[发明专利]一种自适应变姿态仿生机械足

说明书

本发明公开了一种自适应变姿态仿生机械足，能根据所处的地面环境实时的被动调整足趾的运动姿态，改变足底的触地面积。包括承重杆、导向杆、第一滑块连杆机构、第二滑块连杆机构、第一趾部机构、第二趾部机构、第三趾部机构；导向杆依次穿过承重杆、第一滑块连杆机构以及第二滑块连杆机构后，与第一趾部机构螺纹连接；一对第二趾部机构分别铰接在第一趾部机构左右两侧；一对第三趾部机构分别铰接在对应侧第二趾部机构的外侧；第一滑块连杆机构的两端分别与对应侧的第三趾部机构铰接；第二滑块连杆机构的两端分别与对应侧的第二趾部机构铰接；导向杆上套接有弹簧；趾部机构由趾骨、足垫单元及足底组成。

技术领域

本发明属于工程仿生技术领域，具体涉及一种自适应变姿态仿生机械足。

背景技术

相比于轮式和履带式移动机构，腿足式移动机构在松软地面通过时接触点是离散的、不连续的，其牵引性能、越沙性能和抗沉陷性能都显著提高。足端作为腿足式移动机构的主要执行器，其结构、形貌和功能等的设计将直接影响移动机构能否在松软地面顺利正常的通过。大多数仿人机器人的足是扁平的，近似呈长方型，譬如ASIMO和PETMAN。如果一个腿式机器人要在崎岖的地形上行走，它的足通常被设计成圆柱型或球型，这样它们就能更自由的适应地形，譬如，BigDog、LS3、LittleDog等。有些机器人的足是不规则的形状，特别是当他们是从仿生角度来设计的，比如Sandbot机器人的弧形足(C形)。然而，这些机器人的足端结构都是固定不变的，并不能根据所处的地形环境进行自适应的实时调整，以便更好的抗沉陷、提供牵引和储能减振等。

成年鸵鸟的体重60-160kg，持续奔跑速度50-60公里/小时，可持续约30分钟，冲刺速度超过70公里/小时，是陆地上跑的最快的双足鸟类。鸵鸟二趾足是高速奔跑过程中主要的执行器，在提供牵引、降低沉陷、储能和缓冲减振等方面发挥了重要的作用。第三趾是主要的承重趾，第四趾是辅助支撑趾。鸵鸟足趾的运动主要是由与趾骨相连的伸、屈肌腱来驱动的。以第三趾为例，不同趾骨的伸趾运动是由趾背与不同的趾骨相连的不同的伸肌腱来控制，同时不同趾骨的屈趾运动是由趾底与不同趾骨相连的不同的屈肌腱来控制。除了起到连接和驱动趾骨的作用外，跖趾关节的永久离地功能主要是张紧的肌腱的作用。肌腱在跖趾关节的近端和远端都呈波浪形，类似弹簧的形貌和功能，这在鸵鸟足储能减振方面起到了重要作用。

中国发明专利一种仿鸵鸟后肢机械腿(申请号：201610604950.4)足部各节趾骨之间采用了扭簧连接，当机械足离地时，各节趾骨借助扭簧的恢复力被动的回归原始状态，并不是考虑鸵鸟足部不同的伸/屈肌腱和各节趾骨的协调配合来分别实现伸趾/屈趾动作。

中国发明专利一种自适应沙地仿生机械足(申请号：201610996333.3)是侧重二趾的分开与闭合，二趾各自是一个整体，且人为的通过电机主动控制，并不是依靠机械足自身根据不同的地面环境来被动适应性的调整姿态。

中国发明专利一种仿生腱骨协同刚柔耦合越沙机械足(申请号：201810786878.0)将主要趾和辅助趾的各节趾骨分开，强调机械足的蹬地功能，通过伺服电机推杆、缓冲减振机构和柔性被动控制机构的配合来实现二趾的分离与闭合动作，没有细化考虑不同的伸/屈肌腱是驱动不同趾骨的伸趾/屈趾运动和不同触地期足趾的运动姿态的调整，并且需要伺服电机辅助，不是完全的被动。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种自适应变姿态仿生机械足，从结构和材料两个角度模仿了鸵鸟足跖趾关节的功能、不同触地期的趾骨的运动姿态、足垫软组织的弹性模量比例和组装顺序以及足底形貌等，该机械足能根据所处的地面环境实时的被动调整足趾的运动姿态，改变足底的触地面积，在抗沉陷、提高牵引、储能和缓冲减振等方面发挥优势，从而提高机器人在松软地面的通过性能、节能性能和稳定性能等。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：