本发明专利技术公开了一种仿禽鸟蹼足的水上机器人自适应脚部机构，包括脚掌和附着连接于脚掌的脚背上的弹性背屈机构，弹性背屈机构包括3个形状相同的脚趾状结构，脚趾状结构通过屈伸使脚掌向其掌心内弯收拢或使脚掌向外伸展张开，脚趾状结构为三级弹性摆动杆机构，平面旋转的弹性转动连接副使相应连杆活动铰接。本发明专利技术在不使用电机等驱动器的情况下，能够使脚掌在水中实现入水张开、出水收拢的自适应过程，进一步保证了机器人整体运动的快速、节能、高效、稳定。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种涉及机器人的脚部机构，特别是一种水上腿式机器人的仿生脚部机构，属于水上机器人行走机构
技术介绍
近年来，计算机系统的发展推动了机器人技术的进步，机器人的种类不断增加，在现代工业中发挥着越来越重要的作用。腿式机器人能够很好地适应多变的水陆地形，在矿井搜救、地震、泥石流灾害后的物资输送方面都具有广泛的应用价值。对于腿式机器人而言，脚掌对于驱动其向前运动、保持其自身平衡都有着重要的作用。在水里、沼泽、陆地上不同的环境下，由于脚掌受力不同，脚掌的形状、构造也不同。现有的水上腿式机器人脚部设计大致分为两类1.采用电机控制脚掌各指节运动；2.采用橡胶作为脚掌材料。采用电机控制脚掌各指节的运动是目前最广泛使用的一种方法，这种方法的优势在于通过改变预设值可以自由调节脚掌各指节的运动范围。但由于通常是一台电机只能控制一个指节的旋转自由度，对于多指节而言会不可避免的造成资源的浪费，有悖设计节能、 高效的初衷且会使设计复杂，从而造成脚掌的结构复杂、不利于维护。针对上述情况，有研究人员对脚掌结构进行了改进，采用橡胶底层的结构来增加脚部的柔性，利用水流阻力使脚掌迎流面积改变，最终实现水流阻力的变化。这种方法不需要使用电机等附件，确实是可以做到节能环保。但在实际操作时，由于受橡胶的屈服强度的限制，脚掌的形变也只能局限在一个很小的范围内，无法满足机器人整体快速、高效的要求。自然界的进化和生存过程中，各种动物演化形成了与其生存环境相适应的形态结构、材料拓扑结构和运动方式。通过对蛇怪蜥蜴的观察发现它们在水上奔跑时脚掌会随着其在水中位置自然张合，通过改变脚掌与水面接触面积的连续性变化来实现脚掌面水流阻力的连续性变化。通过对鸭、雁等禽鸟的蹼足的观测了解到蹼状结构可以增大脚掌与水面的接触面积，从而可以获得较大的平衡力，增强稳定性。这两类动物的脚掌的特殊结构为我们设计具有高度灵活性及稳定性的水上机器人脚提供了设计灵感和创新源泉。但水上机器人目前还没有使用仿禽鸟蹼足的机器人脚部机构，现有的水上机器人的脚部机构结构比较复杂，机械行走的能力也不够理想。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种仿禽鸟蹼足的水上机器人自适应脚部机构，能够在不使用电机等驱动器的情况下能够实现入水张开、出水时自动收拢的自适应的仿生机器人脚。为达到上述专利技术目的，本专利技术采用下述技术方案一种仿禽鸟蹼足的水上机器人自适应脚部机构，包括脚掌和附着连接于脚掌的脚背上的弹性背屈机构，弹性背屈机构包括3个形状相同的脚趾状结构，脚趾状结构通过屈伸使脚掌向其掌心内弯收拢或使脚掌向外伸展张开，脚掌的脚背后端与机器人的腿部相连接， 脚掌的前端为自由端。脚趾状结构为三级弹性摆动杆机构，三级弹性摆动杆机构包括三个连杆，依次分别为一级连杆和二级连杆、三级连杆，三级连杆的远端形成三级摆动连杆机构的自由端；各个二级连杆共同固定在同一个刚性的扇环形局部圆盘上，形成脚掌的脚掌腰部机构，设有平面旋转的弹性转动连接副使一级连杆的远端与二级连杆的近端活动铰接；另设有弹性转动连接副使各一级连杆的近端共同活动铰接于同一个刚性的弯轴上，相邻的一级连杆之间连接有蹼状薄层，形成脚掌的后脚掌机构，位于一级连杆的远端的弹性转动连接副使扇环形局部圆盘相对蹼状薄层做开合运动；弯轴固定于脚掌最后端的一个板状的脚掌跟部构件边缘，形成脚掌跟部机构，且脚掌跟部构件的脚背后端与机器人的腿部相连接，位于一级连杆的近端的弹性转动连接副使蹼状薄层相对脚掌跟部构件做开合运动；另设有弹性转动连接副使二级连杆的远端与三级连杆的近端活动铰接，相邻的三级连杆之间连接有蹼状瓣膜，形成脚掌的前脚掌部分，位于三级连杆的近端的弹性转动连接副使蹼状瓣膜相对扇环形局部圆盘做开合运动；后脚掌机构、脚掌腰部机构和前脚掌部分组成脚掌的脚弓本体结构，与水接触并承载水的阻力或升力；脚掌跟部机构、后脚掌机构、脚掌腰部机构和前脚掌部分组成脚掌整体，后脚掌机构相对于脚掌跟部构件进行扭转，脚掌腰部机构相对于后脚掌机构进行扭转，前脚掌部分相对于脚掌腰部机构进行扭转。作为本专利技术技术方案的改进，上述弹性转动连接副形成脚趾状结构的各个关节， 弹性转动连接副由直角三角形的平面活动铰链和弹性元件构成，平面活动铰链与一个固定连杆的末端固定连接，使平面活动铰链的两个直角边分别与固定连杆的轴线平行和垂直， 与固定连杆的轴线垂直的平面活动铰链的一个直角边形成另一个活动连杆的转动极限位置，使与平面活动铰链关联的两个连杆的自由相对转动范围限制在0° 90°角度范围内；弹性元件装设于平面活动铰链和与其活动连接的活动连杆之间，通过弹性元件的最大形变量控制任意相互铰接的两个连杆的转动范围，从而控制各脚趾状结构的弯曲运动状态程度。上述弹性元件为弹性拉伸回复元件。上述弹性元件优选拉伸弹簧。作为本专利技术技术方案的进一步改进，上述弹性背屈机构的中间脚趾状结构的三级连杆比其他脚趾状结构的三级连杆的长度更长，使中间脚趾状结构的整体长度大于其他脚趾状结构的整体长度。作为本专利技术技术方案的更进一步改进，上述蹼状薄层和蹼状瓣膜的边缘与扇环形局部圆盘边缘通过弯折连接部活动连接，形成完整的仿禽鸟蹼足的机器人脚掌。作为本专利技术技术方案的再更进一步改进，脚趾状结构的三个连杆的长度依次递减，即一级连杆大于二级连杆的长度，二级连杆大于三级连杆的长度。作为本专利技术技术方案的又再更进一步改进，弯折连接部通过胶层粘结形成。作为本专利技术所有技术方案的另外一种改进，水上机器人自适应脚部机构的各部分的材料进行优选，上述蹼状薄层、蹼状瓣膜和扇环形局部圆盘皆为复合层材料，其底层材料为塑料材料，其上层材料为金属材料，形成塑料材料脚掌底部和金属材料脚背，除了蹼状薄层、蹼状瓣膜和扇环形局部圆盘之外的其他机构部件均由金属材料成形。水上机器人自适应脚部机构的各部分的材料的选择时，所选用的金属材料优选合金钢或轻质铝合金。本专利技术与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点1.本专利技术不需要使用任何电机等耗能设备即可实现水上机器人脚部机构的规则运动，真正实现入水张开和出水时自动收拢的自适应动作特性，减少能量消耗，并提高水上机器人的行进能力和水上位移效率。2.本专利技术可以实现水上机器人脚掌面积在比较大范围内的变化，实现水上机器人脚掌受力面积的相应变化，使水上机器人获得所需的升力，进一步减小因克服水的阻力所产生的能量消耗，提高水上机器人的运动能力。3.仿禽鸟蹼足的水上机器人自适应脚部机构可以使机器人整体具有很好灵活性和很强的稳定性，汲取了禽鸟蹼足的动物体工程学的结构和改造的优点，创造出新颖实用的水上机器人脚部机构。4.本专利技术结构简单，易于维护，易于加工制造，制造成本低，实用价值高，利于推附图说明图1是本专利技术实施例一水上机器人自适应脚部机构的脚背结构示意图。图2是本专利技术实施例一水上机器人自适应脚部机构的脚掌内弯时脚面主要结构示意图。图3是本专利技术实施例一水上机器人自适应脚部机构的脚趾状结构的机械连接示意图。图4是本专利技术实施例二水上机器人自适应脚部机构的脚趾状结构的弯曲状态示意图。图5是本专利技术实施例二水上机器人自适应脚部机构的平面活动铰链的结构示意图。图6是沿图5中K-K线的剖视图。 具体实施例方式结合附图，对本专利技术的优选实施例详述本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：蔡舒文，饶进军，肖辅龙，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：
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