CN103241301B - 一种具备感知能力的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿 - Google Patents

Abstract

一种具备感知能力的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿，它涉及一种气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿。本发明为了解决现有的弹跳机构采用了齿轮等动力传递机构，机构过于复杂笨重，跳跃能力十分有限，同时机构上缺乏传感系统，无法实时采集相关信息，无法实现精确的跳跃的问题。本发明的躯干本体、大腿本体、小腿本体和足部之间依次通过髋关节、膝关节和踝关节可转动连接，髋关节力传感器设置在躯干本体的首端，髋关节角度传感器设置在髋关节上，膝关节角度传感器设置在膝关节上，膝关节力传感器设置在大腿本体的首端，踝关节角度传感器设置在踝关节上，踝关节力传感器设置在小腿本体的首端。本发明用于弹跳机器人的仿青蛙弹跳机构中。

Description

一种具备感知能力的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿

技术领域

本发明涉及一种气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿，具体涉及一种具备感知能力的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，跳跃机器人在面临复杂的地形时能够发挥出轮式机器人所不具备的强大的跳跃能力。在这过程中，研究人员设计了大量的弹跳机构。东南大学设计了一种由电机驱动齿轮、借助弹簧储存能量，在弹簧释放能量的瞬间实现起跳。该弹跳机构包含本体和两个跳跃足，跳跃足和本体之间通过弹跳装置连接，弹跳装置包含导轨、底座、电机、滑轮、缆绳、弹力触发保持器、偏心轮和扭簧等。虽然此机构可以实现一定的跳跃动作，但是由于现有的弹跳机构采用了齿轮等动力传递机构，机构过于复杂笨重，跳跃能力十分有限，同时机构上缺乏传感系统，无法实时采集相关信息，无法实现精确的跳跃。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有跳跃机器人的弹跳机构采用了齿轮等动力传递机构，机构过于复杂笨重，跳跃能力十分有限，同时机构上缺乏传感系统，无法实时采集相关信息，无法实现精确的跳跃，进而提供一种具备感知能力的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿。

本发明的技术方案是：一种具备感知能力的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿包括躯干本体、大腿本体、小腿本体、足部、髋关节、膝关节、踝关节、髋关节力传感器、髋关节角度传感器、膝关节角度传感器、膝关节力传感器、踝关节角度传感器和踝关节力传感器，躯干本体、大腿本体、小腿本体和足部之间依次通过髋关节、膝关节和踝关节可转动连接，髋关节力传感器设置在躯干本体上，髋关节角度传感器设置在髋关节上，膝关节角度传感器设置在膝关节上，膝关节力传感器设置在大腿本体上，踝关节角度传感器设置在踝关节上，踝关节力传感器设置在小腿本体上，所述躯干本体、大腿本体和小腿本体的结构相同，且均采用气动肌肉作为驱动器，髋关节、膝关节和踝关节的结构相同。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1.本发明的各个躯干本体、大腿本体和小腿本体可绕相应的髋关节、膝关节或踝关节转动，不但结构简单，轻便，还使各个旋转关节的力臂保持恒定，并且使肌肉只受拉力，不产生弯矩，从而保护气动肌肉，符合气动肌肉使用规范。

2.本发明安装了髋关节力传感器、髋关节角度传感器、膝关节角度传感器、膝关节力传感器、踝关节角度传感器和踝关节力传感器，在跳跃过程中，通过力传感器可实时获取关节力矩信息，通过角度传感器实时获取髋关节角度信息，依据获取的信息，调整各个肌肉的充入气压，实现更精确、高效的跳跃。

3.本发明的躯干本体、大腿本体和小腿本体采用气动肌肉作为驱动器，能够提供强劲的动力，同时避免了电机驱动所需的复杂的齿轮机构，简化了机构。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的一种具备感知能力的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿包括躯干本体1、大腿本体2、小腿本体3、足部4、髋关节5、膝关节6、踝关节7、髋关节力传感器8、髋关节角度传感器9、膝关节角度传感器10、膝关节力传感器11、踝关节角度传感器12和踝关节力传感器13，躯干本体1、大腿本体2、小腿本体3和足部4之间依次通过髋关节5、膝关节6和踝关节7可转动连接，髋关节力传感器8设置在躯干本体1上，髋关节角度传感器9设置在髋关节5上，膝关节角度传感器10设置在膝关节6上，膝关节力传感器11设置在大腿本体2上，踝关节角度传感器12设置在踝关节7上，踝关节力传感器13设置在小腿本体3上，所述躯干本体1、大腿本体2和小腿本体3的结构相同，且均采用气动肌肉作为驱动器，髋关节5、膝关节6和踝关节7的结构相同。

具体实施方式二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的躯干本体1包括肌肉固定件14、肌肉固定端转轴15、肌肉固定端连接件16、力传感器连接件17、肌肉连接件18、气动肌肉本体19和支撑架20，肌肉固定件14设置在支撑架20的首端，肌肉固定端连接件16通过肌肉固定端转轴15与肌肉固定件14可转动连接，力传感器连接件17与肌肉固定件14连接，力传感器连接件17和肌肉连接件18之间设有髋关节力传感器8、膝关节力传感器11或踝关节力传感器13，气动肌肉本体19与肌肉连接件18连接。如此设置，在跳跃时，气动肌肉本体19由于充气而收缩，自由收缩端借助皮带23将力矩施加于髋关节5、膝关节6、踝关节7或足部4；如髋关节5处的髋关节角度传感器9的轴颈与其旋转关节处的旋转轴连接，髋关节角度传感器9的外圈固定于关节处的连接板上；在跳跃时，通过髋关节力传感器8可实时获取髋关节力矩信息，通过髋关节角度传感器9实时获取髋关节5的角度信息。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1说明本实施方式，本实施方式的气动肌肉本体19为可伸缩气动肌肉本体。如此设置，为跳跃提供强劲的动力。其它组成和连接关系与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：结合图1说明本实施方式，本实施方式的髋关节5包括外侧连接件21、内侧连接件22和皮带23，外侧连接件21的一端与躯干本体1、大腿本体2或小腿本体3的其中一个支撑架20连接，外侧连接件21的另一端与内侧连接件22的一端可转动连接，内侧连接件22的另一端与大腿本体2的支撑架20、小腿本体3的支撑架20或足部4连接，皮带23的一端与气动肌肉本体19连接，皮带23的另一端绕过外侧连接件21和内侧连接件22之间的转轴后与大腿本体2的支撑架20、小腿本体3的支撑架20或足部4连接。如此设置，结构简单，转动效果好。其它组成和连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的髋关节角度传感器9、膝关节角度传感器10和踝关节角度传感器12分别设置在髋关节5、膝关节6或踝关节7的外侧连接件21和内侧连接件22可转动处。如此设置，使得转动角度的测量更加准确。其它组成和连接关系与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：结合图1说明本实施方式，本实施方式的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿还包括多个弹性元件24，躯干本体1的支撑架20和大腿本体2的支撑架20之间靠近髋关节角度传感器9一侧通过一个弹性元件24连接，大腿本体2的支撑架20和小腿本体3的支撑架20之间靠近膝关节角度传感器10一侧通过一个弹性元件24连接，小腿本体3的支撑架20和足部4之间靠近踝关节角度传感器12一侧通过一个弹性元件24连接。如此设置，便于实现收腿动作。其它组成和连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图1说明本实施方式，本实施方式的弹性元件24为弹簧。如此设置，结构简单，便于拆卸和维修，互换性好。其它组成和连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图1说明本实施方式，本实施方式的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿还包括脚掌25，脚掌25设置在足部4的末端。如此设置，便于着陆。其它组成和连接关系与具体实施方式七相同。

具体实施方式九：结合图1说明本实施方式，本实施方式的脚掌25为弯折板。如此设置，足部的弯折脚掌在起跳时可以延长与地面的接触时间，避免过早起跳，提高能量利用率，在着陆时也可延长着陆时间。其它组成和连接关系与具体实施方式八相同。

具体实施方式十：结合图1说明本实施方式，本实施方式的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿还包括橡胶垫26，橡胶垫26粘附在脚掌25的下端面上。如此设置，有助于缓冲地面的冲击力，有利于稳定着陆。其它组成和连接关系与具体实施方式八或九相同。

本发明工作时，通过对气动肌肉本体19充入压缩空气，使得气动肌肉本体19收缩产生收缩力，通过皮带23分别拉动髋关节5、膝关节6和踝关节7绕相应的旋转半径转动，使得连杆机构伸展，对地面产生冲击，借助于地面的反作用力实现跳跃动作；完成跳跃动作后，收腿的动作由各个关节处的弹性元件完成。在跳跃过程中，通过力传感器可实时获取关节力矩信息，通过角度传感器实时获取髋关节角度信息。

Claims (9)

1.一种具备感知能力的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿，其特征在于：所述气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿包括躯干本体(1)、大腿本体(2)、小腿本体(3)、足部(4)、髋关节(5)、膝关节(6)、踝关节(7)、髋关节力传感器(8)、髋关节角度传感器(9)、膝关节角度传感器(10)、膝关节力传感器(11)、踝关节角度传感器(12)和踝关节力传感器(13)，躯干本体(1)、大腿本体(2)、小腿本体(3)和足部(4)之间依次通过髋关节(5)、膝关节(6)和踝关节(7)可转动连接，髋关节力传感器(8)设置在躯干本体(1)上，髋关节角度传感器(9)设置在髋关节(5)上，膝关节角度传感器(10)设置在膝关节(6)上，膝关节力传感器(11)设置在大腿本体(2)上，踝关节角度传感器(12)设置在踝关节(7)上，踝关节力传感器(13)设置在小腿本体(3)上，所述躯干本体(1)、大腿本体(2)和小腿本体(3)的结构相同，且均采用气动肌肉作为驱动器，髋关节(5)、膝关节(6)和踝关节(7)的结构相同，所述躯干本体(1)包括肌肉固定件(14)、肌肉固定端转轴(15)、肌肉固定端连接件(16)、力传感器连接件(17)、肌肉连接件(18)、气动肌肉本体(19)和支撑架(20)，肌肉固定件(14)设置在支撑架(20)的首端，肌肉固定端连接件(16)通过肌肉固定端转轴(15)与肌肉固定件(14)可转动连接，力传感器连接件(17)与肌肉固定端连接件(16)连接，力传感器连接件(17)和肌肉连接件(18)之间设有髋关节力传感器(8)、膝关节力传感器(11)或踝关节力传感器(13)，气动肌肉本体(19)与肌肉连接件(18)连接。

2.根据权利要求1所述一种具备感知能力的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿，其特征在于：所述气动肌肉本体(19)为可伸缩气动肌肉本体。

3.根据权利要求2所述一种具备感知能力的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿，其特征在于：所述髋关节(5)包括外侧连接件(21)、内侧连接件(22)和皮带(23)，外侧连接件(21)的一端与躯干本体(1)、大腿本体(2)或小腿本体(3)的其中一个支撑架(20)连接，外侧连接件(21)的另一端与内侧连接件(22)的一端可转动连接，内侧连接件(22)的另一端与大腿本体(2)的支撑架(20)、小腿本体(3)的支撑架(20)或足部(4)连接，皮带(23)的一端与气动肌肉本体(19)连接，皮带(23)的另一端绕过外侧连接件(21)和内侧连接件(22)之间的转轴后与大腿本体(2)的支撑架(20)、小腿本体(3)的支撑架(20)或足部(4)连接。

4.根据权利要求3所述一种具备感知能力的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿，其特征在于：所述髋关节角度传感器(9)、膝关节角度传感器(10)和踝关节角度传感器(12)分别设置在髋关节(5)、膝关节(6)和踝关节(7)的外侧连接件(21)和内侧连接件(22)可转动处。

5.根据权利要求1、3或4所述一种具备感知能力的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿，其特征在于：所述气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿还包括多个弹性元件(24)，躯干本体(1)的支撑架(20)和大腿本体(2)的支撑架(20)之间靠近髋关节角度传感器(9)一侧通过一个弹性元件(24)连接，大腿本体(2)的支撑架(20)和小腿本体(3)的支撑架(20)之间靠近膝关节角度传感器(10)一侧通过一个弹性元件(24)连接，小腿本体(3)的支撑架(20)和足部(4)之间靠近踝关节角度传感器(12)一侧通过一个弹性元件(24)连接。

6.根据权利要求5所述一种具备感知能力的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿，其特征在于：所述弹性元件(24)为弹簧。

7.根据权利要求6所述一种具备感知能力的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿，其特征在于：所述气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿还包括脚掌(25)，脚掌(25)设置在足部(4)的末端。

8.根据权利要求7所述一种具备感知能力的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿，其特征在于：所述脚掌(25)为弯折板。

9.根据权利要求8所述一种具备感知能力的气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿，其特征在于：所述气动肌肉驱动仿青蛙弹跳腿还包括橡胶垫(26)，橡胶垫(26)粘附在脚掌(25)的下端面上。