本发明公开了一种仿生腱骨协同刚柔耦合越沙机械足，包括足体机构、缓冲减震机构、柔性被动控制机构、主要趾、辅助趾；本发明借鉴了鸵鸟足部肌腱‑骨骼的生物结构与组装以及肌腱‑骨骼协同工作原理，缓冲减震机构能够降低足部落地时的速度，减少对地面的冲击；主要趾和辅助趾在柔性被动控制系统的作用下，落地时两趾张开，扭簧压缩储能；离地时两趾闭合，扭簧弹开释放能量，该仿生腱骨协同刚柔耦合越沙机械足通过被动的方式控制两趾的张开、闭合，主要趾的蹬地动作，减少了动力源数量，降低能量损耗，增大足部与地面支撑面积，提高足式机器人行走时的稳定性；利用杠杆把缓冲减震机构和柔性被动控制机构结合，有效降低地面对足部的冲击。
1.一种仿生腱骨协同刚柔耦合越沙机械足，其特征在于：包括足体机构、缓冲减震机构、柔性被动控制机构、主要趾、辅助趾；
一种仿生腱骨协同刚柔耦合越沙机械足通过电机接头(2)与做往复直线运动的伺服电动推杆螺纹连接，足体机构特征在于，踝轴(5)通过螺栓连接左支撑板(40)与挡件(31)、右支撑板(41)与挡件(31)，进而通过连接柱(33)、限位轴(35)连接成一个整体，连接柱(33)两端通过螺栓分别与左支撑板(40)、右支撑板(41)连接；
缓冲减震机构与柔性被动控制机构通过杠杆(9)连接，杠杆(9)通过第四连接轴(32)与小腿骨下端(1)铰接，杠杆(9)通过第一连接轴(4)与缓冲减震机构连接；
缓冲减震机构的螺柱(7)与第一连接轴(4)铰接，螺柱(7)穿过屈框(6)与螺片(36)螺纹连接，第一弹簧(8)穿过螺柱(7)和导向柱(37)，导向柱(37)通过螺栓固定在屈框(6)上，屈杆(34)一端与屈框(6)铰接，另一端通过平键与第二连接轴(11)连接，第二连接轴(11)与足体机构铰接；
杠杆(9)通过闸线接头(30)与柔性被动控制机构连接，杠杆(9)与闸线接头(30)铰接，闸线接头(30)与闸线(27)固定连接，闸线(27)通过滑轮(29)穿过导向件(26)与第二弹簧(25)一端固定连接，第二弹簧(25)另一端与末端接头(24)相连，末端接头(24)通过螺栓固定在指甲(23)上，滑轮(29)固定在滑轮轴(10)上，滑轮轴(10)固定在足体机构上，导向件(26)与韧带(18)铰接；
主要趾与辅助趾通过平键与第三连接轴(13)相连，两者在同一平面上，第三连接轴(13)贯穿左支撑板(40)、右支撑板(41)；
主要趾一节骨(28)一端通过平键与第三连接轴(13)相连，第三连接轴(13)贯穿扭簧(38)，扭簧(38)两端放置在主要趾一节骨(28)、左支撑板(40)、右支撑板(41)相应的卡槽内；另一端通过主要趾关节轴(16)分别与主要趾二节骨左(20)、主要趾二节骨右(42)铰接，主要趾关节轴(16)通过螺栓分别与主要趾二节骨左(20)、主要趾二节骨右(42)固定连接，限位块(39)两端用螺栓分别与主要趾二节骨左(20)、主要趾二节骨右(42)固定连接，主要趾三节骨(22)一端与主要趾二节骨左(20)、主要趾二节骨右(42)通过主要趾关节轴(16)铰接，另一端通过主要趾关节轴(16)与主要趾四节骨左(21)、主要趾四节骨右(43)铰接，主要趾关节轴(16)通过螺栓分别与主要趾四节骨左(21)、主要趾四节骨右(43)固定连接，主要趾四节骨左(21)、主要趾四节骨右(43)与指甲(23)用螺栓固定连接，左支撑板(40)、右支撑板(41)、主要趾二节骨左(20)、主要趾二节骨右(42)、主要趾四节骨左(21)、主要趾四节骨右(43)、主要趾三节骨(22)、主要趾一节骨(28)设置有相应扭簧槽，六个主要趾关节轴(16)穿过对应的六个扭簧(38)，每个扭簧(38)两端放置在相应零件的扭簧槽内；
辅助趾一节骨(14)通过平键与第三连接轴(13)相连，辅助趾一节骨(14)与左支撑板(40)之间存在轴向限位套筒(12)，辅助趾关节轴(15)通过螺栓与辅助趾一节骨(14)固定连接，辅助趾关节轴(15)与辅助趾二节骨(19)铰接，紧固件(17)与辅助趾二节骨(19)螺纹连接，紧固件(17)与韧带(18)铰接。
一种仿生腱骨协同刚柔耦合越沙机械足
技术领域
[0001] 本发明涉及沙地仿生足式机器人领域，具体涉及一种仿生腱骨协同刚柔耦合越沙机械足。
背景技术
[0002] 足式机器人步态灵活，越障性强，一直是机器人研究领域的热门方向。经过多年研究，足式机器人得到了较大的发展，但目前国内外对适用于沙地面的足式机器人研究较少，而机械足作为足式机器人直接接触地面的结构，对机器人沙地面通过性能具有重要影响。传统足式机器人足部多为刚性体，形状大部分为矩形、球形或圆柱形，足部结构简单，功能单一，足部与地面接触时对腿部产生较大的冲击，沙地抗沉陷能力弱，通过性能差，不能够很好的满足沙地面行走的需要。因此，设计出一种适用于沙地面行走的机械足显得极为重要。
[0003] 采用传统的方法难以有所突破，因而，我们将从自然生物获取灵感，利用仿生学来解决这一问题。我们选取沙漠中高效运动的典型动物——鸵鸟作为生物原型。当鸵鸟运动时，跗跖骨前侧的伸肌腱和后侧的屈肌腱完美配合，实现两趾的张开和闭合，即：鸵鸟抬腿时，屈肌腱和伸肌腱相互配合控制两趾闭合；鸵鸟足部落地时，屈肌腱和伸肌腱相互配合控制两趾张开并实现足部蹬地的功能。鸵鸟足部复杂的肌腱系统主要用来储存和释放能量，通过肌腱提供的能量对足部其他部位产生作用，为鸵鸟优越的越沙性能提供有力的保障。
[0004] 中国发明专利CN106347519A“一种自适应沙地仿生机械足”，两趾各是一个整体，两趾张开、闭合动作是通过电机主动控制，而且不具备蹬地的功能。
发明内容
[0005] 本发明的目的是为了提供一种具备缓冲减震功能、沙地抗沉陷能力强、通过性高且具有足趾蹬地功能的机械足。
[0006] 本发明以鸵鸟足部结构为仿生原型，利用工程仿生学原理，设计出一种仿生腱骨协同刚柔耦合越沙机械足，足体机构、主要趾、辅助趾模仿鸵鸟足部骨趾结构；缓冲减震机构和柔性被动控制机构模仿鸵鸟足部屈肌腱和伸肌腱，二者有机的结合起来行成一个相对独立的柔性控制系统；本发明用工程的刚柔耦合来实现生物的腱骨协同功能。
[0007] 一种仿生腱骨协同刚柔耦合越沙机械足，包括足体机构、缓冲减震机构、柔性被动控制机构、主要趾、辅助趾；
[0008] 一种仿生腱骨协同刚柔耦合越沙机械足通过电机接头与做往复直线运动的伺服电动推杆螺纹连接，足体机构特征在于，踝轴通过螺栓连接左支撑板与挡件、右支撑板与挡件，进而通过连接柱、限位轴连接成一个整体，连接柱两端通过螺栓分别与左支撑板、右支撑板连接；
[0009] 缓冲减震机构与柔性被动控制机构通过杠杆连接，杠杆通过第四连接轴与小腿骨下端铰接，杠杆通过第一连接轴与缓冲减震机构连接；
[0010] 缓冲减震机构的螺柱与第一连接轴铰接，螺柱穿过屈框与螺片螺纹连接，第一弹簧穿过螺柱和导向柱，导向柱通过螺栓固定在屈框上，屈杆一端与屈框铰接，另一端通过平键与第二连接轴连接，第二连接轴与足体机构铰接；
[0011] 杠杆通过闸线接头与柔性被动控制机构连接，杠杆与闸线接头铰接，闸线接头与闸线固定连接，闸线通过滑轮穿过导向件与第二弹簧一端固定连接，第二弹簧另一端与末端接头相连，末端接头通过螺栓固定在指甲上，滑轮固定在滑轮轴上，滑轮轴固定在足体机构上，导向件与韧带铰接；
[0012] 主要趾与辅助趾通过平键与第三连接轴相连，两者在同一平面上，第三连接轴贯穿左支撑板、右支撑板；
[0013] 主要趾一节骨一端通过平键与第三连接轴相连，第三连接轴贯穿扭簧，扭簧两端放置在主要趾一节骨、左支撑板、右支撑板相应的卡槽内；另一端通过主要趾关节轴分别与主要趾二节骨左、主要趾二节骨右铰接，主要趾关节轴通过螺栓分别与主要趾二节骨左、主要趾二节骨右固定连接，限位块两端用螺栓分别与主要趾二节骨左、主要趾二节骨右固定连接，主要趾三节骨一端与主要趾二节骨左、主要趾二节骨右通过主要趾关节轴铰接，另一端通过主要趾关节轴与主要趾四节骨左、主要趾四节骨右铰接，主要趾关节轴通过螺栓分别与主要趾四节骨左、主要趾四节骨右固定连接，主要趾四节骨左、主要趾四节骨右与指甲用螺栓固定连接，左支撑板、右支撑板、主要趾二节骨左、主要趾二节骨右、主要趾四节骨左、主要趾四节骨右、主要趾三节骨、主要趾一节骨设置有相应扭簧槽，六个主要趾关节轴穿过对应的六个扭簧，每个扭簧两端放置在相应零件的扭簧槽内；
[0014] 辅助趾一节骨通过平键与第三连接轴相连，辅助趾一节骨与左支撑板之间存在轴向限位套筒，辅助趾关节轴通过螺栓与辅助趾一节骨固定连接，辅助趾关节轴与辅助趾二节骨铰接，紧固件与辅助趾二节骨螺纹连接，紧固件与韧带铰接。
[0015] 本发明的工作原理和使用过程：
[0016] 第一步：当伺服电动推杆伸出时，通过电机接头带动螺柱和杠杆一端向下运动，螺片压缩第一弹簧储能，屈杆对足体结构有向上的推力，同时，杠杆另一端向上抬起，通过闸线带动导向件、韧带向靠近滑轮方向运动，第二弹簧被拉伸进而带动主要趾。此时，辅助趾二节骨在韧带作用下向内收缩，即二趾闭合；闸线通过末端接头带动主要趾向上运动，扭簧变形储能，到水平方时，由于限位轴的作用，主要趾不能继续向上运动；此时杠杆接触挡件，在动力源的持续作用下仿生腱骨协同刚柔耦合越沙机械足完成抬起动作；
[0017] 第二步：当伺服电动推杆收缩时，通过电机接头带动螺柱和杠杆一端向上运动，第一弹簧弹开释放能量，屈杆对足体结构有向内的收力；同时，杠杆另一端向下落下，第二弹簧收缩通过闸线带动导向件、韧带向远离滑轮方向运动；此时，辅助趾二节骨在韧带作用下向外舒张，即二趾张开；此时，扭簧复原释放能量，主要趾在扭簧的作用下完成蹬地动作，仿生腱骨协同刚柔耦合越沙机械足完成落地动作。
[0018] 本发明的有益效果：
[0019] 1、两趾的张开、闭合的动作通过被动方式控制，减少了动力源数量，提了高能量利用效率。
[0020] 2、主要趾机构在离地时，具有蹬地动作，便于足式机器人抬腿。
[0021] 3、缓冲减震机构及主要趾机构各趾关节处安装的扭簧，减小足部触地时地面对机器人的冲击，提高足部的柔顺性，增强了足部沙地抗沉陷能力和足式机器人沙地面的通过性。
[0022] 4、本发明可替代部分足式机器人小腿部分，减少结构复杂性，提高稳定性，可广泛应用于足式机器人。
附图说明
[0023] 图1是本发明二趾张开时的立体示意图。
[0024] 图2是本发明二趾闭合时的立体示意图。
[0025] 图3是本发明内部结构左视图。
[0026] 图4是本发明缓冲减震机构示意图。
[0027] 图5是本发明的主要趾结构的示意图。
具体实施方式
[0028] 请参阅图1至图5所示，一种仿生腱骨协同刚柔耦合越沙机械足，包括足体机构、缓冲减震机构、柔性被动控制机构、主要趾、辅助趾；
[0029] 一种仿生腱骨协同刚柔耦合越沙机械足通过电机接头2与做往复直线运动的伺服电动推杆螺纹连接，足体机构特征在于，踝轴5通过螺栓连接左支撑板40与挡件31、右支撑板41与挡件31，进而通过连接柱33、限位轴35连接成一个整体，连接柱33两端通过螺栓分别与左支撑板40、右支撑板41连接；
[0030] 缓冲减震机构与柔性被动控制机构通过杠杆9连接，杠杆9通过第四连接轴32与小腿骨下端1铰接，杠杆9通过第一连接轴4与缓冲减震机构连接；
[0031] 缓冲减震机构的螺柱7与第一连接轴4铰接，螺柱7穿过屈框6与螺片36螺纹连接，第一弹簧8穿过螺柱7和导向柱37，导向柱37通过螺栓固定在屈框6上，屈杆34一端与屈框6铰接，另一端通过平键与第二连接轴11连接，第二连接轴11与足体机构铰接；
[0032] 杠杆9通过闸线接头30与柔性被动控制机构连接，杠杆9与闸线接头30铰接，闸线接头30与闸线27固定连接，闸线27通过滑轮29穿过导向件26与第二弹簧25一端固定连接，第二弹簧25另一端与末端接头24相连，末端接头24通过螺栓固定在指甲23上，滑轮29固定在滑轮轴10上，滑轮轴10固定在足体机构上，导向件26与韧带18铰接；
[0033] 主要趾与辅助趾通过平键与第三连接轴13相连，两者在同一平面上，第三连接轴13贯穿左支撑板40、右支撑板41；
[0034] 主要趾一节骨28一端通过平键与第三连接轴13相连，第三连接轴13贯穿扭簧38，扭簧38两端放置在主要趾一节骨28、左支撑板40、右支撑板41相应的卡槽内；另一端通过主要趾关节轴16分别与主要趾二节骨左20、主要趾二节骨右42铰接，主要趾关节轴16通过螺栓分别与主要趾二节骨左20、主要趾二节骨右42固定连接，限位块39两端用螺栓分别与主要趾二节骨左20、主要趾二节骨右42固定连接，主要趾三节骨22一端与主要趾二节骨左20、主要趾二节骨右42通过主要趾关节轴16铰接，另一端通过主要趾关节轴16与主要趾四节骨左21、主要趾四节骨右43铰接，主要趾关节轴16通过螺栓分别与主要趾四节骨左21、主要趾四节骨右43固定连接，主要趾四节骨左21、主要趾四节骨右43与指甲23用螺栓固定连接，左支撑板40、右支撑板41、主要趾二节骨左20、主要趾二节骨右42、主要趾四节骨左21、主要趾四节骨右43、主要趾三节骨22、主要趾一节骨28设置有相应扭簧槽，六个主要趾关节轴16穿过对应的六个扭簧38，每个扭簧38两端放置在相应零件的扭簧槽内；
[0035] 辅助趾一节骨14通过平键与第三连接轴13相连，辅助趾一节骨14与左支撑板40之间存在轴向限位套筒12，辅助趾关节轴15通过螺栓与辅助趾一节骨14固定连接，辅助趾关节轴15与辅助趾二节骨19铰接，紧固件17与辅助趾二节骨19螺纹连接，紧固件17与韧带18铰接。
[0036] 本实施例的工作原理及使用过程：
[0037] 第一步：当伺服电动推杆伸出时，通过电机接头2带动螺柱7和杠杆9一端向下运动，螺片36压缩第一弹簧8储能，屈杆34对足体结构有向上的推力，同时，杠杆9另一端向上抬起，通过闸线27带动导向件26、韧带18向靠近滑轮29方向运动，第二弹簧25被拉伸进而带动主要趾。此时，辅助趾二节骨19在韧带18作用下向内收缩，即二趾闭合；闸线27通过末端接头24带动主要趾向上运动，扭簧38变形储能，到水平方时，由于限位轴35的作用，主要趾不能继续向上运动；此时杠杆9接触挡件31，在动力源的持续作用下仿生腱骨协同刚柔耦合越沙机械足完成抬起动作；
[0038] 第二步：当伺服电动推杆收缩时，通过电机接头2带动螺柱7和杠杆9一端向上运动，第一弹簧8弹开释放能量，屈杆34对足体结构有向内的收力；同时，杠杆9另一端向下落下，第二弹簧25收缩通过闸线27带动导向件26、韧带18向远离滑轮29方向运动；此时，辅助趾二节骨19在韧带18作用下向外舒张，即二趾张开；此时，扭簧38复原释放能量，主要趾在扭簧38的作用下完成蹬地动作，仿生腱骨协同刚柔耦合越沙机械足完成落地动作。
