一种自适应沙地仿生机械足制造技术

本发明专利技术公开了一种自适应沙地仿生机械足，主要应用在沙地上行走的足式机器人，由支架、直线电机、连接件、第一足趾、第二足趾、弹性面料和缓冲机构等组成；连接件由第一连接件、第二连接件、销轴和螺柱组成，缓冲机构由支架、足底、弹簧和连接柱组成，模拟鸵鸟跗跖关节，起到缓冲减震的作用。本发明专利技术可以实现机器人在沙地行走时足部落地两趾分开，弹性面料舒张，增大了接地面积，提高了机器人稳定性；抬起时，两趾闭合且重合一定的面积，弹性面料收缩，减小运动过程中受力面积。同时，第一足趾、第二足趾底部设计有凹槽结构，与弹性面料配合，能够实现固沙、限流的功能，能提高足式机器人步态稳定性和牵引性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及足式机器人领域，具体涉及在沙地行走的机器人足部。
技术介绍
机器人研究一直是机械领域的热门方向，当前机器人的移动方式主要为轮式、履带式和足式。轮式机器人效率高、操作方便，但沙地通过性较差。履带式机器人虽然可以在沙地、泥地行驶，运行稳定，履带板厚重，能耗大，速度慢。相对于前两种机器人，足式机器人由于步态灵活，越障性强，可适应多种不同地面，尤其在沙地等松软地面有良好的通过性能，因而备受关注。传统的足式机器人大部分只注重在硬地面的行走，足部结构简单，适应性差。在沙地行走时足部会陷入沙中，导致足式机器人不能在沙地中正常行走。随着研究的深入，足式机器人必将要适应更多类型的地面，沙地地面就是其中的一种。传统的足式机器人已经不能满足在沙地上行走的需求。因此，如何使足式机器人能在沙地中稳定的行走是一个急需解决的问题。非洲鸵鸟身高约为2.4m-2.8m，体重130kg-150kg。鸵鸟足部仅有两趾，主要与地面接触的是第Ⅲ趾，其与地面接触的有效长度不足20cm。但它在重载的情况下，能在沙地上高速、平稳的奔跑。速度能达到50—60Km/h，耐力持久，能持续30分钟。这得益于其优良的足部结构。其中跖趾关节起到缓冲减震的作用；第Ⅲ趾底面有凹槽结构，且与第Ⅳ趾之间的配合起到固沙、限流作用，从而提高了鸵鸟的抓地能力，一定程度上提高了鸵鸟的抗滑能力。当鸵鸟足部触地时，第Ⅲ趾和第Ⅳ趾张开；离地时，两趾合并减少奔跑过程中的阻力。两趾与蹼的配合，增大了与沙地的接触面积，提高了鸵鸟的牵引性能和步态的稳定性。以上无论是足趾独特的形貌特征，还是各个足趾部分的相互配合，都有助于鸵鸟在沙地上主动越沙、高速平稳的奔跑。
技术实现思路
本专利技术基于工程仿生学原理，以与地面直接接触的鸵鸟足为仿生原型。通过研究鸵鸟第Ⅲ趾和第Ⅳ趾的结构特点，以及二者之间的相互配合策略，设计出一种仿生机械足，能够实现在沙地中固沙、限流、稳定行走的功能。该机械足结构简单，控制方便，易于安装，固沙限流效果好。因此，本专利技术为研究足式机器人在沙地上稳定的行走提供了新的研究思路。为了更好的解决足式机器人在沙地上正常行走的问题，本专利技术模仿鸵鸟第Ⅲ趾与第Ⅳ趾结构和功能特征，设计出一种自适应沙地仿生机械足，旨在使足式机器人在沙地中能高效、平稳的行走。本专利技术包括支架、第一销轴、第二销轴、弹簧、足底、第一螺柱、螺母、垫片、第二连接件、第二螺柱、第二足趾、直线电机、第一连接件3、第三销轴、连杆、第四销轴、第一足趾、矩形铁片、弹性面料和连接柱、第三螺柱。支架上端通过螺纹或卡装的方式与机器人腿部相连；支架为中空结构，连接柱穿套支架下端，支架能沿连接柱上下运动，连接柱与足底为螺纹连接连接，弹簧安套装在连接柱上，通过足底来调节弹簧的预紧力，当足部触底时弹簧可以起到减震、节能的作用。直线电机上端与支架通过第一销轴铰连接，直线电机下端通过第二销轴与第一连接件铰连接；第一连接件下端与两个连杆均通过第三销轴铰连接，各连杆与第二连接件均通过第四销轴铰连接。两个第二连接件分别与第一足趾和第二足趾上的第三螺柱相连接，通过螺母和垫片固定；连接件绕螺栓三能转动，以保证第一足趾和第二足趾正常运动。第一足趾和第二足趾和足底均通过第一螺柱铰连接，第一足趾和第二足趾相对足底能够左右转动，第一足趾和第二足趾共处于同一平面中。直线电机上下的往复运动能带动第一足趾和第二足趾张开或闭合。矩形铁片被弹性面料两侧包裹，在矩形铁片的两端开有圆孔，第一足趾和第二足趾在对应的位置开有螺纹孔，通过第二螺柱把两个矩形片分别固定在第一足趾和第二足趾上面，进而把弹性面料固定在第一足趾和第二足趾的表面，第一足趾和第二足趾张开或闭合，带动弹性面料的舒张或收缩。弹性面料为氨纶纤维。第一足趾和第二足趾底部具有凹槽结构。直线电机的往复运动，经第一连接件、连杆、第二连接件传动，从而带动第一足趾和第二足趾张开闭合。支架起到支撑电机的作用，支架为中空结构，连接柱穿过支架通过螺纹与足底相连，弹簧安装在连接柱上，模拟了鸵鸟的跖趾关节在运动时垂直位移变化具有的缓冲、减震功能。当足部触地时会产生冲击，安装弹簧有缓冲、减震的作用；当足部抬起时，弹簧释放能量起到节能的作用。仿生机械足第一足趾和第二足趾通过第一螺柱与足底铰连接，相对于足底可以转动。第一足趾、第二足趾底部有相同的凹槽结构起到固沙的作用。直线电机的向下运动时，第一足趾和第二足趾之间的角度增大。同时，第一足趾和第二足趾被分开且弹性面料被拉伸，增大了与地面的接触面积。直线电机向上运动时，第一足趾和第二足趾中间部分重合在一起，弹性面料恢复原状，减少了足部在运动中的受力面积。第一足趾和第二足趾一张一闭，一方面是增大了固沙面积，限制了沙粒的流动，另一方面减少了足部运动的阻力。这些有助于机器人稳定行走，提升了沙地通过性能。本专利技术的有益效果：第一足趾和第二足趾落地张开，增大与地面的接触面积，有助于足式机器人保持平衡，提高步态稳定性；抬脚收回，减小运动中的受力面积，有助于减小运动过程中的阻力。不仅有第一足趾和第二足趾底部凹槽固沙，也有第一足趾和第二足趾配合固沙、限流，固沙结构叠加，效果明显，有效限制机器人滑移，提高了机器人的牵引性和沙地面通过性。支架、连接柱、足底和弹簧构成减震机构，可以吸收足部落地时产生的冲击，当足部离地时释放能量，有缓冲、减震、节能的作用。附图说明图1是本专利技术闭合时的立体示意图。图2是本专利技术张开时的立体示意图。图3是本专利技术的连接柱与支架和足底配合的剖面图。图4是本专利技术的第一足趾的主视图。图5是本专利技术的第一足趾的左视图。图6是本专利技术的第二足趾的主视图。图7是本专利技术的第二足趾的左视图。其中：1-支架，2-第一销轴，3-第二销轴，4-弹簧，5-足底，6-第一螺柱，7-螺母，8-垫片，9-第二连接件，10-第二螺柱，11-第二足趾，12-直线电机，13-第一连接件，14-第三销轴，15-连杆，16-第四销轴，17-第一足趾，18-矩形铁片，19-弹性面料，20-连接柱。具体实施方式如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，本专利技术包括支架1、第一销轴2、第二销轴3、弹簧4、足底5、第一螺柱6、螺母7、垫片8、第二连接件9、第二螺柱10、第二足趾11、直线电机12、第一连接件13、第三销轴14、连杆15、第四销轴16、第一足趾17、矩形铁片18、弹性面料19和连接柱20、第三螺柱21。支架1上端通过螺纹或卡装的方式与机器人腿部相连；支架1为中空结构，连接柱20穿套支架1下端，支架1能沿连接柱20上下运动，连接柱20与足底5为螺纹连接连接，弹簧安4套装在连接柱20上，通过足底5来调节弹簧4的预紧力，当足部触底时弹簧4可以起到减震、节能的作用。直线电机12上端与支架1通过第一销轴2铰连接，直线电机12下端通过第二销轴3与第一连接件13铰连接；第一连接件13下端与两个连杆15均通过第三销轴14铰连接，各连杆15与第二连接件9均通过第四销轴16铰连接。两个第二连接件9分别与第一足趾17和第二足趾11上的第三螺柱21相连接，通过螺母7和垫片8固定；连接件9绕螺栓三21能转动，以保证第一足趾17和第二足趾11正常运动。第一足趾17和第二足趾11和足底5均通过第一螺柱6铰连接，第一足趾17和第二足趾11相对足底5能够本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自适应沙地仿生机械足，其特征在于：包括支架(1)、第一销轴(2)、第二销轴(3)、弹簧(4)、足底(5)、第一螺柱(6)、螺母(7)、垫片(8)、第二连接件(9)、第二螺柱(10)、第二足趾(11)、直线电机(12)、第一连接件(13)、第三销轴(14)、连杆(15)、第四销轴(16)、第一足趾(17)、矩形铁片(18)、弹性面料(19)和连接柱(20)、第三螺柱(21)；支架(1)上端通过螺纹或卡装的方式与机器人腿部相连；支架(1)为中空结构，连接柱(20)穿套支架(1)下端，支架(1)能沿连接柱(20)上下运动，连接柱(20)与足底(5)为螺纹连接连接，弹簧安4套装在连接柱(20)上，通过足底(5)来调节弹簧(4)的预紧力，当足部触底时，弹簧(4)可以起到减震、节能的作用；直线电机(12)上端与支架(1)通过第一销轴(2)铰连接，直线电机(12)下端通过第二销轴(3)与第一连接件(13)铰连接；第一连接件(13)下端与两个连杆(15)均通过第三销轴(14)铰连接，各连杆(15)与第二连接件(9)均通过第四销轴(16)铰连接；两个第二连接件(9)分别与第一足趾(17)和第二足趾(11)上的第三螺柱(21)相连接，通过螺母(7)和垫片(8)固定；连接件(9)绕螺栓三(21)能转动，以保证第一足趾(17)和第二足趾(11)正常运动；第一足趾(17)和第二足趾(11)和足底(5)均通过第一螺柱(6)铰连接，第一足趾(17)和第二足趾(11)相对足底(5)能够左右转动，第一足趾(17)和第二足趾(11)共处于同一平面中；直线电机(12)上下的往复运动能带动第一足趾(17)和第二足趾(11)张开或闭合；矩形铁片(18)被弹性面料(19)两侧包裹，在矩形铁片(18)的两端开有圆孔，第一足趾(17)和第二足趾(11)在对应的位置开有螺纹孔，通过第二螺柱(10)把两个矩形片(18)分别固定在第一足趾(17)和第二足趾(11)上面，进而把弹性面料(19)固定在第一足趾(17)和第二足趾(11)的表面，第一足趾(17)和第二足趾(11)张开或闭合，带动弹性面料(19)的舒张或收缩。...

【技术特征摘要】
1.一种自适应沙地仿生机械足，其特征在于：包括支架(1)、第一销轴(2)、第二销轴(3)、弹簧(4)、足底(5)、第一螺柱(6)、螺母(7)、垫片(8)、第二连接件(9)、第二螺柱(10)、第二足趾(11)、直线电机(12)、第一连接件(13)、第三销轴(14)、连杆(15)、第四销轴(16)、第一足趾(17)、矩形铁片(18)、弹性面料(19)和连接柱(20)、第三螺柱(21)；支架(1)上端通过螺纹或卡装的方式与机器人腿部相连；支架(1)为中空结构，连接柱(20)穿套支架(1)下端，支架(1)能沿连接柱(20)上下运动，连接柱(20)与足底(5)为螺纹连接连接，弹簧安4套装在连接柱(20)上，通过足底(5)来调节弹簧(4)的预紧力，当足部触底时，弹簧(4)可以起到减震、节能的作用；直线电机(12)上端与支架(1)通过第一销轴(2)铰连接，直线电机(12)下端通过第二销轴(3)与第一连接件(13)铰连接；第一连接件(13)下端与两个连杆(15)均通过第三销轴(14)铰连接，各连杆(15)与第二连接件(9)均通过第四销轴(16)铰连接；两个第二连接件(9)分别与第一足趾(17)和第二足趾(11)上的第三螺柱(21)相连接，通过螺母(7)和垫片(8)固定；连接件(9)绕螺栓三...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锐，万海金，韩佃雷，何远，凌雷，李国玉，李建桥，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22