一種仿生沙漠鞋底結(jié)構(gòu)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種仿鴕鳥足底結(jié)構(gòu)的仿生沙漠鞋底結(jié)構(gòu)，其是由鞋底中間的仿生凹面結(jié)構(gòu)、鞋底前端的仿生防滑結(jié)構(gòu)、鞋底兩側(cè)的固沙限流結(jié)構(gòu)、鞋底后跟的仿生冠狀鞋跟和過渡結(jié)構(gòu)構(gòu)成，過渡結(jié)構(gòu)的后端與仿生冠狀鞋跟相鄰，過渡結(jié)構(gòu)的前端與固沙限流結(jié)構(gòu)和仿生凹面結(jié)構(gòu)相鄰；仿生凹面結(jié)構(gòu)和固沙限流結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成一個(gè)空腔結(jié)構(gòu)，空腔結(jié)構(gòu)可降低沙地行走沉陷，增強(qiáng)前行沙面摩擦及推力，提高沙地行走效率；仿生防滑結(jié)構(gòu)和仿生冠狀鞋跟可減少沙地滑移，改善沙地行走穩(wěn)定性。
【專利說明】一種仿生沙漠鞋底結(jié)構(gòu)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制鞋技術(shù)，特別涉及一種仿鴕鳥足底結(jié)構(gòu)的仿生沙漠鞋底結(jié)構(gòu)。【背景技術(shù)】
[0002]沙漠科學(xué)考察、綜合治理以及資源開采要求科研工作者和工程人員深入沙漠腹地，對(duì)工作人員的體力和安全帶來了極大的挑戰(zhàn)。普通旅游鞋或越野鞋在沙地中抗沉陷和抗滑移能力低，穿普通旅游鞋在沙地中行走會(huì)增加工作人員體力消耗，同時(shí)也會(huì)增加受傷風(fēng)險(xiǎn)。另外，通過研究發(fā)現(xiàn)，月球和火星表面覆蓋的月壤及火星壤與沙漠中的松散沙土的物理力學(xué)特性極其相似，因此，宇航員在這類外星球表面活動(dòng)時(shí)也面臨著鞋底沉陷和滑移問題。因此，設(shè)計(jì)一種低沉陷、抗滑移的沙漠鞋對(duì)沙漠環(huán)境開發(fā)以及深空探測(cè)均具有重要價(jià)值和潛在應(yīng)用前景。
[0003]鴕鳥是生活在沙漠地帶的平胸類鳥，它不會(huì)飛翔，但在沙漠環(huán)境中具有超強(qiáng)的奔跑能力，每步跨越距離可達(dá)3.5~7米，持續(xù)奔跑速度約50~60km/h，可維持約30分鐘而不感覺累，沖刺速度超過70km/h，是沙漠中跑得最快的雙足動(dòng)物。通過鴕鳥的力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，鴕鳥優(yōu)越的越沙性能主要?dú)w因于其獨(dú)特的足底形貌結(jié)構(gòu)以及足底與沙土的作用方式。鴕鳥足僅兩趾(第III趾和第IV趾)，第III趾發(fā)達(dá)，趾底具有典型曲面形貌，趾前端有尖銳趾甲；第1￥趾較小，前端趾甲很小甚至退化消失。鴕鳥在沙漠環(huán)境運(yùn)動(dòng)時(shí)，尤其在奔跑過程中，鴕鳥足第III趾底曲面起到固沙及牽引的主要作用，并且第III趾前端趾甲插入沙土中起到固定防滑作用，而第IV趾僅在行走時(shí)起到保持平衡作用。因此，本發(fā)明基于鴕鳥足第III趾底曲面形貌和足趾甲結(jié)構(gòu)，并結(jié)合鴕鳥足底與沙土的作用方式，采用工程仿生學(xué)技術(shù)，設(shè)計(jì)出一種具有低沉陷和抗滑移性能，從而可在沙漠環(huán)境下具有高效和平穩(wěn)行走的仿生沙漠鞋底結(jié)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種仿生沙漠鞋底結(jié)構(gòu)，本發(fā)明具有良好的低沉陷和抗滑移能力，從而可在沙漠環(huán)境下具有高效和平穩(wěn)行走功能。
[0005]通過對(duì)鴕鳥足部結(jié)構(gòu)和行走姿態(tài)的研究，獲得鴕鳥足的解剖結(jié)構(gòu)以及鴕鳥足與沙地的作用方式:
[0006]鴕鳥足呈二趾結(jié)構(gòu)，即僅存第III和第IV趾。第III趾特別發(fā)達(dá)，趾底具有典型的中間凹槽面和足跟凸冠面。當(dāng)鴕鳥足在沙地奔跑時(shí)，鴕鳥足第III趾底中間凹槽面限制了沙土向后方流動(dòng)，而沙土流動(dòng)引起的沙土沉陷約占沙土沉陷量的76%，因此起著重要的固沙抗沉陷功能；同時(shí)，鴕鳥足第III趾底足跟凸冠面也在鴕鳥運(yùn)動(dòng)中起到防滑移的作用。
[0007] 當(dāng)鴕鳥在沙漠環(huán)境奔跑時(shí)，鴕鳥足第III趾底水平入沙，隨后足趾甲插入沙土中，鴕鳥足第III趾旋轉(zhuǎn)以傾斜方式蹬沙。研究結(jié)果表明，水平入沙可增大足底觸沙面積并有利于減少對(duì)沙的擾動(dòng)，從而降低沉陷量；同時(shí)，傾斜蹬沙有利于提高承載能力，在相同沉陷量情況下，與水平蹬沙方式相比，傾斜30°蹬沙使承載能力提高40%以上。[0008]使用本發(fā)明在沙漠中行走時(shí)能有效提高抗沉陷和抗滑移能力，進(jìn)而有效改善在沙漠中的行走效率和穩(wěn)定性。
[0009]本發(fā)明是由鞋底中間的仿生凹面結(jié)構(gòu)、鞋底前端的仿生防滑結(jié)構(gòu)、鞋底兩側(cè)的固沙限流結(jié)構(gòu)、鞋底后跟的仿生冠狀鞋跟和過渡結(jié)構(gòu)構(gòu)成，過渡結(jié)構(gòu)的后端與仿生冠狀鞋跟相鄰，過渡結(jié)構(gòu)的前端與固沙限流結(jié)構(gòu)和仿生凹面結(jié)構(gòu)相鄰；
[0010]所述的仿生凹面結(jié)構(gòu)是由仿生曲面和傾斜平面兩部分組成，仿生曲面通過提取鴕鳥足第III趾底中間凹槽面的中央脊線優(yōu)化設(shè)計(jì)而成；仿生曲面的剖面是一段弧線，半徑為R1，弧弦長(zhǎng)為L(zhǎng)1，與底面的最大角度為Q1，傾斜平面與仿生曲面相切，且與鞋底面的夾角為
θ 2。
[0011]鞋底兩側(cè)的固沙限流結(jié)構(gòu)是由梯形刺排列構(gòu)成；梯形刺為直角梯形，其底部的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，兩腰夾角為Θ 3，仿生凹面結(jié)構(gòu)和固沙限流結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成一個(gè)空腔結(jié)構(gòu)。
[0012]所述的仿生防滑結(jié)構(gòu)是由兩個(gè)仿足趾甲凹槽和矩形通槽組成，其中仿足趾甲凹槽基于鴕鳥足趾甲防滑固著作用，通過提取鴕鳥足趾甲中截面輪廓經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)而成。仿足趾甲凹槽的俯視圖為兩段距離為L(zhǎng)4的曲線，該曲線由兩段直線和一段與其相切的弧線構(gòu)成，直線長(zhǎng)度為L(zhǎng)3并與矩形通槽邊的夾角為Θ 4，弧線半徑為R2，弦長(zhǎng)為L(zhǎng)5，矩形通槽的寬度為L(zhǎng)6。
[0013]所述的仿生冠狀鞋跟是由三個(gè)冠狀單體構(gòu)成，冠狀單體由鴕鳥足第III趾底足跟凸冠面結(jié)構(gòu)仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)而成，冠狀單體的截面為一段弧線，弦長(zhǎng)L7,半徑為R3。
[0014]其中:
[0015]Θ ^34°，R1=GOmm, 1^=37.73mm，θ2=3。；
[0016]θ3=51°，L2=20mm ;
[0017]Θ 4=120。，R2=5mm，L3=I0.57mm，L4=6mm，L5=8.66mm，L6=IOmm ；
[0018]Θ 5=30°，R3=25mm，L7=28.32mm。
[0019]本發(fā)明的工作原理和有益效果:
[0020]本發(fā)明基于鴕鳥足第III趾底中間凹槽面，設(shè)計(jì)的鞋底中間仿生凹面結(jié)構(gòu)改善了固沙限流作用，增強(qiáng)了前行沙面摩擦及推力。當(dāng)該仿生凹面結(jié)構(gòu)受到垂直載荷時(shí)，仿生凹面的承壓面積較大，沙土受力后沿曲面向內(nèi)部流動(dòng)，從而減少沉陷，提高承載能力；該仿生凹面結(jié)構(gòu)在蹬沙過程中，仿生曲面與沙地呈θ1=34°傾角，在相同載荷條件下，沉陷量明顯減少；當(dāng)該仿生凹面結(jié)構(gòu)出沙時(shí)，多余沙土順著曲面下滑且不會(huì)殘留在鞋底表面，也不會(huì)產(chǎn)生“挑沙”現(xiàn)象。
[0021]鞋底兩側(cè)固沙限流結(jié)構(gòu)的梯形刺通過壓實(shí)和剪切沙土增強(qiáng)前行沙面摩擦，從而減少鞋底向后滑移，擋板部分可阻止沙土沿前行的垂直方向運(yùn)動(dòng)。仿生凹面結(jié)構(gòu)和固沙限流結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成一個(gè)空腔結(jié)構(gòu)。當(dāng)鞋底觸沙時(shí)，空腔結(jié)構(gòu)與沙面的接觸面積較小，對(duì)沙土擾動(dòng)弱；當(dāng)鞋底蹬沙時(shí)，空腔結(jié)構(gòu)與沙土接觸面積增大并發(fā)揮固沙限流作用，從而改善了鞋底抗沉陷和前行推力作用。
[0022]基于鴕鳥趾甲防滑固著作用，通過提取鴕鳥趾甲中截面輪廓經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿生防滑結(jié)構(gòu)具有抗沙滑移能力。當(dāng)鞋底向下入沙運(yùn)動(dòng)時(shí)，沙土沿矩形通槽運(yùn)動(dòng)，可減緩鞋尖部位對(duì)沙土的壓實(shí)作用，有利于仿生防滑結(jié)構(gòu)插入沙土中，并使沙土填充仿足趾甲凹槽的部分空間；當(dāng)鞋底后蹬時(shí)，仿生防滑結(jié)構(gòu)的仿足趾甲凹槽和矩形通槽共同與沙土產(chǎn)生剪切作用，減少鞋底與沙土之間的前進(jìn)滑移。
[0023]仿鴕鳥足第III趾底足跟凸冠面的仿生冠狀鞋跟可增大與沙面的接觸面積，限制沙土沿前進(jìn)方向移動(dòng)，降低鞋底前行滑移，減少沉陷并提高前行推力。當(dāng)鞋底水平入沙時(shí)，冠狀單體的弧線與沙面的最大夾角為θ5=36°，有效提高了承載能力，從而減少沉陷；當(dāng)鞋底蹬沙時(shí)，鞋跟限制沙土沿前進(jìn)方向流動(dòng)，從而減少降低了鞋底前進(jìn)滑移，增強(qiáng)了前進(jìn)推力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的立體示意圖。
[0025]圖2是本發(fā)明的主視圖。
[0026]圖3是圖2中的B— B剖視圖。
[0027]圖4是圖2中的A— A剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]請(qǐng)參閱圖1和圖2所示，本發(fā)明是由鞋底中間的仿生凹面結(jié)構(gòu)1、鞋底前端的仿生防滑結(jié)構(gòu)2、鞋底兩側(cè)的固沙限流結(jié)構(gòu)3、鞋底后跟的仿生冠狀鞋跟5和過渡結(jié)構(gòu)4構(gòu)成，過渡結(jié)構(gòu)4的后端與仿生冠狀鞋跟5相鄰，過渡結(jié)構(gòu)4的前端與固沙限流結(jié)構(gòu)3和仿生凹面結(jié)構(gòu)I相鄰；
[0029]如圖1、圖2和圖3所示，所述的仿生凹面結(jié)構(gòu)I是由仿生曲面6和傾斜平面7兩部分組成，仿生曲面6通過提取鴕鳥足第III趾底中間凹槽面的中央脊線優(yōu)化設(shè)計(jì)而成；仿生曲面6的剖面是一段弧線，半徑為R1，弧弦長(zhǎng)為L(zhǎng)1，與底面的最大角度為Θ i，傾斜平面7與仿生曲面6相切，且與鞋底面的夾角為θ2。
[0030]如圖圖1和圖3所示，鞋底兩側(cè)的固沙限流結(jié)構(gòu)3是由梯形刺8排列構(gòu)成；梯形刺8為直角梯形，其底部的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，兩腰夾角為θ3，仿生凹面結(jié)構(gòu)I和固沙限流結(jié)構(gòu)3共同構(gòu)成一個(gè)空腔結(jié)構(gòu)。
[0031]如圖1所示，仿生防滑結(jié)構(gòu)2是由兩個(gè)仿足趾甲凹槽9和矩形通槽10組成，其中仿足趾甲凹槽9基于鴕鳥足趾甲防滑固著作用，通過提取鴕鳥足趾甲中截面輪廓經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)而成。仿足趾甲凹槽9的俯視圖為兩段距離為L(zhǎng)4的曲線，該曲線由兩段直線和一段與其相切的弧線構(gòu)成，直線長(zhǎng)度為L(zhǎng)3并與矩形通槽9邊的夾角為Θ 4，弧線半徑為R2,弦長(zhǎng)為L(zhǎng)5,矩形通槽10的寬度為L(zhǎng)6。
[0032]如圖4所示，仿生冠狀鞋跟5是由三個(gè)冠狀單體11構(gòu)成，冠狀單體11由鴕鳥足第III趾底足跟凸冠面結(jié)構(gòu)仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)而成，冠狀單體10的截面為一段弧線，弦長(zhǎng)L7,半徑為R3。
[0033]其中:
[0034]Θ 1=34°，R1=GOmm, 1^=37.73mm，θ2=3° ；
[0035]θ3=51°，L2=20mm ;
[0036]Θ 4=120。，R2=5mm，L3=I0.57mm，L4=6mm，L5=8.66mm，L6=IOmm ；
[0037]Θ 5=30°，R3=25mm，L7=28.32mm。
[0038]本實(shí)施例的工作原理和有益效果:
[0039]本發(fā)明基于鴕鳥足第III趾底中間凹槽面，設(shè)計(jì)的鞋底中間仿生凹面結(jié)構(gòu)I改善了固沙限流作用，增強(qiáng)了前行沙面摩擦及推力。當(dāng)該仿生凹面結(jié)構(gòu)I受到垂直載荷時(shí)，仿生凹面的承壓面積較大，沙土受力后沿曲面向內(nèi)部流動(dòng)，從而減少沉陷，提高承載能力；該仿生凹面結(jié)構(gòu)I在蹬沙過程中，仿生曲面與沙地呈9:=34°傾角，在相同載荷條件下，沉陷量明顯減少；當(dāng)該仿生凹面結(jié)構(gòu)I出沙時(shí)，多余沙土順著曲面下滑且不會(huì)殘留在鞋底表面，也不會(huì)產(chǎn)生“挑沙”現(xiàn)象。
[0040]鞋底兩側(cè)固沙限流結(jié)構(gòu)3的梯形刺8通過壓實(shí)和剪切沙土增強(qiáng)前行沙面摩擦，從而減少鞋底向后滑移，擋板部分可阻止沙土沿前行的垂直方向運(yùn)動(dòng)。仿生凹面結(jié)構(gòu)I和固沙限流結(jié)構(gòu)3共同構(gòu)成一個(gè)空腔結(jié)構(gòu)。當(dāng)鞋底觸沙時(shí)，空腔結(jié)構(gòu)與沙面的接觸面積較小，對(duì)沙土擾動(dòng)弱；當(dāng)鞋底蹬沙時(shí)，空腔結(jié)構(gòu)與沙土接觸面積增大并發(fā)揮固沙限流作用，從而改善了鞋底抗沉陷和前行推力作用。
[0041 ] 基于鴕鳥趾甲防滑固著作用，通過提取鴕鳥趾甲中截面輪廓經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿生防滑結(jié)構(gòu)2具有抗沙滑移能力。當(dāng)鞋底向下入沙運(yùn)動(dòng)時(shí)，沙土沿矩形通槽10運(yùn)動(dòng)，可減緩鞋尖部位對(duì)沙土的壓實(shí)作用，有利于仿生防滑結(jié)構(gòu)2插入沙土中，并使沙土填充仿足趾甲凹槽9的部分空間；當(dāng)鞋底后蹬時(shí)，仿生防滑結(jié)構(gòu)2的仿足趾甲凹槽9和矩形通槽10共同與沙土產(chǎn)生剪切作用，減少鞋底與沙土之間的前進(jìn)滑移。
[0042]仿鴕鳥足第III趾底足跟凸冠面的仿生冠狀鞋跟5可增大與沙面的接觸面積，限制沙土沿前進(jìn)方向移動(dòng)，降低鞋底前行滑移，減少沉陷并提高前行推力。當(dāng)鞋底水平入沙時(shí)，冠狀單體11的弧線與沙面的最大夾角為θ5=36°，有效提高了承載能力，從而減少沉陷；當(dāng)鞋底蹬沙時(shí)，鞋跟限制沙土沿前進(jìn)方向流動(dòng)，從而減少降低了鞋底前進(jìn)滑移，增強(qiáng)了前進(jìn)推力。
【權(quán)利要求】
1.一種仿生沙漠鞋底結(jié)構(gòu)，其特征在于:是由鞋底中間的仿生凹面結(jié)構(gòu)(I)、鞋底前端的仿生防滑結(jié)構(gòu)(2)、鞋底兩側(cè)的固沙限流結(jié)構(gòu)(3)、鞋底后跟的仿生冠狀鞋跟(5)和過渡結(jié)構(gòu)(4)構(gòu)成，過渡結(jié)構(gòu)(4)的后端與仿生冠狀鞋跟(5)相鄰，過渡結(jié)構(gòu)(4)的前端與固沙限流結(jié)構(gòu)(3)和仿生凹面結(jié)構(gòu)(I)相鄰； 所述的仿生凹面結(jié)構(gòu)(I)是由仿生曲面(6)和傾斜平面(7)兩部分組成，仿生曲面(6)的剖面是一段弧線，半徑為R1，弧弦長(zhǎng)為L(zhǎng)1，與底面的最大角度為Q1，傾斜平面(7)與仿生曲面(6)相切，且與鞋底面的夾角為θ2; 所述的固沙限流結(jié)構(gòu)(3)是由梯形刺(8)排列構(gòu)成；梯形刺(8)為直角梯形，其底部的長(zhǎng)度為L(zhǎng)2，兩腰夾角為θ3，仿生凹面結(jié)構(gòu)(I)和固沙限流結(jié)構(gòu)(3)共同構(gòu)成一個(gè)空腔結(jié)構(gòu)； 所述的仿生防滑結(jié)構(gòu)(2)是由兩個(gè)仿足趾甲凹槽(9)和矩形通槽(10)組成，仿足趾甲凹槽(9)為兩段距離為L(zhǎng)4的曲線，該曲線由兩段直線和一段與其相切的弧線構(gòu)成，直線長(zhǎng)度為L(zhǎng)3并與矩形通槽(9)邊的夾角為Θ 4,弧線半徑為R2,弦長(zhǎng)為L(zhǎng)5,矩形通槽(10)的寬度為1.所述的仿生冠狀鞋跟(5)是由三個(gè)冠狀單體(11)構(gòu)成，冠狀單體10的截面為一段弧線，弦長(zhǎng)L7，半徑為R3;
Θ ^34°，R1=GOmm, 1^=37.73mm，θ2=3° ；
θ3=51°，L2=20mm ;
θ 4=120°，R2=5mm，L3=I0.57mm，L4=6mm，L5=8.66mm，L6=IOmm ；
Θ 5=30°，R 3=25mm，L7=28.32mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿生沙漠鞋底結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述的仿生曲面(6)通過提取鴕鳥足第III趾底中間凹槽面的中央脊線優(yōu)化設(shè)計(jì)而成；所述的仿足趾甲凹槽(9)通過提取鴕鳥足趾甲中截面輪廓經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)而成；所述的冠狀單體(11)是由鴕鳥足第III趾底足跟凸冠面結(jié)構(gòu)仿生優(yōu)化設(shè)計(jì)而成。
【文檔編號(hào)】A43B13/22GK103932447SQ201410155145
【公開日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月17日
【發(fā)明者】張銳, 羅剛, 楊明明, 薛書亮, 劉海寶, 曾桂銀, 李建橋 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)