一种仿岩羊刚柔耦合缓冲防滑蹄掌的制作方法

本发明属于机械仿生工程技术领域，特别涉及一种应用于四足机器人的仿岩羊刚柔耦合缓冲防滑蹄掌。

背景技术：

目前的移动机器人大致可分为轮式机器人和腿足式机器人，腿足式机器人相对于轮式机器人，可以采用不同的步态和与地面不同的接触方式，进而有效越障并适应复杂的路面情况。随着科学技术的进步，仿生腿足式机器人获得了快速发展并在社会的多个领域被广泛应用。在众多类型的足式机器人中，四足步行机器人由于承载能力强、稳定性好、结构简单等显著特点，获得了快速发展，也是仿生机器人领域的研究热点。

目前，多数四足机器人在水平路面具有稳定的静态/动态运动特性，个别能够攀爬具有较小坡度(≦30°)的路面。当坡面角度持续增大时，机器人足部极易发生打滑现象，进而造成支撑腿与地面反作用力突然降低，使得机器人机身失控，导致机体失稳。世界范围内，针对这一问题，研究人员多从姿态控制算法、复杂牵引控制系统方面进行探索，取得了一定成果，但分析发现，面对大坡度路面时，目前仍未有较好的解决方案。

足部作为四足机器人机体在运动过程中唯一并首先与路面发生接触作用的部位，其结构与材料决定了足与地面的力学作用界面特征，目前尚未受到足够重视，尤其是能够有效辅助机器人实现在大角度坡面平稳攀爬运动的仿生足部的创新设计。调研发现，当前的四足仿生机器人的足部多为刚性球面或者曲面机械足整体化设计，或辅以弹簧进行缓冲减振，此设计能够在一定程度上起到冲击吸收作用，但在斜坡路面环境中，此类足部设计由于刚性大、整体式设计而很难保证机器人足部触地或触岩的稳定接触状态，尤其是在足-斜坡路面接触作用中无法调整足部与地的接触状态和接触形式，因此难以保证有效的抓地防滑效果。

综观上述四足机器人在大角度坡面攀爬时其足部易打滑失稳的研究现状，急需一种能够有效抓地缓冲并防滑的仿生蹄掌。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有四足机器人足部在大角度坡面接触运动中的足部缓冲防滑性能差的问题，而提供一种能克服上述缺点的仿岩羊刚柔耦合缓冲防滑蹄掌。

本发明包括第一侧边回形形态结构、第二侧边回形形态结构、第一蹄掌趾部刚性分体结构、第二蹄掌趾部刚性分体结构、第一橡胶蹄掌底板柔性分体结构和第二橡胶蹄掌底板柔性分体结构。第一蹄掌趾部刚性分体结构与第二蹄掌趾部刚性分体结构呈左右方向对称布置，其与腿部连接部分采用发明人前期已开发的踝部连接平台。第一侧边回形形态结构为外扣下翻型，并均匀排列分布于第一蹄掌趾部的外侧壁面。第一侧边回形形态结构与第一蹄掌趾部刚性分体结构之间采用螺栓连接。第一橡胶蹄掌底板柔性分体结构与第一蹄掌趾部刚性分体结构之间采用螺栓连接；第一蹄掌趾部刚性分体结构内部中空，第一蹄掌趾部刚性分体结构的壁面满足特定的曲线方程，第一蹄掌趾部刚性分体结构的外侧底部和第一蹄掌趾部刚性分体结构的跟部与第一橡胶蹄掌底板柔性分体结构形成刚柔耦合结构，第一蹄掌趾部刚性分体结构的外侧底部相较于第一蹄掌趾部刚性分体结构的跟部呈现内凹状态，第一橡胶蹄掌底板柔性分体结构相较于第一蹄掌趾部刚性分体结构的外侧底部呈现内凹状态。

本发明的工作原理和过程为：本发明是根据在悬崖峭壁只要有一脚之棱，便能灵活稳固防滑攀登的岩羊蹄部的特殊结构与材料特征得到的启发。

岩羊是一种可以在陡峭悬崖峭壁上灵活辗转腾挪，并且保持运动平稳性的动物。我们对岩羊蹄掌趾部的试验研究发现，岩羊的两个蹄掌趾部的外侧面均分布着倒刺形状的微观形态单元，可在岩羊攀爬运动中其蹄掌趾部侧面触岩时与岩石壁面间形成有效机械式锁合，提高了接触界面的作用可靠性；同时，岩羊的两个蹄掌趾部的底面为非平面结构，从其蹄掌趾部尖部到蹄掌趾部跟部(前后方向)、从蹄掌趾部外侧底部到内侧底部(左右方向)均为特殊的曲面结构，整体呈现蹄掌趾部尖部凸、蹄掌趾部外侧底部凸、蹄掌趾部跟部凸、蹄掌趾部中部凹、蹄掌趾部内侧底部凹的结构特征，即前后底部凸、外侧底部凸、中间及内侧底部凹的结构。这种不同方向的曲面构成，使得岩羊蹄掌趾部触地/触岩时，其凸起的蹄掌趾部尖部和蹄掌趾部外侧底部首先发生作用，当蹄掌趾部由于接触不稳即将打滑时，岩羊的两个蹄掌趾部向两侧伸展，使得已经发生接触的蹄掌趾部尖部和蹄掌趾部外侧与接触面产生相对移动，在两个蹄掌趾部的两侧分别产生了与运动方向相垂直的摩擦力，两个摩擦力的合力方向则恰与蹄掌趾部滑动方向相反，从而有效防止了蹄掌趾部的打滑。此外，由于蹄掌趾部跟部的凸起类似鞋跟的形状，也有益于蹄掌趾部滑动时卡住不规则路面，减小滑动；另外，我们发现，岩羊蹄掌趾部的中部凹陷处为柔性软组织，其他部位(蹄掌趾部尖部、蹄掌趾部外侧底部、蹄掌趾部跟部，蹄掌趾部内侧底部)则为角质层硬组织，在岩羊攀爬运动中，其蹄掌趾部触地/触岩过程中，体现了刚性支撑、柔性适应与吸收冲击的功能特征，并能够有效适应非规则路面变化。由此可知，经过长时间的进化，岩羊蹄掌趾部通过其蹄掌趾部侧面微观特殊倒刺形态、蹄掌趾部底部前后左右方向的特殊曲面以及蹄掌趾部外中侧软硬组织的分布巧妙地实现了其坡面运动防滑、缓冲和路面适应的生物力学功能的有效统一和结合，从而为本发明提供了有益启发。

基于上述岩羊蹄掌趾部的形态、结构与材料特征，本发明将仿岩羊刚柔耦合缓冲防滑蹄掌设计为第一侧边回形形态结构、第二侧边回形形态结构、第一蹄掌趾部刚性分体结构、第二蹄掌趾部刚性分体结构以及第一橡胶蹄掌底板柔性分体结构和第二橡胶蹄掌底板柔性分体结构。第一蹄掌趾部刚性分体结构和第二蹄掌趾部刚性分体结构的外侧面均分布着倒刺形状的侧边回形形态结构，提高了接触界面的作用可靠性；同时，第一蹄掌趾部刚性分体结构和第二蹄掌趾部刚性分体结构的底面为曲面结构，且满足特定的方程y＝3e-05x⁴-0.0041x³+0.2064x²-4.3355x+238.27。从第一蹄掌趾部刚性分体结构的尖部到跟部(前后方向)、从第一蹄掌趾部刚性分体结构的外侧底部到内侧底部(左右方向)均为特殊的曲面结构，整体呈现尖部凸、外侧底部凸、跟部凸、中部凹、内侧底部凹的结构特征，即前后底部凸、外侧底部凸、中间及内侧底部凹的结构。与之相同的，从第二蹄掌趾部刚性分体结构的尖部到跟部(前后方向)、从第二蹄掌趾部刚性分体结构的外侧底部到内侧底部(左右方向)均为特殊的曲面结构，整体呈现尖部凸、外侧底部凸、跟部凸、中部凹、内侧底部凹的结构特征，即前后底部凸、外侧底部凸、中间及内侧底部凹的结构。这种不同方向的曲面构成，使得第一蹄掌趾部刚性分体结构和第二蹄掌趾部刚性分体结构在触地/触岩时，其凸起的尖部和外侧底部首先发生作用，当仿岩羊刚柔耦合缓冲防滑蹄掌由于接触不稳即将打滑时，第一蹄掌趾部刚性分体结构和第二蹄掌趾部刚性分体结构向两侧伸展，使得已经发生接触的第一蹄掌趾部刚性分体结构的尖部、第二蹄掌趾部刚性分体结构的尖部、第一蹄掌趾部刚性分体结构的外侧及第二蹄掌趾部刚性分体结构的外侧均与接触面产生相对移动，在第一蹄掌趾部刚性分体结构和第二蹄掌趾部刚性分体结构的两侧分别产生了与运动方向相垂直的摩擦力，两个摩擦力的合力方向则恰与仿岩羊刚柔耦合缓冲防滑蹄掌的滑动方向相反，从而有效防止了仿岩羊刚柔耦合缓冲防滑蹄掌的打滑。此外，由于第一蹄掌趾部刚性分体结构和第二蹄掌趾部刚性分体结构的跟部的凸起类似鞋跟的形状，也有益于仿岩羊刚柔耦合缓冲防滑蹄掌滑动时卡住不规则路面，减小滑动；第一橡胶蹄掌底板柔性分体结构和第二橡胶蹄掌底板柔性分体结构为柔性结构，而第一/二蹄掌趾部刚性分体结构的尖部、第一/二蹄掌趾部刚性分体结构的外侧底部、第一/二蹄掌趾部刚性分体结构的跟部，第一/二蹄掌趾部刚性分体结构的内侧底部均为刚性结构，在攀爬运动中，仿岩羊刚柔耦合缓冲防滑蹄掌触地/触岩过程中，体现了刚性支撑、柔性适应与吸收冲击的功能特征，并能够有效适应非规则路面变化。。

本发明的有益效果：

仿岩羊刚柔耦合缓冲防滑蹄掌的侧边回形形态结构为外扣下翻形式布置于第一蹄掌趾部的外侧壁面，可使得仿岩羊刚柔耦合缓冲防滑蹄掌的侧面触岩时与岩石壁面间形成有效机械式锁合，提高接触界面的作用可靠性，防止滑动；仿岩羊刚柔耦合缓冲防滑蹄掌的第一蹄掌趾部刚性分体结构的底面和第二蹄掌趾部刚性分体结构的底面均为非规则曲面结构，具体为：前后底部凸、外侧底部凸、中间及内侧底部凹的曲面结构，这使得仿岩羊刚柔耦合缓冲防滑蹄掌在触地/触岩时，其第一蹄掌趾部刚性分体结构的前后底部凸起和外侧底部凸起及第二蹄掌趾部刚性分体结构的前后底部凸起和外侧底部凸起首先与地面或岩石发生接触作用，当由于接触不稳即将打滑时，第一蹄掌趾部刚性分体结构和第二蹄掌趾部刚性分体结构则向两侧伸展，使得已经发生接触的第一蹄掌趾部刚性分体结构的前后底部凸起和外侧底部凸起、第二蹄掌趾部刚性分体结构的前后底部凸起和外侧底部凸起分别与接触面产生相对移动，由此在第一蹄掌趾部刚性分体结构和第一蹄掌趾部刚性分体结构的两侧分别产生了与运动方向相垂直的摩擦力，两个摩擦力的合力方向则恰与仿岩羊刚柔耦合缓冲防滑蹄掌的滑动方向相反，从而有效防止了仿岩羊刚柔耦合缓冲防滑蹄掌的打滑。此外，由于第一蹄掌趾部刚性分体结构的底部后方的凸起以及第二蹄掌趾部刚性分体结构的底部后方的凸起均类似鞋跟的形状，也有益于仿岩羊刚柔耦合缓冲防滑蹄掌滑动时卡住不规则路面，减小滑动；同时本发明通过第一蹄掌趾部刚性分体结构和第二蹄掌趾部刚性分体结构分别与第一橡胶蹄掌底板柔性分体结构和第二橡胶蹄掌底板柔性分体结构进行连接与配合，由于第一橡胶蹄掌底板柔性分体结构和第二橡胶蹄掌底板柔性分体结构采用橡胶材料，因此本发明整体表现出刚性支撑、柔性吸收的功能特点，在仿岩羊刚柔耦合缓冲防滑蹄掌的运动过程中起到缓冲减振的保护作用；从而具备良好的缓冲保护性。

附图说明

图1为本发明实施例的立体示意图。

图2为本发明实施例拆去第二橡胶蹄掌底板柔性结构的视图。

图3为本发明实施例的侧视图。

图4为本发明实施例的主视图。

其中：1—第一蹄掌趾部刚性分体结构；2—第二蹄掌趾部刚性分体结构；3—第一橡胶蹄掌底板柔性分体结构；4—第二橡胶蹄掌底板柔性分体结构；5—第一侧边回形形态结构；6—第二侧边回形形态结构；7—踝部连接平台；8—连接螺栓；9—连接螺母；101—第一蹄掌趾部刚性分体结构的跟部；102—第一蹄掌趾部刚性分体结构的外侧底部；103—第一蹄掌趾部刚性分体结构的外侧壁面；104—第一蹄掌趾部刚性分体结构的中部；105—第一蹄掌趾部刚性分体结构的内侧底部；106—第一蹄掌趾部刚性分体结构的尖部201—第二蹄掌趾部刚性分体结构的跟部；202—第二蹄掌趾部刚性分体结构的外侧底部；203—第二蹄掌趾部刚性分体结构的外侧壁面；204—第二蹄掌趾部刚性分体结构的中部；205—第二蹄掌趾部刚性分体结构的内侧底部；206—第二蹄掌趾部刚性分体结构的尖部。

具体实施方式

参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明包括第一侧边回形形态结构5、第二侧边回形形态结构6、第一蹄掌趾部刚性分体结构1、第二蹄掌趾部刚性分体结构2、第一橡胶蹄掌底板柔性分体结构3和第二橡胶蹄掌底板柔性分体结构4；

第一蹄掌趾部刚性分体结构1和第二蹄掌趾部刚性分体结构2的外侧面分别均分布着倒刺形状的第一侧边回形形态结构5和第二侧边回形形态结构6，提高了接触界面的作用可靠性；第一蹄掌趾部刚性分体结构1和第二蹄掌趾部刚性分体结构2的底面为非平面结构，第一蹄掌趾部刚性分体结构的外侧壁面103和第二蹄掌趾部刚性分体结构的外侧壁面203均满足方程曲线y＝3e-05x⁴-0.0041x³+0.2064x²-4.3355x+238.27；从第一蹄掌趾部刚性分体结构的尖部106到第一蹄掌趾部刚性分体结构的跟部101(前后方向)、从第一蹄掌趾部刚性分体结构的外侧底部102到第一蹄掌趾部刚性分体结构的内侧底部105(左右方向)均为的曲面结构，整体呈现第一蹄掌趾部刚性分体结构的尖部106凸、第一蹄掌趾部刚性分体结构的外侧底部102凸、第一蹄掌趾部刚性分体结构的跟部101凸、第一蹄掌趾部刚性分体结构的中部104凹、第一蹄掌趾部刚性分体结构的内侧底部105凹的结构特征，即前后底部凸、外侧底部凸、中间及内侧底部凹的结构。这种不同方向的曲面构成，使得第一蹄掌趾部刚性分体结构1和第二蹄掌趾部刚性分体结构2触地/触岩时，其凸起的第一蹄掌趾部刚性分体结构的尖部106和第一蹄掌趾部刚性分体结构的外侧底部102首先发生作用，当本发明由于接触不稳即将打滑时，第一蹄掌趾部刚性分体结构1和第二蹄掌趾部刚性分体结构2向两侧伸展，使得已经发生接触的第一蹄掌趾部刚性分体结构的尖部106和第一蹄掌趾部刚性分体结构的外侧底部102与接触面产生相对移动，在第一蹄掌趾部刚性分体结构1和第二蹄掌趾部刚性分体结构2的两侧分别产生了与运动方向相垂直的摩擦力，两个摩擦力的合力方向则恰与本发明滑动方向相反，从而有效防止打滑。此外，由于第一蹄掌趾部刚性分体结构的跟部101和第二蹄掌趾部刚性分体结构的跟部201的凸起类似鞋跟的形状，也有益于蹄掌滑动时卡住不规则路面，减小滑动；第一橡胶蹄掌底板柔性分体结构3和第二橡胶蹄掌底板柔性分体结构4为柔性结构，其他部位(第一蹄掌趾部刚性分体结构的尖部106、第一蹄掌趾部刚性分体结构的外侧底部102、第一蹄掌趾部刚性分体结构的跟部101、第一蹄掌趾部刚性分体结构的内侧底部105，第一蹄掌趾部刚性分体结构的外侧壁面103和第二蹄掌趾部刚性分体结构的尖部206、第二蹄掌趾部刚性分体结构的外侧底部202、第二蹄掌趾部刚性分体结构的跟部201、第二蹄掌趾部刚性分体结构的内侧底部205，第二蹄掌趾部刚性分体结构的外侧壁面203则为刚性结构，在其攀爬运动中，蹄掌触地/触岩过程中，体现了刚性支撑、柔性适应与吸收冲击的功能特征，并能够有效适应非规则路面变化。第一蹄掌趾部刚性分体结构1和第二蹄掌趾部刚性分体结构2的外侧面均分布着倒刺形状的第一侧边回形形态结构5和第二侧边回形形态结构6、第一蹄掌趾部刚性分体结构的外侧底部102和第二蹄掌趾部刚性分体结构的外侧底部202前后左右方向的特殊曲面以及第一橡胶蹄掌底板柔性分体结构3和第二橡胶蹄掌底板柔性分体结构4刚柔耦合巧妙地实现了其坡面运动防滑、缓冲和路面适应的生物力学功能的有效统一和结合，该本发明具有运动的稳定性和安全性。