[發明專利]一種耦合聯動變姿態抗沉陷仿生足及耦合聯動步行輪

在審

• 申請號: 202310633116.8
• 申請日: 2023-05-31
• 公開（公告）號: CN116534155A
• 公開（公告）日: 2023-08-04
• 發明（設計）人: 韓佃雷;盤家航;杜帥;劉千豪;童智倩;劉海瑞;楊啟志
• 申請（專利權）人: 江蘇大學
• 主分類號: B62D57/028
• 分類號: B62D57/028
• 代理公司: 南京智造力知識產權代理有限公司 32382
• 代理人: 馮燕平

本發明提供了一種耦合聯動變姿態抗沉陷仿生足及耦合聯動步行輪，包括仿生足單體；仿生足單體包括仿跗跖骨單元、仿跗跖骨肌腱單元和仿足趾單元；仿跗跖骨單元包括豎直桿和彈性部件；仿足趾單元包括第Ⅱ趾、第Ⅲ趾、第Ⅳ趾、左蹼和右蹼；仿跗跖骨肌腱單元與彈性部件都套在豎直桿上，豎直桿的下端與第Ⅲ趾的趾根連接；彈性部件位于仿跗跖骨肌腱單元和第Ⅲ趾的趾根之間；仿跗跖骨肌腱單元能夠沿豎直桿上下旋轉移動，仿跗跖骨肌腱單元上下移動帶動第Ⅱ趾與第Ⅳ趾的同時開閉。本發明將綠頭鴨足作為仿生原型，基于綠頭鴨足趾?蹼的開閉方式與跗跖骨、跗跖骨肌腱、足趾跖趾關節的耦合聯動機制展開設計，提高灘涂等松軟地面移動機構的通過性。

技術領域

本發明屬于工程仿生技術領域，具體涉及一種耦合聯動變姿態抗沉陷仿生足及耦合聯動步行輪。

背景技術

我國有大面積的松軟地面，是發展農業、獲取能源、開發海底資源的寶地，例如地處松軟地帶的大慶油田，地處新疆沙漠地區的油氣田。

現有松軟地面機器系統中的問題包括:車輛容易出現滑轉和下陷，導致通過性降低、能耗增加；地面作業機械觸土部件出現粘附現象增加工作阻力，降低機械工作效率和壽命而灘涂是一種特殊的海濱濕地，位于海岸線與海域之間，是陸地和海洋的交界處。

灘涂地形通常是由泥沙等沉積物構成，覆蓋著一層淺水，也稱為潮間帶或潮間區。沿海灘涂是我國的重要土地后備資源。但是，目前對于沿海灘涂的開發與利用存在著許多問題。從地理學的角度來看，沿海灘涂是最高潮線與最低潮線之間，地質為砂礫淤泥或軟泥的岸區，根據潮間帶的物質組成，其又可細分為基巖岸灘、礫石灘、砂質海灘、粉砂淤泥質灘和生物灘。這些特殊的性質決定了其地面承載能力和抗剪能力差，傳統的輪式移動機構在灘涂上運動時容易打滑與下陷，無法平穩行駛，而相比于傳統輪式移動機構，履帶式移動機構又存在大體積，靈活性差的缺陷，而足式機器人又因其于與灘涂接觸面積較小，易容易沉陷。

因此，實現灘涂機械化作業的關鍵是解決移動作業機構在灘涂上的沉陷問題。

發明內容

針對上述技術問題，本發明提供一種耦合聯動變姿態抗沉陷仿生足及耦合聯動步行輪，本發明將綠頭鴨足作為仿生原型，基于綠頭鴨足趾-蹼的開閉方式與跗跖骨、跗跖骨肌腱、足趾跖趾關節的耦合聯動機制展開設計，提高灘涂等松軟地面移動機構的通過性。

綠頭鴨常年棲息于沙洲、灘涂等松軟地面環境，綠頭鴨能在松軟土地環境下生存與其自身的身體構造密切相關，足趾的結構形態為其在松軟地面環境下行走提供幫助。綠頭鴨具有四個足趾。由于自然演化與生存環境的影響，綠頭鴨的第Ⅰ趾逐步退化，其主要依靠第Ⅱ趾、第Ⅲ趾和第Ⅳ趾實現抗沉陷功能，其足趾間生長出一層可以固沙限流，增大觸地面積的足蹼。足蹼作為特殊的足部結構為其能在灘涂等松軟地面的自由運動創造了條件。以綠頭鴨足為仿生原型，對綠頭鴨足的趾-蹼開閉方式進行研究，探究綠頭鴨足的抗沉陷機理，可以為解決灘涂等松軟地面移動機構的通過性問題提供思路。

本發明以綠頭鴨足為仿生原型，模仿綠頭鴨足跗跖骨豎立支撐與跗跖骨處肌腱牽拉引起足趾-蹼開閉，以及綠頭鴨足第Ⅱ趾與第Ⅳ趾跖趾關節耦合聯動等生物力學功能，基于工程仿生原理，采用工程仿生技術，提供一種耦合聯動變姿態抗沉陷仿生足及耦合聯動節能緩沖步行輪。

所述步行輪的連接盤可通過中心位置開孔與移動機構進行連接配合；連接盤上呈圓形陣列分布了多個仿生足單體，連接盤通過套筒與每個仿生足單體中仿跗跖骨單元的豎直桿進行連接。套筒內置彈性部件，起到節能、緩沖和復位的功能；步行輪通過觸地時，連接盤給予仿跗跖骨肌腱單元中可旋轉的滑塊壓力，從而使每個仿生足單體中各單元耦合聯動，增大觸地面積，實現抗沉陷功能。

仿跗跖骨單元起到支撐、串聯以及復位的功能；

仿跗跖骨肌腱單元模擬附著于跗跖骨處肌腱的連接、牽拉、節能等功能；