一种仿鸵鸟足自适应登山越野杖的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种仿鸵鸟足自适应登山越野杖，是由杖杆、顶盖、底部支撑结构、球体构成，球体设置在杖杆的下端，底部支撑结构的上面与顶盖设置有球窝，球体位于球窝中，顶盖盖在球体上，顶盖通过多个连接螺钉与底部支撑结构连接在一起，底部支撑结构的底面中间形成有凹槽结构，底部支撑结构底面的前部设置有多个凸包，底部支撑结构底面的后部设置有椭球结构。本发明从登山杖的底部支撑结构和杖杆旋转结构入手，设计出杖杆能随使用者手臂一起绕球心转动且具有独特底部支撑结构的登山越野杖，能同时适应草地、硬路面、泥泞路面和沙土路面的徒步旅行者使用。
【专利说明】一种仿鸵鸟足自适应登山越野杖
【技术领域】
[0001]本发明属于工程仿生【技术领域】，特别涉及一种仿鸵鸟足底三维曲面及鸵鸟足跖趾关节活动机理的仿生登山越野杖。
【背景技术】
[0002]当今，越来越多人采用登山和徒步旅行作为一个大型户外活动。登山或者徒步旅行是一种较好的锻炼方法，它可以使非专业人士在合适的运动强度条件下，达到强身健体、磨练个人毅力的目的。
[0003]在户外运动中，适当地利用运动装备，经常能获得事半功倍的效果。登山杖或者越野杖是人们进行户外徒步运动的必备工具。登山杖可以为户外运动者在徒步穿越活动中带来很多好处，如提高步行的稳定性，减轻腿部的负担。研究表明，行走时使用登山杖可以减轻至少22%施予腿部和膝盖等肌肉关节的力量，让腿部感觉更舒服！同时可以提高身体的动作幅度和频率，提升步行速度，均匀锻炼全身肌肉，保护腰部和脊椎，降低30%的体能消耗。
[0004]目前市场上常见的登山杖种类繁多，杖头大多数采用杖尖结构。这种登山杖在常规硬路面或者相对较硬的路面适应性较好，杖尖可以进入泥土内，达到增大牵引辅助行走的目的。但是一旦遇到松软路面，譬如泥泞路面、沙土路面，这种杖就会插入泥土或沙土很深，牵引性能降低，并且当使用者跨步需从泥土中拔出杖体时比较费力，过多消耗运动者的体能，辅助行走的功能下降。此外，大部分登山杖的杖杆与底部结构直接固连，在使用时随着使用者重心的移动，杖体绕着杖尖随着身体一起运动，如果登山杖插入地面过深则无法绕杖尖转动而只能将杖拔出地面，从而导致使用者出现不舒适感，甚至出现更累的感觉。
[0005]非洲鸵鸟原产自非洲与阿拉伯地区，生活在辽阔的沙漠地区和大草原上，是世界上最大最重的鸟。根据鸟类属性，鸵鸟属于平胸类，即胸骨扁平不具龙骨突起而锁骨退化。鸵鸟具有翅膀，但是不能飞翔，主要用于运动平衡作用，所以其主要运动能力靠强壮发达的后肢实现。鸵鸟在沙地环境中奔跑能力十分惊人，主要体现在稳健、持久和高速方面。经过测量，鸵鸟每步跨距达4-7m，持续奔跑速度约50-60km/h，而且可以坚持半个小时以上，冲刺速度可超过70km/h，它是陆地上奔跑能力最强的两足类动物。鸵鸟优越的奔跑和越野能力与其身体结构、器官、羽毛、脖颈、翅膀以及腿等多方面密切相关，是多部位共同合作的结果。但是，鸵鸟足直接与沙地接触，在其越沙过程起关健作用。由于自然进化优化，鸵鸟足仅剩下两个足趾，分别为第III趾(内趾)和第IV趾(外趾)，第III趾粗壮较为发达，朝向正前方，趾末端具有发达而坚硬的足趾甲。第IV趾较小，长度仅为第三趾的1/2，足趾甲已经退化。鸵鸟在奔跑过程中，只有第III趾着地，第四趾只起到保持身体平衡的作用。无论是行走还是奔跑过程，鸵鸟足第III趾足底曲面始终与地面直接接触，因此鸵鸟足底III趾足底曲面是影响鸵鸟在沙漠/草原上快速稳健奔跑的重要因素之一。采用工程仿生学技术，把鸵鸟足第III趾曲面形貌特征应用到登山越野杖上，将能增强杖体与地面固着力，增强使用者身体稳定性能，从而增大使用者的牵引力，有效辅助登山或徒步爱好者向前行走。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种仿鸵鸟足自适应登山越野杖，本发明从登山杖的底部支撑结构和杖杆旋转结构入手，设计出杖杆能随使用者手臂一起绕球心转动且具有独特底部支撑结构的登山越野杖，能同时适应草地、硬路面、泥泞路面和沙土路面的徒步旅行者使用。
[0007]本发明是由杖杆、顶盖、底部支撑结构、球体构成，球体设置在杖杆的下端，底部支撑结构的上面与顶盖设置有球窝，球体位于球窝中，顶盖盖在球体上，顶盖通过多个连接螺钉与底部支撑结构连接在一起，底部支撑结构的底面中间形成有凹槽结构，底部支撑结构底面的前部设置有多个凸包，底部支撑结构底面的后部设置有椭球结构。
[0008]所述的椭球结构是由螺钉穿过顶盖、底部支撑结构固定在底部支撑结构的底面，便于椭球结构的安装和拆卸。
[0009]所述的顶盖上固定有杖杆防尘罩，杖杆防尘罩套设在杖杆的根部，当杖杆旋转时，杖杆防尘罩上口始终与杖杆紧密接触，防止泥土进入旋转机构内部。杖杆防尘罩的材质为橡胶。
[0010]球体与球窝配合，可实现绕垂直轴任意方向旋转，当杖杆旋转到与顶盖上部圆形边缘接触时，杖杆旋转的最大角度为25°。
[0011 ] 顶盖与底部支撑结构以连接螺钉连接，便于顶盖与底部支撑结构的安装和拆卸。
[0012]当仿生杖在沙土路面上使用时，底部支撑结构的凹槽结构起到固沙限流防滑移的作用。
[0013]底部支撑结构的前部凸包是在底部支撑结构上直接加工而成，凸包结构增大了底部支撑结构对地面的摩擦力，从而增大了使用者的牵引力。
[0014]本发明的椭球结构的椭球面、凹槽结构的凹槽面和缓曲面的仿生设计方法:
[0015]首先通过三维扫描仪获取鸵鸟足第III趾底曲面三维点云并构造几何模型，把鸵鸟足第III趾足底进行分区处理，即前掌缓曲面、中间凹槽面和足跟凸冠面。将鸵鸟足第III趾底曲面点云数据导入到CATIA数字化设计模块中进行点云过滤，保留可体现曲面特征的特征点，并以txt文本形式导出特征点云的三维坐标。
[0016]把前掌缓冲曲面和中间凹槽曲面的特征点云数据分别导入到Matlab软件中进行曲面拟合，得到两曲面拟合后的曲面图形，中间凹槽区曲面是一个中间低两边高的凹槽，前掌缓冲区拟合曲面中间部位趋于平缓，两边略低于中间部位，在本发明中考虑到实际应用的需求，把前掌缓曲面简化为一个平面。把足跟凸冠面特征点云数据导入到SAS软件的非线性回归模块中以椭圆模型进行曲面拟合，得到拟合后的图形，其中足跟凸冠曲面类似一个椭球面。最后根据三个曲面简化后的特征在三维软件中建模，曲面之间通过合理的过渡方式连接得到仿生杖支撑体。鸵鸟足底分布乳突结构，同时参照在草地上奔跑使用的足球鞋钉，所以在该平面上分布一定数量的钉状物(凸包)，增强该仿生杖与地面的摩擦力，增大使用者向前的牵引力。
[0017]本发明所涉及仿生登山杖改变了传统登山杖底部为杖尖的结构，基于鸵鸟足第III趾底三维曲面特征，采用工程仿生技术，在登山杖的底部设计了独特支撑结构，该支撑结构能同时适应草地、硬路面、泥泞路面和沙土等多种路面环境，改变传统登山杖适应单一路面环境的限制。同时本发明在杖杆末端设计球窝状结构，从而使杖杆可以绕底部支撑结构任意角度旋转，增强了使用者在使用时的灵活性和身体的舒适度，也使使用者在整个运动过程中，杖的底部支撑结构始终完全与地面接触，增强了登山杖在使用过程中的稳定性能，从而达到辅助人体向前运动的目的。
[0018]本发明的有益效果:
[0019]1、杖杆能随使用者手臂一起绕球体的球心转动，增强了使用者在使用时的灵活性和身体的舒适度，
[0020]2、底部支撑结构的底面具有凸包、凹槽结构和椭球结构，能同时适应草地、硬路面、泥泞路面和沙土路面的徒步旅行者使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1为本发明的立体示意图。
[0022]图2为本发明的侧视图。
[0023]图3为本发明的剖视图。
[0024]图4为本发明的杖杆最大旋转角度示意图。
[0025]图5为本发明的仰视图。
【具体实施方式】
[0026]请参阅图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明是由杖杆1、顶盖3、底部支撑结构
5、球体10构成，球体10设置在杖杆I的下端，底部支撑结构5的上面与顶盖3设置有球窝51，球体10位于球窝51中，顶盖3盖在球体10上，顶盖3通过多个连接螺钉4与底部支撑结构5连接在一起，底部支撑结构5的底面中间形成有凹槽结构8，底部支撑结构5底面的前部设置有多个凸包9，底部支撑结构5底面的后部设置有椭球结构7。
[0027]所述的椭球结构7是由螺钉6穿过顶盖3、底部支撑结构5固定在底部支撑结构5的底面，便于椭球结构7的安装和拆卸。
[0028]所述的顶盖3上固定有杖杆防尘罩2，杖杆防尘罩2套设在杖杆I的根部，当杖杆I旋转时，杖杆防尘罩2上口始终与杖杆I紧密接触，防止泥土进入旋转机构内部。杖杆防尘罩2的材质为橡胶。
[0029]球体10与球窝51配合，可实现绕垂直轴任意方向旋转，当杖杆I旋转到与顶盖3上部圆形边缘接触时，杖杆I旋转的最大角度为25。，如图4所示。
[0030]顶盖3与底部支撑结构5以连接螺钉4连接，便于顶盖3与底部支撑结构5的安装和拆卸。
[0031]当仿生杖在沙土路面上使用时，底部支撑结构5的凹槽结构8起到固沙限流防滑移的作用。
[0032]底部支撑结构5的前部凸包9是在底部支撑结构5上直接加工而成，凸包9结构增大了底部支撑结构5对地面的摩擦力，从而增大了使用者的牵引力。
【权利要求】
1.一种仿鸵鸟足自适应登山越野杖，其特征在于:是由杖杆(I)、顶盖(3)、底部支撑结构(5)、球体(10)构成，球体(10)设置在杖杆(I)的下端，底部支撑结构(5)的上面与顶盖(3)设置有球窝(51)，球体(10)位于球窝(51)中，顶盖(3)盖在球体(10)上，顶盖(3)通过多个连接螺球钉(4)与底部支撑结构(5)连接在一起，底部支撑结构(5)的底面中间形成有凹槽结构(8)，底部支撑结构(5)底面的前部设置有多个凸包(9)，底部支撑结构(5)底面的后部设置有椭球结构(7)。
2.根据权利要求1所述的一种仿鸵鸟足自适应登山越野杖，其特征在于:所述的椭球结构(7)是由螺钉6穿过顶盖(3)、底部支撑结构(5)固定在底部支撑结构(5)的底面。
3.根据权利要求1所述的一种仿鸵鸟足自适应登山越野杖，其特征在于:所述的顶盖(3)上固定有杖杆防尘罩(2)，杖杆防尘罩(2)套设在杖杆(I)的根部。
4.根据权利要求3所述的一种仿鸵鸟足自适应登山越野杖，其特征在于:所述杖杆防尘罩(2)的材质为橡胶。
5.根据权利要求1所述的一种仿鸵鸟足自适应登山越野杖，其特征在于:所述的球体(10)与球窝(51)配合，实现绕垂直轴任意方向旋转，当杖杆(I)旋转到与顶盖(3)上部圆形边缘接触时，杖杆(I)旋转的最大角度为25。。
【文档编号】A45B7/00GK104000362SQ201410264921
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年6月14日 优先权日:2014年6月14日
【发明者】张锐, 杨明明, 潘润铎, 罗刚, 薛书亮, 周桂芬, 李建桥 申请人:吉林大学