一种松软地面步行足运动学与力学性能测试平台

摘要

本发明公开了一种松软地面步行足运动学与力学性能测试平台，由土槽、水平拖拽系统、垂直拖拽系统、摆动驱动系统组成，步行机械足安装在摆动驱动系统的输出轴上，可模仿生物足的跨步运动过程，其中，摆动驱动系统实现摆腿牵引动作，垂直拖拽系统实现抬腿、落腿等动作，水平拖拽系统实现伸腿动作。同时，该平台可测试足/壤作用相关运动学和力学性能参数，包括足的前进速度、沉陷量、三个方向受力以及扭矩。整个测试平台结构简单，且具有多重功能。在满足模仿生物足跨步动作的基础上，对足/壤作用性能参数进行定量描述。

说明书

技术领域

本发明属于一种足/壤作用测试装置，具体涉及一种松软地面步行足运动学与力学性能测试平台。

背景技术

随着航天技术的发展，各国掀起了新一轮的外太空探测热潮。已有资料表明，月球、火星等地表被类似沙漠的土壤覆盖，属于松软地面，部分地方还夹杂着大量的岩石。轮式移动平台，具有运行稳定、工作效率高、结构简单等有点，而被广泛的应用于星球探测。但是，面对夹杂石块、高低起伏的地面时，轮式移动平台的越障性、通过性则相对较差，容易出现滑转、沉陷、磨损等问题。足式移动平台，由于触地点是一个个离散的点，接触面积较小，在松软地面具有较高的通过性。同时，足式移动平台具有抬腿、跨步等动作，可通过具有一定高度的障碍物，越障性能较好。因此，足式移动平台在星球探测领域具有广泛的应用前景。

传统车轮在沙漠地带容易出现打滑、沉陷，根本无法前行，但是足式机器人却能以较高的速度通过沙漠地带。美国佐治亚理工学院Goldman等人，根据沙漠蜥蜴和蟑螂的四肢腾空和与沙地接触时速度的变化，设计了“SandBot”六足机器人，运行速度至少是美国宇航局火星探测器行进速度的15倍。另外，足式机器人也常被用来作战、排爆、物资运输等。美国波士顿动力公司专门为美国军方研制的“BigDog”大狗机器人。据相关资料显示，大狗机器人可以在山地、沙地、雪地、冰面等非常规地形上行走，具有较高的通过性、鲁棒性等。可见，足式机器人在地球非常规路面也应用的相当广泛。

足作为足式移动平台与地面直接接触的执行部件，其性能的优劣将直接影响整个平台的通过性。为保证足式移动平台能稳定的通过不同的地面条件，大量的土槽试验已显得很有必要。目前尚未检索到专门应用于足壤相互作用的测试装置，更多的涉及轮壤相互作用测试装置。但是，轮壤测试装置主要是轮子在松软地面的滚动，而足壤测试装置更多的关注模拟足的运动过程，二者运动方式完全不同。因此，研制功能齐全且专门应用于足壤相互作用测试的装置迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是提供一种松软地面步行足运动学与力学性能测试平台。该平台可模仿生物足在跨步运动过程中的摆腿牵引、抬腿、伸腿、落腿等动作，测试步行机械足的驱动扭矩、前进速度、牵引力、侧滑力、入土阻力、沉陷量等指标。

本发明包括土槽、水平拖拽系统、垂直拖拽系统和摆动驱动系统。土槽上段选用5mm厚的透明亚克力板封四周，土槽下段选用2mm厚的不锈钢板封四周及底面。

水平拖拽系统是由标尺、直线导轨、齿条托板、齿条、齿轮、水平滑块、水平拖拽电机、减速箱、纵向轴、轴承、轴承座、离合器、编码器、纵向架组成，直线导轨、齿条托板安装在土槽的架上，水平滑块安装在直线导轨上，齿条安装在齿条托板上，编码器安装在水平滑块前端，纵向架和轴承座安装在水平滑块上，齿轮、轴承、离合器安装在纵向轴上，纵向轴通过减速箱与水平拖拽电机相连。

垂直拖拽系统由垂直移动杆、第一垂直移动板、第二垂直移动板、第三垂直移动板、垂直固定杆、第一垂直固定板、第二垂直固定板、垂直丝杠、直线轴承、卡簧、垂直拖拽电机、配重块、垂直位移传感器组成，第一垂直固定板与纵向架连接固定，卡簧的位置介于第一垂直移动板与第二垂直固定板之间，卡簧可上下移动，变换位置，配重块放置在第二垂直移动板上，起到了模拟生物体自身重力的作用。垂直拖拽电机和垂直位移传感器安装在第二垂直固定板上，垂直位移传感器采用拉线式，垂直位移传感器的线头安装在第二垂直移动板上。

摆动驱动系统由摆动驱动电机、减速机、扭矩传感器、三维力传感器、连接板组成，摆动驱动电机的输出轴与减速机相连，减速机的输出轴安装扭矩传感器，三维力传感器的一端与第三垂直移动板相连，三维力传感器的另一端与连接板相连。

当步行机械足与土壤完成相互作用，且被垂直拖拽系统升起一定高度后，水平拖拽电机驱动纵向轴旋转，纵向轴转动驱动齿轮沿着齿条运动。齿轮运动会带动水平滑块沿着直线导轨运动，从而整个机构沿着水平方向移动。水平拖拽系统模仿了生物足运动时向前伸腿的动作。

当步行机械足将要离地时，垂直拖拽电机旋转驱动垂直丝杠转动，垂直丝杠带动第一垂直移动板向上移动。当第一垂直移动板与卡簧接触后，带动垂直移动杆向上运动，从而带动第二垂直移动板、配重块、第三垂直移动板和下面的摆动驱动系统向上移动。当向上移动一定的高度后，电机反转，实现整个机构的向下移动。垂直拖拽系统模仿了生物足的抬腿、落腿的动作。

步行机械足安装在扭矩传感器上，摆动驱动电机使步行机械足旋转一定的角度。当垂直拖拽系统使机械足向下运动与土壤接触后，摆动驱动电机反向转动，步行机械足与土壤之间的摩擦力会驱动整个机构在水平方向和垂直方向移动。摆动驱动系统模仿了生物足与沙土接触后摆动牵引的动作。

该松软地面步行足运动学与力学性能测试平台，在水平滑块前安装了编码器，通过换算可以求出步行机械足的前进速度。在第二垂直固定板和第二垂直移动板之间安装了拉线式位移传感器，可以测出步行机械足的沉陷量。在垂直拖拽系统和摆动驱动系统系统之间安装三维力传感器，可以测出步行机械足在X、Y、Z三个方向上的力的大小。这三个方向上的力分别代表牵引力、侧滑力、入土阻力。在减速机的输出轴上安装扭矩传感器，可以测出驱动步行机械足所需要的扭矩大小。

本发明的工作过程：

松开离合器，将步行机械足安装在扭矩传感器上，摆动电机驱动步行机械足顺时针旋转一定的角度后，垂直移动系统会稍微向下运动，使步行机械足端与土壤相互接触。摆动电机反向转动时，步行机械足与地面之间的摩擦力会推动水平移动系统向前移动，实现了摆腿牵引的动作。在步行机械足将身体带动向前且将要离地时，垂直拖拽电机转动，带动垂直丝杠转动。第一垂直移动板在垂直丝杠的带动下向上运动。当第一垂直移动板与卡簧接触后，垂直移动杆被垂直拖拽电机上拉，从而带动整个摆动驱动系统向上移动，实现了向上抬腿的动作。步行机械足与沙土相互作用后，土壤发生了扰动，受到了剪切破坏。当向上移动一定的高度后，水平拖拽电机转动，带动垂直移动系统和摆动驱动系统在水平方向上向前移动，实现了向前伸腿的动作。步行机械足向前移动的过程中，摆动驱动电机要反向转动，确保步行机械足摆回起始位置。当步行机械足跨过上一步扰动的土壤后，垂直拖拽电机反向转动，摆动驱动系统向下运动使步行机械足与土壤相互接触，以便进行第二步测试。

本发明的有益效果：

以足/壤作用研究为目的，设计了土槽、水平拖拽系统、垂直拖拽系统、摆动驱动系统等，能够模仿生物足或机械足的摆腿牵引、抬腿、伸腿、落腿等跨步运动过程。同时，机械足与沙土相互作用过程中可以获得足的前进速度、沉陷量、牵引力、侧滑力、入土阻力、驱动扭矩等指标。整个测试平台结构简单，实现较多的动作过程，且可测试机械足较多的性能指标，安装方便，具有广泛的推广和应用价值。

附图说明

图1是本发明的立体图。

图2是本发明的土槽示意图。

图3是本发明的脚轮示意图。

图4是本发明的土槽结构示意图。

图5是本发明的水平拖拽系统示意图。

图6是本发明的水平拖拽系统与土槽连接示意图。

图7是本发明的垂直拖拽系统示意图。

图8是本发明的摆动驱动系统示意图。

图9是本发明的水平拖拽系统与垂直拖拽系统、垂直拖拽系统与摆动驱动系统连接示意图。

图10是本发明的三个系统组装示意图。

其中：1-脚轮，2-土槽，3-标尺，4-直线导轨，5-齿条，6-齿条托板，7-纵向架，8-纵向轴，9-齿轮，10-离合器，11-轴承座，12-水平滑块，13-水平拖拽电机，14-第一垂直固定板，15-第一垂直移动板，16-直线轴承，17-垂直丝杠，18-第二垂直固定板，19-垂直拖拽电机，20-第二垂直移动板，21-配重块，22-垂直固定杆，23-垂直移动杆，24-卡簧，25-第三垂直移动板，26-扭矩传感器，27-连接板，28-三维力传感器，29-摆动驱动电机，30-减速机，31-垂直位移传感器，32-编码器，33-轴承，34-减速箱，35-透明亚克力板，36-不锈钢板。

具体实施方式

请参阅图1至图10所示，本发明包括土槽2、水平拖拽系统、垂直拖拽系统和摆动驱动系统，土槽2的尺寸是长4m，宽0.86m，深0.5m。土槽2箱体选用60×60和30×30的铝型材搭建，土槽2上段选用5mm厚的透明亚克力板35封四周，土槽2下段选用2mm厚的不锈钢板36封四周及底面。土槽2具有脚轮1。

水平拖拽系统是由标尺3、直线导轨4、齿条托板6、齿条5、齿轮9、水平滑块12、水平拖拽电机13、减速箱34、纵向轴8、轴承33、轴承座11、离合器10、编码器32、纵向架7组成，直线导轨4、齿条托板6安装在土槽2的架上，水平滑块12安装在直线导轨4上，齿条5安装在齿条托板6上，编码器32安装在水平滑块12前端，纵向架7和轴承座11安装在水平滑块12上，齿轮9、轴承33、离合器10安装在纵向轴8上，纵向轴8通过减速箱34与水平拖拽电机13相连。

垂直拖拽系统由垂直移动杆23、第一垂直移动板15、第二垂直移动板20、第三垂直移动板25、垂直固定杆22、第一垂直固定板14、第二垂直固定板18、垂直丝杠17、直线轴承16、卡簧24、垂直拖拽电机19、配重块21、垂直位移传感器31组成，第一垂直固定板14与纵向架7连接固定，卡簧24的位置介于第一垂直移动板15与第二垂直固定板18之间，卡簧24可上下移动，变换位置，配重块21放置在第二垂直移动板20上，起到了模拟生物体自身重力的作用。垂直拖拽电机19和垂直位移传感器31安装在第二垂直固定板18上，垂直位移传感器31采用拉线式，垂直位移传感器31的线头安装在第二垂直移动板20上。

摆动驱动系统由摆动驱动电机29、减速机30、扭矩传感器26、三维力传感器28、连接板27组成，摆动驱动电机29的输出轴与减速机30相连，减速机30的输出轴安装扭矩传感器26，三维力传感器28的一端与第三垂直移动板25相连，三维力传感器28的另一端与连接板27相连。