(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210560650.6 (22)申请日 2022.05.20 (71)申请人 吉林大学 地址 130012 吉林省长 春市前进大街269 9 号 (72)发明人 邹猛　陈朕　陈力宁　宋祥文　 韩娜　孙浩　 (74)专利代理 机构 深圳市君胜知识产权代理事 务所(普通 合伙) 44268 专利代理师 朱阳波 (51)Int.Cl. G01M 13/00(2019.01) G01D 21/02(2006.01) (54)发明名称 一种仿生足的足壤作用特性试验装置及试 验测试方法 (57)摘要 本发明公开了一种仿生足的足壤作用特性 试验装置及试验测试方法， 包括： 台架主体； 仿生 足驱动单元， 仿生足驱动单元设置在所述台架主 体上， 用于控制模拟仿生足的单腿以试验所需步 态进行相应运动； 土槽及模拟土壤单元， 连接在 台架主体侧边， 用于配置相应试验环境， 以模拟 试验所需不同土壤环境； 测控单元， 设置在仿生 足驱动单元上， 用于采集仿生足驱动单元运动过 程中相应参数， 包括扭矩、 角位移、 角速度、 角加 速度、 足端受力， 通过数据分析对仿生足进行相 应运动学分析以及动力学分析。 本发 明的仿生足 的足壤作用特性试验装置可通过制备不同模拟 土壤来模拟仿生足在不同环境下的足壤相互作 用特性， 可以进行多变量下的分析， 提高了试验 测试效率。 权利要求书2页 说明书8页 附图4页 CN 115060475 A 2022.09.16 CN 115060475 A 1.一种仿生足的足壤作用特性试验 装置， 其特 征在于， 包括： 台架主体； 仿生足驱动单元， 所述仿生足驱动单元设置在所述台架主体上， 用于控制模拟仿生足 的单腿以试验所需步态进行相应运动； 土槽及模拟土壤单元， 连接在所述台架主体侧边， 用于配置相应试验环境， 以模拟试验 所需不同土壤环境； 测控单元， 设置在所述仿生足驱动单元上， 用于采集仿生足驱动单元运动过程中相应 参数， 包括扭矩、 角位移、 角速度、 角加速度、 足端受力， 通过数据分析对仿生足进行相应运 动学分析以及动力学分析； 所述台架主体用于搭 载驱动单 元、 土槽及模拟土壤单 元以及测控单 元各部件。 2.根据权利要求1所述的仿生足的足壤作用特性试验装置， 其特征在于， 所述仿生足驱 动单元包括依次连接的： 髋关节驱动电机、 大腿、 膝关节驱动电机、 小腿以及足掌， 所述膝关 节驱动电机同时连接所述大腿和所述小腿， 所述髋关节驱动电机与所述台架主体上部连 接， 所述足掌置 于所述土 槽及模拟土壤单 元中， 用以模拟仿生足的具体运动过程。 3.根据权利要求2所述的仿生足的足壤作用特性试验装置， 其特征在于， 所述髋 关节驱 动电机与所述台架主体上部通过螺栓连接； 所述大腿上部与所述髋关节驱动电机通过电机 转轴过盈配合， 所述大腿下部与膝关节驱动电机通过电机转轴 过盈配合； 所述小腿上部与 膝关节驱动电机通过电机转轴过盈配合。 4.根据权利要求3所述的仿生足的足壤作用特性试验装置， 其特征在于， 所述测控单元 包括： 分别设置在所述仿生 足驱动单元不同位置的扭矩传感器、 角位移传感器、 角加速度传 感器、 以及与小腿连接的三 维力传感器， 用于采集仿生 足驱动单元运动过程中扭矩参数、 角 位移参数、 角速度参数、 角加速度参数、 足端受力参数， 通过数据分析对仿生足进行相应运 动学分析以及动力学分析。 5.根据权利要求4所述的仿生足的足壤作用特性试验装置， 其特征在于， 所述扭矩传感 器， 角位移传感器以及角加速度传感器分别设置于所述髋关节驱动电机以及膝关节驱动电 机通过电机转轴配合， 用于获得运动过程中关节角变化以及扭矩情况； 所述三维力传感器 两端通过螺纹分别与所述小腿和所述足掌相连接， 用以测量 运动过程中足掌受力情况。 6.根据权利要求4所述的仿生足的足壤作用特性试验装置， 其特征在于， 所述小腿下部 与三维力传感器通过螺纹连接； 所述足掌一端与三维力传感器通过螺栓连接， 所述足掌另 一端至于土壤箱中。 7.根据权利要求1所述的仿生足的足壤作用特性试验装置， 其特征在于， 所述土槽及模 拟土壤单元包括： 与所述台架主体通过焊接连接的有机玻璃土壤箱， 以及装载在所述有机 玻璃土壤箱内的模拟土壤， 用以模拟试验所需不同土壤环境。 8.根据权利要求1所述的仿生足的足壤作用特性试验装置， 其特征在于， 所述台架主体 包括机架主体， 以及设置在机架主体下边的脚轮， 用于支撑整个试验装置， 并通过脚轮可移 动。 9.根据权利要求4所述的仿生足的足壤作用特性试验装置， 其特征在于， 所述扭矩传感 器包括第一扭矩传感器和 第二扭矩传感器， 所述角位移传感器包括第一角位移传感器和 第 二角位移传感器， 所述角加速度传感器包括第一角加速度传感器和第二角加速度传感器；权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115060475 A 2所述第一扭矩传感器、 第一角位移传感器、 第一角加速度传感器均与所述髋关节驱动 电机的转轴相连， 用于测量 运动过程中髋关节相应参数； 所述膝关节驱动电机与所述仿真小腿过盈配合； 所述第二扭矩传感器、 第二角位移传感器、 第二角加速度传感器均与所述膝关节驱动 电机转轴相连， 用于测量 运动过程中膝关节相应参数。 10.一种如权利要求1 ‑9任一项所述仿生足的足壤作用特性试验装置的试验测试方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 在所述土 槽及模拟土壤单 元的有机玻璃土壤箱中布置所需模拟土壤环境； 在三维力传感器下安装所需种类足垫， 依次连接髋 关节驱动电机、 大腿、 膝关节驱动电 机、 小腿以及足掌， 并将大腿以及小腿调整至相应位置， 使足掌下表面与土壤水平， 同时使 足掌在运动过程中可与土壤完全接触， 且不会与其它部件产生干涉； 通过测控单元输入髋关节驱动电机以及膝关节驱动电机相应的运动控制参数； 并控制 开启测控单元进行数据采集， 测控单元控制驱动单元进行运动， 并在试验过程中可通过有 机玻璃土壤箱 观察土壤 扰动情况； 并通过测控单元采集仿生足驱动单元运动过程中相应参数， 包括扭矩、 角位移、 角速 度、 角加速度、 足端受力； 控制单腿运动两至三个步态周期后， 停止驱动， 测控系统记录相应数据， 并通过数据分 析对仿生足进行相应运动学分析以及动力学分析。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115060475 A 3