CN101058036A - 仿生蝗虫跳跃机器人 - Google Patents

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本发明提供的是仿生蝗虫跳跃机器人。它包括机体、前腿支撑减震机构、后腿起跳机构；前腿支撑减震机构包括铰接在机体上的套筒，一端穿在套筒上、另一端与掌片固定的支撑杆，支撑杆上套有压簧；后腿起跳机构包括机体支撑杆、过渡连杆、小腿、大腿、蹬地爪片，机体支撑杆固定在机体上、一端与大腿铰接、另外一端与过渡连杆铰接，小腿中部与过渡连杆铰接、一端与大腿铰接、末端与蹬地爪片相连，大腿与小腿的铰接点与机体支撑杆与过渡杆的铰接点之间连接有弹簧；机体两侧的小腿，通过小腿连杆连接在一起；在机体内设置有能量储存装置、能量释放装置、控制电路和电源。本发明符合蝗虫的跳跃运动特点，结构简单、高效，可以实现立即起跳，连续跳跃前进。

Description

仿生蝗虫跳跃机器人
(一)技术领域
本发明涉及的是一种机器人，具体地说是一种跳跃机器人。
(二)背景技术
目前，对于跳跃型机器人的研究在国际上尚处于研究性阶段，在我国也仅有个别高校在近些年开展了相关课题的研究。
最早的弹跳机器人由Raibert于1980年在麻省理工学院机器人实验室研制成功，该机器人属于连续性跳跃机构，Raibert分析了单足跳跃机器人的起跳姿态控制以及落地时的足部定位算法问题，目前已取得一些理论研究成果。在实验室中已实现自主稳定跳跃、越障等功能，并可完成翻跟斗等动作。很多学者从各个角度对类似机构进行了数学分析与仿真。
美国国家航空宇航局(NASA)下属的喷气动力实验室(JPL)与加利福尼亚技术学院联合研制了系列弹跳机，用于扩大星际探索中漫游车的活动范围。其中一种蛙形弹跳机重1.3公斤，一个驱动电机由太阳能电池供电，配有微型摄像机及各种传感器用于采集外界信息，最大跳跃高度可达1.8米，在火星上预计可达5-6米。这一成果被刊登于美国当年的《发现》杂志上。美国明尼苏达大学2000年研制出一种弹跳机器人，直径4厘米，可以跳跃、滚动和停止，通过无线电和其他“侦察兵”联系。跳跃由安在机器人腿内的弹簧机构产生的，类似人的单腿跳动。这种机器人可以登楼梯，也可以跳过小的障碍物，还有两个独立的轮子帮助机器人在需要时滚到一定的位置。这种机器人主要面向室内环境，双轮结构以及低重心使其非常适合在光滑地板上运动。此外美国圣地亚国家实验室、麻省理工学院，瑞士苏黎世大学也分别试制出具有弹跳功能的机器人。美国犹他州大学2001年还专门举办过弹跳机器人大赛。
在国内，2003年初，南京航空航天大学朱剑英教授率先带领其工作队伍开始进行跳跃机器人的相关研究，并获得了国家自然科学基金项目和国防科工委的立项资助，其主要对国际上现已公布的跳跃机器人方案进行系统的研究，并根据部分理论做出了几个跳跃机器人的样机，进行测试，但效果并不是很好。西北工业大学和哈尔滨工业大学近两年也开展了相关的研究项目，前者主要进行仿袋鼠的跳跃机理，受国家自然科学基金资助，开展了大量的理论研究，后者主要进行仿蝗虫的跳跃机理，运用国际上较为成熟的跳跃理论开展运动分析，得到不少实验数据，但是其根据理论制作的实验样机跳跃效果极差，与仿真值相差数十倍。
还有部分跳跃机构，主要是应用在以些玩具等简易产品上，例如专利申请号为93205905.8，名称为“简易跳跃式步行玩具”的实用新型专利中公开的技术方案等。它是在机体上安装前后腿机构，通过人体来带动实现简单的跳跃。这些结构不可能用于自动化机器人的设计中。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种能够平稳起跳，跳跃距离理想，同时能够平稳着陆，实现连续跳跃，耗能低，能够实现自动控制，适用于复杂环境的机器人仿生蝗虫跳跃机器人。
本发明的目的是这样实现的：它包括机体，在机体前端两侧安装有前腿支撑减震机构，在机体后端两侧安装有后腿起跳机构；前腿支撑减震机构包括铰接在机体上的套筒10，一端穿在套筒上、另一端与掌片13固定的支撑杆12，支撑杆上套有压簧11；后腿起跳机构包括机体支撑杆4、过渡连杆5、小腿6、大腿7、蹬地爪片8，机体支撑杆固定在机体1上、一端与大腿铰接、另外一端与过渡连杆铰接，小腿中部与过渡连杆铰接、一端与大腿铰接、末端与蹬地爪片相连，大腿与小腿的铰接点与机体支撑杆与过渡杆的铰接点之间连接有弹簧21；机体两侧的小腿，通过小腿连杆18连接在一起；在机体内设置有能量储存装置、能量释放装置、控制电路和电源，小腿连杆与能量储存装置和能量释放装置相连，电源与控制电路相连，控制电路连接能量储存装置和能量释放装置。
本发明还可以包括这样一些结构特征：
1、所述的小腿中部与过渡连杆铰接处的转轴孔所处位于小腿整体杆长的1/4处。
2、后腿起跳机构中的机体支撑杆(4)、过渡连杆(5)、小腿(6)、大腿(7)相互铰接所组成的四杆机构的各杆长比例为1.1∶1.5∶2∶1。
3、所述的能量储存装置包括卷线轮3和卷线电机2，小腿连杆通过拉线9连接到卷线轮3上，卷线轮安装在卷线电机2上，所述的控制电路连接能量储存装置是与卷线电机相连。
4、所述的能量释放装置包括卡钩和微型舵机，卡钩14安装在机体1上，卡钩上固定有拉线15和皮筋16，卡钩头部通过拉线与微型舵机17相连，卡钩另一端通过皮筋连在机体上，舵机固定在机体上，所述的控制电路连接能量释放装置是与舵机相连。
本发明根据仿生学原理，设计的机构符合蝗虫的跳跃运动特点，结构简单、高效。通过设定程序，本机器人可以实现立即起跳，连续跳跃前进。
本发明的工作过程，首先对所处地形情况进行分析了解，将跳跃角度、高度信息提供给控制部分19。在给出信号指令后，控制部分19开始按照预定的程序执行，卷线电机2转动，带动卷线轮3将尼龙线9缠绕在卷线轮上，使小腿连杆18带动小腿6收向机体，过渡连杆5、大腿7按照预定曲线相对运动，使弹簧21张开，储存能量；当小腿连杆18被收至卡钩14处时，卡入卡钩内，实现机械限位，此时，卷线电机2反转，将尼龙线9从卷线轮3中完全释放出来；当要跳跃时，给控制部分19一信号，控制部分19发出位置信号给舵机17，舵机转动预定角度，拉动拉线15，带动卡钩14，将小腿连杆18瞬时释放，弹簧21带动过渡连杆5、大腿7、小腿6相对快速运动，蹬地爪8急蹬地面，实现起跳。
仿生蝗虫跳跃机器人在许多领域具有广泛的应用前景：复杂环境场所的地形勘探、侦查、紧急避险等；星际科考中作为载体，搭载相关设施进行科学考察等。本发明在科学考察、国防应用中起着重要作用，其高效性、节能性、可靠性都是非常具有现实意义的。
(四)附图说明
图1是本发明的外部结构示意图；
图2是本发明的内部结构示意图；
图3前腿减震机构的结构示意图；
图4能量释放装置的结构示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1和图2，仿生蝗虫跳跃机器人的组成它包括机体，在机体前端两侧安装有前腿支撑减震机构，在机体后端两侧安装有后腿起跳机构；同时结合图3，前腿支撑减震机构包括铰接在机体上的套筒10，一端穿在套筒上、另一端与掌片13固定的支撑杆12，支撑杆上套有压簧11；后腿起跳机构包括机体支撑杆4、过渡连杆5、小腿6、大腿7、蹬地爪片8，机体支撑杆固定在机体1上、一端与大腿铰接、另外一端与过渡连杆铰接，小腿中部与过渡连杆铰接、一端与大腿铰接、末端与蹬地爪片相连，大腿与小腿的铰接点与机体支撑杆与过渡杆的铰接点之间连接有弹簧21；机体两侧的小腿，通过小腿连杆18连接在一起；在机体内设置有能量储存装置、能量释放装置、控制电路19和电源20，小腿连杆与能量储存装置和能量释放装置相连，电源与控制电路相连，控制电路连接能量储存装置和能量释放装置。所述的能量储存装置包括卷线轮3和卷线电机2，小腿连杆通过拉线9连接到卷线轮3上，卷线轮安装在卷线电机2上，所述的控制电路连接能量储存装置是与卷线电机相连。所述的能量释放装置，如图4所示，包括卡钩和微型舵机，卡钩14安装在机体1上，卡钩上固定有拉线15和皮筋16，卡钩头部通过拉线与微型舵机17相连，卡钩另一端通过皮筋连在机体上，舵机固定在机体上，所述的控制电路连接能量释放装置是与舵机相连。
其中机体连杆4、过渡连杆5、小腿6、大腿7按照比例1.1∶1.5∶0.5∶1相互连接，组成四杆机构，机体1两侧小腿6在根部通过小腿连杆18相互连在一起；小腿连杆18通过尼龙拉线9连接到卷线轮3上；控制部分与卷线电机2和舵机17间为电连接，卷线电机2输出轴与卷线轮3之间使用销连接，舵机17输出舵角片与拉线15粘接，卡钩14通过销轴固定在机体1上，一端穿皮筋16与机体相连，另一端穿拉线15连接到舵机17输出舵角片上；卷线电机2、舵机17、控制电路板19、电源20固定在机体内侧。

Claims (6)

1、一种仿生蝗虫跳跃机器人，它包括机体，在机体前端两侧安装有前腿支撑减震机构，在机体后端两侧安装有后腿起跳机构；其特征是：前腿支撑减震机构包括铰接在机体上的套筒(10)，一端穿在套筒上、另一端与掌片(13)固定的支撑杆(12)，支撑杆上套有压簧(11)；后腿起跳机构包括机体支撑杆(4)、过渡连杆(5)、小腿(6)、大腿(7)、蹬地爪片(8)，机体支撑杆固定在机体(1)上、一端与大腿铰接、另外一端与过渡连杆铰接，小腿中部与过渡连杆铰接、一端与大腿铰接、末端与蹬地爪片相连，大腿与小腿的铰接点与机体支撑杆与过渡杆的铰接点之间连接有弹簧(21)；机体两侧的小腿，通过小腿连杆(18)连接在一起；在机体内设置有能量储存装置、能量释放装置、控制电路和电源，小腿连杆与能量储存装置和能量释放装置相连，电源与控制电路相连，控制电路连接能量储存装置和能量释放装置。
2、根据权利要求1所述的仿生蝗虫跳跃机器人，其特征是：所述的小腿中部与过渡连杆铰接处的转轴孔所处位于小腿整体杆长的1/4处。
3、根据权利要求2所述的仿生蝗虫跳跃机器人，其特征是：后腿起跳机构中的机体支撑杆(4)、过渡连杆(5)、小腿(6)、大腿(7)相互铰接所组成的四杆机构的各杆长比例为1.1∶1.5∶2∶1。
4、根据权利要求1、2或3所述的仿生蝗虫跳跃机器人，其特征是：所述的能量储存装置包括卷线轮(3)和卷线电机(2)，小腿连杆通过拉线(9)连接到卷线轮(3)上，卷线轮安装在卷线电机(2)上，所述的控制电路连接能量储存装置是与卷线电机相连。
5、根据权利要求1、2或3所述的仿生蝗虫跳跃机器人，其特征是：所述的能量释放装置包括卡钩和微型舵机，卡钩(14)安装在机体(1)上，卡钩上固定有拉线(15)和皮筋(16)，卡钩头部通过拉线与微型舵机(17)相连，卡钩另一端通过皮筋连在机体上，舵机固定在机体上，所述的控制电路连接能量释放装置是与舵机相连。
6、根据权利要求4所述的仿生蝗虫跳跃机器人，其特征是：所述的能量释放装置包括卡钩和微型舵机，卡钩(14)安装在机体(1)上，卡钩上固定有拉线(15)和皮筋(16)，卡钩头部通过拉线与微型舵机(17)相连，卡钩另一端通过皮筋连在机体上，舵机固定在机体上，所述的控制电路连接能量释放装置是与舵机相连。
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