一种耦合联动变姿态抗沉陷仿生足及耦合联动步行轮

本发明属于工程仿生，具体涉及一种耦合联动变姿态抗沉陷仿生足及耦合联动步行轮。

背景技术：

1、我国有大面积的松软地面，是发展农业、获取能源、开发海底资源的宝地，例如地处松软地带的大庆油田，地处新疆沙漠地区的油气田。

2、现有松软地面机器系统中的问题包括:车辆容易出现滑转和下陷，导致通过性降低、能耗增加；地面作业机械触土部件出现粘附现象增加工作阻力，降低机械工作效率和寿命而滩涂是一种特殊的海滨湿地，位于海岸线与海域之间，是陆地和海洋的交界处。

3、滩涂地形通常是由泥沙等沉积物构成，覆盖着一层浅水，也称为潮间带或潮间区。沿海滩涂是我国的重要土地后备资源。但是，目前对于沿海滩涂的开发与利用存在着许多问题。从地理学的角度来看，沿海滩涂是最高潮线与最低潮线之间，地质为砂砾淤泥或软泥的岸区，根据潮间带的物质组成，其又可细分为基岩岸滩、砾石滩、砂质海滩、粉砂淤泥质滩和生物滩。这些特殊的性质决定了其地面承载能力和抗剪能力差，传统的轮式移动机构在滩涂上运动时容易打滑与下陷，无法平稳行驶，而相比于传统轮式移动机构，履带式移动机构又存在大体积，灵活性差的缺陷，而足式机器人又因其于与滩涂接触面积较小，易容易沉陷。

4、因此，实现滩涂机械化作业的关键是解决移动作业机构在滩涂上的沉陷问题。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供一种耦合联动变姿态抗沉陷仿生足及耦合联动步行轮，本发明将绿头鸭足作为仿生原型，基于绿头鸭足趾-蹼的开闭方式与跗跖骨、跗跖骨肌腱、足趾跖趾关节的耦合联动机制展开设计，提高滩涂等松软地面移动机构的通过性。

2、绿头鸭常年栖息于沙洲、滩涂等松软地面环境，绿头鸭能在松软土地环境下生存与其自身的身体构造密切相关，足趾的结构形态为其在松软地面环境下行走提供帮助。绿头鸭具有四个足趾。由于自然演化与生存环境的影响，绿头鸭的第ⅰ趾逐步退化，其主要依靠第ⅱ趾、第ⅲ趾和第ⅳ趾实现抗沉陷功能，其足趾间生长出一层可以固沙限流，增大触地面积的足蹼。足蹼作为特殊的足部结构为其能在滩涂等松软地面的自由运动创造了条件。以绿头鸭足为仿生原型，对绿头鸭足的趾-蹼开闭方式进行研究，探究绿头鸭足的抗沉陷机理，可以为解决滩涂等松软地面移动机构的通过性问题提供思路。

3、本发明以绿头鸭足为仿生原型，模仿绿头鸭足跗跖骨竖立支撑与跗跖骨处肌腱牵拉引起足趾-蹼开闭，以及绿头鸭足第ⅱ趾与第ⅳ趾跖趾关节耦合联动等生物力学功能，基于工程仿生原理，采用工程仿生技术，提供一种耦合联动变姿态抗沉陷仿生足及耦合联动节能缓冲步行轮。

4、所述步行轮的连接盘可通过中心位置开孔与移动机构进行连接配合；连接盘上呈圆形阵列分布了多个仿生足单体，连接盘通过套筒与每个仿生足单体中仿跗跖骨单元的竖直杆进行连接。套筒内置弹性部件，起到节能、缓冲和复位的功能；步行轮通过触地时，连接盘给予仿跗跖骨肌腱单元中可旋转的滑块压力，从而使每个仿生足单体中各单元耦合联动，增大触地面积，实现抗沉陷功能。

5、仿跗跖骨单元起到支撑、串联以及复位的功能；

6、仿跗跖骨肌腱单元模拟附着于跗跖骨处肌腱的连接、牵拉、节能等功能；

7、仿足趾单元通过仿跗跖骨肌腱单元中的连杆推拉第ⅳ趾，第ⅳ趾趾根部分的齿轮驱动第ⅱ趾趾根部分的齿轮带动趾-蹼的联动耦合开闭，从而实现模仿绿头鸭足变姿态抗沉陷的功能，同时提高仿生足的侧向稳定性。

8、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。

9、本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

10、一种耦合联动变姿态抗沉陷仿生足，包括仿生足单体；所述仿生足单体包括仿跗跖骨单元、仿跗跖骨肌腱单元和仿足趾单元；

11、所述仿跗跖骨单元包括竖直杆和弹性部件；所述仿足趾单元包括第ⅱ趾、第ⅲ趾、第ⅳ趾、左蹼和右蹼；第ⅱ趾和第ⅲ趾之间设置左蹼，第ⅲ趾和第ⅳ趾之间设置右蹼；所述仿跗跖骨肌腱单元的一端与竖直杆连接，另一端与仿足趾单元连接；

12、所述仿跗跖骨肌腱单元与弹性部件都套在竖直杆上，竖直杆的下端与第ⅲ趾的趾根连接；弹性部件位于仿跗跖骨肌腱单元和第ⅲ趾的趾根之间；

13、第ⅲ趾趾根部开槽，第ⅱ趾的趾根部设有第一齿轮，第ⅳ趾的趾根部设有第二齿轮，第一齿轮和第二齿轮啮合且设置在第ⅲ趾趾根部的槽内；

14、所述仿跗跖骨肌腱单元能够沿竖直杆上下旋转移动，仿跗跖骨肌腱单元上下移动带动第ⅱ趾与第ⅳ趾的同时开闭。

15、上述方案中，所述仿跗跖骨肌腱单元包括滑块和连杆机构；

16、所述连杆机构的一端与滑块连接，另一端与第ⅳ趾的趾干前端连接；所述连杆机构限制第ⅳ趾和第ⅱ趾的开闭范围；

17、所述滑块套在竖直杆上，弹性部件位于滑块和第ⅲ趾的趾根之间；所述滑块能够沿竖直杆上下旋转移动，滑块上下移动连杆机构做周向横移，连杆机构带动第ⅳ趾进行周向横移，第ⅳ趾趾根的第二齿轮带动第ⅱ趾趾根的第一齿轮使第ⅱ趾周向横移，实现第ⅱ趾与第ⅳ趾的同时开闭。

18、进一步的，所述连杆机构包括连杆、肋板连接杆和足趾肋板连接杆；

19、所述肋板连接杆设置在滑块上，连杆的一端与肋板连接杆转动连接，另一端与足趾肋板连接杆转动连接；

20、足趾肋板连接杆设置在第ⅳ趾的趾干前端；

21、所述滑块套在竖直杆上，弹性部件位于滑块和第ⅲ趾的趾根之间；

22、所述滑块能够沿竖直杆上下旋转移动，滑块上下移动带动连杆上端在肋板连接杆上做周向横移，连杆下端带动第ⅳ趾进行周向横移。

23、上述方案中，所述滑块包括外圈、钢球、保持架和内圈；竖直杆穿过内圈，内圈的内表面与竖直杆配合；钢球均匀的分布在保持架上，保持架置于内圈与外圈之间。

24、上述方案中，所述弹性部件为弹簧。

25、上述方案中，所述滑块的外圈的外壁设有两个第一肋板，所述连杆机构的一端与第一肋板转动连接。

26、上述方案中，所述第ⅳ趾的趾干前端设有两个第二肋板，所述连杆机构的另一端与第二肋板转动连接。

27、上述方案中，所述左蹼和右蹼选用橡胶材料，左蹼设置在第ⅱ趾和第ⅲ趾底面，右蹼设置在第ⅲ趾和第ⅳ趾底面。

28、一种耦合联动步行轮，包括所述的耦合联动变姿态抗沉陷仿生足，以及连接盘；

29、所述连接盘上圆形阵列设置多个仿生足单体；竖直杆的上端分别与连接盘连接。

30、上述方案中，所述连接盘的圆周设有多根空心套筒，套筒和仿生足单体的竖直杆配合连接，套筒内置第二弹性部件；第二弹性部件位于套筒内底部与竖直杆的端部之间。

31、上述方案中，所述连接盘和仿生足单体刚性部分采用铝合金材料。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

33、本发明将绿头鸭足作为仿生原型，观察绿头鸭在滩涂上的运动姿态，模拟绿头鸭足趾-蹼开闭方式，实现了仿生足触地时足蹼面积增大、离地时恢复原样的运动效果，减少足式机器人、轮-足式移动平台、步行轮等移动机构在松软地面的沉陷，提高通过性。

34、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。