CN112429105B - 一种刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮，包括轮辐板、步行轮腿足单体和仿髋关节，轮辐板和每个步行轮腿足单体之间采用仿髋关节连接；所述轮辐板上呈圆形阵列分布了多个步行轮腿足单体，步行轮腿足单体由步行轮腿部和步行轮足部组成；选取野鸭后肢为仿生原型，模仿了野鸭腿足刚柔耦合的生物组装特性和运动时腿足不断变化的运动姿态。步行轮腿部弯曲与复原，起到了节能缓冲的作用；步行轮足部趾‑蹼主动开闭，改变了触地面积，起到了抗沉陷和防侧滑的作用。刚柔耦合的步行轮腿足单体通过主动地改变运动姿态和触地面积，提高了步行轮在滩涂、泥泞和沼泽等松软地面的通过性和牵引性。

Description

一种刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮

技术领域

本发明属于工程仿生技术领域，尤其涉及一种刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮。

背景技术

轮式移动机构在硬地面运动时具有效率高、平顺性好和能耗小等优点，然而在沙漠、泥泞和滩涂等松软地面容易出现沉陷、打滑和牵引力低等问题。相比于轮式移动机构，由于接触点是离散的，足式移动机构在松软地面具有通过性高和牵引性能好的优点。为了整合轮式移动机构和足式移动机构各自的优点，陈秉聪院士模仿水牛的运动步态，提出了步行轮的概念，解决了拖拉机下水田的问题。步行轮是一定数量的轮腿足单体按照圆形阵列的方式组合形成，轮腿足单体又可分为轮腿和轮足两部分。

传统步行轮的轮腿是刚性构件，轮腿是直的，且传统步行轮的轮足经常被简化设计成半球形、半圆柱形、长方形或饼形，从一定程度上来说，简单的轮足结构方便加工、易于控制。但是，轮足作为步行轮与地面直接接触的执行器，其结构和功能将显著影响步行轮的触地面积和沉陷量。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮。选取野鸭后肢为仿生原型，模仿了野鸭腿足刚柔耦合的生物组装特性和运动时腿足不断变化的运动姿态。步行轮腿部弯曲与复原，起到了节能缓冲的作用；步行轮足部趾-蹼主动开闭，改变了触地面积，起到了抗沉陷和防侧滑的作用。刚柔耦合的步行轮腿足单体通过主动地改变运动姿态和触地面积，提高了步行轮在滩涂、泥泞和沼泽等松软地面的通过性和牵引性。

本发明的技术方案是：一种刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮，包括轮辐板和步行轮腿足单体；所述轮辐板上呈圆形阵列分布了多个步行轮腿足单体；

所述步行轮腿足单体包括步行轮腿部和步行轮足部；所述步行轮腿部包括股骨、胫骨、仿膝关节、仿踝关节、跗跖骨、仿跖趾关节和第一支座；所述股骨的一端与轮辐板铰接，股骨与轮辐板的连接处左、右两侧各设有一个扭簧形成仿髋关节；所述股骨的另一端与胫骨的一端铰接，股骨与胫骨的连接处左、右两侧各设有一个扭簧形成仿膝关节；所述胫骨的另一端与跗跖骨的一端铰接，胫骨和跗跖骨的连接处左、右两侧各有一个扭簧形成仿踝关节；所述跗跖骨的另一端与第一支座铰接，跗跖骨与第一支座连接处的左、右两侧各有一个扭簧形成仿跖趾关节；

所述步行轮足部包括第二支座、驱动电机、左趾、左连杆、滑块、丝杠、中趾、右连杆、右趾、左蹼和右蹼；所述第二支座的左侧和右侧分别对称铰接了左趾和右趾，所述中趾与第二支座相连、且位于左趾和右趾的中间；所述驱动电机和丝杠连接，所述滑块安装于丝杠上，所述滑块的左侧通过铰接与左连杆的一端相连，左连杆的另一端通过铰接与左趾相连；滑块的右侧通过铰接与右连杆的一端相连，右连杆的另一端通过铰接与右趾相连；所述左趾与中趾之间设有左蹼，右趾与中趾之间设有右蹼；第一支座和第二支座连接。

上述方案中，所述轮辐板上呈圆形阵列分布了六个步行轮腿足单体。

上述方案中，所述仿髋关节的安装角度是137°。

上述方案中，所述仿膝关节的安装角度是110°。

上述方案中，所述仿踝关节的安装角度是90°。

上述方案中，所述仿跖趾关节的安装角度是70°。

上述方案中，所述左蹼和右蹼选用具有弹性的TPU橡胶材料。

上述方案中，所述驱动电机和丝杠通过电机支座连接，丝杠由电机支座和丝杠支座来支撑，电机支座和丝杠支座安装于中趾上。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明模仿了野鸭运动时，腿足运动姿态的变化，当步行轮腿足单体与地面接触时，步行轮腿部的弯曲程度增加，吸收了来自地面的冲击力，实现了缓冲的功能；步行轮足部的左趾和右趾主动分开，起到了辅助支撑的作用，提高了步行轮侧向运动的稳定性，同时左趾和右趾分别带动左蹼和右蹼伸开，趾-蹼系统协同配合，增大了与地面的接触面积，实现了抗沉陷的功能。当步行轮腿足单体离地时，弯曲的步行轮腿部开始复原，储存的弹性势能释放，起到了节能的作用；步行轮足部伸开的左趾和右趾开始合拢，被拉伸的左蹼和右蹼复原，降低了能量消耗。本发明所述左趾和右趾相对中趾是对称的，左蹼和右蹼相对中趾也是对称的，这提高了刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮在泥泞、滩涂、沼泽等松软地面运动的通过性、牵引性和侧向稳定性。仿髋关节、仿膝关节、仿踝关节和仿跖趾关节中的扭簧结构以及TPU橡胶材料的左蹼和右蹼降低了步行轮的能量消耗，起到了节能缓冲的作用。

附图说明

图1是本发明一实施方式的刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮立体图。

图2是本发明一实施方式的刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮主视图。

图3是本发明一实施方式的步行轮腿足单体立体图。

图4是本发明一实施方式的步行轮腿足单体主视图。

图5是本发明一实施方式的左右二趾张开状态俯视图去掉跗跖骨及以上部分。

图6是本发明一实施方式的左右二趾闭合状态俯视图去掉跗跖骨及以上部分。

图7是本发明一实施方式的三趾足底仰视图。

图中：1-轮辐板，2-步行轮腿足单体，21-步行轮腿部，210-扭簧，211-股骨，212-仿膝关节，213-胫骨，214-仿踝关节，215-跗跖骨，216-仿跖趾关节，217-第一支座，22-步行轮足部，220-第二支座，221-驱动电机，222-电机支座，223-左趾，224-左连杆，225-滑块，226-丝杠，227-丝杠支座，228-中趾，229-右连杆，2210-右趾，2211-左蹼，2212-右蹼，3-仿髋关节。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1所示为所述刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮的一种较佳实施方式，所述刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮，包括轮辐板1和步行轮腿足单体2；所述轮辐板1上呈圆形阵列分布了多个步行轮腿足单体2。

结合图2和3所示，所述步行轮腿足单体2包括步行轮腿部21和步行轮足部22；所述步行轮腿部21包括股骨211、胫骨213、仿膝关节212、仿踝关节214、跗跖骨215、仿跖趾关节216和第一支座217；所述股骨211的一端与轮辐板1铰接，股骨211与轮辐板1的连接处左、右两侧各设有一个扭簧210形成仿髋关节3；所述股骨211的另一端与胫骨213的一端铰接，股骨211与胫骨213的连接处左、右两侧各设有一个扭簧210形成仿膝关节212；所述胫骨213的另一端与跗跖骨215的一端铰接，胫骨213和跗跖骨215的连接处左、右两侧各有一个扭簧210形成仿踝关节214；所述跗跖骨215的另一端与第一支座217铰接，跗跖骨215与第一支座217连接处的左、右两侧各有一个扭簧210形成仿跖趾关节216。

结合图2-7所示，所述步行轮足部22包括第二支座220、驱动电机221、电机支座222、左趾223、左连杆224、滑块225、丝杠226、丝杠支座227、中趾228、右连杆229、右趾2210、左蹼2211和右蹼2212；所述第二支座220的左侧和右侧分别对称铰接了左趾223和右趾2210，所述中趾228位于左趾223和右趾2210的中间，采用螺栓与第二支座220相连；所述驱动电机221和丝杠226连接，丝杠226由电机支座222和丝杠支座227来支撑，所述滑块225通过螺纹连接的方式安装于丝杠226上，电机支座222和丝杠支座227采用螺栓连接安装于中趾228；所述滑块225的左侧通过铰接与左连杆224的一端相连，左连杆224的另一端通过铰接与左趾223相连；滑块225的右侧通过铰接与右连杆229的一端相连，右连杆229的另一端通过铰接与右趾2210相连；所述左趾223与中趾228之间设有免钉胶黏结的凹扇形的左蹼2211，右趾2210与中趾228之间设有免钉胶黏结的凹扇形的右蹼2212；步行轮腿部21的第一支座217和步行轮足部22的第二支座220通过螺纹连接的方式组装，从而形成一个步行轮腿足单体2。

所述轮辐板1上呈圆形阵列分布了六个步行轮腿足单体2。

所述仿髋关节3的安装角度是137°，仿膝关节212的安装角度是110°，仿踝关节214的安装角度是90°，仿跖趾关节216的安装角度是70°。安装角度模仿了野鸭静止站立时的角度，工作时这些角度是动态变化的。

所述左蹼2211和右蹼2212选用具有弹性的TPU橡胶材料。

野鸭常年生活在滩涂、泥泞、沼泽等松软地面，然而野鸭在这些非常规地面运动时并没有出现打滑、沉陷、牵引不足等问题，这与野鸭后肢腿足结构、材料、生物组装方式和不断调整的运动姿态等息息相关。本发明以野鸭腿足为仿生原型，基于工程仿生学原理，采用工程仿生技术，设计了刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮，解决了步行轮在泥泞、滩涂、沼泽等松软地面运动时冲击、沉陷、滑移等问题，降低了能量消耗，提高了步行轮的通过性和牵引性。

野鸭静止站立时，后肢的自然姿态是蜷缩的，并非笔直的，整个身体的重心低；在野鸭运动过程中，当腿足触地时，整个后肢的弯曲程度增大，降低了运动重心，削减和吸收了来自地面的冲击力，被转化为弹性势能储存在腿足关节、肌腱和韧带等储能单元；当腿足开始离地时，压弯的腿足姿态开始恢复，弯曲程度减小，储存的弹性势能释放，降低了野鸭运动过程中的能量消耗。为了解决步行轮刚性轮腿的冲击、振动和能耗等问题，本发明模仿野鸭腿足髋关节、膝关节、踝关节和跖趾关节的节能缓冲功能，设计了仿髋关节3、仿膝关节212、仿踝关节214和仿跖趾关节216；本发明模仿野鸭静止站立时蜷缩和运动时可弯曲并自适应调整的腿足姿态，将设计的仿髋关节3、股骨211、仿膝关节212、胫骨213、仿踝关节214、跗跖骨215、仿跖趾关节216和第一支座217等结构和零件装配，组装成步行轮腿部21，该步行轮刚柔耦合的组装特性和弯曲度可变的运动姿态，实现了节能缓冲的功能。

野鸭足作为与地面直接接触的执行器，在防滑、抗沉陷和提供牵引等方面发挥了重要的作用。当野鸭足与地面接触时，第Ⅱ趾、第Ⅲ趾和第Ⅳ趾在肌腱和韧带的作用下是张开的，这提高了野鸭身体的侧向稳定性。第Ⅱ趾和第Ⅳ趾在张开过程中，左蹼和右蹼也分别被带动展开，触地面积增加，趾-蹼协同作用降低了整个足的沉陷。当野鸭足离地时，展开的足趾和足蹼在肌腱和韧带的作用下恢复原始状态。为了解决步行轮轮足沉陷和滑移等问题，本发明模仿触地期野鸭足趾和足蹼变化的运动姿态，设计了第二支座220、驱动电机221、电机支座222、左趾223、左连杆224、滑块225、丝杠226、丝杠支座227、中趾228、右连杆229、右趾2210、左蹼2211和右蹼2212等零件。驱动电机221带动丝杠226转动，滑块225在丝杠226上移动，带动左连杆224和右连杆229转动，同时左趾223和右趾2210绕着第二支座220转动，左蹼2211和右蹼2212的触地面积也随之发生变化。趾-蹼系统协同配合的运动策略改变了步行轮足部的触地面积，实现了抗沉陷和防侧滑的功能，提高了步行轮运动的稳定性。

本发明所述刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮工作过程：

步行轮转动时，当步行轮腿足单体2与地面接触时，对步行轮腿部21来说，为了降低来自地面的冲击力，步行轮腿部21的弯曲程度增加，仿髋关节3、仿膝关节212、仿踝关节214和仿跖趾关节216开始储存弹性势能，减小了步行轮的振动；对步行轮足部22来说，丝杠226在驱动电机221带动下转动，滑块225向足后跟方向移动，左连杆224和右连杆229在滑块225带动下转动，同时也分别带动左趾223和右趾2210绕着第二支座220转动而张开，这提高了步行轮运动的侧向稳定性，左蹼2211和右蹼2212也随之铺开，步行轮足部22的触地面积增大，降低了沉陷。

当步行轮腿足单体2离地时，对步行轮腿部21来说，弯曲的姿态在扭簧210的作用下开始恢复，储存在仿髋关节3、仿膝关节212、仿踝关节214和仿跖趾关节216中的弹性势能释放，起到了节能的作用；对于步行轮足部22来说，驱动电机221反向转动，滑块225反向移动，在左连杆224和右连杆229的分别带动下，左趾223和右趾2210开始闭合，被拉伸的左蹼2211和右蹼2212也开始复原，降低了能量消耗。当该步行轮腿足单体2完成触地运动后，下一个步行轮腿足单体2重复该步行轮腿足单体2的运动过程。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮，其特征在于，包括轮辐板(1)和步行轮腿足单体(2)；所述轮辐板(1)上呈圆形阵列分布了多个步行轮腿足单体(2)；

所述步行轮腿足单体(2)包括步行轮腿部(21)和步行轮足部(22)；所述步行轮腿部(21)包括股骨(211)、胫骨(213)、仿膝关节(212)、仿踝关节(214)、跗跖骨(215)、仿跖趾关节(216)和第一支座(217)；所述股骨(211)的一端与轮辐板(1)铰接，股骨(211)与轮辐板(1)的连接处左、右两侧各设有一个扭簧(210)形成仿髋关节(3)；所述股骨(211)的另一端与胫骨(213)的一端铰接，股骨(211)与胫骨(213)的连接处左、右两侧各设有一个扭簧(210)形成仿膝关节(212)；所述胫骨(213)的另一端与跗跖骨(215)的一端铰接，胫骨(213)和跗跖骨(215)的连接处左、右两侧各有一个扭簧(210)形成仿踝关节(214)；所述跗跖骨(215)的另一端与第一支座(217)铰接，跗跖骨(215)与第一支座(217)连接处的左、右两侧各有一个扭簧(210)形成仿跖趾关节(216)；

所述步行轮足部(22)包括第二支座(220)、驱动电机(221)、左趾(223)、左连杆(224)、滑块(225)、丝杠(226)、中趾(228)、右连杆(229)、右趾(2210)、左蹼(2211)和右蹼(2212)；所述第二支座(220)的左侧和右侧分别对称铰接了左趾(223)和右趾(2210)，所述中趾(228)与第二支座(220)相连、且位于左趾(223)和右趾(2210)的中间；所述驱动电机(221)和丝杠(226)连接，所述滑块(225)安装于丝杠(226)上，所述滑块(225)的左侧通过铰接与左连杆(224)的一端相连，左连杆(224)的另一端通过铰接与左趾(223)相连；滑块(225)的右侧通过铰接与右连杆(229)的一端相连，右连杆(229)的另一端通过铰接与右趾(2210)相连；所述左趾(223)与中趾(228)之间设有左蹼(2211)，右趾(2210)与中趾(228)之间设有右蹼(2212)；第一支座(217)和第二支座(220)连接。

2.根据权利要求1所述的刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮，其特征在于，所述轮辐板(1)上呈圆形阵列分布了六个步行轮腿足单体(2)。

3.根据权利要求1所述的刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮，其特征在于，所述仿髋关节(3)的安装角度是137°。

4.根据权利要求1所述的刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮，其特征在于，所述仿膝关节(212)的安装角度是110°。

5.根据权利要求1所述的刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮，其特征在于，所述仿踝关节(214)的安装角度是90°。

6.根据权利要求1所述的刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮，其特征在于，所述仿跖趾关节(216)的安装角度是70°。

7.根据权利要求1所述的刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮，其特征在于，所述左蹼(2211)和右蹼(2212)选用具有弹性的TPU橡胶材料。

8.根据权利要求1所述的刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮，其特征在于，所述驱动电机(221)和丝杠(226)连接，丝杠(226)由电机支座(222)和丝杠支座(227)来支撑，电机支座(222)和丝杠支座(227)安装于中趾(228)上。

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