[发明专利]一种刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮

说明书

本发明提供一种刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮，包括轮辐板、步行轮腿足单体和仿髋关节，轮辐板和每个步行轮腿足单体之间采用仿髋关节连接；所述轮辐板上呈圆形阵列分布了多个步行轮腿足单体，步行轮腿足单体由步行轮腿部和步行轮足部组成；选取野鸭后肢为仿生原型，模仿了野鸭腿足刚柔耦合的生物组装特性和运动时腿足不断变化的运动姿态。步行轮腿部弯曲与复原，起到了节能缓冲的作用；步行轮足部趾‑蹼主动开闭，改变了触地面积，起到了抗沉陷和防侧滑的作用。刚柔耦合的步行轮腿足单体通过主动地改变运动姿态和触地面积，提高了步行轮在滩涂、泥泞和沼泽等松软地面的通过性和牵引性。

技术领域

本发明属于工程仿生技术领域，尤其涉及一种刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮。

背景技术

轮式移动机构在硬地面运动时具有效率高、平顺性好和能耗小等优点，然而在沙漠、泥泞和滩涂等松软地面容易出现沉陷、打滑和牵引力低等问题。相比于轮式移动机构，由于接触点是离散的，足式移动机构在松软地面具有通过性高和牵引性能好的优点。为了整合轮式移动机构和足式移动机构各自的优点，陈秉聪院士模仿水牛的运动步态，提出了步行轮的概念，解决了拖拉机下水田的问题。步行轮是一定数量的轮腿足单体按照圆形阵列的方式组合形成，轮腿足单体又可分为轮腿和轮足两部分。

传统步行轮的轮腿是刚性构件，轮腿是直的，且传统步行轮的轮足经常被简化设计成半球形、半圆柱形、长方形或饼形，从一定程度上来说，简单的轮足结构方便加工、易于控制。但是，轮足作为步行轮与地面直接接触的执行器，其结构和功能将显著影响步行轮的触地面积和沉陷量。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮。选取野鸭后肢为仿生原型，模仿了野鸭腿足刚柔耦合的生物组装特性和运动时腿足不断变化的运动姿态。步行轮腿部弯曲与复原，起到了节能缓冲的作用；步行轮足部趾-蹼主动开闭，改变了触地面积，起到了抗沉陷和防侧滑的作用。刚柔耦合的步行轮腿足单体通过主动地改变运动姿态和触地面积，提高了步行轮在滩涂、泥泞和沼泽等松软地面的通过性和牵引性。

本发明的技术方案是：一种刚柔耦合仿生抗沉陷节能缓冲步行轮，包括轮辐板和步行轮腿足单体；所述轮辐板上呈圆形阵列分布了多个步行轮腿足单体；

所述步行轮腿足单体包括步行轮腿部和步行轮足部；所述步行轮腿部包括股骨、胫骨、仿膝关节、仿踝关节、跗跖骨、仿跖趾关节和第一支座；所述股骨的一端与轮辐板铰接，股骨与轮辐板的连接处左、右两侧各设有一个扭簧形成仿髋关节；所述股骨的另一端与胫骨的一端铰接，股骨与胫骨的连接处左、右两侧各设有一个扭簧形成仿膝关节；所述胫骨的另一端与跗跖骨的一端铰接，胫骨和跗跖骨的连接处左、右两侧各有一个扭簧形成仿踝关节；所述跗跖骨的另一端与第一支座铰接，跗跖骨与第一支座连接处的左、右两侧各有一个扭簧形成仿跖趾关节；

所述步行轮足部包括第二支座、驱动电机、左趾、左连杆、滑块、丝杠、中趾、右连杆、右趾、左蹼和右蹼；所述第二支座的左侧和右侧分别对称铰接了左趾和右趾，所述中趾与第二支座相连、且位于左趾和右趾的中间；所述驱动电机和丝杠连接，所述滑块安装于丝杠上，所述滑块的左侧通过铰接与左连杆的一端相连，左连杆的另一端通过铰接与左趾相连；滑块的右侧通过铰接与右连杆的一端相连，右连杆的另一端通过铰接与右趾相连；所述左趾与中趾之间设有左蹼，右趾与中趾之间设有右蹼；第一支座和第二支座连接。

上述方案中，所述轮辐板上呈圆形阵列分布了六个步行轮腿足单体。

上述方案中，所述仿髋关节的安装角度是137°。

上述方案中，所述仿膝关节的安装角度是110°。

上述方案中，所述仿踝关节的安装角度是90°。

上述方案中，所述仿跖趾关节的安装角度是70°。

上述方案中，所述左蹼和右蹼选用具有弹性的TPU橡胶材料。