CN115071858B - 一种刚柔耦合抗沉陷仿生机械足及抗沉陷移动机构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种刚柔耦合抗沉陷仿生机械足及抗沉陷移动机构，包括固定板、若干变姿态单体和仿足蹼结构；变姿态单体安装在固定板下方，仿足蹼结构安装在变姿态单体下方；变姿态单体包括第一导轨、第一滑块、第一连杆、第二导轨、第二滑块和第二连杆；导轨安装在固定板底部；导轨底部安装有滑块，滑块能够沿导轨做线性往复运动；滑块底部安装有连杆，第一连杆和第二连杆相互交叉且中部相互连接，第一连杆和第二连杆之间还设有弹簧；第一连杆和第二连杆底部安装有仿足蹼结构，仿足蹼结构为弹性材料。本发明以绿头鸭足为生原型，通过变姿态单体和高弹性的仿足蹼结构协同运动，实现了机械足触地时面积增大、减少沉陷，提高滩涂地面移动机构的通过性。
Description
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抗沉陷仿生机械足及抗沉陷移动机构。
背景技术
我国浅海滩涂分布广、面积大，海岸带内蕴含了大量的水产、矿产、能源、港口和旅游等资源，加快浅海滩涂资源的开发利用，对于发展沿海地区经济和补偿日益减少的耕地面积尤为迫切和重要。滩涂地面农、林、牧、渔、苇、盐等行业实现机械化作业的关键是解决移动机构的通过性问题。
滩涂属于典型的松软地面，由于其抗剪能力和承载能力差，常规的轮式移动机构在滩涂地面运动时容易出现打滑、沉陷等问题，最终导致无法通过。相比于轮式移动机构，由于与地面的接触点是离散非连续的，足式移动机构在松软地面的通过性高，而被应用的越来越广泛。虽然足式移动机构在松软地面具有较高的通过性，但是对于常规的半球形、半圆柱形、长方形或饼形足端来说，由于其触地面积小，侵入压强大，也会面临沉陷问题，并引发“卸力”，致使机器的能耗升高。因此，解决足式移动机构因沉陷导致的卸力问题已显得很有必要。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的一个方式的目的之一是提出一种刚柔耦合抗沉陷仿生机械足，固定板下平行分布的一对变姿态单体提高了机械足行走时的稳定性，在保证抗沉陷功能实现的情况下，力求结构简单；本发明的一个方式的目的之一是采用连杆作为刚性结构，弹簧、仿足蹼结构作为柔性结构的刚柔耦合组装，弹簧和仿足蹼结构的变形实现了储存能量和释放能量的功能，同时也降低了机械足触地时的冲击与振动；本发明的一个方式的目的之一是通过变姿态单体中相互交叉的第一连杆和第二连杆的转动作用，实现了仿足蹼结构触地面积的增大与复原的功能，降低了机械足触地时的沉陷量。
本发明的一个方式的目的之一是提供一种包括该刚柔耦合抗沉陷仿生机械足的抗沉陷移动机构，通过刚柔耦合抗沉陷仿生机械足实现了机械足触地时面积增大、不容易出现打滑、减少沉陷，提高了滩涂地面移动机构的通过性，对促进滩涂地面农、林、牧、渔等行业经济发展具有重要意义。
注意，这些目的的记载并不妨碍其他目的的存在。本发明的一个方式并不需要实现所有上述目的。可以从说明书、附图、权利要求书的记载中抽取上述目的以外的目的。
本发明以绿头鸭足为仿生原型，绿头鸭(Anas platyrhynchos)在滩涂地面运动时却没有沉陷，且能很容易地通过，这主要得益于与地面直接接触的绿头鸭足，尤其是其趾-蹼结构协同运动姿态。协同运动姿态指当绿头鸭足触地时，趾-蹼是打开的状态，这增大了触地面积，固着了更多的沙土，降低了足的沉陷；当绿头鸭足离地时，原本打开的趾-蹼合并关闭，这降低了腾空运动的阻力。本发明模仿了绿头鸭足的趾-蹼结构和协同运动姿态，通过变姿态单体和高弹性材料的仿足蹼结构协同运动，使机械足触地时面积增大、降低沉陷的功能，提高了滩涂地面移动机构的通过性。
本发明的技术方案是：
一种刚柔耦合抗沉陷仿生机械足，包括固定板、若干变姿态单体和仿足蹼结构；
所述变姿态单体安装在固定板下方，所述仿足蹼结构安装在变姿态单体下方；
所述固定板和仿足蹼结构之间平行安装了至少两个变姿态单体，且变姿态单体的上端与固定板连接，变姿态单体的下端与仿足蹼结构的上表面连接；每个所述变姿态单体包括滑块、导轨、第一连杆、第二连杆和弹性部件，滑块包括第一滑块和第二滑块，导轨包括第一导轨和第二导轨；第一导轨和第二导轨分别安装在固定板底部的两端；第一导轨底部安装有第一滑块，第二导轨底部安装有第二滑块，滑块能够沿导轨做线性往复运动；第一滑块底部与第一连杆的顶部连接，第二滑块底部与第二连杆的顶部连接，第一连杆和第二连杆相互交叉且中部铰接；弹性部件位于第一连杆和第二连杆之间，且弹性部件的一端与第一连杆的上段连接，另一端与第二连杆的上段连接；第一连杆和第二连杆底部均与仿足蹼结构的上表面连接。
上述方案中，还包括法兰盘，所述法兰盘与固定板连接。
上述方案中，所述法兰盘与固定板螺栓连接。
上述方案中，所述弹性部件为弹簧。
上述方案中，每个所述第一导轨两端设置第一销子，限制第一滑块移动范围。
上述方案中，每个所述第二导轨两端设置第二销子，限制第二滑块移动范围。
上述方案中，仿足蹼结构与变姿态单体采用螺栓连接。
上述方案中，所述仿足蹼结构采用橡胶材料制成。
上述方案中，所述第一导轨和第二导轨通过螺栓安装在固定板底部。
一种抗沉陷移动机构，该抗沉陷移动机构包括上述方案所述的刚柔耦合抗沉陷仿生机械足。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：根据本发明的一个方式，固定板下平行分布的一对变姿态单体提高了机械足行走时的稳定性，在保证抗沉陷功能实现的情况下，力求结构简单；根据本发明的一个方式，采用连杆作为刚性结构，弹簧、仿足蹼结构作为柔性结构的刚柔耦合组装，弹簧和仿足蹼结构的变形实现了储存能量和释放能量的功能，同时也降低了机械足触地时的冲击与振动；
根据本发明的一个方式，通过变姿态单体中相互交叉的第一连杆和第二连杆的转动作用，实现了仿足蹼结构触地面积的增大与复原的功能，降低了机械足触地时的沉陷量。
本发明解决了常规的轮式移动机构在滩涂地面运动时容易出现打滑、沉陷等问题，对促进滩涂地面农、林、牧、渔等行业经济发展具有重要意义。
注意，这些效果的记载不妨碍其他效果的存在。本发明的一个方式并不一定必须具有所有上述效果。可以从说明书、附图、权利要求书等的记载显而易见地看出并抽出上述以外的效果。
附图说明
图1是本发明实施例一的结构示意图；
图2是本发明实施例一的主视图；
图3是本发明实施例一的左视图；
图4是本发明实施例一的变姿态单体的结构示意图；
图5是本发明实施例一的变姿态单体的主视图；
图6是本发明实施例一的变姿态单体的左视图；
图7是本发明实施例二的结构示意图；
图8是本发明实施例二的主视图。
图中：1、法兰盘；2、固定板；3、变姿态单体；31、第一导轨；32、第一滑块；33、第一销子；34、第一连杆；35、第二导轨；36、第二滑块；37、第二销子；38、第二连杆；39、弹簧；4、仿足蹼结构。
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”、“前”、“后”、“左”、“右”、“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。
滩涂地面实现机械化作业的关键是解决移动机构的通过性问题，足式移动机构在滩涂地面具有较高的通过性，但常规的足端常常面临因沉陷导致的“卸力”问题，解决足式移动机构的沉陷问题对于促进滩涂资源的开发和利用具有重要的经济和社会效益。本发明以绿头鸭足为仿生原型，基于工程仿生原理，采用工程仿生技术，本发明刚柔耦合抗沉陷仿生机械足的仿足蹼结构4选用高弹性的橡胶材料制成，通过刚柔耦合组装，降低了机械足触地时的冲击与振动。变姿态单体3相互交叉的连杆在自重下的转动模仿了绿头鸭足触地时足趾对足蹼的牵拉动作，实现了触地面积的增大，从而降低了机械足的沉陷。本发明为滩涂地面抗沉陷机械足、步行轮等移动机构设计提供了新的研究思路与解决方案。
实施例1
图1所示为本发明所述刚柔耦合抗沉陷仿生机械足的一种较佳实施方式，所述刚柔耦合抗沉陷仿生机械足，包括固定板2、若干变姿态单体3和仿足蹼结构4；所述固定板2和仿足蹼结构4之间平行安装了至少两个变姿态单体3，且变姿态单体3的上端与固定板2连接，变姿态单体3的下端与仿足蹼结构4的上表面连接。
每个所述变姿态单体3包括滑块、导轨、第一连杆34、第二连杆38和弹性部件，滑块包括第一滑块32和第二滑块36，导轨包括第一导轨31和第二导轨35；第一导轨31和第二导轨35分别安装在固定板2底部的两端；第一导轨31底部安装有第一滑块32，第二导轨35底部安装有第二滑块36，滑块能够沿导轨做线性往复运动；第一滑块32底部与第一连杆34的顶部连接，第二滑块36底部与第二连杆38的顶部连接，第一连杆34和第二连杆38相互交叉且中部铰接；弹性部件位于第一连杆34和第二连杆38之间，且弹性部件的一端与第一连杆34的上段连接，另一端与第二连杆38的上段连接；第一连杆34和第二连杆38底部均与仿足蹼结构4。
根据本实施例，优选的，还包括法兰盘1，所述法兰盘1与固定板2连接，法兰盘1用于将该仿生机械足与抗沉陷移动机构的腿部单元进行连接。
根据本实施例，优选的，所述法兰盘1与固定板2螺栓连接。
根据本实施例，优选的，所述弹性部件为弹簧39。
根据本实施例，优选的，每个所述第一导轨31两端设置第一销子33，对第一滑块32的线性往复运动起限位作用，限制第一滑块32移动范围，防止第一滑块32在移动过程中超出第一导轨31位置。
根据本实施例，优选的，每个所述第二导轨35两端设置第二销子37，对第二滑块36的线性往复运动起限位作用，限制第二滑块36移动范围，防止第二滑块36在移动过程中超出第二导轨35位置。
根据本实施例，优选的，所述仿足蹼结构4与变姿态单体3采用螺栓连接。
根据本实施例，优选的，所述仿足蹼结构4为高弹性橡胶材料，可以降低机械足触地时的冲击和振动。
根据本实施例，优选的，所述变姿态单体3的第一导轨31的上表面和固定板2的下表面接触对齐，并通过螺栓连接；变姿态单体3的第二导轨35的上表面和固定板2的下表面接触对齐，并通过螺栓连接。变姿态单体3的第一连杆34的下表面和仿足蹼结构4的上表面接触对齐，并通过螺栓连接；变姿态单体3的第二连杆38的下表面和仿足蹼结构4的上表面接触对齐，并通过螺栓连接。
工程仿生原理：当绿头鸭足触地时，在左、右足趾牵拉的作用下，足蹼逐渐展开，这增大了足底的触地面积，降低了沉陷量。为了模仿绿头鸭足趾的触地姿态，本发明设计了变姿态单体3，其中第一连杆34和第二连杆38模仿了绿头鸭的左、右足趾，相互交叉的第一连杆34和第二连杆38的转动模仿了绿头鸭足趾的牵拉动作，实现了机械足触地时仿足蹼结构面积增大的功能。在绿头鸭足趾之间分布了肌腱和韧带，主要起到了连接足趾、控制足趾运动、传递作用力和复原等功能。为了模仿绿头鸭足的肌腱和韧带对足趾的生物力学功能，本发明在第一连杆34和第二连杆38之间设计了弹簧39，当机械足触地时，弹簧39被拉伸进行能量储存；当机械足离地时，被拉伸的弹簧39复原进行能量释放。绿头鸭足趾中骨骼的弹性模量要远远大于足蹼等软组织的弹性模量，足趾中的骨骼相当于刚性结构，足蹼相当于柔性结构，整个绿头鸭足可看作是刚柔耦合组装。为了模仿绿头鸭足的刚柔耦合组装，该仿生机械足的变姿态单体3选用刚性材料，仿足蹼结构4选用高弹性的橡胶材料制成，降低了机械足触地时的冲击和振动。
本发明工作过程：法兰盘1是将该仿生机械足与腿部单元进行连接的零件。当该仿生机械足触地时，在自身重力的作用下，变姿态单体3中相互交叉的第一连杆34和第二连杆38转动，在第一连杆34的推动下，第一滑块32沿第一导轨31向外做线性移动；在第二连杆38的推动下，第二滑块36沿第二导轨35向外做线性移动，弹簧39被拉伸的同时，仿足蹼结构4也被逐渐的拉伸，触地面积扩大。当该仿生机械足离地时，原本被拉伸的弹簧39和仿足蹼结构4复原，带动相互交叉的第一连杆34和第二连杆38反向转动，在第一连杆34的拉动下，第一滑块32沿第一导轨31向内做线性移动；在第二连杆38的拉动下，第二滑块36沿第二导轨35向内做线性移动。从而，该仿生机械足完成一个周期的触地与离地动作。
本发明从结构上来看，固定板2下平行分布的一对变姿态单体3提高了机械足行走时的稳定性，在保证抗沉陷功能实现的情况下，力求结构简单；从组装上来看，采用连杆作为刚性结构，弹簧39、仿足蹼结构4作为柔性结构的刚柔耦合组装，弹簧39和仿足蹼结构4的变形实现了储存能量和释放能量的功能，同时也降低了机械足触地时的冲击与振动；从运动姿态上来看，通过变姿态单体3中相互交叉的第一连杆34和第二连杆38的转动作用，实现了仿足蹼结构4触地面积的增大与复原的功能，降低了机械足触地时的沉陷量。因此，该仿生机械足为滩涂地面特种机器人、军用抢滩登陆机、步行轮、足式移动平台等行走机构的设计提供了新的解决方案。
实施例2
一种抗沉陷移动机构，如图7和图8所示，包括实施例1所述的刚柔耦合抗沉陷仿生机械足，因此具有实施例1的有益效果，此处不再赘述。
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)
1.一种刚柔耦合抗沉陷仿生机械足，其特征在于，包括固定板(2)、若干变姿态单体(3)和仿足蹼结构(4)；
所述固定板(2)和仿足蹼结构(4)之间平行安装了至少两个变姿态单体(3)，且变姿态单体(3)的上端与固定板(2)连接，变姿态单体(3)的下端与仿足蹼结构(4)的上表面连接；
每个所述变姿态单体(3)包括滑块、导轨、第一连杆(34)、第二连杆(38)和弹性部件，滑块包括第一滑块(32)和第二滑块(36)，导轨包括第一导轨(31)和第二导轨(35)；第一导轨(31)和第二导轨(35)分别安装在固定板(2)底部的两端；第一导轨(31)底部安装有第一滑块(32)，第二导轨(35)底部安装有第二滑块(36)，滑块能够沿导轨做线性往复运动；第一滑块(32)底部与第一连杆(34)的顶部连接，第二滑块(36)底部与第二连杆(38)的顶部连接，第一连杆(34)和第二连杆(38)相互交叉且中部铰接；弹性部件位于第一连杆(34)和第二连杆(38)之间，且弹性部件的一端与第一连杆(34)的上段连接，另一端与第二连杆(38)的上段连接；第一连杆(34)和第二连杆(38)底部均与仿足蹼结构(4)的上表面连接；
所述弹性部件为弹簧(39)；
所述仿足蹼结构(4)采用橡胶材料制成；
当仿生机械足触地时，变姿态单体(3)中相互交叉的第一连杆(34)和第二连杆(38)转动，在第一连杆(34)的推动下，第一滑块(32)沿第一导轨(31)向外做线性移动；在第二连杆(38)的推动下，第二滑块(36)沿第二导轨(35)向外做线性移动，弹簧(39)被拉伸的同时，仿足蹼结构(4)也被逐渐的拉伸，触地面积扩大；当仿生机械足离地时，原本被拉伸的弹簧(39)和仿足蹼结构(4)复原，带动相互交叉的第一连杆(34)和第二连杆(38)反向转动，在第一连杆(34)的拉动下，第一滑块(32)沿第一导轨(31)向内做线性移动；在第二连杆(38)的拉动下，第二滑块(36)沿第二导轨(35)向内做线性移动。
2.根据权利要求1所述的刚柔耦合抗沉陷仿生机械足，其特征在于，还包括法兰盘(1)，所述法兰盘(1)与固定板(2)连接。
3.根据权利要求2所述的刚柔耦合抗沉陷仿生机械足，其特征在于，所述法兰盘(1)与固定板(2)螺栓连接。
4.根据权利要求1所述的刚柔耦合抗沉陷仿生机械足，其特征在于，每个所述第一导轨(31)两端分别设置第一销子(33)，限制第一滑块(32)移动范围。
5.根据权利要求1所述的刚柔耦合抗沉陷仿生机械足，其特征在于，每个所述第二导轨(35)两端分别设置第二销子(37)，限制第二滑块(36)移动范围。
6.根据权利要求1所述的刚柔耦合抗沉陷仿生机械足，其特征在于，所述仿足蹼结构(4)与变姿态单体(3)采用螺栓连接。
7.根据权利要求1所述的刚柔耦合抗沉陷仿生机械足，其特征在于，所述第一导轨(31)和第二导轨(35)通过螺栓安装在固定板(2)底部。
8.一种抗沉陷移动机构，其特征在于，包括权利要求1-7任意一项所述的刚柔耦合抗沉陷仿生机械足。
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