【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于工程仿生，尤其涉及一種仿生自適應抗沉陷步行輪及其控制方法。
技術介紹
1、水田是我國重要的優質耕地資源。水田穩定性強，自然稟賦條件好，質量水平高。水田不僅是糧食安全的重要保障，而且對于維系區域生態安全、促進生態文明建設等具有重要作用。由于水田等松軟地面的承載和抗剪能力差，常規的輪式與其表面接觸時一方面容易產生較大沉陷和濕黏附，另一方面容易有較大的推水阻力，從而產生較大的離地損耗和對地面的過度擾動，而且生產實際迫切需要降低成本、保護土壤結構、保護環境的水田保護性耕作技術。因此，解決水田等松軟地面的沉陷和能量消耗問題對于提高經濟效益顯得尤為關鍵。
2、綠頭鴨，常年生存在水田、湖泊、河流、灘涂等松軟地面區域，已具備了抗沉陷的運動特性。綠頭鴨足作為與地面直接接觸的執行器，主要由三趾構成，足趾之間有足蹼，趾-蹼的結構形貌、觸/離地姿態、材料組裝等在抗沉陷過程中發揮了重要作用?，F有的仿綠頭鴨足通過仿肌腱單元，能夠實現節能減振的功能，但在實際使用中，現有的仿綠頭鴨足離地時地面與其黏附力強且不易擺脫，且使用中由于鴨足形狀結構固定且表面積大而導致空氣阻力大，能源消耗高。
技術實現思路
1、針對上述技術問題，本專利技術提供一種仿生自適應抗沉陷步行輪及其控制方法，實現了仿生步行輪的趾蹼自適應開閉，步行輪腿足單體整體結構簡單，提高了步行輪的適應性和應用的廣泛性，應用于機器人上有利于提高其在松軟地面的通過性。
2、注意，這些目的的記載并不妨礙其他目的的存在。本專利技術的
3、綠頭鴨主要通過向前放置的由內向外的第二趾、第三趾、第四趾和趾間蹼完成行走。綠頭鴨足由跗跖骨和趾骨構成主要框架，在觸地時第二趾和第四趾打開并帶動趾間蹼打開，增大了觸地面積；離地時趾骨從足后跟離地，降低了離地黏附力和對地面的擾動；擺動時蹼閉合，減小了前進時水和空氣對足的阻力。綠頭鴨后肢復雜的肌腱系統通過肌肉為其行走或奔跑提供動作和力量來源，通過長而輕的肌腱為其他部位的運動提供牽引，肌肉主要分布在股骨和脛跗骨上，跗骨關節以下的骨頭上肌肉較少，其骨的運動幾乎全部由肌腱牽引驅動，這為擺動幅度較大的跗跖骨和腳掌減輕了重量和體積，從而綠頭鴨在行走或游泳過程中維持持久的性能提供了保障。
4、肌腱是一堅韌的結締組織條帶，連接肌肉與骨骼，承受張力，由膠原蛋白組成，肌腱與肌肉一起作用產生動作。綠頭鴨足肌腱組織明顯的分為腱束和腱內膜，單條肌腱橫截面呈圓柱形。通過掃描電鏡，肌腱從外表面觀察，可見肌腱是由許多根三級纖維束組成，外面包裹肌腱的一層細結締組織，稱為肌腱外層。肌腱平均直徑在1-2mm左右。從肌腱的橫截面觀察，切口平整，膠原纖維束緊密排列，裂縫中顯示肌腱三級纖維束是由許多次級纖維束組成的，縱截面顯示眾多次級纖維束大致平行排列，次級纖維束的直徑在0.2μm左右，此外還有交錯排列的膠原纖維束呈網狀結構，這將有助于增強肌腱在各個方向上的強度。次級纖維束又由眾多的初級膠原纖維束排列組成，初級膠原纖維束排列緊密，形成了分層結構。初級纖維束、次級纖維束和三級纖維束被稱為內腱的結締組織鞘所包圍，內腱有助于纖維束在肌腱運動過程中相互滑動。
5、當綠頭鴨行走或奔跑時，足背側的伸肌腱和跖側的屈肌腱完美配合，實現足趾的彎曲和伸展過程。跖趾關節處具有較為輕薄的支持帶，分布于跖側和背側，為肌腱力的方向的傳導的改變提供幫助，同時約束肌腱的位置。當綠頭鴨足剛觸地時，伸肌腱受到肌肉的拉力，而屈肌腱放松，因此足趾呈伸直狀態。當足處于觸地中期時，伸肌腱繼續受到肌肉拉力，繼續被拉伸，屈肌腱由于跖趾關節滑輪的作用，反向拉伸肌肉，足趾繼續保持伸直狀態；當足離地時，伸肌腱逐漸放松，屈肌腱逐漸受到肌肉的拉力，因此足趾逐漸呈彎曲狀態。
6、本專利技術是通過以下技術手段實現上述技術目的的。
7、一種仿生自適應抗沉陷步行輪，包括步行輪法蘭盤、步行輪腿足單體、位姿感知系統和控制器；
8、所述步行輪法蘭盤沿圓周方向設有多個步行輪腿足單體；
9、所述步行輪腿足單體包括仿生腱骨協同機構和仿生肌腱驅動機構；所述仿生肌腱驅動機構設置在仿生腱骨協同機構上，仿生肌腱驅動機構能夠使仿生腱骨協同機構開閉；
10、所述位姿感知系統安裝在步行輪法蘭盤上，用于監測步行輪法蘭盤到地面高程信號，并傳遞給控制器；
11、所述控制器分別與位姿感知系統和仿生肌腱驅動機構連接，控制器將高度信號與預設值進行對比，并根據對比結果控制仿生肌腱驅動機構使仿生腱骨協同機構開閉。
12、上述方案中，所述仿生腱骨協同機構包括仿跗跖骨、仿伸肌腱、仿屈肌腱、軸承支座、仿第二趾、仿第三趾、仿第四趾、仿生足蹼和底座；
13、所述軸承支座設置在底座上，仿跗跖骨套設在軸承支座上，仿屈肌腱下方分為左右兩端，仿屈肌腱一端與仿第二趾連接，仿屈肌腱另一端與仿第四趾連接，仿屈肌腱上方與仿跗跖骨后側連接；仿伸肌腱下方分為左右兩端，仿伸肌腱一端與仿第二趾連接，仿伸肌腱另一端與仿第四趾連接，仿伸肌腱上方與仿跗跖骨前側連接；所述仿第二趾、仿第四趾、仿第三趾分別連接在底座上，且仿第二趾、仿第四趾分別位于仿第三趾兩側；所述仿生足蹼位于仿第二趾、仿第四趾、仿第三趾底部，仿生足蹼的中部與仿第三趾連接，仿生足蹼兩側分別與仿第二趾和仿第四趾連接。
14、上述方案中，所述仿生肌腱驅動機構包括仿伸肌腱驅動電機和仿屈肌腱驅動電機；仿伸肌腱驅動電機安裝在仿跗跖骨前側，仿伸肌腱驅動電機的動力輸出軸與仿伸肌腱連接，用于牽引仿伸肌腱帶動第二趾和第四趾以及趾間仿生足蹼閉合；
15、仿屈肌腱驅動電機安裝在仿跗跖骨后側，仿屈肌腱驅動電機的動力輸出軸與仿屈肌腱連接，用于牽引仿屈肌腱帶動第二趾和第四趾以及趾間仿生足蹼打開；
16、控制器分別與仿伸肌腱驅動電機和仿屈肌腱驅動電機連接；控制器根據位姿感知系統的高度信號并與預設值進行對比，根據對比結果發出指令控制仿伸肌腱驅動電機和仿屈肌腱驅動電機作出相應的動作，使仿生腱骨協同機構開閉。
17、上述方案中，當步行輪腿足單體觸地后，位姿感知系統監測的步行輪法蘭盤到地面高程低于預設值，控制器控制仿伸肌腱驅動電機反向旋轉，使仿伸肌腱釋放，控制仿屈肌腱驅動電機正向旋轉，牽引仿屈肌腱帶動第二趾和第四趾向外側移動，從而打開趾間仿生足蹼；
18、當步行輪腿足單體開始離地，位姿感知系統監測的步行輪法蘭盤到地面高程高于預設值，控制器控制仿屈肌腱驅動電機反向旋轉，使仿屈肌腱釋放，控制仿伸肌腱驅動電機正向旋轉，牽引仿伸肌腱帶動第二趾和第四趾向內移動，從而閉合趾間仿生足蹼，以減小離地擾動和阻力。
19、上述方案中，所述位姿感知系統為測距傳感器。
20、上述方案中，所述仿伸肌腱為纖維編織結構，包括纖維繩索結構、柔性伸縮結構和外殼；
21、所述纖維繩索結構包括多束縱向螺旋排列的纖維和橫向排列的纖維本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種仿生自適應抗沉陷步行輪，其特征在于，包括步行輪法蘭盤(1)、步行輪腿足單體(2)、位姿感知系統(3)和控制器；
2.根據權利要求1所述的仿生自適應抗沉陷步行輪，其特征在于，所述仿生腱骨協同機構(21)包括仿跗跖骨(211)、仿伸肌腱(212)、仿屈肌腱(213)、軸承支座(214)、仿第二趾(215)、仿第三趾(216)、仿第四趾(217)、仿生足蹼(218)和底座(219)；
3.根據權利要求2所述的仿生自適應抗沉陷步行輪，其特征在于，所述仿生肌腱驅動機構(22)包括仿伸肌腱驅動電機(222)和仿屈肌腱驅動電機(223)；仿伸肌腱驅動電機(222)安裝在仿跗跖骨(211)前側，仿伸肌腱驅動電機(222)的動力輸出軸與仿伸肌腱(212)連接，用于牽引仿伸肌腱(212)帶動第二趾(215)和第四趾(217)以及趾間仿生足蹼(218)閉合；
4.根據權利要求3所述的仿生自適應抗沉陷步行輪，其特征在于，當步行輪腿足單體(2)觸地后，位姿感知系統(3)監測的步行輪法蘭盤(1)到地面高程低于預設值，控制器控制仿伸肌腱驅動電機(222)反向旋轉，使
5.根據權利要求1所述的仿生自適應抗沉陷步行輪，其特征在于，所述位姿感知系統(3)為測距傳感器。
6.根據權利要求2所述的仿生自適應抗沉陷步行輪，其特征在于，所述仿伸肌腱(212)為纖維編織結構，包括纖維繩索結構(2124)、柔性伸縮結構(2125)和外殼(2127)；
7.根據權利要求2所述的仿生自適應抗沉陷步行輪，其特征在于，所述軸承支座(214)兩側分別設有第一限位機構(2141)和第二限位機構(2142)；所述第一限位機構(2141)比第二限位機構(2142)的高度高，第一限位機構(2141)用于限制仿跗跖骨(211)與仿第三趾(216)之間的最小角度；第二限位機構(2142)用于限制仿跗跖骨(211)與仿第三趾(216)之間的最大角度。
8.根據權利要求2所述的仿生自適應抗沉陷步行輪，其特征在于，所述底座(219)上設置了第一滑槽(2191)和第二滑槽(2192)；第一滑槽(2191)分布在第二趾(215)一側，第二滑槽(2192)分布在第四趾(217)一側，第一滑槽(2191)和第二滑槽(2192)沿仿跗跖骨(211)軸對稱分布，仿屈肌腱(213)起始端一側繞過第一滑槽(2191)，仿屈肌腱(213)起始端另一側繞過第二滑槽(2192)，再匯合繞過仿第三趾(216)設置的仿屈肌腱預留孔位(2161)，連接到上方的仿跗跖骨(211)后側。
9.一種根據權利要求1-8任意一項所述仿生自適應抗沉陷步行輪的控制方法，其特征在于，包括以下步驟：
10.根據權利要求9所述的仿生自適應抗沉陷步行輪的控制方法，其特征在于，當所述位姿感知系統(3)監測到地面高程h逐漸降低時，控制器控制仿屈肌腱驅動電機(223)帶動仿屈肌腱(213)收縮，控制仿伸肌腱驅動電機(222)反轉相同角度，使得趾蹼開閉角θ逐漸增大，此時趾蹼開閉角θ與位姿感知系統(3)感知到的地面高程h之間的關系式為：
...【技術特征摘要】
1.一種仿生自適應抗沉陷步行輪，其特征在于，包括步行輪法蘭盤(1)、步行輪腿足單體(2)、位姿感知系統(3)和控制器；
2.根據權利要求1所述的仿生自適應抗沉陷步行輪，其特征在于，所述仿生腱骨協同機構(21)包括仿跗跖骨(211)、仿伸肌腱(212)、仿屈肌腱(213)、軸承支座(214)、仿第二趾(215)、仿第三趾(216)、仿第四趾(217)、仿生足蹼(218)和底座(219)；
3.根據權利要求2所述的仿生自適應抗沉陷步行輪，其特征在于，所述仿生肌腱驅動機構(22)包括仿伸肌腱驅動電機(222)和仿屈肌腱驅動電機(223)；仿伸肌腱驅動電機(222)安裝在仿跗跖骨(211)前側，仿伸肌腱驅動電機(222)的動力輸出軸與仿伸肌腱(212)連接，用于牽引仿伸肌腱(212)帶動第二趾(215)和第四趾(217)以及趾間仿生足蹼(218)閉合；
4.根據權利要求3所述的仿生自適應抗沉陷步行輪，其特征在于，當步行輪腿足單體(2)觸地后，位姿感知系統(3)監測的步行輪法蘭盤(1)到地面高程低于預設值，控制器控制仿伸肌腱驅動電機(222)反向旋轉，使仿伸肌腱(212)釋放，控制仿屈肌腱驅動電機(223)正向旋轉，牽引仿屈肌腱(213)帶動第二趾(215)和第四趾(217)向外側移動，從而打開趾間仿生足蹼(218)；
5.根據權利要求1所述的仿生自適應抗沉陷步行輪，其特征在于，所述位姿感知系統(3)為測距傳感器。
6.根據權利要求2所述的仿生自適應抗沉陷步行輪，其特征在于，所述仿伸肌腱(212)為纖維編織結構，包括纖維繩索結構(2124)、柔...
【專利技術屬性】
技術研發人員：韓佃雷，劉海瑞，吳宇峰，任立志，胡錦瑞，楊啟志，
申請(專利權)人：江蘇大學，
類型：發明
國別省市：
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