CN103465989B - 仿蛙后腿跳跃机构 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供仿蛙后腿跳跃机构，包括躯干机构、大腿机构、小腿机构、脚掌机构，躯干机构包括左侧躯干支撑板、右侧躯干支撑板，大腿机构包括左侧大腿支撑板、右侧大腿支撑板、大腿固定板，小腿机构包括小腿转动机构、小腿复位机构、小腿伸缩机构，脚掌机构包括两个脚掌座。本发明用绳索取代连杆组成四连杆机构，运用连杆原理进行了设计，增加了对青蛙后腿的仿生程度，实现高仿生性；增强了腿部柔性，提高了起跳和缓冲效果。

Description

仿蛙后腿跳跃机构

技术领域

本发明涉及的是一种机器人结构，具体地说是跳跃机构。

背景技术

如今，机器人在人们的生活中扮演者越来越多的角色。而机器人的研究领域正在向地形复杂化、环境非结构化、任务自主化的方向扩展。相比轮式或履带式机器人，腿式机器人将越发受到重视，其中跳跃机器人的研究更为活跃。跳跃机器人具有突出的越障能力，甚至可以越过数倍于自身尺寸的障碍，拥有较大的活动范围。跳跃的爆发性还可以躲避对自身的伤害。更重要的是跳跃的运动方式具有低能耗特点。这些优点使得仿生腿型跳跃机器人可以应用于诸如考古探测、星际探索、以及反恐救援活动等。然而，目前的仿生跳跃机构有的仿生度不高，有的结构设计不合理导致跳跃效果不理想。

在中国专利局发布的专利中有一些仿生的跳跃结构，但大部分仿生度不高。仿青蛙跳跃机器人（申请号：201210279364.9发明人：黄昔光等）的后腿是用一个四连杆和一个弹簧的结构形式，优化了腿部结构，跳跃性能也不错，但是腿部对青蛙的仿生程度不高。忽略了腿部结构的完整性，不符合仿生学原理。除此之外，仿生蝗虫跳跃机器人（申请号：200710072236.6发明人：陈东良等）其腿部结构和黄昔光的仿青蛙跳跃机器人的后腿机构原理一样。仿蝗虫弹射机理的跳跃机器人（申请号：201110030972.1发明人：梅德庆等）跳跃原理用的是弹射，腿部结构仿生性也很差。仿生性很高的有蛙式机器人腿部弹跳机构（专利号：201010122585.6发明人：左国玉等），其腿部结构由大腿、小腿、连杆和关节组成，拥有两个四连杆机构，通过控制在导杆上滑块的运动调节腿部的伸展和收缩。腿部很好的模仿了青蛙后退。虽然脚部加装了弹性元件，但是其起跳后只用脚步弹性元件和髋关节的弹簧来缓冲，缓冲效果不太好，而且其髋关节的弹簧需要拉伸很长距离才能释放，影响了起跳效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种达到高仿生性和高跳跃效果的仿蛙后腿跳跃机构。

本发明的目的是这样实现的：

本发明仿蛙后腿跳跃机构，其特征是：包括躯干机构、大腿机构、小腿机构、脚掌机构；

所述的躯干机构包括左侧躯干支撑板、右侧躯干支撑板，左侧躯干支撑板和右侧躯干支撑板之间分别安装大腿关节轴和加固支承轴；

所述的大腿机构包括左侧大腿支撑板、右侧大腿支撑板、大腿固定板，左侧大腿支撑板和右侧大腿支撑板分别固定在大腿关节轴左右两个端部，大腿固定板的两端分别固定在左侧大腿支撑板和右侧大腿支撑板上，加固支承轴和大腿固定板之间安装大腿复位弹簧；

所述的小腿机构包括小腿转动机构、小腿复位机构、小腿伸缩机构；小腿转动机构包括左侧小腿支撑板、右侧小腿支撑板、小腿弯曲驱动绳、小腿关节轴，小腿关节轴分别与左侧小腿支撑板、右侧小腿支撑板固定，小腿关节轴通过轴承分别与左侧大腿支撑板、右侧大腿支撑板相连，小腿弯曲驱动绳包括两根，其一端安装在加固支承轴上，另一端分别安装在左侧小腿支撑板和右侧小腿支撑板上；小腿复位机构包括小腿前端固定板，小腿前端固定板的两端分别与左侧小腿支撑板和右侧小腿支撑板的前端部固连，小腿前端固定板和大腿固定板之间安装小腿复位弹簧；小腿伸缩机构包括固定管、伸缩管、滑动导向板、小腿后端固定板、导向滑轮、伸缩驱动绳，所述的固定管和伸缩管均包括两个，第一固定管固定在左侧小腿支撑板上，第二固定管固定在右侧小腿支撑板上，滑动导向板与两个伸缩管固连，滑动导向板的两端分别套在第一固定管和第二固定管上，小腿后端固定板的两端分别与左侧小腿支撑板和右侧小腿支撑板的后端部固连，小腿后端固定板和滑动导向板之间安装伸缩弹簧，导向滑轮安装在在小腿前端固定板上，伸缩驱动绳绕过导向滑轮，伸缩驱动绳的两端分别固定在大腿固定板和滑动导向板上；

所述的脚掌机构包括两个脚掌座，两个脚掌座通过脚掌转轴分别安装在两个伸缩管上，第一脚掌座和第一固定管之间安装第一脚掌复位弹簧，第二脚掌座和第二固定管之间安装第二脚掌复位弹簧，两个脚掌座上均安装弹性脚板。

本发明还可以包括：

1、所述的小腿伸缩机构还包括两个导向块，第一导向块固定在第一伸缩管上，第二导向块固定在第二伸缩管上，第一固定管穿过第一导向块，第二固定管穿过第二导向块。

2、所述的弹性脚板采用弹性材料，其形状为前窄后宽。

本发明的优势在于：

1.用绳索取代连杆组成四连杆机构，成为小腿转动的驱动执行机构。当驱动大腿关节轴转动时，小腿弯曲驱动绳可以和其他部分组成四连杆机构，实现小腿的弯曲。当腿部机构落地时，绳会少量松弛，完全由复位弹簧缓冲，不像刚性连杆那样阻碍缓冲。

2.以精妙的设计为小腿添加了小腿伸缩机构。不算大的伸缩却给了小腿额外的向前的运动，起跳效果明显。

3.脚掌部分与伸缩机构的伸缩管连接可以实现脚掌的转动，减少了额外的脚掌驱动结构。

4.脚板设计为前窄后宽的弹性材料。在整个腿部机构落地时，较窄的前端脚板可以对地面撞击起到较好的缓冲效果，在脚板后部逐渐接触地面时，较宽的部分又可以起到对整个腿部机构很好的支撑效果。

本发明提供的仿青蛙后腿跳跃结构，运用连杆原理进行了设计，增加了对青蛙后腿的仿生程度，实现高仿生性；增强了腿部柔性，提高了起跳和缓冲效果。

附图说明

图1为本发明结构完全伸展轴测图；

图2为本发明结构完全伸展正视图；

图3为本发明结构完全收缩轴测图；

图4为本发明结构完全收缩正视图。

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1～4，本发明的仿青蛙后腿跳跃机构包括躯干机构、大腿机构、小腿机构和脚掌机构。

躯干机构包括左侧躯干支撑板1、右侧躯干支撑板6，所述左右两侧支撑板上装有大腿关节轴3和加固支撑轴28。

大腿机构包括左侧大腿支撑板2、右侧大腿支撑板5，两个支撑板固定在所述大腿关节轴3上。还包括大腿固定板7和大腿复位弹簧4，所述复位弹簧4安装在所述加固支承轴28和所述大腿固定板7上。

小腿机构主要包括小腿转动机构、小腿复位机构和小腿伸缩机构。

小腿转动机构包括左侧小腿支撑板23、右侧小腿支撑板12，小腿弯曲驱动绳27和小腿关节轴26。所述小腿关节轴26固定在所述左、右侧小腿支撑板之上，并通过轴承安装在所述左、右侧大腿支撑板上。所述小腿弯曲驱动绳27两端分别安装在所述加固支撑轴28和小腿支撑板23、12上。

小腿复位机构包括小腿前端固定板10和小腿复位弹簧8。所述小腿前端固定板10固定在所述左、右侧小腿支撑板上。所述小腿复位弹簧8安装在所述大腿固定板7和所述小腿前端固定板10之间。

小腿伸缩机构包括固定管13，伸缩管20，滑动导向板22。所述固定管13分别固定在所述左、右侧小腿支撑板上。所述滑动导向板22通过自身的孔套在所述固定管13上，并固定在所述两个伸缩管20上。

小腿伸缩机构还包括导向块24，小腿后端固定板21，伸缩弹簧14。所述导向块24分别固定在所述伸缩管20上，所述固定管13穿过所述导向块24。所述小腿后端固定板21安装在所述左、右侧小腿支撑板之间。所述伸缩弹簧14安装在所述小腿后端固定板21和所述滑动导向板22之间。

小腿伸缩机构还包括导向滑轮9，滑轮支撑板11和伸缩驱动绳25。所述滑轮支撑板11固定在小腿前端固定板10上，所述导向滑轮9安装在所述滑轮支撑板11之间。所述伸缩驱动绳25两端分别固定在大腿固定板7和滑动导向板22上，且通过所述导向滑轮9。

脚掌机构包括脚掌座19、脚掌复位弹簧15、脚掌转轴16、限位销17和弹性脚板18。所述脚掌座19通过所述脚掌转轴16安装在所述伸缩管20上，所述脚掌复位弹簧15安装在所述脚掌座19和所述固定管13上。所述限位销17和弹性脚板18都固定在脚掌座19上。

参照图1：躯干机构由左躯干支撑板1、右躯干支撑板6、大腿关节轴3和固定支承轴28等组成。大腿机构由左侧大腿支撑板2、右侧大腿支撑板5、大腿固定板7和大腿复位弹簧4等组成。小腿机构中转动机构包括左侧小腿支撑板23、右侧小腿支撑板12、小腿弯曲驱动绳27、小腿关节轴26；小腿复位机构包括小腿复位弹簧8、小腿前端固定板10；小腿伸缩机构包括导向滑轮9、滑轮支撑板11、、固定管13、伸缩弹簧14、伸缩管20、小腿后端固定板21、滑动导向板22、导向块24、伸缩驱动绳25。

结合图1至图3的变化详细讲解机构收缩过程：

大腿关节轴3在外力矩的作用下逆时针转动（从图2的正方向看），大腿支撑板2、5绕大腿关节轴3做旋转运动，同时大腿与躯干之间的夹角变小。大腿复位弹簧4逐渐张紧。小腿转动机构中小腿弯曲驱动绳27和小腿支撑板12、23，以及大腿支撑板2、5和固定支撑轴28组成了四连杆机构，小腿跟随大腿弯曲绕小腿关节轴做顺时针转动（从图2的正面看）。随着小腿的转动，大腿支撑板7和滑动导向22之间并通过导向滑轮9的距离逐渐减小，从而伸缩驱动绳25拉动滑动导向22向导向滑轮的方向移动，伸缩弹簧14逐渐张紧。随着滑动导向板22的移动，伸缩管20跟着移动。脚掌座19在脚掌复位弹簧15和伸缩管20以及脚掌转轴16的作用下做逆时针运动，脚掌与小腿之间的夹角逐渐减小。随着大腿关节轴3的转动，整个腿部机构逐渐达到图3的状态。

腿部机构的伸展过程为：

大腿关节轴3在外力矩突然释放时，已张紧的大腿复位弹簧4拉动大腿固定板7，使得大腿部分围绕大腿关节轴3顺时针转动（从图2正面看）。已张紧的小腿复位弹簧8拉动小腿前端固定板10，使得小腿部分围绕小腿关节轴26做逆时针转动（从图2正面看）。随着小腿和大腿之间的角度逐渐变大，伸缩驱动绳25上的张紧力逐渐减小，导向滑动板22和伸缩管20在已张紧伸缩复位弹簧14的作用下远离小腿关节轴移动。在移动的伸缩管20和脚掌复位弹簧和脚掌转轴16的作用下脚掌做顺时针转动（从图2正面看）。

Claims (3)

1.仿蛙后腿跳跃机构，其特征是：包括躯干机构、大腿机构、小腿机构、脚掌机构；

所述的躯干机构包括左侧躯干支撑板、右侧躯干支撑板，左侧躯干支撑板和右侧躯干支撑板之间安装大腿关节轴，左侧躯干支撑板和右侧躯干支撑板之间还安装加固支承轴；

所述的大腿机构包括左侧大腿支撑板、右侧大腿支撑板、大腿固定板，左侧大腿支撑板和右侧大腿支撑板分别固定在大腿关节轴左右两个端部，大腿固定板的两端分别固定在左侧大腿支撑板和右侧大腿支撑板上，加固支承轴和大腿固定板之间安装大腿复位弹簧；

所述的小腿机构包括小腿转动机构、小腿复位机构、小腿伸缩机构；小腿转动机构包括左侧小腿支撑板、右侧小腿支撑板、小腿弯曲驱动绳、小腿关节轴，小腿关节轴分别与左侧小腿支撑板、右侧小腿支撑板固定，小腿关节轴通过轴承分别与左侧大腿支撑板、右侧大腿支撑板相连，小腿弯曲驱动绳包括两根，其一端安装在加固支承轴上，另一端分别安装在左侧小腿支撑板和右侧小腿支撑板上；小腿复位机构包括小腿前端固定板，小腿前端固定板的两端分别与左侧小腿支撑板和右侧小腿支撑板的前端部固连，小腿前端固定板和大腿固定板之间安装小腿复位弹簧；小腿伸缩机构包括固定管、伸缩管、滑动导向板、小腿后端固定板、导向滑轮、伸缩驱动绳，所述的固定管和伸缩管均包括两个，第一固定管固定在左侧小腿支撑板上，第二固定管固定在右侧小腿支撑板上，滑动导向板与两个伸缩管固连，滑动导向板的两端分别套在第一固定管和第二固定管上，小腿后端固定板的两端分别与左侧小腿支撑板和右侧小腿支撑板的后端部固连，小腿后端固定板和滑动导向板之间安装伸缩弹簧，导向滑轮安装在在小腿前端固定板上，伸缩驱动绳绕过导向滑轮，伸缩驱动绳的两端分别固定在大腿固定板和滑动导向板上；

所述的脚掌机构包括两个脚掌座，两个脚掌座通过脚掌转轴分别安装在两个伸缩管上，第一脚掌座和第一固定管之间安装第一脚掌复位弹簧，第二脚掌座和第二固定管之间安装第二脚掌复位弹簧，两个脚掌座上均安装弹性脚板。

2.根据权利要求1所述的仿蛙后腿跳跃机构，其特征是：所述的小腿伸缩机构还包括两个导向块，第一导向块固定在第一伸缩管上，第二导向块固定在第二伸缩管上，第一固定管穿过第一导向块，第二固定管穿过第二导向块。

3.根据权利要求1或2所述的仿蛙后腿跳跃机构，其特征是：所述的弹性脚板采用弹性材料，其形状为前窄后宽。