一种仿牛机械足的设计与分析

0 引言

    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。传统机械足一般为简单平面足、曲面足，并辅以弹簧等减震装置。此类机械足结构与功能简单，适合在刚性平整地面上行走，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，需要进一步发掘研究。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，研制了一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。

1 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一个具有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；膝关节包含一个弯曲自由度。用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入前进的反力。

图2 四足机器人样机模型示意图

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，行走机构的性能取决于对土壤的摩擦力，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、运动阻力小和行动效率高等特点。

    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。