足式机器人脚的仿生结构设计

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1、足式机器人脚的仿生结构设计卢松明1,2，郭策1*，戴振东1（1.南京航空航天大学高新技术研究院,江苏南京210016；2.南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016）摘要：本文基于蝗虫脚掌在与接触面间接触时能够实现稳定附着这一优异性能，并参照轮胎中轮辋与胎圈的结合技术，设计了一种新型的具有花瓣型结构的仿生机器人脚，为机器人脚的研制提供了一种新的思路。关键字：蝗虫；机器人脚掌；仿生设计TheBionicdesignofleggedrobotfootLUSong-ming1,2，GUOCe1*，DAIZhen-dong1（1.AcademyofF

2、rontierScience，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,JSNanjing210016，China；2.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,JSNanjing210016，China）Abstract：AnewkindofbionicrobotfootwithPetal-typestructurewasdesignedbyimitating

3、thestructureofthelocust’spads,theconnectionofitstwopartsissimilartothatoftherimandthebeadinthevehicletire.Theworkprovidesanewideaforthedevelopmentofrobotfoot.Keywords：locust；robotfoot；bionicdesign0引言由于足式机器人对山地和多障碍地面等复杂的非结构环境具有良好的适应能力，因此它在航空航天、军事国防、山地搜救以及工农业生产等领域具有广泛的应用价值[1]。但

4、目前现有的机器人脚结构在负载、对地面适应性和抓附力等方面存在不足，因此迫切需要研发高适应性的机器人脚。生物体在进化过程中已经形成与各自生活环境相适应的结构特性和材料特性，其演化过程中形成的简约结构为机器人脚结构设计提供了天然蓝本。如蝗虫脚掌为相对滑软的易变形材料,它能够在驱动过程中与接触面间产生较大变形,从而增加接触面积,增大摩擦力,实现与接触面的稳定附着[2]。本文即是以蝗虫脚掌为仿生对象，拟采用现代仿生学的观念，将蝗虫脚掌的精巧结构和材料特性用于机器人脚的结构设计和材料仿生，从而为机器人脚的研制提供创新理念，使机器人脚的适应能力向非结构化、未

5、知的环境方向发展[3]。1蝗虫脚掌的结构特点及材料特性蝗虫是群居型的短角蚱蜢，属于蝗科。它身体由多体节构成，分为头部、胸部和腹部，胸部由三节构成，前、中、后胸各生有一对足，分别为前足、中足和后足。胸足包括6个节段，分别为基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节，如图1所示[4]。蝗虫后足发达，腿节粗大，胫节细长，适于跳跃，在跳跃过程中为蝗虫提供了较好的抓附力。基于蝗虫后足的优越特性，选择其为机器人脚仿生对象。基金项目：国家973计划（批准号:2011CB302106）、国家自然科学基金（批准号:51175249,90916021,51005223）和

6、江苏省自然科学基金（批准号:BK2009376）作者简介：卢松明（1985—），男，湖北黄石人，硕士研究生，研究方向为仿生工程。*联系人E-mail:guozc@nuaa.edu.cn图1蝗虫胸足组织图[4]在蝗虫的后足中，其跗节的弯曲变形在脚掌着地过程中起到非常重要的作用。为了揭示出蝗虫跗节对抓附力的影响，戴振东等人取蝗虫后足跗节中的第三跗跖骨进行研究，如图2所示[5-6]，跗节由胫节TI和跗跖骨T1~T4构成，图2（b）为第三跗跖骨横截面Cs示意图。研究表明，该结构包括硬质黑色表皮、表皮细胞层、曲肌腱、气囊、软外表皮和血浆。其中软外表皮处于蝗

7、虫跗跖骨的底端，在光学显微镜下显示出其为光滑平面，表面下有互相平行的树丛状结构；与软外表皮相连的为黑色表皮，其处于跗跖骨的上端外表面；靠近外表面内侧为表皮细胞层，其厚度较薄；曲肌腱、气囊和体液处于这三部分组成的空腔中。根据计算，结果表明，由于蝗虫脚掌外表皮内层树丛结构平行于外表皮方向，树丛结构没有约束外表皮内层在该方向上的变形，有利于获得较大的接触面积，从而实现稳定附着。蝗虫脚掌的这种结构为我们设计具有高度环境适应性的机器人脚提供了一种新的思路。图2蝗虫后足跗节微结构图[5-6]2仿蝗虫机器人脚设计2.1仿蝗虫机器人脚结构设计从图2（b）中可见，

8、蝗虫脚掌截面结构复杂，且不便于加工。考虑到仿生机器人脚结构实际加工制造的可能性，保留蝗虫脚在与接触表面实现稳定附着过程中起关键作用的主要