第二彈簧、連桿、跗跖骨、第一趾骨、水平滑塊、第一舵機(jī)、第二趾骨、第二舵機(jī)、第三趾骨和法蘭盤(pán)；

跖趾關(guān)節(jié)由底座、支座、垂直連桿、水平連桿、第一垂直彈簧、第二垂直彈簧、第一水平彈簧、第二水平彈簧、水平滑塊、第一趾骨、垂直滑塊和銷(xiāo)軸組成，底座的垂直面安裝有四個(gè)支座，四個(gè)支座分布在底座垂直面的四個(gè)角處，左側(cè)和右側(cè)的上下兩個(gè)支座均穿設(shè)垂直連桿，兩個(gè)垂直連桿上套設(shè)有第一垂直彈簧和第二垂直彈簧，第一垂直彈簧位于下方，第二垂直彈簧位于上方，垂直滑塊套設(shè)在垂直連桿上，垂直滑塊位于第一垂直彈簧與第二垂直彈簧之間；底座的水平面安裝有四個(gè)支座，四個(gè)支座分布在底座水平面的四個(gè)角處，左側(cè)和右側(cè)的前后兩個(gè)支座均穿設(shè)水平連桿，兩個(gè)水平連桿上套設(shè)有第一水平彈簧和第二水平彈簧，第一水平彈簧位于內(nèi)側(cè)，第二水平彈簧位于外側(cè)，水平滑塊套設(shè)在水平連桿上，水平滑塊位于第一水平彈簧與第二水平彈簧之間；第一趾骨的上端通過(guò)銷(xiāo)軸與垂直滑塊鉸接，第一趾骨的下端通過(guò)銷(xiāo)軸與水平滑塊鉸接；跗跖骨與垂直滑塊固定連接在一起；當(dāng)跗跖骨向下移動(dòng)時(shí)，垂直滑塊也會(huì)隨之向下移動(dòng)，壓縮垂直方向上的第一垂直彈簧。第一趾骨上端會(huì)向下移動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)水平滑塊沿著水平連桿向外側(cè)移動(dòng)，水平滑塊外側(cè)的第二水平彈簧被壓縮，起到了儲(chǔ)存能量的作用。壓縮的第一垂直彈簧和第二水平彈簧要恢復(fù)原樣，從而驅(qū)動(dòng)水平滑塊向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，在第一趾骨的作用下，垂直滑塊會(huì)沿著垂直連桿向上移動(dòng)，起到了釋放能量、節(jié)能的作用。底座與第二趾骨之間安裝第一舵機(jī)，第二趾骨與第三趾骨之間安裝第二舵機(jī)，第一舵機(jī)安裝在第二趾骨上，第一舵機(jī)的輸出軸通過(guò)法蘭盤(pán)與底座連接；第二舵機(jī)安裝在第三趾骨上，第二舵機(jī)的輸出軸通過(guò)法蘭盤(pán)與第二趾骨連接。在一個(gè)跨步周期內(nèi)，當(dāng)機(jī)械足觸地后，足底與土壤之間的摩擦力帶動(dòng)整個(gè)身體向前移動(dòng)。推動(dòng)身體向前運(yùn)動(dòng)將要完成時(shí)，足趾實(shí)現(xiàn)依次離地。第一舵機(jī)驅(qū)動(dòng)底座旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)底座離地。當(dāng)?shù)鬃x地完成時(shí)，第二舵機(jī)驅(qū)動(dòng)第二趾骨旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)第二趾骨離地。底座和第二趾骨依次離地起到了主動(dòng)抗沉陷的作用。第三趾骨不離地，起到支點(diǎn)的作用。底座的底面安裝有第一趾墊、第二趾骨的底面安裝有第二趾墊、第三趾骨的底面安裝有第三趾墊。安裝方式為底座、第二趾骨、第三趾骨上鉆有通孔，第一趾墊、第二趾墊和第三趾墊上的圓柱凸臺(tái)插入這些孔中，輔助使用適量膠水，以達(dá)到固定趾墊的目的。

所述的第一垂直彈簧的剛度系數(shù)要大于第二垂直彈簧，第二水平彈簧的剛度系數(shù)要大于第一水平彈簧。

所述的第一趾墊、第二趾墊和第三趾墊材質(zhì)為橡膠。

本發(fā)明從鴕鳥(niǎo)足的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和材料組裝等方面考慮，設(shè)計(jì)了永久離地的跖趾關(guān)節(jié)、依次離地的趾骨——底座和第二趾骨，同時(shí)柔性的橡膠趾墊——第一趾墊、第二趾墊和第三趾墊與剛性的趾骨耦合組裝，實(shí)現(xiàn)了緩沖、節(jié)能、主動(dòng)抗沉陷等功能。

本發(fā)明的仿生原理：

鴕鳥(niǎo)在奔跑時(shí)，由于鴕鳥(niǎo)自身身體較重，再加上奔跑時(shí)加速?zèng)_擊，跖趾關(guān)節(jié)要承受巨大的沖擊力。因此，要求跖趾關(guān)節(jié)要具有緩沖、減振、儲(chǔ)能、放能等作用。其中，第一趾骨作為連接跗跖骨和第二趾骨的中間骨骼，其位置非常獨(dú)特。第一趾骨上端可上下移動(dòng)，下端可以左右移動(dòng)，整體可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)來(lái)回往復(fù)的擺動(dòng)，這也是跖趾關(guān)節(jié)永久離地的一個(gè)原因。因此，設(shè)計(jì)了底座、支座、連桿、彈簧、水平滑塊、第一趾骨、垂直滑塊、銷(xiāo)軸等構(gòu)件，從運(yùn)動(dòng)形態(tài)、功能上來(lái)模仿跖趾關(guān)節(jié)。

當(dāng)鴕鳥(niǎo)一個(gè)跨步快要結(jié)束時(shí)，鴕鳥(niǎo)足趾并不是整體瞬間離地，而是趾骨從腳后跟開(kāi)始依次離地。足趾依次離地對(duì)主動(dòng)抗沉陷起到了至關(guān)重要的作用。這也是鴕鳥(niǎo)在沙地能快速觸沙、越沙，并且離沙時(shí)腳印非常淺的原因。因此，在底座與第二趾骨、第二趾骨與第三趾骨之間分別設(shè)計(jì)了舵機(jī)、法蘭盤(pán)等構(gòu)件，模仿鴕鳥(niǎo)足趾依次離地的運(yùn)動(dòng)形態(tài)，以達(dá)到主動(dòng)抗沉陷的目的。

對(duì)鴕鳥(niǎo)足趾進(jìn)行大體解剖，發(fā)現(xiàn)趾骨下面分布了三條圓柱型的趾墊。趾墊主要由脂肪構(gòu)成。在鴕鳥(niǎo)高速奔跑時(shí)，脂肪起到了緩沖、減振、保護(hù)趾骨等作用。因此，設(shè)計(jì)了半圓柱型的趾墊，分別將其安裝在底座、第二趾骨、第三趾骨下面。剛?cè)狁詈?，?duì)骨架起到保護(hù)作用。

本發(fā)明的工作原理：

在一個(gè)跨步周期中，當(dāng)足底與地面接觸后，足底設(shè)計(jì)的橡膠趾墊會(huì)壓縮，對(duì)底座、趾骨起到了保護(hù)作用。跗跖骨在身體重量的施壓下，會(huì)帶動(dòng)垂直滑塊向下移動(dòng)，壓縮垂直滑塊下端的第一垂直彈簧。第一趾骨在垂直滑塊的驅(qū)動(dòng)下擺動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)水平滑塊向外移動(dòng)，壓縮右側(cè)的第二水平彈簧，起到了緩沖、儲(chǔ)能的作用。壓縮后的第一垂直彈和第二水平彈簧要恢復(fù)原樣，會(huì)推動(dòng)水平滑塊向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，帶動(dòng)第一趾骨擺動(dòng)，從而第一趾骨驅(qū)動(dòng)垂直滑塊向上移動(dòng)，起到了釋放能量、節(jié)能的作用。當(dāng)足底的橡膠趾墊與地面之間的摩擦力驅(qū)動(dòng)整個(gè)身體向前移動(dòng)且足趾要離地時(shí)，坐在第二趾骨上的第一舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)跖趾關(guān)節(jié)的底座離地。當(dāng)?shù)鬃x地將要完成時(shí)，坐在第三趾骨上的第二舵機(jī)旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)第二趾骨的離地。第三趾骨始終與地面接觸，起到支點(diǎn)的作用。趾骨的依次離地對(duì)機(jī)械足的主動(dòng)抗沉陷起到了重要作用。

本發(fā)明的有益效果：

該仿生機(jī)械足跖趾關(guān)節(jié)具有緩沖、節(jié)能的作用，趾骨依次離地具有主動(dòng)抗沉陷的作用，趾墊具有保護(hù)骨架的作用。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且實(shí)現(xiàn)多重功能，有利于提高機(jī)器人在松軟地面的通過(guò)性。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的立體圖。

圖2為本發(fā)明局部立體圖。

圖3為本發(fā)明的側(cè)視圖。

圖4為本發(fā)明的足底底面視圖。

其中：1-底座，2-支座，3-第一垂直彈簧，31-第一水平彈簧，4-銷(xiāo)軸，5-垂直滑塊，6-第二垂直彈簧，61-第二水平彈簧，7-垂直連桿，71-水平連桿，8-跗跖骨，9-第一趾骨，10-水平滑塊，11-第一舵機(jī)，12-第二趾骨，13-第二舵機(jī)，14-第三趾骨，15-法蘭盤(pán)，16-第一趾墊，17-第二趾墊，18-第三趾墊。

具體實(shí)施方式

請(qǐng)參閱圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明包括跖趾關(guān)節(jié)、底座1、支座2、第一彈簧3、銷(xiāo)軸4、垂直滑塊5、第二彈簧6、連桿7、跗跖骨8、第一趾骨9、水平滑塊10、第一舵機(jī)11、第二趾骨12、第二舵機(jī)13、第三趾骨14、法蘭盤(pán)15、第一趾墊16、第二趾墊17和第三趾墊18；

跖趾關(guān)節(jié)由底座1、支座2、垂直連桿7、水平連桿71、第一垂直彈簧3、第二垂直彈簧6、第一水平彈簧31、第二水平彈簧61、水平滑塊10、第一趾骨9、垂直滑塊5和銷(xiāo)軸4組成，底座1的垂直面安裝有四個(gè)支座2，四個(gè)支座2分布在底座1垂直面的四個(gè)角處，左側(cè)和右側(cè)的上下兩個(gè)支座2均穿設(shè)垂直連桿7，兩個(gè)垂直連桿7上套設(shè)有第一垂直彈簧3和第二垂直彈簧6，第一垂直彈簧3位于下方，第二垂直彈簧6位于上方，垂直滑塊5套設(shè)在垂直連桿7上，垂直滑塊5位于第一垂直彈簧3與第二垂直彈簧6之間；底座1的水平面安裝有四個(gè)支座2，四個(gè)支座2分布在底座1水平面的四個(gè)角處，左側(cè)和右側(cè)的前后兩個(gè)支座2均穿設(shè)水平連桿71，兩個(gè)水平連桿71上套設(shè)有第一水平彈簧31和第二水平彈簧61，第一水平彈簧31位于內(nèi)側(cè)，第二水平彈簧61位于外側(cè)，水平滑塊10套設(shè)在水平連桿71上，水平滑塊10位于第一水平彈簧31與第二水平彈簧61之間；第一趾骨9的上端通過(guò)銷(xiāo)軸4與垂直滑塊5鉸接，第一趾骨9的下端通過(guò)銷(xiāo)軸4與水平滑塊10鉸接；跗跖骨8與垂直滑塊5固定連接在一起；

當(dāng)跗跖骨8向下移動(dòng)時(shí)，垂直滑塊5也會(huì)隨之向下移動(dòng)，壓縮垂直方向上的第一垂直彈簧3。第一趾骨9上端會(huì)向下移動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)水平滑塊10沿著水平連桿71向外側(cè)移動(dòng)，水平滑塊10外側(cè)的第二水平彈簧61被壓縮，起到了儲(chǔ)存能量的作用。壓縮的第一垂直彈簧3和第二水平彈簧61要恢復(fù)原樣，從而驅(qū)動(dòng)水平滑塊10向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，在第一趾骨9的作用下，垂直滑塊5會(huì)沿著垂直連桿7向上移動(dòng)，起到了釋放能量、節(jié)能的作用。

底座1與第二趾骨12之間安裝第一舵機(jī)11，第二趾骨12與第三趾骨14之間安裝第二舵機(jī)13，第一舵機(jī)11安裝在第二趾骨12上，第一舵機(jī)11的輸出軸通過(guò)法蘭盤(pán)15與底座1連接；第二舵機(jī)13安裝在第三趾骨14上，第二舵機(jī)13的輸出軸通過(guò)法蘭盤(pán)15與第二趾骨12連接。在一個(gè)跨步周期內(nèi)，當(dāng)機(jī)械足觸地后，足底與土壤之間的摩擦力帶動(dòng)整個(gè)身體向前移動(dòng)。推動(dòng)身體向前運(yùn)動(dòng)將要完成時(shí)，足趾實(shí)現(xiàn)依次離地。第一舵機(jī)11驅(qū)動(dòng)底座1旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)底座1離地。當(dāng)?shù)鬃?離地完成時(shí)，第二舵機(jī)13驅(qū)動(dòng)第二趾骨12旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)第二趾骨12離地。底座1和第二趾骨12依次離地起到了主動(dòng)抗沉陷的作用。第三趾骨14不離地，起到支點(diǎn)的作用。

請(qǐng)參閱圖4所示，底座1的底面安裝有第一趾墊16、第二趾骨12的底面安裝有第二趾墊17、第三趾骨14的底面安裝有第三趾墊18。安裝方式為底座1、第二趾骨12、第三趾骨14上鉆有通孔，第一趾墊16、第二趾墊17和第三趾墊18上的圓柱凸臺(tái)插入這些孔中，輔助使用適量膠水，以達(dá)到固定趾墊的目的。

所述的第一垂直彈簧3的剛度系數(shù)要大于第二垂直彈簧6，第二水平彈簧61的剛度系數(shù)要大于第一水平彈簧31。

所述的第一趾墊16、第二趾墊17和第三趾墊18材質(zhì)為橡膠。

本發(fā)明從鴕鳥(niǎo)足的運(yùn)動(dòng)形態(tài)和材料組裝等方面考慮，設(shè)計(jì)了永久離地的跖趾關(guān)節(jié)、依次離地的趾骨——底座1和第二趾骨12，同時(shí)柔性的橡膠趾墊——第一趾墊16、第二趾墊17和第三趾墊18與剛性的趾骨耦合組裝，實(shí)現(xiàn)了緩沖、節(jié)能、主動(dòng)抗沉陷等功能。