本發(fā)明涉及足式機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及在沙地行走的機(jī)器人足部。

背景技術(shù)：

機(jī)器人研究一直是機(jī)械領(lǐng)域的熱門方向，當(dāng)前機(jī)器人的移動方式主要為輪式、履帶式和足式。輪式機(jī)器人效率高、操作方便，但沙地通過性較差。履帶式機(jī)器人雖然可以在沙地、泥地行駛，運行穩(wěn)定，履帶板厚重，能耗大，速度慢。相對于前兩種機(jī)器人，足式機(jī)器人由于步態(tài)靈活，越障性強，可適應(yīng)多種不同地面，尤其在沙地等松軟地面有良好的通過性能，因而備受關(guān)注。

傳統(tǒng)的足式機(jī)器人大部分只注重在硬地面的行走，足部結(jié)構(gòu)簡單，適應(yīng)性差。在沙地行走時足部會陷入沙中，導(dǎo)致足式機(jī)器人不能在沙地中正常行走。隨著研究的深入，足式機(jī)器人必將要適應(yīng)更多類型的地面，沙地地面就是其中的一種。傳統(tǒng)的足式機(jī)器人已經(jīng)不能滿足在沙地上行走的需求。因此，如何使足式機(jī)器人能在沙地中穩(wěn)定的行走是一個急需解決的問題。

非洲鴕鳥身高約為2.4m-2.8m，體重130kg-150kg。鴕鳥足部僅有兩趾，主要與地面接觸的是第Ⅲ趾，其與地面接觸的有效長度不足20cm。但它在重載的情況下，能在沙地上高速、平穩(wěn)的奔跑。速度能達(dá)到50—60Km/h，耐力持久，能持續(xù)30分鐘。這得益于其優(yōu)良的足部結(jié)構(gòu)。其中跖趾關(guān)節(jié)起到緩沖減震的作用；第Ⅲ趾底面有凹槽結(jié)構(gòu)，且與第Ⅳ趾之間的配合起到固沙、限流作用，從而提高了鴕鳥的抓地能力，一定程度上提高了鴕鳥的抗滑能力。當(dāng)鴕鳥足部觸地時，第Ⅲ趾和第Ⅳ趾張開；離地時，兩趾合并減少奔跑過程中的阻力。兩趾與蹼的配合，增大了與沙地的接觸面積，提高了鴕鳥的牽引性能和步態(tài)的穩(wěn)定性。以上無論是足趾獨特的形貌特征，還是各個足趾部分的相互配合，都有助于鴕鳥在沙地上主動越沙、高速平穩(wěn)的奔跑。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明基于工程仿生學(xué)原理，以與地面直接接觸的鴕鳥足為仿生原型。通過研究鴕鳥第Ⅲ趾和第Ⅳ趾的結(jié)構(gòu)特點，以及二者之間的相互配合策略，設(shè)計出一種仿生機(jī)械足，能夠?qū)崿F(xiàn)在沙地中固沙、限流、穩(wěn)定行走的功能。該機(jī)械足結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，易于安裝，固沙限流效果好。因此，本發(fā)明為研究足式機(jī)器人在沙地上穩(wěn)定的行走提供了新的研究思路。

為了更好的解決足式機(jī)器人在沙地上正常行走的問題，本發(fā)明模仿鴕鳥第Ⅲ趾與第Ⅳ趾結(jié)構(gòu)和功能特征，設(shè)計出一種自適應(yīng)沙地仿生機(jī)械足，旨在使足式機(jī)器人在沙地中能高效、平穩(wěn)的行走。

本發(fā)明包括支架、第一銷軸、第二銷軸、彈簧、足底、第一螺柱、螺母、墊片、第二連接件、第二螺柱、第二足趾、直線電機(jī)、第一連接件3、第三銷軸、連桿、第四銷軸、第一足趾、矩形鐵片、彈性面料和連接柱、第三螺柱。

支架上端通過螺紋或卡裝的方式與機(jī)器人腿部相連；支架為中空結(jié)構(gòu)，連接柱穿套支架下端，支架能沿連接柱上下運動，連接柱與足底為螺紋連接連接，彈簧安套裝在連接柱上，通過足底來調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)緊力，當(dāng)足部觸底時彈簧可以起到減震、節(jié)能的作用。

直線電機(jī)上端與支架通過第一銷軸鉸連接，直線電機(jī)下端通過第二銷軸與第一連接件鉸連接；第一連接件下端與兩個連桿均通過第三銷軸鉸連接，各連桿與第二連接件均通過第四銷軸鉸連接。

兩個第二連接件分別與第一足趾和第二足趾上的第三螺柱相連接，通過螺母和墊片固定；連接件繞螺栓三能轉(zhuǎn)動，以保證第一足趾和第二足趾正常運動。

第一足趾和第二足趾和足底均通過第一螺柱鉸連接，第一足趾和第二足趾相對足底能夠左右轉(zhuǎn)動，第一足趾和第二足趾共處于同一平面中。直線電機(jī)上下的往復(fù)運動能帶動第一足趾和第二足趾張開或閉合。

矩形鐵片被彈性面料兩側(cè)包裹，在矩形鐵片的兩端開有圓孔，第一足趾和第二足趾在對應(yīng)的位置開有螺紋孔，通過第二螺柱把兩個矩形片分別固定在第一足趾和第二足趾上面，進(jìn)而把彈性面料固定在第一足趾和第二足趾的表面，第一足趾和第二足趾張開或閉合，帶動彈性面料的舒張或收縮。彈性面料為氨綸纖維。第一足趾和第二足趾底部具有凹槽結(jié)構(gòu)。

直線電機(jī)的往復(fù)運動，經(jīng)第一連接件、連桿、第二連接件傳動，從而帶動第一足趾和第二足趾張開閉合。

支架起到支撐電機(jī)的作用，支架為中空結(jié)構(gòu)，連接柱穿過支架通過螺紋與足底相連，彈簧安裝在連接柱上，模擬了鴕鳥的跖趾關(guān)節(jié)在運動時垂直位移變化具有的緩沖、減震功能。當(dāng)足部觸地時會產(chǎn)生沖擊，安裝彈簧有緩沖、減震的作用；當(dāng)足部抬起時，彈簧釋放能量起到節(jié)能的作用。

仿生機(jī)械足第一足趾和第二足趾通過第一螺柱與足底鉸連接，相對于足底可以轉(zhuǎn)動。第一足趾、第二足趾底部有相同的凹槽結(jié)構(gòu)起到固沙的作用。直線電機(jī)的向下運動時，第一足趾和第二足趾之間的角度增大。同時，第一足趾和第二足趾被分開且彈性面料被拉伸，增大了與地面的接觸面積。直線電機(jī)向上運動時，第一足趾和第二足趾中間部分重合在一起，彈性面料恢復(fù)原狀，減少了足部在運動中的受力面積。第一足趾和第二足趾一張一閉，一方面是增大了固沙面積，限制了沙粒的流動，另一方面減少了足部運動的阻力。這些有助于機(jī)器人穩(wěn)定行走，提升了沙地通過性能。

本發(fā)明的有益效果：

第一足趾和第二足趾落地張開，增大與地面的接觸面積，有助于足式機(jī)器人保持平衡，提高步態(tài)穩(wěn)定性；抬腳收回，減小運動中的受力面積，有助于減小運動過程中的阻力。

不僅有第一足趾和第二足趾底部凹槽固沙，也有第一足趾和第二足趾配合固沙、限流，固沙結(jié)構(gòu)疊加，效果明顯，有效限制機(jī)器人滑移，提高了機(jī)器人的牽引性和沙地面通過性。

支架、連接柱、足底和彈簧構(gòu)成減震機(jī)構(gòu)，可以吸收足部落地時產(chǎn)生的沖擊，當(dāng)足部離地時釋放能量，有緩沖、減震、節(jié)能的作用。

附圖說明

圖1是本發(fā)明閉合時的立體示意圖。

圖2是本發(fā)明張開時的立體示意圖。

圖3是本發(fā)明的連接柱與支架和足底配合的剖面圖。

圖4是本發(fā)明的第一足趾的主視圖。

圖5是本發(fā)明的第一足趾的左視圖。

圖6是本發(fā)明的第二足趾的主視圖。

圖7是本發(fā)明的第二足趾的左視圖。

其中：1-支架，2-第一銷軸，3-第二銷軸，4-彈簧，5-足底，6-第一螺柱，7-螺母，8-墊片，9-第二連接件，10-第二螺柱，11-第二足趾，12-直線電機(jī)，13-第一連接件，14-第三銷軸，15-連桿，16-第四銷軸，17-第一足趾，18-矩形鐵片，19-彈性面料，20-連接柱。

具體實施方式

如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6和圖7所示，本發(fā)明包括支架1、第一銷軸2、第二銷軸3、彈簧4、足底5、第一螺柱6、螺母7、墊片8、第二連接件9、第二螺柱10、第二足趾11、直線電機(jī)12、第一連接件13、第三銷軸14、連桿15、第四銷軸16、第一足趾17、矩形鐵片18、彈性面料19和連接柱20、第三螺柱21。

支架1上端通過螺紋或卡裝的方式與機(jī)器人腿部相連；支架1為中空結(jié)構(gòu)，連接柱20穿套支架1下端，支架1能沿連接柱20上下運動，連接柱20與足底5為螺紋連接連接，彈簧安4套裝在連接柱20上，通過足底5來調(diào)節(jié)彈簧4的預(yù)緊力，當(dāng)足部觸底時彈簧4可以起到減震、節(jié)能的作用。

直線電機(jī)12上端與支架1通過第一銷軸2鉸連接，直線電機(jī)12下端通過第二銷軸3與第一連接件13鉸連接；第一連接件13下端與兩個連桿15均通過第三銷軸14鉸連接，各連桿15與第二連接件9均通過第四銷軸16鉸連接。

兩個第二連接件9分別與第一足趾17和第二足趾11上的第三螺柱21相連接，通過螺母7和墊片8固定；連接件9繞螺栓三21能轉(zhuǎn)動，以保證第一足趾17和第二足趾11正常運動。

第一足趾17和第二足趾11和足底5均通過第一螺柱6鉸連接，第一足趾17和第二足趾11相對足底5能夠左右轉(zhuǎn)動，第一足趾17和第二足趾11共處于同一平面中。直線電機(jī)12上下的往復(fù)運動能帶動第一足趾17和第二足趾11張開或閉合。

矩形鐵片18被彈性面料19兩側(cè)包裹，在矩形鐵片18的兩端開有圓孔，第一足趾17和第二足趾11在對應(yīng)的位置開有螺紋孔，通過第二螺柱10把兩個矩形片18分別固定在第一足趾17和第二足趾11上面，進(jìn)而把彈性面料19固定在第一足趾17和第二足趾11的表面，第一足趾17和第二足趾11張開或閉合，帶動彈性面料19的舒張或收縮。彈性面料19為氨綸纖維。

第一足趾17和第二足趾11底部具有凹槽結(jié)構(gòu)。

第一足趾17與第二足趾11除去中間的重合部分，其大小比例為1:1。第一足趾17與第二足趾11的最寬處與其長度比例為1:2.5。第一足趾17長度與整個機(jī)械足的高度比為1:1.5。