CN103879470A - 一种连杆传动的单腿机器人跳跃机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连杆传动的单腿机器人跳跃机构，包括依次铰接的机身、大腿和小腿，大腿设有驱动小腿转动的跳跃驱动装置，机身与大腿的铰接处设有驱动大腿旋转的方向驱动装置，小腿上端具有与大腿下端铰接的小腿顶板，小腿顶板与跳跃驱动装置之间设有传动杆，传动杆的两端分别与驱动装置和小腿顶板铰接，大腿与小腿顶板之间还设有弹性储能件。方向驱动装置能够驱动大腿旋转，实现方向控制；跳跃驱动装置和方向驱动装置靠近机身，这降低了大腿相对于机身的转动惯量，能减少第一驱动电机的能耗，提高机器人运动的稳定性和敏捷性；通过平衡飞轮，增加了机器人的稳定性；通过设置的弹性储能件和平衡件，既能储能又能缓冲。

Description

一种连杆传动的单腿机器人跳跃机构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体涉及一种连杆传动的单腿机器人跳跃机构。

背景技术

近些年来，机器人技术得到了迅速的发展，人们对机器人作业的运动快速性和高效性提出了更高的要求。机器人的移动主要有三种方式，一种是轮式或履带式，另一种是步行式或者爬行式，第三种是弹跳式。对于腿式机器人而言，如何实现机器人的快速跳跃和跑步运动已经成为机器人技术领域的研究热点。目前，我国大部分的腿式机器人已经能够实现步行和爬行等功能，但是运动速度受到自身重量与电机功率等因素的限制，相比于国外先进的机器人存在明显的差距。

单腿机器人是腿式机器人中结构最简单的机器人，设计单腿机器人具有成本低和周期短的优点。通过设计单腿机器人机构，我们可以更好地了解腿式机器人的结构特点和运动特性。

如申请公布号为CN102556193A的专利文献公开的一种连续跳跃的弹跳机器人，它包括机架、弹跳机构、调节机构、传感控制模块和电池，机架用于安装固定弹跳机构、调节机构、传感控制模块和电池；弹跳机构实现弹跳机器人的站立和弹跳；调节机构用于弹跳机器人落地跌倒后自复位和起跳方向及角度的调节；传感控制模块感知弹跳机器人的姿态、朝向以及弹跳机构中凸轮和调节机构中杆腿的转动位置，控制弹跳机器人的动作并与远程远程终端无线通信，上传传感器数据和接收远程终端的命令，同时显示弹跳机器人的工作状态；电池为弹跳机器人提供电能。

申请公布号为CN102556193A的专利文献提供的弹跳机器人能够实现弹跳和保持平衡，但是在工作时主要依赖电机提供能量，不具备机构储能装置，因此对电机的负荷比较大。

申请公布号为CN103264733A的专利文献公开了一种动力储能的单腿机器人原地跳跃机构，机器人由身体、髋关节、膝关节、足底和大小腿五部分组成，身体与大腿、大腿与小腿之间分别通过髋关节和膝关节连接；髋关节由电机、谐波减速器、编码器和髋弹簧等元件组成，具有主动输出关节力矩的功能，通过同步带为膝关节提供主动的力矩输出；膝关节的膝转轴安装膝弹簧，膝关节通过将机器人的重力势能转化为膝弹簧的弹性势能，为机器人的跳跃积蓄和补偿能量；足部安装有力传感器，用于检测机器人的触地信息。但是该单腿机器人原地跳跃机构虽然采用了串联弹性驱动装置，具有一定的储能效果，但储能能力较弱，且由于没有髋关节驱动器，机器人只能在原地弹跳，不能进行前进或后退运动。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种连杆传动的单腿机器人跳跃机构。解决了现有技术储能效果较弱，只能原地跳跃的问题。

本发明采取的技术方案如下:

一种连杆传动的单腿机器人跳跃机构，包括依次铰接的机身、大腿和小腿，所述大腿设有驱动小腿转动的跳跃驱动装置，所述机身与大腿的铰接处设有驱动大腿旋转的方向驱动装置，所述小腿上端具有与大腿下端铰接的小腿顶板，小腿顶板与跳跃驱动装置之间设有传动杆，所述传动杆的两端分别与驱动装置和小腿顶板铰接，所述大腿与小腿顶板之间还设有弹性储能件。

作为优选，所述大腿包括：

与机身铰接的安装架，用于安装跳跃驱动装置和方向驱动装置；

三脚架，一端与安装架固定，另一端与小腿顶板铰接。

所述安装架位于大腿的上端，跳跃驱动装置和方向驱动装置安装在安装架内，这样的设计使得机器人大腿相对于机身的转动惯量大大减少，即减小了方向驱动装置中电机的功率需求，同时也降低了对身体姿态的角动量影响，这有助于提高大腿转动的灵活性和身体姿态的稳定性。

作为优选，所述方向驱动装置包括：

固定在安装架上的第一驱动电机；

固定在安装架上与第一驱动电机配合的第一谐波减速器；

与第一波减速器输出轴配合的第一串联弹性驱动器，

所述第一串联弹性驱动器包括同心布置能相对旋转的第一外环和第一内环，第一外环和第一内环之间设有若干第一弹性件，所述第一内环与第一波减速器输出轴固定，所述第一外环与机身固定。

第一驱动电机启动后，通过第一谐波减速器带动第一内环相对于第一外环旋转，因为第一外环与机身固定，所以大腿相对于机身旋转，通过控制第一驱动电机的旋转方向可以控制大腿做顺时针或者逆时针运动，实现跳跃方向的切换。

作为优选，所述跳跃驱动装置包括：

固定在安装架上的第二驱动电机；

固定在安装架上与第二驱动电机配合的第二谐波减速器；

与第二波减速器输出轴配合的第二串联弹性驱动器，

所述第二串联弹性驱动器包括同心布置能相对旋转的第二外环和第二内环，第二外环和第二内环之间设有若干第二弹性件，所述第二内环与第二波减速器输出轴固定，所述第二外环与所述传动杆铰接。

第二驱动电机启动后，通过第二谐波减速器带动第二内环相对于第二外环旋转，因为第二外环与传动杆铰接，传动杆与小腿顶板铰接，第二外环的旋转驱动小腿转动，实现跳跃动作。

作为优选，所述弹性储能件包括串联的储能弹簧和第一钢丝绳。

为了防止储能弹簧与小腿顶板之间发生干涉，作为优选，所述储能弹簧的一端与大腿固定，另一端与第一钢丝绳连接；所述第一钢丝绳的一端与储能弹簧连接，另一端与小腿顶板连接。

所述储能弹簧初始状态为被拉伸状态。

在机器人未着地前，为了保持小腿的稳定，作为优选，所述大腿与小腿顶板之间还设有平衡件，所述平衡件包括串联的预拉紧弹簧和第二钢丝绳，平衡件和弹性储能件分别位于小腿顶板旋转轴线的两侧。

为了防止预拉紧弹簧与小腿顶板之间发生干涉，作为优选，所述预拉紧弹簧的一端与大腿固定，另一端与第二钢丝绳连接；所述第二钢丝绳的一端与预拉紧弹簧连接，另一端与小腿顶板连接。

作为优选，所述小腿顶板上固定有转轮，转轮的中心线与小腿顶板的旋转轴线平行，转轮外壁上设有用于嵌合第一钢丝绳和第二钢丝绳的凹槽，且第一钢丝绳和第二钢丝绳均固定在转轮上。

小腿顶板旋转时带动转轮旋转，相应的凹槽可以容纳第一钢丝绳和第二钢丝绳。

为了减少紧固件，作为优选，所述第一钢丝绳和第二钢丝绳相连构成一条钢丝绳，该钢丝绳绕过转轮并通过紧固件固定在凹槽上。

为了使机器人具有较好的受力以及较大的储能，作为优选，所述转轮、平衡件和弹性储能件均为两个，分布在小腿顶板相对两侧。

作为优选，所述机身包括基座以及转接在基座上的平衡飞轮，所述基座上还固定有相互配合的飞轮电机和飞轮减速器，飞轮减速器的输出轴通过同步带或者齿轮组与平衡飞轮配合，驱动平衡飞轮转动。

旋转的平衡飞轮在机器人运动过程中能够抵消由于腿部运动对身体姿态造成的影响，能增加机器人的稳定性。

所述基座上还设有陀螺仪。陀螺仪使得机器人能够主动检测滞空时期的位姿。

所述小腿还包括顶端与小腿顶板固定的小腿铝管，该小腿铝管底端设有弹性足底，该弹性足底设有传感器。

本发明的有益效果是：方向驱动装置能够驱动大腿旋转，实现方向控制；通过将跳跃驱动装置和方向驱动装置安置在位于大腿上侧靠近机身的安装架上，并通过传动杆驱动小腿旋转，这不仅降低了大腿相对于机身的转动惯量，减少了第一驱动电机的能耗，提高机器人运动的稳定性和敏捷性，而且还可以更好的模拟自然界生物的跳跃特性；通过设置在机身内的平衡飞轮，机器人在运动时，能抵消因为腿部运动对身体姿态造成的影响，增加机器人的稳定性；通过设置的弹性储能件和平衡件，能将机器人的动能转变为储能弹簧和预拉紧弹簧的弹性势能，减少了着地过程中对机器人的瞬间冲击，并且为机器人的再次起跳储备能量，有利用机器人向前或向后跳跃。

附图说明

图1是本发明连杆传动的单腿机器人跳跃机构的结构示意图；

图2是机身的结构示意图；

图3是大腿的结构示意图；

图4是本发明连杆传动的单腿机器人跳跃机构的侧视图。

1.机身，2.大腿，3.小腿，4.安装架，5.三脚架，6.第一串联弹性驱动器，7.第二串联弹性驱动器，8.传动杆，9.小腿顶板，10.紧固件，11.转轮，12.第一钢丝绳，13.储能弹簧，14.第二钢丝绳，15.预拉紧弹簧，16.平衡飞轮，17.同步带，18.飞轮减速器，19.飞轮电机，20.基座，21.夹紧管，22.侧夹板，23.陀螺仪，24.第一驱动电机，25.第一谐波减速器，26.第一编码器，27.第二编码器，28.第二驱动电机，29.第二谐波减速器，30.第三编码器，31.第四编码器。

具体实施方式

如图1～4所示，一种连杆传动的单腿机器人跳跃机构，包括依次铰接的机身1、大腿2和小腿3，大腿设有驱动小腿转动的跳跃驱动装置以及驱动大腿旋转的方向驱动装置。

如图2所示，机身1包括基座20、转接在基座上的平衡飞轮16以及固定在基座上的陀螺仪23，基座上还固定有相互配合的飞轮电机19和飞轮减速器18，飞轮减速器的输出轴通过同步带17驱动平衡飞轮转动。基座20还设有对称设置的两个侧夹板22，侧夹板通过夹紧管21固定成一个整体，每个侧夹板均包括与大腿铰接的转接板，两个转接板直接还固定有第一串联弹性驱动器6。

如图1、3所示，小腿3的上端具有与大腿下端铰接的小腿顶板9，小腿顶板与跳跃驱动装置之间设有传动杆8，传动杆的两端分别与驱动装置和小腿顶板铰接，大腿与小腿顶板之间还设有弹性储能件和平衡件。

大腿2包括用于安装跳跃驱动装置和方向驱动装置的安装架4以及一端与安装架固定另一端与小腿顶板9铰接的三脚架5。

安装架的一端与转接板配合，能绕转接板转动，方向驱动装置设置在该端；跳跃驱动装置设置在安装架的另一端。

方向驱动装置包括：

固定在安装架上的第一驱动电机24；

固定在安装架上与第一驱动电机配合的第一谐波减速器25；

与第一波减速器输出轴配合的第一串联弹性驱动器6。

该第一串联弹性驱动器包括同心布置能相对旋转的第一外环和第一内环，第一外环和第一内环之间设有若干第一弹性件，第一内环与第一波减速器25的输出轴固定，第一外环与机身1固定。方向驱动装置还包括测量第一串联弹性驱动器驱动力或力矩的第一编码器26和第二编码器27。

跳跃驱动装置包括：

固定在安装架上的第二驱动电机28；

固定在安装架上与第二驱动电机配合的第二谐波减速器29；

与第二波减速器输出轴配合的第二串联弹性驱动器7，

该第二串联弹性驱动器包括同心布置能相对旋转的第二外环和第二内环，第二外环和第二内环之间设有若干第二弹性件，第二内环与第二波减速器29的输出轴固定，第二外环与传动杆8铰接。跳跃驱动装置还包括测量测量第二串联弹性驱动器驱动力或力矩的第三编码器30和第四编码器31。

如图1所示，小腿顶板9上固定有转轮11，且转轮的中心线与小腿顶板的旋转轴线平行，上述的弹性储能件包括相互串联的储能弹簧13和第一钢丝绳12，平衡件包括相互串联的预拉紧弹簧15和第二钢丝绳14。储能弹簧13和预拉紧弹簧15均与安装架4固定，一钢丝绳12和第二钢丝绳14相连为同一根钢丝绳，该由一钢丝绳12和第二钢丝绳14构成的钢丝绳一端与储能弹簧13连接，绕过转轮11后与预拉紧弹簧15连接。

转轮11外壁上设有凹槽，用于嵌合钢丝绳，且转轮具有紧固件10使钢丝绳固定在凹槽上。

初始状态时，储能弹簧13和预拉紧弹簧15均处在被拉伸状态。

储能弹簧初始状态为被拉伸状态。

如图1所示，转轮、平衡件和弹性储能件均为两个，分布在小腿顶板相对两侧。小腿还包括顶端与小腿顶板固定的小腿铝管，该小腿铝管底端设有弹性足底，该弹性足底设有传感器。

本发明工作原理，当第一驱动电机工作时，第一内环相对于第一外环旋转，控制大腿的方向以此控制机器人的运动方向，当第二驱动电机工作时，第二外环旋转带动传动杆运动，使小腿旋转进行跳跃，同时小腿转动时会带动钢丝绳运动，拉紧或放松储能弹簧、预拉紧弹簧，实现缓冲储能以及跳跃时的储能利用。

本发明方向驱动装置能够驱动大腿旋转，实现方向控制；通过将跳跃驱动装置和方向驱动装置安置在位于大腿上侧靠近机身的安装架上，并通过传动杆驱动小腿旋转，这不仅降低了大腿相对于机身的转动惯量，减少了第一驱动电机的能耗，提高机器人运动的稳定性和敏捷性，而且还可以更好的模拟自然界生物的跳跃特性；通过设置在机身内的平衡飞轮，机器人在运动时，能抵消因为腿部运动对身体姿态造成的影响，增加机器人的稳定性；通过设置的弹性储能件和平衡件，能将机器人的动能转变为储能弹簧和预拉紧弹簧的弹性势能，减少了着地过程中对机器人的瞬间冲击，并且为机器人的再次起跳储备能量，有利用机器人向前或向后跳跃。

Claims (10)

1.一种连杆传动的单腿机器人跳跃机构，包括依次铰接的机身、大腿和小腿，所述大腿设有驱动小腿转动的跳跃驱动装置，其特征在于，所述机身与大腿的铰接处设有驱动大腿旋转的方向驱动装置，所述小腿上端具有与大腿下端铰接的小腿顶板，小腿顶板与跳跃驱动装置之间设有传动杆，所述传动杆的两端分别与驱动装置和小腿顶板铰接，所述大腿与小腿顶板之间还设有弹性储能件。

2.根据权利要求1所述的连杆传动的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述大腿包括：

与机身铰接的安装架，用于安装跳跃驱动装置和方向驱动装置；

三脚架，一端与安装架固定，另一端与小腿顶板铰接。

3.根据权利要求2所述的连杆传动的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述方向驱动装置包括：

固定在安装架上的第一驱动电机；

固定在安装架上与第一驱动电机配合的第一谐波减速器；

与第一波减速器输出轴配合的第一串联弹性驱动器，

所述第一串联弹性驱动器包括同心布置能相对旋转的第一外环和第一内环，第一外环和第一内环之间设有若干第一弹性件，所述第一内环与第一波减速器输出轴固定，所述第一外环与机身固定。

4.根据权利要求2所述的连杆传动的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述跳跃驱动装置包括：

固定在安装架上的第二驱动电机；

固定在安装架上与第二驱动电机配合的第二谐波减速器；

与第二波减速器输出轴配合的第二串联弹性驱动器，

所述第二串联弹性驱动器包括同心布置能相对旋转的第二外环和第二内环，第二外环和第二内环之间设有若干第二弹性件，所述第二内环与第二波减速器输出轴固定，所述第二外环与所述传动杆铰接。

5.根据权利要求1所述的连杆传动的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述弹性储能件包括串联的储能弹簧和第一钢丝绳。

6.根据权利要求5所述的连杆传动的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述大腿与小腿顶板之间还设有平衡件，所述平衡件包括串联的预拉紧弹簧和第二钢丝绳，平衡件和弹性储能件分别位于小腿顶板旋转轴线的两侧。

7.根据权利要求6所述的连杆传动的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述小腿顶板上固定有转轮，转轮的中心线与小腿顶板的旋转轴线平行，转轮外壁上设有用于嵌合第一钢丝绳和第二钢丝绳的凹槽，且第一钢丝绳和第二钢丝绳均固定在转轮上。

8.根据权利要求7所述的连杆传动的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述第一钢丝绳和第二钢丝绳相连构成一条钢丝绳，该钢丝绳绕过转轮并通过紧固件固定在凹槽上。

9.根据权利要求7所述的连杆传动的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述转轮、平衡件和弹性储能件均为两个，分布在小腿顶板相对两侧。

10.根据权利要求1所述的连杆传动的单腿机器人跳跃机构，其特征在于，所述机身包括基座以及转接在基座上的平衡飞轮，所述基座上还固定有相互配合的飞轮电机和飞轮减速器，飞轮减速器的输出轴通过同步带或者齿轮组与平衡飞轮配合，驱动平衡飞轮转动。

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