一种仿牛机械足的设计与分析

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机器人已经广泛应用于生产、生活中的各个领域，传统的移动机器人可分为轮式机器人与腿式机器人。腿式机器人相对于轮式机器人，能够采用不同步态及与地面不同接触方式，具有很好的避障越障能力，可适应于复杂地貌环境下行走。其中，腿式机器人与地面的不同接触方式通过不同的机械足来实现。传统机械足-般为简单平面足、曲面足 J，并辅以弹簧等减震装置。此类机械足结构与功能简单，适合在冈 生平整地面上行走，但在复杂路面上行走效果较差，如传统机械足在泥地、软土地行走时，会产生下陷过深、支撑点打滑、推动力不足、出足困难等现象。

目前国内外对具有特殊地貌适应性的机械足研究甚少，不能满足步行机器人的实际应用需求，需要进-步发掘研究。因此 ，本文考虑到四足机器人在泥地、软土地等地面行走的问题 ，以牛为生物原型，研制了-种用于四足机器人的仿牛机械足，并进行了有仿真分析验证。

四足机器人结构组成为了使四足机器人实现行走、爬坡、转弯等功能，在机械结构上模仿自然界较为常见的大型哺乳动物，如骆驼，水牛等。这些动物在行走时的机构模型可简化为-个具有 12个自由度(其中6个独立自由度)的并联机构，如图1所示。

图 1 四足机器人机构示意图12个 自由度均摊在四条腿中，每条腿 3个 自由度 ，其中胯关节两个 自由度，包括外摆 自由度和弯曲自由度 ；膝关节包含-个弯曲 自由度。用 Solidworks绘制了四足机器人的样机模型示意图，如图2所示。该机器人包括车身与四条腿，每条腿包括胯关节、大腿、膝关节、小腿和足，可模拟骆驼等动物的步态进行行走，足与小腿固连，在与机器人行走过程中支撑机器人并提供机器人前进的反力。

节图2 四足机器人样机模型示意图项目基金：重大国际合作研究项 目”柔性空间变胞机构理论及拓展应用”(50720135503)；博士点基金(200800060009)作者简介：张澈(1987-)，男，北京人，硕士研究生，主要研究方向为机械器人技术。

· 140· htp：∥ZZHD.chinajourna1.net.cn E-mail：ZZHD###chainajourna1.net.CB《机械制造与自动化》· 电气技术与自动化 · 张澈，等 ·-种仿牛机械足的设计与分析2 仿牛足的设计与分析2.1 牛足外形特征分析松软地面承载能力差，抗剪强度低，行走机构的性能撒于对土壤的摩擦力，外附力，常常出现下陷过深与打滑，需要控制其下土壤的流动。黄牛经常行走在松软土壤上，在与土壤的长期相互作用中，黄牛的足蹄经过不断的进化，逐步形成了优良的几何形状，使其在松软土壤上具有通过能力强、运动阻力型行动效率高等特点 。

从构造 上 牛蹄可 分为 主蹄、悬蹄 、十字 韧带 等结构 。主蹄前端略尖，斜向前方，后端略大，呈椭圆形，前后端之间有斜向内凹，可限制土壤流动，主蹄的几何形态与参数见图 3。

(a)牛蹄侧面 (b)牛蹄侧面牛蹄长 牛蹄长B 牛蹄长C 牛蹄长D 牛蹄长E/mm /mm /mm /mm /mm204.O土0.2 98.4±O.1 59.7：kO.4 47.8i0.3 86.50.2图3 主蹄的几何形态与参数2.2 牛足功能特性分析牛蹄在行走过程中，蹄尖着地，蹄掌整体垂直入土，阻力小；入土后，蹄掌分开，泥土会嵌入到蹄瓣夹缝中，增大了接触面积 ，降低了接地压力 ，具有更大的附：营力。牛蹄的运动分为两个时期。

负重期：牛蹄着地时，蹄尖率先着地，然后蹄跟着地，蹄掌垂直人土，在土壤支撑力的作用下两个蹄瓣张开，土壤进入蹄瓣间的缝隙，增大了蹄掌的摩擦力和对土壤的附着力。蹄瓣间的十字韧带可使蹄瓣的张开有-点限度，并使蹄瓣内侧凹面夹紧其间土壤，防止土壤流动.，起到固土作用。

离地期：牛蹄抬起的过程中，牛蹄以-定角度从地面离开，由于其外形特征，出土阻力很校随着地 面对蹄掌的支承力减小，蹄瓣所受的张力也随之减小，在十字韧带的作用下，蹄瓣间夹角消失，恢复蹄掌的原始状态 。

由此可见，牛蹄在软土地行走时具有蹄尖着地，垂直人土，蹄瓣张开，蹄瓣固土，出土恢复等功能，所以仿牛机械足除在形态结构上需与牛足相似外，还需具有上述特殊功能。

2.3 仿牛机械足的 Solidworks建模对仿牛机械足进行了Solidworks建模。由于四足机器人要适应不同的地貌行走，应具备不同种类的机械仿生足，所以设计了不同机械足间的快速更换机械接口。在行走过程在希望脚掌以固定姿态接触地面，不依赖于步态，Machine Building8Automation，Jun 2013，41(J)：140-142，148设计了欠驱动的踝关节，可使脚掌相对小腿在平面内自由转动。整个机械足包括机械接口、踝关节、脚掌三部分，如图4所示。

(a)机械足的正视图(b)机械足的侧视图主受力斜面(c)机械足的仰视图图4 机械仿生足三视图机械接口的接口外壳与小腿固连，内壳与踝关节固连并通过插销固定在接口外壳内部。机器人更换机械足时，只需向上拔出插销，退出接口内壳，装上新足的内壳接口，插人插销即可。

踝关节可以使脚掌相对小腿两自由度转动(绕长轴与短轴)，使脚掌在重力作用下始终以相同姿态接触土地。

脚掌固定在支承座上，在外力作用下主蹄的两个蹄瓣可绕蹄轴向外转动，同时受到柔性铰链的阻力。柔性铰链- 端与蹄轴中间凹槽平面通过螺钉连接，另-端与主蹄瓣外侧竖直凸台接触∨掌结构与外形模拟牛足，同时可模拟牛足行走的特征。

参照牛足的行走特点，仿牛机械足装置具有以下功能：· 141·