一种仿生沙漠鞋底结构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种仿鸵鸟足底结构的仿生沙漠鞋底结构，其是由鞋底中间的仿生凹面结构、鞋底前端的仿生防滑结构、鞋底两侧的固沙限流结构、鞋底后跟的仿生冠状鞋跟和过渡结构构成，过渡结构的后端与仿生冠状鞋跟相邻，过渡结构的前端与固沙限流结构和仿生凹面结构相邻；仿生凹面结构和固沙限流结构共同构成一个空腔结构，空腔结构可降低沙地行走沉陷，增强前行沙面摩擦及推力，提高沙地行走效率；仿生防滑结构和仿生冠状鞋跟可减少沙地滑移，改善沙地行走稳定性。
【专利说明】一种仿生沙漠鞋底结构
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种制鞋技术，特别涉及一种仿鸵鸟足底结构的仿生沙漠鞋底结构。
【背景技术】
[0002]沙漠科学考察、综合治理以及资源开采要求科研工作者和工程人员深入沙漠腹地，对工作人员的体力和安全带来了极大的挑战。普通旅游鞋或越野鞋在沙地中抗沉陷和抗滑移能力低，穿普通旅游鞋在沙地中行走会增加工作人员体力消耗，同时也会增加受伤风险。另外，通过研究发现，月球和火星表面覆盖的月壤及火星壤与沙漠中的松散沙土的物理力学特性极其相似，因此，宇航员在这类外星球表面活动时也面临着鞋底沉陷和滑移问题。因此，设计一种低沉陷、抗滑移的沙漠鞋对沙漠环境开发以及深空探测均具有重要价值和潜在应用前景。
[0003]鸵鸟是生活在沙漠地带的平胸类鸟，它不会飞翔，但在沙漠环境中具有超强的奔跑能力，每步跨越距离可达3.5?7米，持续奔跑速度约50?60km/h，可维持约30分钟而不感觉累，冲刺速度超过70km/h，是沙漠中跑得最快的双足动物。通过鸵鸟的力学和运动学研究发现，鸵鸟优越的越沙性能主要归因于其独特的足底形貌结构以及足底与沙土的作用方式。鸵鸟足仅两趾(第III趾和第IV趾)，第III趾发达，趾底具有典型曲面形貌，趾前端有尖锐趾甲；第1￥趾较小，前端趾甲很小甚至退化消失。鸵鸟在沙漠环境运动时，尤其在奔跑过程中，鸵鸟足第III趾底曲面起到固沙及牵引的主要作用，并且第III趾前端趾甲插入沙土中起到固定防滑作用，而第IV趾仅在行走时起到保持平衡作用。因此，本实用新型基于鸵鸟足第III趾底曲面形貌和足趾甲结构，并结合鸵鸟足底与沙土的作用方式，采用工程仿生学技术，设计出一种具有低沉陷和抗滑移性能，从而可在沙漠环境下具有高效和平稳行走的仿生沙漠鞋底结构。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的是提供一种仿生沙漠鞋底结构，本实用新型具有良好的低沉陷和抗滑移能力，从而可在沙漠环境下具有高效和平稳行走功能。
[0005]通过对鸵鸟足部结构和行走姿态的研究，获得鸵鸟足的解剖结构以及鸵鸟足与沙地的作用方式:
[0006]鸵鸟足呈二趾结构，即仅存第III和第IV趾。第III趾特别发达，趾底具有典型的中间凹槽面和足跟凸冠面。当鸵鸟足在沙地奔跑时，鸵鸟足第III趾底中间凹槽面限制了沙土向后方流动，而沙土流动引起的沙土沉陷约占沙土沉陷量的76%，因此起着重要的固沙抗沉陷功能；同时，鸵鸟足第III趾底足跟凸冠面也在鸵鸟运动中起到防滑移的作用。
[0007]当鸵鸟在沙漠环境奔跑时，鸵鸟足第III趾底水平入沙，随后足趾甲插入沙土中，鸵鸟足第III趾旋转以倾斜方式蹬沙。研究结果表明，水平入沙可增大足底触沙面积并有利于减少对沙的扰动，从而降低沉陷量；同时，倾斜蹬沙有利于提高承载能力，在相同沉陷量情况下，与水平蹬沙方式相比，倾斜30°蹬沙使承载能力提高40%以上。
[0008]使用本实用新型在沙漠中行走时能有效提高抗沉陷和抗滑移能力，进而有效改善在沙漠中的行走效率和稳定性。
[0009]本实用新型是由鞋底中间的仿生凹面结构、鞋底前端的仿生防滑结构、鞋底两侧的固沙限流结构、鞋底后跟的仿生冠状鞋跟和过渡结构构成，过渡结构的后端与仿生冠状鞋跟相邻，过渡结构的前端与固沙限流结构和仿生凹面结构相邻；
[0010]所述的仿生凹面结构是由仿生曲面和倾斜平面两部分组成，仿生曲面通过提取鸵鸟足第III趾底中间凹槽面的中央脊线优化设计而成；仿生曲面的剖面是一段弧线，半径为R1，弧弦长为L1，与底面的最大角度为Q1，倾斜平面与仿生曲面相切，且与鞋底面的夹角为θ 2。
[0011]鞋底两侧的固沙限流结构是由梯形刺排列构成；梯形刺为直角梯形，其底部的长度为L2，两腰夹角为Θ 3，仿生凹面结构和固沙限流结构共同构成一个空腔结构。
[0012]所述的仿生防滑结构是由两个仿足趾甲凹槽和矩形通槽组成，其中仿足趾甲凹槽基于鸵鸟足趾甲防滑固着作用，通过提取鸵鸟足趾甲中截面轮廓经过优化设计而成。仿足趾甲凹槽的俯视图为两段距离为L4的曲线，该曲线由两段直线和一段与其相切的弧线构成，直线长度为L3并与矩形通槽边的夹角为Θ 4，弧线半径为R2，弦长为L5，矩形通槽的宽度为L6。
[0013]所述的仿生冠状鞋跟是由三个冠状单体构成，冠状单体由鸵鸟足第III趾底足跟凸冠面结构仿生优化设计而成，冠状单体的截面为一段弧线，弦长L7,半径为R3。
[0014]其中:
[0015]Θ j = 34。，R1 = 60mm，L1 = 37.73mm，θ 2 = 3。；
[0016]θ 3 = 51。，L2 = 20mm ;
[0017]θ 4 = 120° , R2 = 5mm, L3 = 10.57mm, L4 = 6mm, L5 = 8.66mm, L6 = 1mm ;
[0018]Θ 5 = 36。，R3 = 25mm, L7 = 28.32mm。
[0019]本实用新型的工作原理和有益效果:
[0020]本实用新型基于鸵鸟足第III趾底中间凹槽面，设计的鞋底中间仿生凹面结构改善了固沙限流作用，增强了前行沙面摩擦及推力。当该仿生凹面结构受到垂直载荷时，仿生凹面的承压面积较大，沙土受力后沿曲面向内部流动，从而减少沉陷，提高承载能力；该仿生凹面结构在蹬沙过程中，仿生曲面与沙地呈Q1 = 34°倾角，在相同载荷条件下，沉陷量明显减少；当该仿生凹面结构出沙时，多余沙土顺着曲面下滑且不会残留在鞋底表面，也不会产生“挑沙”现象。
[0021]鞋底两侧固沙限流结构的梯形刺通过压实和剪切沙土增强前行沙面摩擦，从而减少鞋底向后滑移，挡板部分可阻止沙土沿前行的垂直方向运动。仿生凹面结构和固沙限流结构共同构成一个空腔结构。当鞋底触沙时，空腔结构与沙面的接触面积较小，对沙土扰动弱；当鞋底蹬沙时，空腔结构与沙土接触面积增大并发挥固沙限流作用，从而改善了鞋底抗沉陷和前行推力作用。
[0022]基于鸵鸟趾甲防滑固着作用，通过提取鸵鸟趾甲中截面轮廓经过优化设计的仿生防滑结构具有抗沙滑移能力。当鞋底向下入沙运动时，沙土沿矩形通槽运动，可减缓鞋尖部位对沙土的压实作用，有利于仿生防滑结构插入沙土中，并使沙土填充仿足趾甲凹槽的部分空间；当鞋底后蹬时，仿生防滑结构的仿足趾甲凹槽和矩形通槽共同与沙土产生剪切作用，减少鞋底与沙土之间的前进滑移。
[0023]仿鸵鸟足第III趾底足跟凸冠面的仿生冠状鞋跟可增大与沙面的接触面积，限制沙土沿前进方向移动，降低鞋底前行滑移，减少沉陷并提高前行推力。当鞋底水平入沙时，冠状单体的弧线与沙面的最大夹角为05 = 36°，有效提高了承载能力，从而减少沉陷；当鞋底蹬沙时，鞋跟限制沙土沿前进方向流动，从而减少降低了鞋底前进滑移，增强了前进推力。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本实用新型的立体示意图。
[0025]图2是本实用新型的主视图。
[0026]图3是图2中的B— B剖视图。
[0027]图4是图2中的A— A剖视图。
【具体实施方式】
[0028]请参阅图1和图2所示，本实用新型是由鞋底中间的仿生凹面结构1、鞋底前端的仿生防滑结构2、鞋底两侧的固沙限流结构3、鞋底后跟的仿生冠状鞋跟5和过渡结构4构成，过渡结构4的后端与仿生冠状鞋跟5相邻，过渡结构4的前端与固沙限流结构3和仿生凹面结构I相邻；
[0029]如图1、图2和图3所示，所述的仿生凹面结构I是由仿生曲面6和倾斜平面7两部分组成，仿生曲面6通过提取鸵鸟足第III趾底中间凹槽面的中央脊线优化设计而成；仿生曲面6的剖面是一段弧线，半径为R1，弧弦长为L1，与底面的最大角度为Θ i，倾斜平面7与仿生曲面6相切，且与鞋底面的夹角为θ2。
[0030]如图1和图3所示，鞋底两侧的固沙限流结构3是由梯形刺8排列构成；梯形刺8为直角梯形，其底部的长度为L2，两腰夹角为θ3，仿生凹面结构I和固沙限流结构3共同构成一个空腔结构。
[0031]如图1所示，仿生防滑结构2是由两个仿足趾甲凹槽9和矩形通槽10组成，其中仿足趾甲凹槽9基于鸵鸟足趾甲防滑固着作用，通过提取鸵鸟足趾甲中截面轮廓经过优化设计而成。仿足趾甲凹槽9的俯视图为两段距离为L4的曲线，该曲线由两段直线和一段与其相切的弧线构成，直线长度为L3并与矩形通槽9边的夹角为Θ 4，弧线半径为R2,弦长为L5,矩形通槽10的宽度为L6。
[0032]如图4所示，仿生冠状鞋跟5是由三个冠状单体11构成，冠状单体11由鸵鸟足第III趾底足跟凸冠面结构仿生优化设计而成，冠状单体10的截面为一段弧线，弦长L7,半径为R3。
[0033]其中:
[0034]θ χ = 34。，R1 = 60mm，L1 = 37.73mm，θ 2 = 3 ；
[0035]θ 3 = 51。，L2 = 20mm ;
[0036]θ 4 = 120°，R2 = 5mm，L3 = 10.57mm，L4 = 6mm，L5 = 8.66mm，L6 = 1mm ;
[0037]θ 5 = 36。，R3 = 25mm，L7 = 28.32mm。
[0038]本实施例的工作原理和有益效果:
[0039]本实用新型基于鸵鸟足第III趾底中间凹槽面，设计的鞋底中间仿生凹面结构I改善了固沙限流作用，增强了前行沙面摩擦及推力。当该仿生凹面结构I受到垂直载荷时，仿生凹面的承压面积较大，沙土受力后沿曲面向内部流动，从而减少沉陷，提高承载能力；该仿生凹面结构I在蹬沙过程中，仿生曲面与沙地呈Q1 = 34°倾角，在相同载荷条件下，沉陷量明显减少；当该仿生凹面结构I出沙时，多余沙土顺着曲面下滑且不会残留在鞋底表面，也不会产生“挑沙”现象。
[0040]鞋底两侧固沙限流结构3的梯形刺8通过压实和剪切沙土增强前行沙面摩擦，从而减少鞋底向后滑移，挡板部分可阻止沙土沿前行的垂直方向运动。仿生凹面结构I和固沙限流结构3共同构成一个空腔结构。当鞋底触沙时，空腔结构与沙面的接触面积较小，对沙土扰动弱；当鞋底蹬沙时，空腔结构与沙土接触面积增大并发挥固沙限流作用，从而改善了鞋底抗沉陷和前行推力作用。
[0041 ] 基于鸵鸟趾甲防滑固着作用，通过提取鸵鸟趾甲中截面轮廓经过优化设计的仿生防滑结构2具有抗沙滑移能力。当鞋底向下入沙运动时，沙土沿矩形通槽10运动，可减缓鞋尖部位对沙土的压实作用，有利于仿生防滑结构2插入沙土中，并使沙土填充仿足趾甲凹槽9的部分空间；当鞋底后蹬时，仿生防滑结构2的仿足趾甲凹槽9和矩形通槽10共同与沙土产生剪切作用，减少鞋底与沙土之间的前进滑移。
[0042]仿鸵鸟足第III趾底足跟凸冠面的仿生冠状鞋跟5可增大与沙面的接触面积，限制沙土沿前进方向移动，降低鞋底前行滑移，减少沉陷并提高前行推力。当鞋底水平入沙时，冠状单体11的弧线与沙面的最大夹角为θ5 = 36°，有效提高了承载能力，从而减少沉陷；当鞋底蹬沙时，鞋跟限制沙土沿前进方向流动，从而减少降低了鞋底前进滑移，增强了前进推力。
【权利要求】
1.一种仿生沙漠鞋底结构，其特征在于:是由鞋底中间的仿生凹面结构(I)、鞋底前端的仿生防滑结构(2)、鞋底两侧的固沙限流结构(3)、鞋底后跟的仿生冠状鞋跟(5)和过渡结构⑷构成，过渡结构⑷的后端与仿生冠状鞋跟(5)相邻，过渡结构⑷的前端与固沙限流结构⑶和仿生凹面结构(I)相邻； 所述的仿生凹面结构(I)是由仿生曲面(6)和倾斜平面(7)两部分组成，仿生曲面(6)的剖面是一段弧线，半径为R1，弧弦长为L1，与底面的最大角度为Q1，倾斜平面(7)与仿生曲面(6)相切，且与鞋底面的夹角为θ2 ; 所述的固沙限流结构(3)是由梯形刺(8)排列构成；梯形刺(8)为直角梯形，其底部的长度为L2，两腰夹角为θ3，仿生凹面结构(I)和固沙限流结构(3)共同构成一个空腔结构；所述的仿生防滑结构(2)是由两个仿足趾甲凹槽(9)和矩形通槽(10)组成，仿足趾甲凹槽(9)为两段距离为L4的曲线，该曲线由两段直线和一段与其相切的弧线构成，直线长度为L3并与矩形通槽(9)边的夹角为θ4，弧线半径为R2，弦长SL5，矩形通槽(10)的宽度为L6 ; Θ 5为冠状单体的弧线与沙面的最大夹角； 所述的仿生冠状鞋跟(5)是由三个冠状单体(11)构成，冠状单体(10)的截面为一段弧线，弦长L7，半径为R3;
Θ 丄=34。，R1 = 60mm，L1 = 37.73mm，θ 2 = 3。；
θ 3 = 51° , L2 = 20mm ;
θ 4 = 1200，R2 = 5mm，L3 = 10.57mm，L4 = 6mm，L5 = 8.66mm，L6 = 1mm ；
Θ 5 = 36°，R3 = 25mm，L7 = 28.32mm。
2.根据权利要求1所述的一种仿生沙漠鞋底结构，其特征在于:所述的仿生曲面(6)通过提取鸵鸟足第III趾底中间凹槽面的中央脊线优化设计而成；所述的仿足趾甲凹槽(9)通过提取鸵鸟足趾甲中截面轮廓经过优化设计而成；所述的冠状单体(11)是由鸵鸟足第III趾底足跟凸冠面结构仿生优化设计而成。
【文档编号】A43B13/14GK203952594SQ201420187976
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年4月17日 优先权日:2014年4月17日
【发明者】张锐, 罗刚, 杨明明, 薛书亮, 刘海宝, 曾桂银, 李建桥 申请人:吉林大学