CN104709375A - 一种蓄能型仿蛙跳跃机器人 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种蓄能型仿蛙跳跃机器人，包括前肢、躯干、后肢，伺服电机带动回转曲柄转动，回转曲柄通过拉索拉动后腿前摆蓄能，当回转曲柄转过180°时，后肢蓄能弹簧通过拉索作用在曲柄上的力反向，单向轴承与轴分离，作用力消失，后腿失去束缚，在弹簧作用力下推动整个机器人完成起跳任务，起跳后后腿弹簧恢复原长，电机继续带动曲柄旋转，拉动后腿完成起跳后收腿的动作；落地时舵机调整好前肢与地面接触角度，通过C形柔性脚掌减轻地面冲击。本发明对前后肢的驱动机构和执行机构进行了合理布置，提高了机器人驱动元件的利用率，提高了机器人的仿生程度，增强了机器人的跳跃能力，提高了机器人机械结构的柔性和缓冲效果。

Description

一种蓄能型仿蛙跳跃机器人

技术领域

本发明涉及的是一种机器人，具体地说是跳跃机器人。

背景技术

当前机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业中走出来，向航空航天、海洋开发、水下地下管道以及医疗救护等非结构环境下的自主作业方面发展。未来的机器人将在不可预测的复杂环境里为人类工作。人们要求机器人不仅适应原来结构化的、已知的环境，更要适应未来发展中的非结构化的、未知的环境，这就要求机器人具有很强的自主运动能力、生存能力及较高的运动灵活性。

移动性能是未来机器人在很多应用场合的关键能力，为完成任务常常要求机器人能够渗透到人员无法进入的禁区进行侦察、探测、攻击、干扰等行动，这需要移动能力给予保证。目前地面移动机器人的运动方式主要有两种：轮式或履带式和仿生爬行或步行式。轮式或履带式机器人机构简单，运动时能耗小，但是很难越过高度在1.5倍轮子直径以上的障碍物，并且随着机器人的小型化，地形对运动的限制作用也越来越大。爬行或步行机器人翻越障碍物的能力稍强，但其自由度和关节较多，大量的驱动部件使得机构和电控系统都很复杂，限制了其实际应用。跳跃机器人则相对具有很大的优势，能适应不平或松软的地面，可越过数倍甚至数十倍于自身尺寸的障碍物或沟渠，大大提高了其活动范围；跳跃运动本身的突然性与爆发性又增强了其躲避风险的能力，从而使跳跃机器人具有极强的环境适应性，而且由于各星球之间重力加速度的差别，使跳跃机器人在星际探索中能够发挥重大作用。此外，跳跃机器人在抗险救灾、军事侦察、反恐爆破等领域都具有广泛的应用前景。

近20年来，仿生机器人的研究一直是一个非常活跃的领域。35亿年的进化过程中，生物体发展了灵巧的运动机构和机敏的运动模式，这成为机器人发展取之不尽的知识源泉。学者们力求从丰富多彩的动植物身上获得灵感，将它们的精巧结构、运动机理和行为方式运用到对机器人运动和控制的研究中。仿生学在机器人科学中的应用，推动了机器人的应用领域向非结构化的、未知的环境发展。

青蛙跳跃具有爆发性强、距离远(能达到身体长度的15倍左右)的特点，拥有这种能力的跳跃机器人将能轻松越过沟渠和障碍，并且具有很好的环境适应性。选择从仿生角度以青蛙为对象，研制跳跃机器人，能够将生物体结构和运动方式的合理性和科学性运用在机器人的设计中，对跳跃方式移动机器人的研究与应用有十分重要的意义，同时也有助于了解青蛙的跳跃运动规律，揭示其运动机理。

蓄能跳跃仿蛙机器人利用弹性元件蓄能来弥补以往伺服系统电机功率密度不足的问题，通过对弹性元件驱动原理的研究，为未来更加小型化、轻量化或者跑跳机器人提供理论参考。

目前，国内外对跳跃机器人已经做了大量研究，最早的弹跳机器人为M.H.Raibert于1980年在麻省理工学院机器人试验室研制的弹跳机，它是以跳跃方式运动的单腿机器人，这一机器人实现的灵活敏捷的运动令人感到振奋。从那时起，更多的人开始关注弹跳式机器人的研究。近年来国内许多研究机构对跳跃机器人尤其是仿生跳跃机器人开展了大量研究，并在相关领域取得了一定的研究成果和进展。

同时，在中国专利局发布的专利中也存在仿蛙机器人的身影。申请号为201210279364.9的专利提出了一种仿青蛙跳跃机器人，通过对前后肢的合理设置，提高了驱动元件的利用率，优化了腿部结构，跳跃性能也不错，但是其后腿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。

申请号为201010194799.4的专利提出了一种蛙式机器人，电机作为动力元件，超越离合器与齿形带等装置作为传动机构，滑块通过传动装置在电机的驱动下可以在导轨上运动，机器人双腿则在滑块的驱动下进行伸展与收缩从而完成跳跃动作。机器人腿部很好的模仿了青蛙后腿,其脚部也加装了弹性元件,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。

申请号为201310553698.5的专利提出了一种五关节仿蛙跳跃机器人，其使用伺服电机带动安装有弹簧的后腿跳跃，由于弹簧功率密度大、速度快，伺服电机转速慢、功率密度低，二者耦合并不能发挥各自优势；其后腿脚掌采用拉伸推杆形式，不同于生物运动的脚掌转动，仿生程度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供能够模拟生物青蛙的骨骼结构、运动形式，在跳跃过程中能够获得较大的爆发力，着陆稳定的一种蓄能型仿蛙跳跃机器人。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种蓄能型仿蛙跳跃机器人，其特征是：包括前肢、躯干、后肢，躯干上方固定伺服电机，伺服电机的输出端连接第一锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮通过轴连接齿轮减速器的输入齿轮，齿轮减速器的输出齿轮连接输出轴，输出轴上安装单向轴承，回转曲柄安装在单向轴承上，后肢包括后肢髋关节轴、后肢大腿、大腿蓄能弹簧、膝关节轴、后肢小腿、小腿蓄能弹簧、踝关节轴、后肢脚掌，后肢髋关节轴安装在躯干后段，后肢大腿安装在后肢髋关节轴上，大腿蓄能弹簧分别与躯干和后肢大腿相连，膝关节轴安装在后肢大腿上，后肢小腿通过轴承安装在膝关节轴上，小腿蓄能弹簧分别与后肢大腿和后肢小腿相连，踝关节轴安装在后肢小腿的端部，后肢脚掌安装在踝关节轴上，踝关节轴上安装扭簧，后肢大腿与后肢脚掌之间安装脚掌联动拉索，回转曲柄与后肢大腿之间安装后肢驱动拉索，前肢包括舵机、前肢大腿、C型柔性前脚掌，舵机固定在躯干前段，舵机与前肢大腿相连，C型柔性前脚掌安装在前肢大腿上。

本发明还可以包括:

1、所述的齿轮减速器为二级减速器，包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮，第一齿轮为输入齿轮，第四齿轮为输出齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合，第三齿轮与第四齿轮啮合，第二齿轮与第三齿轮同轴。

2、所述的前肢、后肢均包括两组，两组前肢分别位于躯干前段的左右两侧，两组后肢分别位于躯干后段的左右两侧。

本发明的优势在于：

本发明对前后肢的驱动机构和执行机构进行了合理布置，提高了机器人驱动元件的利用率，优化了腿部结构，提高了机器人的仿生程度，增强了机器人的跳跃能力，提高了机器人机械结构的柔性和缓冲效果。本发明解决了由于伺服电机功率密度不高，无法满足跳跃爆发力的需求；机构结构简单、安装方便、实用可靠，与以往的仿蛙机器人相比，本发明具有更强的跳跃爆发力、更加节省能量、更好的越障能力。

附图说明

图1是本发明的轴测图；

图2是本发明的躯干剖视图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明的右视图；

图5是本发明的仰视图。

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1～5，整个蓄能型仿蛙机器人主要由前肢Ⅰ、躯干Ⅱ、后肢Ⅲ三部分组成；整个机器人具体包括：

C形柔性前脚掌1、前肢大腿2、舵机3、二级齿轮减速器4、曲柄轴5、伺服电机6、深沟球轴承7、锥齿轮8、髋关节蓄能弹簧9、髋关节轴10、躯干结构铝板11、后肢脚掌12、踝关节轴13、小腿联动拉索14、后肢小腿15、后肢大腿16、脚掌联动拉索17、膝关节蓄能弹簧18、膝关节轴19、单向轴承20、后肢驱动拉索21、回转曲柄22。

整个蓄能型仿蛙机器人的装配关系如下：整个躯干Ⅱ是由铝板通过螺钉连接组成的框架；伺服电机6利用自带的安装孔固定在躯干Ⅱ上，锥齿轮8通过键与伺服电机6连接；二级齿轮减速器4有三根轴、两组齿轮，各轴通过深沟球轴承7固定在躯干Ⅱ上，减速器将锥齿轮传递来的力矩放大，传递给输出轴5；单向轴承20安装在二级齿轮减速器4输出轴端，键连接；回转曲柄22安装在单向轴承20上，键连接；后肢驱动拉索21一端连接回转曲柄22顶端，一端连接后肢大腿16；二级齿轮减速器4带动单向轴承20和曲柄22从俯视图中的0°逆时针转动到180°时，后肢驱动拉索21拉动后肢大腿16向前摆动，后肢各关节弹簧蓄能。

后肢髋关节轴10安装在躯干Ⅱ后段，髋关节轴径向打孔，后肢大腿16用螺栓安装在髋关节轴10上，大腿蓄能弹簧9一端与躯干Ⅱ连接，一端与后肢大腿16连接；膝关节轴19径向打孔，安装在后肢大腿16上，后肢小腿15通过轴承安装在膝关节轴19上；小腿蓄能弹簧18一端连接在后肢大腿16的延伸部分，一端连接在后肢小腿15上；踝关节轴13安装在后肢小腿15末端，后肢脚掌12安装在踝关节轴13上，后肢脚掌12与后肢小腿15之间，在踝关节轴13上安装扭簧；脚掌联动拉索17一端安装在后肢大腿16上，一端安装在后肢脚掌12上；由于两联动拉索的作用，蓄能时后肢只需要一个驱动力即可蓄能。

前肢舵机3用螺栓固定安装在躯干Ⅱ上，舵机3轴端自带连接座与前肢大腿2相连，C型柔性脚掌1用螺栓安装在前肢大腿2上；前肢主要起调整起跳位姿和落地碰撞缓冲的作用。

机器人运动过程是伺服电机6带动回转曲柄22转动，回转曲柄22通过拉索21拉动后腿前摆蓄能，当回转曲柄转过180°时(仰视图中)，后肢蓄能弹簧9、18通过拉索21作用在曲柄22上的力反向，单向轴承20与轴分离，作用力消失，后腿失去束缚，在弹簧作用力下推动整个机器人完成起跳任务，起跳后后腿弹簧恢复原长，电机继续带动曲柄旋转，拉动后腿完成起跳后收腿的动作；落地时舵机3调整好前肢与地面接触角度，通过C形柔性脚掌1减轻地面冲击。

本发明主要由前肢、后肢和躯干三部分组成。

前肢分为左右两条前腿，每条前腿由一个舵机、一个铝制前腿和一个柔性脚掌组成；所述的柔性脚掌由C形弹簧制成，安装在铝制前腿上；所述的铝制前腿与舵机轴端相连，舵机安装在躯干上，通过舵机带动前腿前后摆动。

躯干主要包括躯干结构铝板、伺服电机、一对锥齿轮和一个二级减速器组成的传动系统、一个单向轴承和一个回转曲柄组成的蓄能-释放机构、关节轴、拉索；伺服电机安装在躯干机体上，通过锥齿轮将力矩传递给二级减速器，减速器安装在锥齿轮轴和曲柄轴之间，减速器将力矩放大传递给蓄能-释放机构，蓄能-释放机构由一个单向轴承和一个回转曲柄组成(单向轴承的作用是曲柄顺时针受力，轴承传递扭矩；曲柄逆时针受力，轴承不传递扭矩，轴与曲柄分离，单向轴承的典型应用是自行车的后轴)，曲柄回转通过连接在后腿上的拉索带动后腿前后摆动。

后肢主要包括大腿、小腿、脚掌、各关节轴、弹簧和联动拉索；后肢髋关节轴安装在躯干上，大腿固定在髋关节轴上，在大腿向上延伸部分和躯干之间安装拉伸弹簧，膝关节轴安装在大腿下侧，小腿安装在膝关节轴上，大腿向下延伸部分与小腿间安装拉伸弹簧，在躯干后侧末端与小腿间安装联动拉索，小腿下侧安装踝关节轴，左右后肢脚掌分别安装在踝关节轴上，并将扭簧安装在后肢脚掌与小腿间；机器人后腿初始位形为伸展状态，蓄能时由上述的曲柄带动大腿向前摆动，后腿由于联动拉索的存在，整体蜷曲，完成蓄能时机器人形态为类似于青蛙的蹲伏状。

蓄能-释放机构实质上是由伺服电机、单向轴承、曲柄、拉索和后腿组成；伺服电机通过一系列传动机构带动单向轴承和曲柄逆时针转动，曲柄通过拉索拉动后腿向前摆动使得后腿上的关节弹簧蓄能，当曲柄转动180°(即转动到最前端)时，连接后腿的拉索拉动曲柄的受力方向反向，单向轴承不传递力矩，后肢机构与伺服电机传动机构分离，后腿弹簧储存的能量得到释放，弹簧驱动机器人完成跳跃。

蓄能型仿蛙跳跃机器人由躯干机构、前肢机构和后肢机构组成。

躯干机构主要包括躯干结构铝板、一个伺服电机、一对圆锥伞齿轮、一个圆柱齿轮二级减速器、一个单向轴承及配套曲柄等。伺服电机、减速器等零件固定于铝板制成的机体之上，伺服电机上安装有伞齿轮，通过伞齿轮将力矩传递给二级齿轮减速器，减速器将放大的力矩传递给连接于减速器大齿轮轴端的蓄能-触发释放能量机构，蓄能-触发释放能量机构一端安装有拉索，拉索另一端连接在大腿上，蓄能-触发释放能量机构回转带动大腿前后摆动。

前肢机构主要包括两个舵机、前肢大腿、柔性脚掌。两个舵机分别是左右前腿的驱动装置，舵机安装于躯干前端，舵机输出轴端安装有配套转动架，前肢大腿安装在转动架上，C形弹簧片制成柔性脚掌安装在前肢大腿上，伺服程序通过舵机控制前肢前后摆动。

后肢机构主要包括后肢大腿、后肢小腿和后肢脚掌；所述后肢大腿包括左右后肢大腿、髋关节轴、大腿复位弹簧和后肢大腿固定板，所述髋关节轴与左右后肢大腿固定，后肢大腿固定板与左右后肢大腿固定，复位弹簧一端安装在后肢大腿上，另一端安装在躯干机体上；所述后肢小腿机构包括左右后肢小腿、小腿弯曲驱动绳、膝关节轴、小腿复位弹簧，膝关节轴与左右后肢小腿固定，小腿连接板与左右后肢小腿固定，小腿弯曲驱动绳一端安装在躯干末端、一端安装在左右小腿上，小腿复位弹簧安装在大腿延伸部分和小腿连接板间；所述后肢脚掌包括铝制脚掌、踝关节轴、复位扭簧和脚掌驱动绳索，铝制脚掌安装在踝关节轴上，踝关节轴安装在小腿上，复位扭簧安装在脚掌与小腿间形成的扭簧安装槽内，驱动绳索一端连接在大腿延伸部分、一端连接在脚掌上。

蓄能-触发释放能量机构包括一个单向轴承、一个回转曲柄和传动拉索，单向轴承固定在二级减速器大齿轮轴端，单向轴承与回转曲柄通过键连接，传动拉索一端连接在曲柄端头、一端连接在大腿上，曲柄回转带动大腿前后摆动，利用单向轴承超越离合的特性使曲柄回转时受到拉索力矩为顺时针时蓄能，拉索力矩为逆时针时后腿弹簧能量得到释放。

Claims (3)

1.一种蓄能型仿蛙跳跃机器人，其特征是：包括前肢、躯干、后肢，躯干上方固定伺服电机，伺服电机的输出端连接第一锥齿轮，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合，第二锥齿轮通过轴连接齿轮减速器的输入齿轮，齿轮减速器的输出齿轮连接输出轴，输出轴上安装单向轴承，回转曲柄安装在单向轴承上，后肢包括后肢髋关节轴、后肢大腿、大腿蓄能弹簧、膝关节轴、后肢小腿、小腿蓄能弹簧、踝关节轴、后肢脚掌，后肢髋关节轴安装在躯干后段，后肢大腿安装在后肢髋关节轴上，大腿蓄能弹簧分别与躯干和后肢大腿相连，膝关节轴安装在后肢大腿上，后肢小腿通过轴承安装在膝关节轴上，小腿蓄能弹簧分别与后肢大腿和后肢小腿相连，踝关节轴安装在后肢小腿的端部，后肢脚掌安装在踝关节轴上，踝关节轴上安装扭簧，后肢大腿与后肢脚掌之间安装脚掌联动拉索，回转曲柄与后肢大腿之间安装后肢驱动拉索，前肢包括舵机、前肢大腿、C型柔性前脚掌，舵机固定在躯干前段，舵机与前肢大腿相连，C型柔性前脚掌安装在前肢大腿上。

2.根据权利要求1所述的一种蓄能型仿蛙跳跃机器人，其特征是：所述的齿轮减速器为二级减速器，包括第一齿轮、第二齿轮、第三齿轮、第四齿轮，第一齿轮为输入齿轮，第四齿轮为输出齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合，第三齿轮与第四齿轮啮合，第二齿轮与第三齿轮同轴。

3.根据权利要求1或2所述的一种蓄能型仿蛙跳跃机器人，其特征是：所述的前肢、后肢均包括两组，两组前肢分别位于躯干前段的左右两侧，两组后肢分别位于躯干后段的左右两侧。