CN104192288B - 一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人，它涉及一种仿青蛙游动机器人，具体涉及一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人。本发明目的是以青蛙生物结构分析为基础，设计机器人机构并选择气动肌肉驱动复现生物青蛙游动动作，以实现仿青蛙游动机器人的水下快速运动。本发明包括躯干主体、两个大腿本体、两个小腿本体、两个脚掌本体、两个髋关节、两个膝关节和两个踝关节，每个大腿本体的一端分别通过一个髋关节与躯干主体连接，每个大腿本体的另一端分别通过一个膝关节与一个小腿本体的一端连接，每个小腿本体的另一端分别通过一个踝关节与一个脚掌本体连接。本发明属于机器人领域。

Description

一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人

技术领域

本发明涉及一种仿青蛙游动机器人，具体涉及一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人，属于机器人领域。

背景技术

伴随着人类社会的进步，可利用的陆地资源正日益减少并趋于枯竭，面对蕴藏着丰富的矿产资源和生物资源的海洋，人类开发和利用其资源的脚步也随着科技的发展进一步加快。近年来为了更好地适应不同水下环境和任务要求，仿水生生物的推进技术研究受到众多学者的关注，不同运动形式的水下仿生推进技术的相继研究，对不断丰富并完善水下推进技术、拓宽水下机器人应用范围具有非常重要的研究意义和实用价值。

经过上亿年的进化，水中生物形成了千差万别的游动方式，受到水中生物启发而形成的水下仿生推进技术也纷繁多样。青蛙躯干扁平，头部略尖，这样的体型有利于减少游动过程中的水下阻力，实现破水前进。与前肢相比，青蛙后肢长度占整体的比例很大，且后肢大而强健，趾间有蹼，从而可以增大排水面积，实现快速游动。青蛙在水中借助其带蹼的脚掌和后肢的推进机制，通过腿部的往复伸展运动，能自由的在水面和水底游动。同时青蛙的游动采用双肢协同的运动方式，克服了鱼尾摆动过程中的侧向力和重浮心偏移问题，使生物体运行更加平稳，同时生物青蛙可以在较短的时间内达到较高的运动速度，便于躲避水下环境潜在的危险。

综上所述，青蛙划动推进是一种运动方式独特且具有广阔应用前景的水下推进方式。如果能借鉴生物青蛙灵巧的生物结构，基于其游动机理来模拟其高效的水下运动方式，便能弥补传统水下机器人体积重量大、灵活性差的不足，从而创造出具有较强环境适应性的仿生水下机器人。

发明内容

本发明的目的是以青蛙生物结构分析为基础，设计机器人机构并选择气动肌肉驱动复现生物青蛙游动动作，以实现仿青蛙游动机器人的水下快速运动，进而提出一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明包括躯干主体、两个大腿本体、两个小腿本体、两个脚掌本体、两个髋关节、两个膝关节和两个踝关节，每个大腿本体的一端分别通过一个髋关节与躯干主体连接，每个大腿本体的另一端分别通过一个膝关节与一个小腿本体的一端连接，每个小腿本体的另一端分别通过一个踝关节与一个脚掌本体连接。

本发明的有益效果是：基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人两后肢呈对称布置，各部分的设计尽可能参照青蛙生物结构进行设计，从而实现青蛙运动的功能性仿生。本发明为了尽可能减小青蛙后肢的重量，将更多的驱动元件置于躯干上，在膝关节处采用钢丝绳传动，从而更贴近生物青蛙质量分布特点。本发明参照生物青蛙双关节肌肉驱动形式，在机器人膝关节和踝关节处采用该驱动形式，增加了踝关节驱动元件的实际驱动行程，有利于解决气动肌肉驱动器行程短的问题，同时这种方式还可以把踝关节运动所需的部分动力从踝关节转移至膝关节，从而降低踝关节的负荷，达到合理分配驱动的目的。本发明中对输出力和收缩行程较小的踝关节气动肌肉采用双关节安装方式，使粗大强劲的膝关节气动肌肉在驱动膝关节伸展时，还能通过膝关节和踝关节构成的双关节结构提高踝关节气动肌肉的输出，从而实现输出力和收缩行程相对较小的踝关节气动肌肉能够正常带动踝关节的伸展。这样在双关节安装方式下，肌肉的驱动行程除了自身的收缩外，还有因双关节安装方式产生的肌肉整体移动，从而增加了肌肉的实际驱动行程，有利于解决气动肌肉驱动器行程短的问题。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，图2是本发明部分机构示意图，图3是本发明的俯视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人包括躯干主体1、两个大腿本体2、两个小腿本体3、两个脚掌本体4、两个髋关节5、两个膝关节6和两个踝关节7，每个大腿本体2的一端分别通过一个髋关节5与躯干主体1连接，每个大腿本体2的另一端分别通过一个膝关节6与一个小腿本体3的一端连接，每个小腿本体3的另一端分别通过一个踝关节7与一个脚掌本体4连接。

具体实施方式二：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人还包括多个复位弹簧8，每个大腿本体2的一端分别通过一个复位弹簧8与躯干主体1连接，每个大腿本体2的另一端分别通过一个复位弹簧8与一个小腿本体3的一端连接，每个小腿本体3的另一端分别通过一个复位弹簧8与一个脚掌本体4连接。

本实施方式的技术效果是：如此设置，便于实现收腿动作。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人的躯干主体1包括基座1-1、髋关节气动肌肉支架1-2、髋关节气动肌肉1-3、髋关节驱动连接件1-4和两个膝关节驱动机构，髋关节气动肌肉1-3通过髋关节气动肌肉支架1-2安装在基座1-1的上表面上，髋关节气动肌肉1-3通过髋关节驱动连接件1-4与髋关节连接板1-8，髋关节连接板1-8与两个髋关节5连接，两个所述膝关节驱动机构呈V字形设置在基座1-1的上表面上，且两个所述膝关节驱动机构位于髋关节气动肌肉支架1-2两侧，每个所述膝关节驱动机构包括膝关节气动肌肉支架1-5、膝关节气动肌肉1-6和膝关节驱动连接件1-7，膝关节气动肌肉1-6通过膝关节气动肌肉支架1-5安装在基座1-1的上表面上，膝关节气动肌肉1-6通过膝关节驱动连接件1-7与膝关节6连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人的每个大腿本体2包括大腿支撑板2-1、张紧轮2-2和钢丝导向轴2-3，大腿支撑板2-1的一端与髋关节5连接，大腿支撑板2-1的另一端与膝关节6连接，张紧轮2-2安装在大腿支撑板2-1的中部，钢丝导向轴2-3安装在大腿支撑板2-1另一端的端部。

本实施方式中大腿支撑板与髋关节连接处设有滑槽，滑杆插装在滑槽内，髋关节的转动范围由滑杆在大腿支撑板的滑槽上的运动范围确定，同时大腿支撑板上钻有多个定位孔，通过安装螺栓螺母来限定膝关节的转动角度。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人的每个小腿本体3包括小腿支撑板3-1、踝关节气动肌肉3-2、踝关节驱动第一连接件3-3和踝关节驱动第二连接件3-4，踝关节气动肌肉3-2安装在小腿支撑板3-1上，踝关节气动肌肉3-2的一端通过踝关节驱动第一连接件3-3与大腿支撑板2-1连接，踝关节驱动第二连接件3-4的另一端通过踝关节7与脚掌本体4连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一或四相同。

具体实施方式六：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人的每个脚掌本体4包括扇形脚掌4-1、脚掌连接件4-2和脚掌支撑板4-3，扇形脚掌4-1通过脚掌连接件4-2与脚掌支撑板4-3连接，脚掌支撑板4-3与踝关节驱动第二连接件3-4的另一端连接。

本实施方式中脚掌连接件上钻有多个定位孔，通过安装螺栓螺母来限定踝关节的转动角度。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人的每个髋关节5包括滑杆5-1、髋关节转轴5-2、过渡滚轮5-3，大腿支撑板2-1的一端通过滑杆5-1与髋关节连接板1-8连接，大腿支撑板2-1的一端通过髋关节转轴5-2与髋关节气动肌肉支架1-2连接，过渡滚轮5-3套装在髋关节转轴5-2上。

本实施方式中髋关节气动肌肉的直径等于膝关节气动肌肉，同时大于踝关节气动肌肉，长度方向上的大小关系为：膝关节气动肌肉的长度等于踝关节气动肌肉，同时小于髋关节气动肌肉。如此设置，可以保证气动肌肉工作在合理的收缩范围。

两个髋关节的运动由同一个髋关节气动肌肉来驱动，从而保证机器人两后肢运动的同步性，髋关节气动肌肉的收缩牵引髋关节驱动第一连接件和髋关节驱动第二连接件向上运动，从而带动滑杆在大腿支撑板的滑槽内运动，滑杆的运动最终体现为髋关节的转动。如此设置，肌肉只受拉力，不产生弯矩。其它组成及连接关系与具体实施方式一或三相同。

具体实施方式八：结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式所述一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人的每个膝关节6包括钢丝绳6-1、钢丝绳固定端6-2和膝关节转动轴6-3，大腿支撑板2-1的另一端通过膝关节转动轴6-3与小腿支撑板4-1连接，钢丝绳固定端6-2套装在膝关节转动轴6-3上，钢丝绳6-1的一端与钢丝绳固定端6-2连接，钢丝绳6-1的另一端依次闯过钢丝导向轴2-3、张紧轮2-2、过渡滚轮5-3与膝关节驱动连接件1-7连接。

本实施方式中当膝关节气动肌肉收缩带动膝关节驱动连接件运动，便可实现钢丝绳固定端运动，为了保证膝关节气动肌肉的移动有效的转化为膝关节的转动，钢丝绳的传递需经过过渡滚轮和张紧轮传递到膝关节转动轴。如此设置，便于将膝关节气动肌肉放置在躯干上，从而减小青蛙后肢重量。其它组成及连接关系与具体实施方式七相同。

工作原理

本发明工作时，依靠具有生物肌肉的收缩特点的气动肌肉实现快速收缩，通过对气动肌肉冲入压缩空气，使髋关节气动肌肉、膝关节气动肌肉和踝关节气动肌肉驱动各个关节伸展，对应拉动大腿本体、小腿本体和脚掌本体运动，实现机器人的游动。

Claims (8)

1.一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人，它包括躯干主体(1)、两个大腿本体(2)、两个小腿本体(3)、两个脚掌本体(4)、两个髋关节(5)、两个膝关节(6)和两个踝关节(7)，每个大腿本体(2)的一端分别通过一个髋关节(5)与躯干主体(1)连接，每个大腿本体(2)的另一端分别通过一个膝关节(6)与一个小腿本体(3)的一端连接，每个小腿本体(3)的另一端分别通过一个踝关节(7)与一个脚掌本体(4)连接，其特征在于：躯干主体(1)包括基座(1-1)、髋关节气动肌肉支架(1-2)、髋关节气动肌肉(1-3)、髋关节驱动连接件(1-4)和两个膝关节驱动机构，髋关节气动肌肉(1-3)通过髋关节气动肌肉支架(1-2)安装在基座(1-1)的上表面上，髋关节气动肌肉(1-3)通过髋关节驱动连接件(1-4)与髋关节连接板(1-8)，髋关节连接板(1-8)与两个髋关节(5)连接，两个所述膝关节驱动机构呈V字形设置在基座(1-1)的上表面上，且两个所述膝关节驱动机构位于髋关节气动肌肉支架(1-2)两侧，每个所述膝关节驱动机构包括膝关节气动肌肉支架(1-5)、膝关节气动肌肉(1-6)和膝关节驱动连接件(1-7)，膝关节气动肌肉(1-6)通过膝关节气动肌肉支架(1-5)安装在基座(1-1)的上表面上，膝关节气动肌肉(1-6)通过膝关节驱动连接件(1-7)与膝关节(6)连接。

2.根据权利要求1所述一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人，其特征在于：所述一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人还包括多个复位弹簧(8)，每个大腿本体(2)的一端分别通过一个复位弹簧(8)与躯干主体(1)连接，每个大腿本体(2)的另一端分别通过一个复位弹簧(8)与一个小腿本体(3)的一端连接，每个小腿本体(3)的另一端分别通过一个复位弹簧(8)与一个脚掌本体(4)连接。

3.根据权利要求1所述一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人，其特征在于：每个大腿本体(2)包括大腿支撑板(2-1)、张紧轮(2-2)和钢丝导向轴(2-3)，大腿支撑板(2-1)的一端与髋关节(5)连接，大腿支撑板(2-1)的另一端与膝关节(6)连接，张紧轮(2-2)安装在大腿支撑板(2-1)的中部，钢丝导向轴(2-3)安装在大腿支撑板(2-1)另一端的端部。

4.根据权利要求1或3所述一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人，其特征在于：每个小腿本体(3)包括小腿支撑板(3-1)、踝关节气动肌肉(3-2)、踝关节驱动第一连接件(3-3)和踝关节驱动第二连接件(3-4)，踝关节气动肌肉(3-2)安装在小腿支撑板(3-1)上，踝关节气动肌肉(3-2)的一端通过踝关节驱动第一连接件(3-3)与大腿支撑板(2-1)连接，踝关节驱动第二连接件(3-4)的另一端通过踝关节(7)与脚掌本体(4)连接。

5.根据权利要求4所述一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人，其特征在于：每个脚掌本体(4)包括扇形脚掌(4-1)、脚掌连接件(4-2)和脚掌支撑板(4-3)，扇形脚掌(4-1)通过脚掌连接件(4-2)与脚掌支撑板(4-3)连接，脚掌支撑板(4-3)与踝关节驱动第二连接件(3-4)的另一端连接。

6.根据权利要求1所述一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人，其特征在于：每个髋关节(5)包括滑杆(5-1)、髋关节转轴(5-2)、过渡滚轮(5-3)，大腿支撑板(2-1)的一端通过滑杆(5-1)与髋关节连接板(1-8)连接，大腿支撑板(2-1)的一端通过髋关节转轴(5-2)与髋关节气动肌肉支架(1-2)连接，过渡滚轮(5-3)套装在髋关节转轴(5-2)上。

7.根据权利要求6所述一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人，其特征在于：每个膝关节(6)包括钢丝绳(6-1)、钢丝绳固定端(6-2)和膝关节转动轴(6-3)，大腿支撑板(2-1)的另一端通过膝关节转动轴(6-3)与小腿支撑板(4-1)连接，钢丝绳固定端(6-2)套装在膝关节转动轴(6-3)上，钢丝绳(6-1)的一端与钢丝绳固定端(6-2)连接，钢丝绳(6-1)的另一端依次闯过钢丝导向轴(2-3)、张紧轮(2-2)、过渡滚轮(5-3)与膝关节驱动连接件(1-7)连接。

8.根据权利要求1所述一种基于气动肌肉驱动的仿青蛙游动机器人，其特征在于：两个膝关节气动肌肉支架(1-5)通过支撑板连接(9)连接。