CN105235766A - 一种可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种模块化结构的可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿。一种可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿，包括机身、大腿模块、小腿模块、脚踝和储能单元，机身通过髋关节连接件与大腿模块铰接，在机身和大腿模块之间设置有髋关节储能单元；小腿模块通过膝关节连接件与大腿模块铰接，小腿模块和膝关节之间设置有膝关节储能单元；脚踝通过踝关节连接件与小腿模块铰接，脚踝与小腿模块之间设置有踝关节储能单元。本发明采用模块化的结构，通过在各关节之间设置的储能单元瞬间释放能量，快速改变与储能单元相连接的两个结构之间的运动位置关系，模拟仿生哺乳动物的身体肌肉变化，使机器人单腿可以实现跳跃功能。

Description

一种可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿结构。

背景技术

与轮式、履带式移动机器人相比，仿生足式机器人以其独特的运动形式和控制方法，在崎岖不平的路面运动具有较好的地面适应性，以及野外复杂环境下的应用潜力而成为机器人研究领域的热点。

但目前的多足仿生步行机器人，其机动性不好，对环境的适应性不够，越障能力较弱，运动步态的模式较有限。比较典型的，仿生步行机器人实现对沟壑、障碍的跳跃就比较困难。为提高仿生步行机器人的运动性能，国内外学者开展了具有弹跳性能的仿生机器人研究。对有弹跳性能的仿生机器人研究多从单腿系统开始。单腿系统不仅是决定机器人运动能力的关键因素，也是整机开发过程中重要的前期研究平台，国内外学者开展了较多的机器人单腿的结构设计和控制方法方面的研究工作。麻省理工学院Raibert等人在20世纪80年代研制了单腿跳跃机器人，其中的腿部气缸为弹性阻尼元件。C．Jean和GarthZeglin等人于2001年研制出3Dleg机器人，利用弹性弓形腿，通过拉伸绳索机构使弓形腿弯曲并驱动钢板弹簧变形存储能量，当弓形腿弯曲到一定程度时会自动释放绳索，释放能量的同时，弓形腿弹回原来的形状，在地面反弹力的作用下实现跳跃。所开发的控制系统，使其在跳跃运动过程中弓形腿能够始终与地面保持垂直，从而使其在跳跃过程中能够保证身体动态平衡。但该机构具有一定的缺陷，即只能在二维平面内运动。

加拿大McGill大学MartinBuehler教授的团队研制了SOUT、KOLT等以行走步态为主要运动形式的四足机器人。为了追求更高的动态性能，很多学者从带有弹性元件的单腿系统入手开展四足机器人研究。Kim和Lewis则仿照猎豹运动特点，开发了两款针对高速奔跑运动的单腿系统和单足弹跳机器人，并开展了相关研究。美国波士顿动力公司（BostonDynamics）研发的一套运输机器人“BigDog”，其依靠安装有液压驱动器的腿部可以完成跳跃运动。

国内研究方面，西北工业大学的葛文杰课题组研制袋鼠仿生机器人，浙江大学付新课题组李霏等人研究了叶蝉仿生机器人、哈工大赵杰课题组的王猛等人研究具有跳跃运动的青蛙仿生机器人。东南大学的宋光明教授等人研制了具有滚动和跳跃能力的室内侦察机器人。哈尔滨工程大学的陈东良等人研制了仿生蝗虫跳跃机器人等。

近两年，国内外申请了较多的有关跳跃机器人的专利。哈尔滨工程大学的胡胜海等，申请了双关节跳跃机器人（公开号，CN204488997U），采用双关节，用两个电机驱动；哈尔滨工程大学的胡胜海等申请了一种蓄能型仿蛙跳跃机器人（公开号，CN104709375A），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。北京工业大学的左国玉等，申请了一种仿生袋鼠机器人（公开号，CN104548608A），公开了一种仿生袋鼠机器人，包括机身、动力传输装置、两腿部机构、尾部平衡机构及控制系统。重庆大学的柏龙等，申请了仿生跳跃机器人（公开号，CN104627263A），公开了一种仿生跳跃机器人，包括机身、弹跳机构和平衡机构；北京理工大学的马树元等，申请了一种活塞驱动式跳跃机器人（公开号，CN103895727A），公开了一种活塞驱动式跳跃机器人结构，跳跃驱动机构采用气缸活塞机构。北京工业大学的左国玉等，申请了一种仿生昆虫跳跃机器人结构（公开号，CN103963864A），将气缸固定在后脚掌上，与现有技术相比加大了活塞杆运动行程，增强了跳跃驱动力。桂林电子科技大学的庄未等，申请了空中姿态可调单腿连续跳跃机器人（公开号，CN203651955U），该可调单腿连续跳跃机器人，包括上身部、腰部和腿部，腰部的上基板和下基板之间均匀支撑有弹性元件。浙江大学的赵逸栋等，申请了一种连杆传动的单腿机器人跳跃机构（公开号，CN103879470A），该跳跃机构，包括依次铰接的机身、大腿和小腿等。其跳跃驱动装置和方向驱动装置靠近机身。桂林电子科技大学的庄未等，申请了跳跃机器人的能量存储与释放装置（公开号，CN204137152U），该跳跃机器人的能量存储与释放装置，包括齿轮、齿条、电磁离合器以及带棘轮电磁铁的棘轮机构。哈尔滨工程大学的胡胜海等，申请了五关节仿蛙跳跃机器人（公开号，CN103569235A），五关节仿蛙跳跃机器人由躯干机构、前肢机构和后肢机构组成。采用了同步带传动机构、复位弹簧、小腿驱动绳等。浙江大学的朱秋国等，申请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；西北工业大学的葛文杰等，申请了一种基于液压驱动的机器人弹跳机构（公开号，CN103287522A），机器人弹跳机构，通过液压缸推动双边齿条，驱使带齿连杆、第二连杆、第三连杆组成的五杆机构重心下移，同时拉伸弹簧储存弹性势能。

就现有的国内外相关文献来看，目前设计的仿生跳跃机器人的跳跃主要由腿部的弹跳来实现，其腿部弹跳主要依靠液压驱动器或者弹簧来完成。液压驱动器的结构与控制复杂，体积较大，在步行机器人上使用有很多不足。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，设计一种模块化结构的可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿。

本发明一种可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿所采用的技术方案如下：一种可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿，包括机身、大腿模块、小腿模块、脚踝和储能单元，机身通过髋关节连接件与大腿模块铰接，在机身和大腿模块之间设置有髋关节储能单元；小腿模块通过膝关节连接件与大腿模块铰接，小腿模块和膝关节之间设置有膝关节储能单元；脚踝通过踝关节连接件与小腿模块铰接，脚踝与小腿模块之间设置有踝关节储能单元，在机身上设置运动控制的单元。

所述的髋关节储能单元包括储能单元导向套，在储能单元导向套的两侧分别设置有左端盖和右端盖，左端盖通过左端盖锁紧螺钉与储能单元导向套固定，右端盖通过右端盖锁紧螺钉与储能单元导向套固定；在左端盖外侧固定连接有储能单元左连接杆，储能单元左连接杆与髋关节储能单元连接上轴销进行联接；在储能单元导向套内设置有储能弹簧，在储能弹簧的一端设置有活塞，活塞与位于活塞中心线位置的滑动导杆固定连接；在滑动导杆上固定设置有齿条，齿条与位于右端盖内侧的齿轮轴啮合连接；储能单元导向套内还设置有缓冲垫，缓冲垫固定在储能单元导向套内壁设置的凸缘上；在髋关节储能单元右端设置有蜗轮蜗杆减速器安装座，蜗轮蜗杆减速器通过连接法兰与蜗轮蜗杆减速器安装座固定连接；蜗轮蜗杆减速器的输入端与伺服电机上的行星齿轮减速器的输出轴连接，蜗轮蜗杆减速器输出轴连接有电磁离合器，电磁离合器的输入端与蜗轮蜗杆减速器输出轴连接，电磁离合器输出端与齿轮轴的右端连接；齿轮轴的两侧分别设置有一个轴承，轴承两端分别设置一个弹簧挡圈，弹簧挡圈安装在蜗轮蜗杆减速器安装座内的圆柱孔内；齿轮轴的一端连接有角度编码器；在储能单元右端盖上设置有供滑动导杆和齿条穿过的通孔，滑动导杆的末端穿过通孔与髋关节储能单元连接下销轴连接。

所述大腿模块由左右两块侧板组成，两块侧板上设置有若干固定连接孔，通过螺母与螺栓固定连接，侧板上还设置有若干长孔。

在机身一侧的上平面设置运动控制单元。

本发明采用模块化的结构，通过在各关节之间设置的储能单元瞬间释放能量，快速改变与储能单元相连接的两个结构之间的运动位置关系，模拟仿生哺乳动物的身体肌肉变化，使机器人单腿可以实现跳跃功能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿的总体示意图。

图2是本发明可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿的大腿和小腿结构图。

图3是本发明可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿的储能单元。

图4是本发明可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿的储能单元的A-A剖面示意图。

图5是本发明可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿的脚踝结构图。

其中，1.机身，2.储能单元连接支架，3.髋关节储能单元，3-1.储能单元左连接杆，3-2.左端盖锁紧螺钉，3-3.左端盖，3-4.储能单元导向套，3-5.储能弹簧，3-6.活塞，3-7.齿条，3-8.滑动导杆，3-9.缓冲垫，3-10.齿轮轴，3-11.蜗轮蜗杆减速器安装座锁紧螺钉，3-12.右端盖锁紧螺钉，3-13.右端盖，3-14.伺服电机，3-15.蜗轮蜗杆减速器，3-16.蜗轮蜗杆减速器安装座，3-17.蜗轮蜗杆减速器输出轴，3-18.电磁离合器，3-19.轴承弹簧挡圈，3-20.轴承，3-21.角度编码器，4.大腿模块，4-1.大腿侧板，5.膝关节储能单元，6.小腿模块，6-1.小腿侧板，7.踝关节储能单元，8.脚踝，8-1.踝关节连接件，8-2.踝关节储能单元连接耳板，8-3.带槽圆柱螺母，8-4.脚踝花键套锁紧螺钉，8-5.脚踝花键套，8-6.花键轴，8-7.脚踝缓冲弹簧，8-8.弹簧预紧块，8-9.花键轴末端连接件，8-10.三维力传感器，8-11.脚底减震橡胶块，9.髋关节连接件，10.髋关节连接轴销，11.弹簧挡圈，12.髋关节储能单元连接下轴销，13.膝关节储能单元连接上轴销，14.大腿侧板连接长圆柱螺母，15.平头倒边内六角螺栓，16.膝关节连接件，17.膝关节连接轴销，18.膝关节连接件连接螺栓，19.膝关节储能单元连接下轴销，20.踝关节储能单元连接上轴销，21.踝关节连接轴销，22.运动控制单元，23.髋关节储能单元连接上轴销，24.踝关节储能单元连接下轴销。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，如图1~4所示，本发明提供了一种可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿，包括机身1、大腿模块4、小腿模块6、脚踝8和储能单元，机身1通过髋关节连接件9与大腿模块4铰接，在机身1和大腿模块4之间设置有髋关节储能单元3；小腿模块6通过膝关节连接件16与大腿模块4铰接，小腿模块6和膝关节之间设置有膝关节储能单元5；脚踝8通过踝关节连接件8-1与小腿模块6铰接，脚踝8与小腿模块6之间设置有踝关节储能单元7，在机身1上设置运动控制的单元22。

优选的，所述的机身1上固接有储能单元连接支架2和髋关节连接件9。大腿模块4包括两片大腿侧板4-1，两片大腿侧板4-1平行放置，通过若干大腿侧板连接长圆柱螺母14和若干平头倒边内六角螺栓15固定连接而形成大腿的整体结构；两片大腿侧板4-1上端设置有髋关节连接轴销10，髋关节连接轴销10两端用弹簧挡圈11固定。髋关节连接轴销10下方设置有髋关节储能单元连接下轴销12，髋关节储能单元3两端分别联接在机身的储能单元连接支架2和髋关节储能单元连接下轴销12上。髋关节储能单元连接下轴销12左下方设置有膝关节储能单元连接上轴销13。大腿模块4下端设置有膝关节连接轴销17，所述的膝关节连接轴销17与膝关节连接件16铰接。小腿模块6结构与大腿模块4结构类似，两片小腿侧板6-1通过膝关节连接件连接螺栓18与膝关节连接件16固接。小腿模块6上端设置有踝关节储能单元连接上轴销20。膝关节储能单元5两端分别连接在膝关节储能单元连接上轴销13和膝关节储能单元连接下轴销19上。小腿模块6下端设置有踝关节连接轴销21，踝关节连接轴销21与踝关节连接件8-1铰接。踝关节连接件8-1上设置有踝关节储能单元连接耳板8-2，踝关节储能单元7两端分别连接在踝关节储能单元连接上轴销20和踝关节储能单元连接耳板8-2上。

进一步的，所述的髋关节储能单元3包括储能单元导向套3-4，在储能单元导向套3-4两侧分别设置有左端盖3-3和右端盖3-13，左端盖3-3通过左端盖锁紧螺钉3-2与储能单元导向套3-4固定，右端盖3-13通过右端盖锁紧螺钉3-12与储能单元导向套3-4固定；在左端盖3-3外侧固定连接有储能单元左连接杆3-1，储能单元左连接杆3-1与髋关节储能单元连接上轴销23连接；在储能单元导向套3-4内设置有储能弹簧3-5，在储能弹簧3-5的一端设置有活塞3-6，活塞3-6与位于活塞中心线位置的滑动导杆3-8固定连接；在滑动导杆3-8上固定设置有齿条3-7，齿条3-7与位于右端盖3-13内侧的齿轮轴3-10啮合连接；储能单元导向套3-4内还设置有缓冲垫3-9，缓冲垫3-9固定在导向套3-4内壁设置的凸缘上；安装在储能单元导向套3-4内部的缓冲垫3-9，一方面起到对储能弹簧3-5释放出来的力进行缓冲，另一方面可限制活塞3-6的顶出位置，对储能单元右侧的伺服电机3-14等结构进行保护；在储能单元右端设置有蜗轮蜗杆减速器安装座3-16，所述的蜗轮蜗杆减速器安装座3-16通过蜗轮蜗杆减速器安装座锁紧螺钉3-11固定，蜗轮蜗杆减速器3-15通过连接法兰与蜗轮蜗杆减速器安装座3-16固定连接；蜗轮蜗杆减速器3-15的输入端与伺服电机3-14上的行星齿轮减速器的输出轴连接，蜗轮蜗杆减速器输出轴3-17连接有电磁离合器3-18，电磁离合器3-18的输入端与蜗轮蜗杆减速器输出轴3-17连接，电磁离合器3-18的输出端与齿轮轴3-10的右端连接；齿轮轴3-10左右两侧分别设置一个轴承3-20，轴承3-20两端分别设置有一个轴承弹簧挡圈3-19，用来限制轴承3-20的轴向移动，轴承弹簧挡圈3-19安装在蜗轮蜗杆减速器安装座3-16内的圆柱孔内；齿轮轴3-10的一端连接有角度编码器3-21；在储能单元右端盖3-13上设置有供滑动导杆3-8和齿条3-7穿过的通孔，滑动导杆3-8的末端穿过通孔与髋关节储能单元连接下销轴12联接。

所述髋关节储能单元3、膝关节储能单元5和踝关节储能单元7结构类似，其中，膝关节的储能单元左连接杆与膝关节储能单元的连接上轴销13连接，踝关节的储能单元左连接杆与踝关节储能单元的连接上轴销20连接，膝关节储能单元5上设置的滑动导杆的末端与膝关节储能单元连接下轴销19联接，踝关节储能单元7上设置的滑动导杆的末端与踝关节储能单元连接下轴销24联接。

本发明的工作原理如下：机器人单腿正常行走时，电磁离合器（如：3-18）处于结合状态，根据机器人的运动规划要求，由运动控制单元22发出指令，驱动各模块的伺服电机（如：3-14）运动，通过传动系统，改变各模块之间的相对位置，使机器人单腿呈现不同的姿态，从而实现正常行走。此过程中，各储能单元的储能弹簧（如：3-5）处于被压缩或者伸长过程，但因为蜗轮蜗杆传动的自锁作用，储能单元的储能弹簧（如：3-5）的形变不改变伺服电机对各模块传动系统的驱动与控制。当可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿在需要跳跃动作时，电磁离合器（如：3-18）断开，储能弹簧（如：3-5）的势能瞬间释放，驱动滑动导杆（如：3-8）快速向外运动，改变储能器两端连接杆之间的长短，进而驱动关节进行旋转运动，实现单腿的跳跃。当跳跃动作完成时，电磁离合器（如：3-18）结合，带有减速器的伺服电机（如：3-14）通过蜗轮蜗杆减速器（如：3-15）、电磁离合器（如：3-18）、齿轮轴（如：3-10）和齿条（如：3-7）传动，驱动滑动导杆（如：3-8）向内运动，压缩储能弹簧（如：3-5）进行储能。

优选的，所述脚踝8包括踝关节连接件8-1，踝关节连接件8-1下端设置为中空型，踝关节连接件8-1上端设置有踝关节连接耳板，侧面设置有踝关节储能单元连接耳板8-2，下端设置有脚踝花键套连接法兰；脚踝花键套8-5通过内六角螺栓8-4与踝关节连接件8-1固定连接；脚踝花键套8-5内设置有花键轴8-6，花键轴8-6沿花键套中心线滑动；花键轴8-6上端设置有带槽圆柱螺母8-3，下端设置有弹簧预紧块8-8；在脚踝花键套8-5与弹簧预紧块8-8之间设置有脚踝缓冲弹簧8-7，脚踝缓冲弹簧8-7套在花键轴8-6上；在花键轴8-6末端设置有花键轴末端连接件8-9，花键轴末端连接件8-9上固定连接有三维力传感器8-10；三维力传感器8-10下端固定安装有脚底减震橡胶块8-11。

进一步的，在机身1一侧的上平面设置运动控制单元22。

以上结合附图对本发明的优选实施例做了详细说明，但本发明并不限于上述实施方式，例如，缓冲垫的材料并不限于橡胶，只要达到缓冲的效果即可，总之，只要在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，对本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代和改进等，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围之内。

Claims (4)

1.一种可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿，包括机身（1）、大腿模块（4）、小腿模块（6）、脚踝（8）和储能单元，其特征在于：机身（1）通过髋关节连接件（9）与大腿模块（4）铰接，在机身（1）和大腿模块（4）之间设置有髋关节储能单元（3）；小腿模块（6）通过膝关节连接件（16）与大腿模块（4）铰接，小腿模块（6）和膝关节之间设置有膝关节储能单元（5）；脚踝（8）通过踝关节连接件（8-1）与小腿模块（6）铰接，脚踝（8）与小腿模块（6）之间设置有踝关节储能单元（7），在机身（1）上设置运动控制的单元（22）。

2.根据权利要求1所述的一种可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿，其特征在于：所述的髋关节储能单元（3）包括储能单元导向套（3-4），在储能单元导向套（3-4）的两侧分别设置有左端盖（3-3）和右端盖（3-13），左端盖（3-3）通过左端盖锁紧螺钉（3-2）与储能单元导向套（3-4）固定，右端盖（3-13）通过右端盖锁紧螺钉（3-12）与储能单元导向套（3-4）固定；在左端盖（3-3）外侧固定连接有储能单元左连接杆（3-1），储能单元左连接杆（3-1）与髋关节储能单元连接上轴销（23）进行联接；在储能单元导向套（3-4）内设置有储能弹簧（3-5），在储能弹簧（3-5）的一端设置有活塞（3-6），活塞（3-6）与位于活塞中心线位置的滑动导杆（3-8）固定连接；在滑动导杆（3-8）上固定设置有齿条（3-7），齿条（3-7）与位于右端盖（3-13）内侧的齿轮轴（3-10）啮合连接；储能单元导向套（3-4）内还设置有缓冲垫（3-9），缓冲垫（3-9）固定在储能单元导向套（3-4）内壁设置的凸缘上；在髋关节储能单元（3）右端设置有蜗轮蜗杆减速器安装座（3-16），蜗轮蜗杆减速器（3-15）通过连接法兰与蜗轮蜗杆减速器安装座（3-16）固定连接；蜗轮蜗杆减速器（3-15）的输入端与伺服电机（3-14）上的行星齿轮减速器的输出轴连接，蜗轮蜗杆减速器输出轴（3-17）连接有电磁离合器（3-18），电磁离合器（3-18）的输入端与蜗轮蜗杆减速器输出轴（3-17）连接，电磁离合器（3-18）输出端与齿轮轴（3-10）的右端连接；齿轮轴（3-10）的两侧分别设置有一个轴承（3-20），轴承（3-20）两端分别设置一个轴承弹簧挡圈（3-19），轴承弹簧挡圈（3-19）安装在蜗轮蜗杆减速器安装座（3-16）内的圆柱孔内；齿轮轴（3-10）的一端连接有角度编码器（3-21）；在储能单元右端盖（3-13）上设置有供滑动导杆（3-8）和齿条（3-7）穿过的通孔，滑动导杆（3-8）的末端穿过通孔与髋关节储能单元连接下销轴（12）连接。

3.根据权利要求1所述的一种可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿，其特征在于：所述大腿模块（4）由左右两块侧板（4-1）组成，两块侧板（4-1）上设置有若干固定连接孔，通过螺母与螺栓固定连接，侧板（4-1）上还设置有若干长孔。

4.根据权利要求1所述的一种可实现跳跃功能的四足仿生机器人单腿，其特征在于：在机身（1）一侧的上平面设置运动控制单元（22）。