CN108773428A - 一种仿生抓地防滑足 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生抓地防滑足，包括支架、轴、第二拉簧、第一齿轮、第一齿轮架、第一支撑件、第一拉簧、第一仿生蹄、第一拉簧连杆、第三拉簧、第二拉簧连杆、第三拉簧连杆、轴承、第二齿轮、第二齿轮架、第二支撑件、第二仿生蹄组成；绕第一支撑件和第二支撑件小角度微调转动张开的第一仿生蹄和第一仿生蹄可以自适应不平整路况，与地面产生摩擦起到防滑作用；第一仿生蹄和第二仿生蹄底部呈镜像对称分布的仿生凹陷结构能够加强两蹄趾与路面间锁合作用；第一仿生蹄趾和第二仿生蹄趾的张开运动，有效保证了其与路面作用的抓地接触可靠性，起到防滑作用。
Description
技术领域
本发明属于机械仿生工程技术领域，特别涉及一种应用于四足机器人的仿生抓地防滑足。
背景技术
随着机器人技术的快速发展，仿生步行机器人在各个行业的众多领域被广泛应用，如军事侦察、物资运送、野外科考、抢险救灾等，代替人从事危险工作，极大地增大了人的工作安全性并降低了工作强度。在众多类型的足式机器人中，四足步行机器人不仅具有承载能力强、稳定性好、结构简单等显著特点，其还能够以静态步行方式实现结构路面及复杂地形上的行走，并可以动态步行方式实现高速运动，因而受到世界范围内研究者的广泛关注。
目前，多数四足机器人在水平路面具有稳定的静态/动态运动特性，个别能够攀爬具有较小坡度(≦30°)的路面。当斜坡角度超过30°时，四足机器人极易发生打滑现象，由此造成支撑腿与地面反作用力突然降低，使得机器人机身失控，导致失稳问题。世界范围内，研究人员针对这一问题，多从姿态控制算法、复杂牵引控制系统方面进行探索，取得了一定进展，但综合分析发现，面对大坡度路面时，目前仍未有较好的解决方案。
足部作为四足机器人机体在运动过程中唯一并首先与路面发生接触作用的部位，其结构决定了足与地面的力学作用界面特征，目前尚未受到足够重视，尤其是用于大角度攀爬的四足机器人的足部。调研发现，当前的四足机器人的足部多为圆弧面或球形的整体刚性设计，在足-斜坡路面接触作用中无法调整足部与地的接触状态和接触形式，因此难以保证有效的抓地防滑效果，进而限制了四足机器人在大角度斜坡路面下的运动稳定性。
研究表明，岩羊是动物中攀岩平衡能力最优的山地动物，它可以在悬崖峭壁(倾斜角度最高可达75°以上)间辗转腾挪，爬坡、下坡，甚至爬上树枝、在笔直的岩石上攀爬，运动灵活且稳定性佳，这与其步态和特殊的蹄趾结构有着密切联系。
经过观察分析，发现，岩羊的两个蹄趾可灵活分开和并拢，蹄趾间存在一条趾间韧带，并且其两个蹄趾底部分别有不规则凹陷结构，且近似呈对称分布。研究表明，当岩羊在不平整斜坡路面运动时，由于其两蹄趾间具有较大的运动裕度，蹄趾与路面发生接触作用后，易于受力张开，可卡住或夹住路面不平之处，最为重要的是，由于蹄趾的张开运动，使得蹄趾与路面间产生了垂直于行进方向的作用力，有效保证了其与路面作用的抓地接触可靠性；同时，蹄趾底部的凹陷结构能够进一步加强蹄趾与路面间扣合、锁合作用，辅助蹄趾的抓地功能，防止滑移，由此综合展现了极优的抓地防滑功能。而两蹄趾间的趾尖韧带，在岩羊蹄趾抓地运动中，不仅起到了约束蹄趾关节运动稳定性，还能够在蹄趾离地后，辅助蹄趾迅速归位，保证下一阶的运动接触作用。
综观上述四足机器人大角度斜坡攀爬易打滑失稳的研究现状，急需一种能够有效抓地防滑的仿生足。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有四足机器人足部采用圆弧面或球形整体式设计而导致的抓地防滑性能差的问题，而提供一种能克服上述缺点的仿生抓地防滑足。
本发明是基于具有优异防滑攀岩能力的岩羊的蹄趾部拓扑结构及趾间连接特征而得到的启示。
一种仿生抓地防滑足包括：支架、轴、第二拉簧、第一仿生蹄趾、第二仿生蹄趾；
第一仿生蹄趾由第一齿轮、第一齿轮架、第一支撑件、第一拉簧、第一仿生蹄、第一拉簧连杆、第三拉簧、第二拉簧连杆、第三拉簧连杆和轴承组成；
支架、第一齿轮和第一齿轮架通过轴连接成整体，第一齿轮架和第一支撑件通过轴承铰接形成活动关节，两个第一拉簧连杆分别穿过第一齿轮架与第一支撑件上端的预留孔，上下两个第一拉簧连杆用两个呈前后镜像分布的第三拉簧连接，采用上下方式连接使第一齿轮架与第一支撑件形成的关节具有良好的稳定性；四个第三拉簧连杆固定在第一支撑件的四周，四个第二拉簧连杆固定在第一仿生蹄上，八个第一拉簧的两端分别与第二拉簧连杆和第三拉簧连杆连接使第一支撑件和第一仿生蹄形成的铰接结构具有良好的稳定性；
第二仿生蹄趾由第二齿轮、第二齿轮架、第二支撑件、第一拉簧、第二仿生蹄、第一拉簧连杆、第三拉簧、第二拉簧连杆、第三拉簧连杆、轴承组成；
支架、第二齿轮和第二齿轮架通过轴连接成整体，第二齿轮架和第二支撑件通过轴承铰接形成活动关节，两个第一拉簧连杆分别穿过第二齿轮架与第二支撑件上端的预留孔，上下两个第一拉簧连杆用两个呈前后镜像分布的第三拉簧连接，采用上下方式连接使第二齿轮架和第二支撑件形成的关节具有良好的稳定性；四个第三拉簧连杆固定在第二支撑件的四周，四个第二拉簧连杆固定在第二仿生蹄上，八个第一拉簧的两端分别与第二拉簧连杆和第三拉簧连杆连接使第二支撑件和第二仿生蹄形成的铰接结构具有良好的稳定性；模仿岩羊趾间韧带功能的第二拉簧两端分别固定在上端两个第一拉簧连杆中部，同时保证第一齿轮与第二齿轮啮合，第一仿生蹄趾和第二仿生蹄趾可同步稳定张开和回弹归位。
本发明的工作原理和使用过程：
当仿生防滑足在不平整斜坡路面运动时，第一仿生蹄绕第一支撑件转动张开、第二仿生蹄绕第二支撑件转动张开，第一仿生蹄和第二仿生蹄通过小角度微调转动张开，起到辅助作用，自适应路况并且与地面产生摩擦，第一仿生蹄趾的第一支撑件和第一仿生蹄使用轴承铰接并通过十六个带有预紧力的第一拉簧保持稳固状态，第二仿生蹄趾的第二支撑件和第二仿生蹄使用轴承铰接并通过十六个带有预紧力的第一拉簧保持稳固状态；在仿生防滑足触地的同时，第二拉簧和四个第三拉簧伸缩，使第一仿生蹄趾和第二仿生蹄趾具有较大的运动裕度，第一仿生蹄趾、第二仿生蹄趾与路面发生接触作用后，易于受力张开，可卡住或夹住路面不平之处，第三拉簧和第一拉簧连杆的连接保证了关节的运动稳定性，同时，由于第一仿生蹄趾和第二仿生蹄趾的张开运动，使得两个仿生蹄趾与路面间均产生垂直于行进方向的切向力，进而保证了其与路面作用的抓地接触可靠性；同时，第一仿生蹄和第二仿生蹄底部呈镜像对称的仿生凹陷结构能够进一步加强两蹄趾与路面间锁合作用，辅助仿生蹄趾抓地，防止滑移，因此具备了有效的抓地防滑功能；而由第二拉簧形成的两蹄趾间的趾间韧带，在岩羊蹄趾抓地运动中，不仅起到了约束由第一仿生蹄趾和第二仿生蹄趾构成的蹄趾关节的运动角度及运动稳定性，还能够在蹄趾离地后，辅助蹄趾迅速回弹归位。第一齿轮和第二齿轮啮合运动保证了第一仿生蹄趾和第二仿生蹄趾形成的两蹄趾的运动同步性，使蹄趾具有良好的稳固抓地效果，增强了足部的防滑能力。
本发明的有益效果：
1、第一仿生蹄和第二仿生蹄底部呈镜像对称的仿生凹陷结构能够加强两蹄趾与路面间的锁合作用，辅助仿生蹄趾抓地，防止滑移，从而具备有效的抓地防滑功能。
2、第二拉簧形成的两蹄趾间的趾间韧带，不仅起到了约束由第一仿生蹄趾和第二仿生蹄趾构成的蹄趾关节的运动角度及运动稳定性，还能够在蹄趾离地后，辅助蹄趾迅速归位，保证下一阶的运动接触作用。
3、第一齿轮和第二齿轮啮合运动保证了第一仿生蹄趾和第二仿生蹄趾的运动同步性，使蹄趾具有良好的稳固抓地效果，增强了足部的防滑能力。
4、通过第一拉簧稳固的绕支撑件小角度微调转动张开的第一仿生蹄和第二仿生蹄可以自适应不平整路况，与地面产生摩擦，起到防滑作用。
附图说明
图1为本发明的立体示意图。
图2为本发明的主视图。
图3为本发明的左视图。
图4为本发明第一仿生蹄的主视图。
图5为第一仿生蹄的的左视图。
图6为第一支撑件底部轴承示意图。
具体实施方式
请参阅图1至图6所示，一种仿生抓地防滑足包括：支架1、轴2、第二拉簧9、第一仿生蹄趾3、第二仿生蹄趾4；
第一仿生蹄趾3由第一齿轮30、第一齿轮架31、第一支撑件32、第一拉簧10、第一仿生蹄33、第一拉簧连杆5、第三拉簧6、第二拉簧连杆7、第三拉簧连杆11、轴承8组成；
支架1、第一齿轮30和第一齿轮架31通过轴2连接成整体，第一齿轮架31和第一支撑件32通过轴承8铰接形成活动关节，两个第一拉簧连杆5分别穿过第一齿轮架31与第一支撑件32上端的预留孔，上下两个第一拉簧连杆5用两个呈前后镜像分布的第三拉簧6连接，采用上下方式连接使第一齿轮架31与第一支撑件32形成的关节具有良好的稳定性；四个第三拉簧连杆11固定在第一支撑件32的四周，四个第二拉簧连杆7固定在第一仿生蹄33上，八个第一拉簧10的两端分别与第二拉簧连杆7和第三拉簧连杆11连接使第一支撑件32和第一仿生蹄33形成的铰接结构具有良好的稳定性；
第二仿生蹄趾4由第二齿轮40、第二齿轮架41、第二支撑件42、第一拉簧10、第二仿生蹄43、第一拉簧连杆5、第三拉簧6、第二拉簧连杆7、第三拉簧连杆11、轴承8组成；
支架1、第二齿轮40和第二齿轮架41通过轴2连接成整体，第二齿轮架41和第二支撑件42通过轴承8铰接形成活动关节，两个第一拉簧连杆5分别穿过第二齿轮架41与第二支撑件42上端的预留孔，上下两个第一拉簧连杆5用两个呈前后镜像分布的第三拉簧6连接，采用上下方式连接使第二齿轮架41和第二支撑件42形成的关节具有良好的稳定性；四个第三拉簧连杆11固定在第二支撑件42的四周，四个第二拉簧连杆7固定在第二仿生蹄43上，八个第一拉簧10的两端分别与第二拉簧连杆7和第三拉簧连杆11连接使第二支撑件42和第二仿生蹄43形成的铰接结构具有良好的稳定性；模仿岩羊趾间韧带功能的第二拉簧9两端分别固定在上端两个第一拉簧连杆5中部，同时保证第一齿轮30与第二齿轮40啮合，第一仿生蹄趾3和第二仿生蹄趾4可同步稳定张开和回弹归位。
本实施例的工作原理及使用过程：
当仿生防滑足在不平整斜坡路面运动时，第一仿生蹄33绕第一支撑件32转动张开、第二仿生蹄43绕第二支撑件42转动张开，第一仿生蹄33和第二仿生蹄43通过小角度微调转动张开，起到辅助作用，自适应路况并且与地面产生摩擦，第一仿生蹄趾3的第一支撑件32和第一仿生蹄33使用轴承8铰接并通过十六个带有预紧力的第一拉簧10保持稳固状态，第二仿生蹄趾4的第二支撑件42和第二仿生蹄4使用轴承8铰接并通过十六个带有预紧力的第一拉簧10保持稳固状态；在仿生防滑足触地的同时，第二拉簧9和四个第三拉簧6伸缩，使第一仿生蹄趾3和第二仿生蹄趾4具有较大的运动裕度，第一仿生蹄趾3、第二仿生蹄趾4与路面发生接触作用后，易于受力张开，可卡住或夹住路面不平之处，第三拉簧6和第一拉簧连杆5的连接保证了关节的运动稳定性，同时，由于第一仿生蹄趾3和第二仿生蹄趾4的张开运动，使得两个仿生蹄趾与路面间均产生垂直于行进方向的切向力，进而保证了其与路面作用的抓地接触可靠性；同时，第一仿生蹄33和第二仿生蹄43底部呈镜像对称的仿生凹陷结构能够进一步加强两蹄趾与路面间锁合作用，辅助仿生蹄趾抓地，防止滑移，因此具备了有效的抓地防滑功能；而由第二拉簧9形成的两蹄趾间的趾间韧带，在岩羊蹄趾抓地运动中，不仅起到了约束由第一仿生蹄趾3和第二仿生蹄趾4构成的蹄趾关节的运动角度及运动稳定性，还能够在蹄趾离地后，辅助蹄趾迅速回弹归位。第一齿轮30和第二齿轮40啮合运动保证了第一仿生蹄趾3和第二仿生蹄趾4形成的两蹄趾的运动同步性，使蹄趾具有良好的稳固抓地效果，增强了足部的防滑能力。
Claims (1)
1.一种仿生抓地防滑足，其特征在于：包括支架(1)、轴(2)、第二拉簧(9)、第一仿生蹄趾(3)、第二仿生蹄趾(4)；
第一仿生蹄趾(3)由第一齿轮(30)、第一齿轮架(31)、第一支撑件(32)、第一拉簧(10)、第一仿生蹄(33)、第一拉簧连杆(5)、第三拉簧(6)、第二拉簧连杆(7)、第三拉簧连杆(11)、轴承(8)组成；
支架(1)、第一齿轮(30)和第一齿轮架(31)通过轴(2)连接成整体，第一齿轮架(31)和第一支撑件(32)通过轴承(8)铰接在一起，两个第一拉簧连杆(5)分别穿过第一齿轮架(31)与第一支撑件(32)上端的预留孔，上下两个第一拉簧连杆(5)通过两个第三拉簧(6)连接；多个第三拉簧连杆(11)固定在第一支撑件(32)的四周，第二拉簧连杆(7)固定在第一仿生蹄(33)上，第一拉簧(10)的两端分别与第二拉簧连杆(7)和第三拉簧连杆(11)连接；
第二仿生蹄趾(4)由第二齿轮(40)、第二齿轮架(41)、第二支撑件(42)、第一拉簧(10)、第二仿生蹄(43)、第一拉簧连杆(5)、第三拉簧(6)、第二拉簧连杆(7)、第三拉簧连杆(11)、轴承(8)组成；
支架(1)、第二齿轮(40)和第二齿轮架(41)通过轴(2)连接成整体，第二齿轮架(41)和第二支撑件(42)通过轴承(8)铰接在一起，两个第一拉簧连杆(5)分别穿过第二齿轮架(41)与第二支撑件(42)上端的预留孔，上下两个第一拉簧连杆(5)用第三拉簧(6)连接；多个第三拉簧连杆(11)固定在第二支撑件(42)的四周，第二拉簧连杆(7)固定在第二仿生蹄(43)上，第一拉簧(10)的两端分别与第二拉簧连杆(7)和第三拉簧连杆(11)连接；第二拉簧(9)两端分别固定在上端两个第一拉簧连杆(5)中部，同时第一齿轮(30)与第二齿轮(40)啮合。
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