CN101767615A - 蛙式机器人腿部弹跳机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蛙式机器人腿部弹跳结构，在导杆上套有拉力弹簧，弹簧末端和髋关节相连，弹簧上端和滑块相连，导杆、滑块、斜撑杆、大腿和关节共同构成曲柄滑块结构。腿部结构由大腿、小腿、连杆和关节组成，在腿部结构中含有两个四杆机构的组合。通过控制滑块在导杆上的滑动，可以调节腿部机构的伸展和收缩。机器人脚掌形状呈弧形，在足底装有足垫。本发明机械结构模拟青蛙骨骼，优化了腿部结构，提高了动力元件的能量利用率，增加了机械结构的柔性，提高了机器人的跳跃能力。

Description

蛙式机器人腿部弹跳机构

技术领域

本发明涉及一种机器人结构，具体地说是一种蛙式机器人腿部弹跳机构。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，在面对恶劣的环境和复杂的地形时，运用机器人的弹跳功能来增强其地形适应和自主运动的能力，是近年来发展较快的一种机器人技术。具有弹跳性能的机器人目前在国际尚处于研究阶段，在国内也仅有个别院校进行相关研究。由于此类机器人研制难度很大，涉及的很多关键技术保密性很强，故公开资料很少。

国际上，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组空定位算法问题，目前已取得了一些理论研究成果，在实验室中已实现自主稳定跳跃、越障等功能。

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团队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。

专利申请号为200810017793.2名称为“仿袋鼠腿型跳跃机器人结构”的专利申请，公开了一种仿袋鼠腿型跳跃机器人结构，在机体上安装负载，机体下侧通过支撑架连接机器人膝关节，机器人膝关节通过腿部轴与机器人小腿连接，小腿的下端为机器人踝关节，脚掌与小腿在踝关节处通过脚掌轴连接，踝关节同时位于脚掌的1/3处，脚掌与脚趾通过脚趾轴连接，脚趾轴位于脚掌前端，下置弹簧一端安装与脚掌后端，一端安装于小腿的2/5处，上置弹簧一端安装于小腿上端，一端安装于机体的1/2处；动力机构通过上耳环和下耳环分别与小腿和脚掌连接。

该方案存在以下缺点：

1、所设计腿部结构中，只包括小腿和脚掌，没有对大腿进行相关研究与设计，忽略了腿部结构的完整性，不符合仿生学原理。

2、驱动元件安装于脚掌和小腿前方，驱动元件的收缩/释放运动与腿部的机械运动在结构上相互制约，不仅降低了机器人的弹跳能力，而且破坏了腿部的仿生结构。

3、整个腿部结构在弹跳时的伸展幅度较小，限制了弹跳的高度与距离。

4、脚部与地面的接触面积较小，在起跳时不能获得足够大的静磨擦力，在着陆时不能保持机器人身体的稳定。

5、在跳跃过程的落地瞬间通过脚趾的关节来减震，不能良好地缓解刚性冲击。

发明内容

为了解决弹跳机构复杂、弹跳效率不高、落地稳定性以及缓解着陆瞬间刚性冲击等问题，本发明提供了一种结构简单、仿生程度高、着陆稳定好、弹跳效率高并且具有一定柔性的蛙式机器人腿部弹跳机构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种蛙式机器人腿部弹跳结构，其特征在于，包括：

一曲柄滑块机构，由导杆、滑块、髋关节、关节、斜撑杆、中间关节和大腿组成，在导杆上装有拉力弹簧，拉力弹簧两端分别与滑块和髋关节相连，滑块下方与关节螺栓固接，关节与中间关节通过斜撑杆连接，中间关节周向固定于大腿中部；

一腿部机构总成，由大腿、大腿连杆、膝关节、小腿连杆、小腿和踝关节组成，大腿上端和髋关节相连，下端与膝关节相连，小腿上端与膝关节相连，下端与踝关节相连，大腿连杆两端分别铰接于中间关节和膝关节，小腿连杆两端分别铰接于膝关节和踝关节；

一脚部机构，包括一脚部，采用弧形结构，上端与踝关节相连，下端底部粘贴有足垫。

作为本发明的优选方案，所述机器人腿部结构的拉力弹簧套于导杆上，可在滑块的作用下形变。其有益效果是扩大了动力元件的机械运动范围，提高了动力元件的利用率，同时解放了腿部机械结构。

作为本发明的优选方案，所述机器人的导杆、滑块、髋关节、关节、斜撑杆、中间关节和大腿共同组成曲柄滑块机构。其有益效果是模拟了青蛙的腰部与腿部的连接关系，提高了传动效率，同时增加了机械结构的仿生效果。

作为本发明的优选方案，所述机器人腿部采用连杆机构，中间关节、大腿连杆、膝关节和大腿共同组成四杆机构。小腿连杆、膝关节、小腿和踝关节共同组成四杆机构。其有益效果是模拟了青蛙腿部的骨骼与肌肉结构，增加了机械结构的仿生效果、提高了机械结构的稳定性。

作为本发明的优选方案，所述机器人腿部结构中导杆、大腿、小腿以及脚部的长度均近似相等。其有益效果是模拟了青蛙腿部骨骼间的长度比例关系，增加了机械结构的仿生效果。

作为本发明的优选方案，所述机器人腿部结构的脚部采用弧形结构，由弹性材料制成。其有益效果是模拟青蛙脚部的骨骼结构，提高了机械结构的仿生效果，增加了机械结构的柔性，降低了机器人在着陆时受到了刚性冲击。

作为本发明的优选方案，所述机器人腿部结构的脚部14在底部装有足垫15。其有益效果是增加了脚掌与地面的摩擦系数，降低机器人在着陆时受到的刚性冲击。

本发明工作时，具体过程如下：

1、腿部收缩：滑块在外力的作用下沿导杆向远离髋关节方向滑动，拉力弹簧在滑块带动下产生形变，同时大腿在斜撑杆的牵引下以髋关节为圆心顺时针摆动，髋关节的张角逐渐减小。小腿在膝关节的作用下以膝关节为圆心逆时针摆动，膝关节在大腿连杆的牵引下逆时针转动，同时膝关节的张角逐渐减小。脚部在踝关节作用下以踝关节为圆心顺时针摆动，踝关节在小腿连杆的牵引下顺时针转动，同时踝关节的张角逐渐减小。当滑块运动到最远端时，腿部已完全收缩，完成起跳准备动作。

2、腿部伸展：当作用在滑块上的外力消失时，拉力弹簧开始恢复形变，滑块迅速向髋关节方向滑动。大腿在斜撑杆与中间关节的牵引下以髋关节为圆心逆时针摆动，髋关节的张角迅速增大。小腿在膝关节的作用下以膝关节为圆心顺时针摆动，膝关节在大腿连杆的牵引下顺时针转动，同时膝关节的张角迅速增大。足部在踝关节作用下以踝关节为圆心逆时针摆动，踝关节在小腿连杆的牵引下逆时针转动，同时踝关节的张角迅速增大。当滑块运动到与髋关节的最近距离时，腿部已完全释放，完成跳跃动作。

本发明的整体有益效果是：

一、将动力元件与腿部结构分离，扩大了动力元件的机械运动范围，同时解放了腿部机械结构。

二、根据仿生设计原理，对青蛙的骨骼结构进行模拟，因此腿部在完全伸展条件下的长度占总机体长度的3/4，其中脚部的有效行程是弹簧形变量的3.5倍，大幅提高了驱动元件的能量利用率和腿部利用率。

三、对腿部结构进行柔性设计，使机器人在着陆时受到的刚性冲击大幅减小，提高了机器人在着陆时的姿态稳定性，并对机械结构起到了良好的保护作用。

综上，本发明提高了机器人驱动元件的利用率，优化了腿部机械结构；提高了机器人的仿生程度，增强了机器人的跳跃能力；提高了机器人机械机构的柔性，增强了跳跃过程的姿态稳定性。

附图说明

图1为蛙式机器人腿部结构示意图；

图2为蛙式机器人腿部结构完全收缩图；

图3为蛙式机器人腿部结构完全伸展图；

图4为蛙式机器人腿部结构的脚掌结构示意图。

图中，1-导杆；2-滑块；3-拉力弹簧；4-髋关节，5-关节；6-斜撑杆；7-中间关节；8-大腿；9-大腿连杆；10-膝关节；11-小腿连杆；12-小腿；13-踝关节；14-脚部；15-足垫；41、42、52、71、102、103、132-套筒；51、72、73、101、104、131、133-铰链座。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。

装置实施例：参照图1，本发明的一种蛙式机器人腿部弹跳结构，包括：一曲柄滑块机构，由导杆1、滑块2、髋关节4、关节5、斜撑杆6、中间关节7和大腿8组成，在导杆上装有拉力弹簧3，拉力弹簧3两端分别与滑块2和髋关节4相连，滑块2下方与关节5螺栓固接，关节5与中间关节7通过斜撑杆6连接，中间关节7周向固定于大腿8中部；一腿部机构总成，由大腿8、大腿连杆9、膝关节10、小腿连杆11、小腿12和踝关节13组成，大腿8上端和髋关节4相连，下端与膝关节10相连，小腿12上端与膝关节10相连，下端与踝关节13相连，大腿连杆9两端分别铰接于中间关节7和膝关节10，小腿连杆11两端分别铰接于膝关节10和踝关节13；一脚部机构，包括一脚部14，采用弧形结构，上端与踝关节13相连，下端底部粘贴有足垫15。其中，导杆1末端周向固定于套筒41，套筒42与套筒41铰接组成髋关节4。铰链座51螺栓固接于滑块2，同时与套筒52铰接组成关节5。斜撑杆6上端周向固定于套筒52，下端固定于套筒71，套筒71与铰链座73铰接组成中间关节7，中间关节7周向固定于大腿8中部，大腿8上端周向固定于套筒42，下端周向固定于套筒103，套筒103与套筒102铰接组成膝关节10，其上部铰链座101与中间关节7的铰链座72通过连杆9铰接。小腿12上端周向固定于套筒102，下端周向固定于套筒132，套筒132与铰链座133铰接组成踝关节13，其上部铰链座131与膝关节10的铰链座104通过连杆11铰接。脚部14上端与铰链座133下端铆接，足垫15粘贴于脚部14底侧，脚部14采用弧形结构，弹性材料制成。

参照图2，为蛙式机器人腿部完全收缩姿态，机体竖直高度为480mm。滑块2在外力的作用下沿导杆1已运动至距离髋关节4最远端，拉力弹簧3在滑块2带动下已产生最大形变，髋关节4的张角为15°、膝关节10的张角为9°，踝关节13的张角为75°。此时脚掌与地面完全接触，机器人重心已降至最低，能量储备工作已经结束，蓄势待发。

参照图3，为蛙式机器人腿部完全伸展姿态，机体竖直高度为1350mm。滑块2在拉力弹簧3的作用下沿导杆1已运动至距离髋关节4最近端，拉力弹簧3此时已完全恢复形变，髋关节4的张角为95°、膝关节10的张角为134°、踝关节13的张角为180°。此时脚掌已完全脱离地面，机器人重心已升至最高，能量释放工作已经结束，腾空而起。

参照图4，为脚部结构示意图，在其中上部采用弧形结构，增加了腿部的柔性，在脚部底侧粘贴有足垫，增大了脚掌与地面的静摩擦力，同时还可减小机器人在着陆时脚部受到的刚性冲击。

Claims (5)

1.一种蛙式机器人腿部弹跳结构，其特征在于，包括：

一曲柄滑块机构，由导杆(1)、滑块(2)、髋关节(4)、关节(5)、斜撑杆(6)、中间关节(7)和大腿(8)组成，在导杆上装有拉力弹簧(3)，拉力弹簧(3)两端分别与滑块(2)和髋关节(4)相连，滑块(2)下方与关节(5)螺栓固接，关节(5)与中间关节(7)通过斜撑杆(6)连接，中间关节(7)周向固定于大腿(8)中部；

一腿部机构总成，由大腿(8)、大腿连杆(9)、膝关节(10)、小腿连杆(11)、小腿(12)和踝关节(13)组成，大腿(8)上端和髋关节(4)相连，下端与膝关节(10)相连，小腿(12)上端与膝关节(10)相连，下端与踝关节(13)相连，大腿连杆(9)两端分别铰接于中间关节(7)和膝关节(10)，小腿连杆(11)两端分别铰接于膝关节(10)和踝关节(13)；一脚部机构，包括一脚部(14)，采用弧形结构，上端与踝关节(13)相连，下端底部粘贴有足垫(15)。

2.根据权利要求1所述的蛙式机器人腿部弹跳结构，其特征在于：所述拉力弹簧(3)套于导杆(1)上，可在滑块(2)的作用下形变。

3.根据权利要求1所述的蛙式机器人腿部弹跳结构，其特征在于：所述中间关节(7)、大腿(8)、大腿连杆(9)和膝关节(10)组成四杆机构；所述膝关节(10)、小腿连杆(11)、小腿(12)、踝关节(13)组成四杆机构。

4.根据权利要求1所述的蛙式机器人腿部弹跳结构，其特征在于：所述导杆(1)、大腿(8)、小腿(12)、脚部(14)的长度均近似相等。

5.根据权利要求1所述的蛙式机器人腿部弹跳结构，其特征在于：所述脚部(14)由弹性材料制成。

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