CN107128385A - 一种具有腿部联动与缓冲特性的仿蝗虫弹跳机器人 - Google Patents

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CN107128385A CN201710372543.XA CN201710372543A CN107128385A CN 107128385 A CN107128385 A CN 107128385A CN 201710372543 A CN201710372543 A CN 201710372543A CN 107128385 A CN107128385 A CN 107128385A
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    • B62D57/00Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members

Abstract

本发明涉及一种具有腿部联动与缓冲特性的仿蝗虫弹跳机器人,包括机架机构,机架机构上设置有齿轮传动机构及与齿轮传动机构连接的后腿弹跳连杆机构、前中腿缓冲连杆机构、分段不完全齿轮传力机构和凸轮传力机构;本发明通过分段不完全齿轮机构与凸轮机构相结合,能够实现后腿与前中腿之间联动,即通过齿轮传动机构同时带动前中腿与后腿联动运动,而且根据运动需要前腿使用分段不完全齿轮传力机构控制,后腿使用凸轮传力机构控制。

Description

一种具有腿部联动与缓冲特性的仿蝗虫弹跳机器人
技术领域
[0001] 本发明涉及仿生机器人技术领域,属于机器人技术领域,更具体地说,本发明涉及 一种具有腿部联动与缓冲特性的仿蝗虫弹跳机器人。 背•景技术
[0002] 仿生学是研宄自然界的生物系统,从现代技术材料和机械工程应用中提取设计。 昆虫在自然界中拥有最大的种群和各种各样的生物性质。它们通过恶劣复杂环境(如沙漠、 水表面、岩石和粗糙地形,甚至垂直或混乱表面)的能力众所周知,其无与伦比的能力不断 吸引工程师和科学家的兴趣,为许多在空气、水、和地面上等不同地表类型的仿生机器人的 设计提供了灵感。
[0003] 通常情况下有四种地面运动形式的机器人:轮式机器人、多足机器人、步行机器人 和跳跃机器人。前两种类型己经得到很好的发展。然而,小型机器人往往比大型机器人更容 易遇到障碍,在崎岖地形上移动也面临着困难。例如,小型轮式机器人在平坦表面运行速度 快,但在粗糙地面上只能克服大于车轮直径两倍的障碍物。步行机器人在粗糙的表面可以 调整他们的脚步,但通常他们在裂隙或大障碍面前面临着大步移动的困难。因此,跳跃为小 型机器人在粗糙的地形运动,提供了合理的解决方案。许多昆虫拥有非常强大的后腿跳跃 肌肉,尤其蝗虫不断吸引着研宄人员的兴趣,使生物研究以及仿昆虫跳跃机器人产生很大 进展。
[0004] 蝗虫跳跃能力极强,可以跳过是自身体长10倍的障碍,是间歇跳跃动物的代表,腿 部结构简单,身体长度大小适中,容易观察质心、身体姿态的变化,适合作为跳跃仿生的代 表。
[0005] 在专利号CN101058036 A的专利中,公开了一种仿蝗虫跳跃机器人,该跳跃机器人 使用绳索作为传动零件,后腿有连杆机构组成,通过绳索拉动连杆机构同时实现弹簧压缩 蓄能,用微型舵机带动钩子锁定连杆机构。电机反转松开绳索传动机构,再通过舵机松开钩 子实现能量释放。该机器人需要电机和微型舵机的协同控制下才能实现跳跃运动,增加了 控制的难度和精度,使用绳索拉动杆机构储能后能量不能很好的释放,还需电机反转运动 松开绳索,运动过程缓慢,导致跳跃爆发力不足,大大增加控制部分的难度。前腿支撑结构 过于简单不能实现和后腿的联动以及减震作用。
[0006] 在专利号CN102092431 A的专利中,公开了一种仿蝗虫弹射机理的跳跃机器人,该 机器人包括机体、与机体前端连接的前腿和与机体后端连接的后腿机构,通过压缩块使压 缩装置能够完成自动触发的功能,并在压缩块与后板之间设有弹簧,实现快速释放的功能, 但该机器人的跳跃性能有待于进一步提高,并且结构过于复杂,和真正的蝗虫腿部结构差 距很大仿生性能不强,腿部缓冲和腿部联动作用需要进一步提升。
[0007] 一在专利号CN103963864六的专利中,公开了一种仿生昆虫跳跃机器人,该机器人将 气![固^$后脚掌上,与气缸连接的活塞杆固定在后腿支撑杆上,增加了跳跃驱动力,显著 提高了能量效率,机体内平衡滑块的位置可以动态调节机器人的质心位置。该机器人采用 气缸活塞导致机器人的质量相对较大,采用平衡滑块调节质心安装精度低而且不易控制, 落地缓冲性能有待进一步提升,并且没有腿部联动与缓冲功能。
[0008] 综上所述,针对不同专利的一些技术问题,需要设计结构相对简单的新型跳跃机 器人,机构的设计要突出爆发力强的特点;腿部机构的设计要具有蝗虫的腿部运动特性,并 且可以实现前后腿之间的联动,进一步突出仿生性强、前腿缓冲保护、后腿机构简单有效的 特点。
发明内容
[0009] 基于以上技术问题,本发明提供了一种具有腿部联动与缓冲特性的仿蝗虫弹跳机 器人,从而解决了现有技术中机器人腿部仿生性能不强、机构过于复杂、腿部没有联动特性 的技术问题。
[0010] 为解决以上技术问题,本发明采用的技术方案如下:
[0011] —种具有腿部联动与缓冲特性的仿蝗虫弹跳机器人,包括机架机构,机架机构上 设置有齿轮传动机构及与齿轮传动机构连接的后腿弹跳连杆机构、前中腿缓冲连杆机构、 分段不完全齿轮传力机构和凸轮传力机构;
[0012] 其中,
[0013] 所述齿轮传动机构包括位于同一平面且平行设置的第一减速轴、后腿第二减速 轴、前腿第二减速轴和前腿第三减速轴,前腿第三减速轴同轴设置有前腿第三减速大齿轮, 前腿第二减速轴并排同轴设置有前腿第二减速大齿轮和前腿第三高速小齿轮,后腿第二减 速轴同轴设置有后腿第二减速大齿轮,第一减速轴并排同轴设置有第一减速大齿轮和第二 高速小齿轮,所述前腿第三减速大齿轮和前腿第三高速小齿轮啮合、第二高速小齿轮分别 与前腿第二减速大齿轮和后腿第二减速大齿轮啮合构成齿轮传动组,所述第一减速大齿轮 还啮合有第一高速小齿轮,第一高速小齿轮连接有驱动电机;
[0014] 所述凸轮传力机构包括凸轮、凸轮轮廓推杆及推杆连轴,所述凸轮设置在后腿第 二减速轴上,所述凸轮轮廓推杆安装在推杆连轴上,推杆连轴可转动的安装在机架机构上, 所述凸轮轮廓推杆与凸轮曲线轮廓相切接触;
[0015] 所述分段不完全齿轮传力机构包括啮合的分段不完全齿轮和第四减速大齿轮,分 段不完全齿轮同轴安装在前腿第三减速轴上,第四减速大齿轮同轴设置有前腿第四减速 轴,前腿第四减速轴可转动的安装在机架机构上;
[0016] 所述前腿第四减速轴与前中腿缓冲连杆机构连接,所述推杆连轴与后腿弹跳连杆 机构连接。
[0017] 优选的,所述前中腿缓冲连杆机构包括第一前中腿模块和第二前中腿模块,第一 前中腿模块和第二前中腿模块对称设置在机架机构前端两侧且结构相同;
[0018] 所述第一前中腿模块或第二前中腿模块包括第一前腿部分和第一中腿部分,第一 前腿部分和第一中腿部分相互平行设置且结构相同;
[0019] 所述第一前腿部分和第一中腿部分均包括两个对称设置的前中腿部组件,第一前 腿部分的两个前中腿部组件通过二者之间的前腿连接杆连接并同步转动,第一中腿部分的 两个前中腿部组件分别连接在所述前腿第四减速轴两端,所述前腿连接杆可转动的设置在 机架机构上;
[0020] 所述前中腿部组件包括第一中腿可滑动连杆,第一中腿可滑动连杆两端粗细不一 形成粗端和细端,细端上套设第一中腿缓冲弹簧后插接有可滑动的第一中腿缓冲滑块,第 一中腿缓冲滑块端面垂直连接有第一中腿滑块连接杆,所述第一中腿可滑动连杆粗端还通 过第三销钉可转动的连接有第一摆动中腿连杆,所述第一中腿滑块连接杆可转动的连接在 机架机构上,所述第一摆动中腿连杆与所述前腿连接杆或前腿第四减速轴可转动的连接;
[0021] 所述第一前腿部分和第一中腿部分同侧的前中腿部组件之间还设置有第一前中 腿连接杆,第一前中腿连接杆两端均通过连接件可转动的连接在第一前腿部分和第一中腿 部分的第一中腿可滑动连杆粗端。
[0022] 优选的,所述后腿弹跳连杆机构包括胫骨腿连接杆及转动连接在胫骨腿连接杆两 端的第一胫骨腿和第二胫骨腿,所述胫骨腿连接杆与第一胫骨腿和第二胫骨腿的连接处还 分别转动连接有第一股骨上腿和第二股骨上腿,第一股骨上腿和第二股骨上腿的端部之间 铰接有股骨上腿连接杆,股骨上腿连接杆可转动的设置在机架机构上;所述第一胫骨腿和 第二胫骨腿还分别可转动的连接有第一股骨下腿和第二股骨下腿,第一股骨下腿和第二股 骨下腿端部之间与所述推杆连轴固定连接,所述胫骨腿连接杆与推杆连轴之间还设置有第 一后腿蓄力弹簧和第二后腿蓄力弹簧。
[0023] 优选的,设第一股骨下腿、第一股骨上腿与机架机构连接点的水平间距为A;
[0024] 设第二股骨上腿、第二股骨下腿与机架机构连接点的水平间距为B;
[0025] 设第一股骨下腿、第一股骨上腿与第一胫骨腿连接点的间距为C;
[0026] 设第二股骨下腿、第二股骨上腿与第二胫骨腿连接点的间距为D;
[0027]贝IJ,
[0028]所述水平间距A、第一股骨下腿、间距C及第一股骨上腿的长度比为10:30:6:26; [0029]所述水平间距B、第二股骨下腿、间距D及第二股骨上腿的长度比为10:30:6:26。 [0030]优选的,第一高速小齿轮与第一减速大齿轮的齿数比为9:36,传动比为4:1;
[0031] 第二高速小齿轮与后腿第二减速大齿轮的齿数比为9:36,传动比为4:1;
[0032]第二高速小齿轮与前腿第二减速大齿轮的齿数比为9:36,传动比为4:1;
[0033]前腿第三高速小齿轮与前腿第三减速大齿轮的齿数比为9:36,传动比为4:1;
[0034]分段不完全齿轮与前腿第四减速大齿轮的传动比为1.8:1。
[0035]优选的,所述机架结构包括相对平行设置的第一身体连接板和第二身体连接板, 第一身体连接板和第二身体连接板之间设置有用于固定驱动电机的第一电机固定轴和第 二电机固定轴。
[0036]优选的,所述驱动电机外部套设有电机壳体,所述第一电机固定轴和第二电机固 定轴插入电机壳体将驱动电机固定。
[0037] 优选的,所述凸轮轮廓推杆通过限位定位销固连在推杆连轴上。
[0038] 综上所述,由于采用了上述技术方案,本发明的有益效果是:
[0039] u本发明通过分段不完全齿轮机构与凸轮机构相结合,能够实现后腿与前中腿之 间联动,即通过齿轮传动机构同时带动前中腿与后腿实现联动,而且根据运动需要前腿使 用分段不完全齿轮传力机构控制,后腿使用凸轮传力机构控制;设计腿部具有联动作用的 机器人,使机器人腿部机构的运动更接近蝗虫的真实运动形态,机器人跳跃更加平稳。
[0040] 2、本发明根据凸轮轮廓控制后腿弹跳连杆机构,进而控制后腿蓄力弹簧的能量储 存与释放,使用凸轮控制后腿蓄力弹簧的储能与能量释放,不但能充分利用凸轮的轮廓特 征,而且还能利用凸轮的质心和转动中心不同心的特点,在压凸轮轮廓推杆的时候凸轮的 重力能提供一部分的压力,从而减小驱动电机所需的最大驱动扭矩峰值,大大提高了电机 能量利用率,减少电机的能量消耗。
[0041] 3、本发明前中腿缓冲连杆机构的设计采用摇块机构的运动原理,在滑动连杆上装 上弹簧,在机器人储能完成准备起跳时,释放弹簧储存能量,为机器人提供跳跃能量,跳跃 动作完成之后落地时能利用弹簧吸收落地冲击能量,为下次跳跃储备能量,设计思路简单 明确,机构易于实现。
[0042] 4、本发明提出一种具有腿部联动与缓冲特性的仿蝗虫弹跳机器人,该机器人后腿 的四杆机构是根据双摇杆机构原理设计的,两个极限位置分别对应机器人质心降到最低 点、质心升到最高点,提高了机器人跳跃的高度。
[0043] 5、本发明提出一种具有腿部联动与缓冲特性的仿蝗虫弹跳机器人,该机器人后腿 机构采用运动轨迹丰富的四杆机构,近似模仿蝗虫的后腿结构,打破仿蝗虫设计的后腿设 计机构单一无腿部关节特性,使设计的腿部结构更接近真实的蝗虫,从而使得机器人运动 更加灵活和稳定。
附图说明
[0044]图1为本发明中机器人机架结构示意图;
[0045]图2为本发明中机器人整体结构示意图;
[0046]图3为本发明中机器人整体结构俯视示意图;
[0047]图4为本发明中机器人起跳状态示意图;
[0048]图5为本发明中机器人起跳状态内部结构示意图;
[0049]图6为本发明中机器人下蹲蓄力完成示意图;
[0050]图7为本发明中机器人下蹲蓄力完成内部结构示意图;
[0051]图8为本发明中机器人齿轮传动机构示意图;
[0052]图9为本发明中机器人后腿弹跳连杆机构示意图;
[0053]图1〇为本发明中机器人前中腿缓冲连杆机构示意图;
[00M]图11为本发明中机器人凸轮传力机构示意图;
[0055]图12为本发明中机器人分段不完全齿轮传力机构的结构示意图。
[0056]图中的标号分别是:1 •第一身体连接板;2.第二身体连接板;3.前腿第三减速大齿 轮;4 •前腿第二减速大齿轮;5.前腿第三高速小齿轮;6.第一减速大齿轮;7.第二高速小齿 轮;8 •后腿第二减速大齿轮;9.推杆连轴;1〇.股骨上腿连接杆;11.第二后腿蓄力弹簧;I2 • 胫骨腿连接杆;13 •第一胫骨腿;14.第一股骨下腿;15.第一股骨上腿;16 •凸轮;17 •第一中 腿缓冲滑块;18 •第一摆动中腿连杆;19.第一中腿缓冲弹簧;2〇.第一中腿可滑动连杆;21. 第一前中腿连接杆;22.前腿第四减速大齿轮;23.分段不完全齿轮;24.前腿连接杆;25.前 腿第三减速轴;26 •前腿第二减速轴;27.后腿第二减速轴;28.凸轮轮廓推杆;29 •第一后腿 蓄力弹簧;3〇 •第一销钉;31 •第二销钉;32.第三销钉;33.第一高速小齿轮;34.驱动电机; 35 •前腿第四减速轴;36.限位定位销;37.第一减速轴;38 •第一电机固定轴;39 •第二电机固 定轴;40 •电机壳体;41 •第二胫骨腿;42.第二股骨上腿;43.第一中腿滑块连接杆;44 •第一 前腿缓冲弹簧;45 •第二股骨下腿;4e •第二中腿缓冲弹簧47 •第二前腿缓冲弹簧48.第四 销钉。
具体实施方式
[0057]下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实 施例。
[0058]如图1-12所示的一种具有腿部联动与缓冲特性的仿蝗虫弹跳机器人,包括机架机 构,机架机构上设置有齿轮传动机构及与齿轮传动机构连接的后腿弹跳连杆机构、前中腿 缓冲连杆机构、分段不完全齿轮传力机构和凸轮传力机构;
[0059]其中,
[0060] 所述齿轮传动机构包括位于同一平面且平行设置的第一减速轴37、后腿第二减速 轴27、前腿第二减速轴26和前腿第三减速轴25,前腿第三减速轴25同轴设置有前腿第三减 速大齿轮3,前腿第二减速轴26并排同轴设置有前腿第二减速大齿轮4和前腿第三高速小齿 轮5,后腿第二减速轴27同轴设置有后腿第二减速大齿轮8,第一减速轴37并排同轴设置有 第一减速大齿轮6和第二高速小齿轮7,所述前腿第三减速大齿轮3和前腿第三高速小齿轮5 啮合、第二高速小齿轮7分别与前腿第二减速大齿轮4和后腿第二减速大齿轮8啮合构成齿 轮传动组,所述第一减速大齿轮6还啮合有第一高速小齿轮33,第一高速小齿轮33连接有驱 动电机34;
[0061] 所述凸轮传力机构包括凸轮16、凸轮轮廓推杆28及推杆连轴9,所述凸轮16设置在 后腿第二减速轴27上,所述凸轮轮廓推杆28安装在推杆连轴9上,推杆连轴9可转动的安装 在机架机构上,所述凸轮轮廓推杆28与凸轮ie曲线轮廓相切接触;
[0062] 所述分段不完全齿轮传力机构包括啮合的分段不完全齿轮23和前腿第四减速大 齿轮22,分段不完全齿轮23同轴安装在前腿第三减速轴25上,前腿第四减速大齿轮22同轴 安装有前腿第四减速轴35,前腿第四减速轴35可转动的设置在机架机构上;
[0063] 所述前腿第四减速轴35与前中腿缓冲连杆机构连接,所述推杆连轴9与后腿弹跳 连杆机构连接。
[0064] 所述前中腿缓冲连杆机构包括第一前中腿模块和第二前中腿模块,第一前中腿模 块和第二前中腿模块对称设置在机架机构前端两侧且结构相同;
[0065] 所述第一前中腿模块或第二前中腿模块包括第一前腿部分和第一中腿部分,第一 前腿部分和第一中腿部分相互平行设置且结构相同;
[0066] 所述第一前腿部分和第一中腿部分均包括两个对称设置的前中腿部组件,第一前 腿部分的两个前中腿部组件通过二者之间的前腿连接杆24连接并同步转动,第一中腿部分 的两个前中腿部组件分别连接在所述前腿第四减速轴35两端,所述前腿连接杆24可转动的 设置在机架机构上;
[0067] 所述前中腿部组件包括第一中腿可滑动连杆2〇,第一中腿可滑动连杆2〇两端粗细 不一形成粗端和细端,细端上套设第一中腿缓冲弹簧丨9后插接有可滑动的第一中腿缓冲滑 块17,第一中腿缓冲滑块17端面垂直连接有第一中腿滑块连接杆43,所述第一中腿可滑动 连杆20的粗端还通过第三销钉32可转动的连接有第一摆动中腿连杆18,所述第一中腿滑块 连接杆43可转动的连接在机架机构上,所述第一摆动中腿连杆18与所述前腿连接杆24或前 腿第四减速轴35可转动的连接;
[0068]所述第一前腿部分和第一中腿部分同侧的前中腿部组件之间还设置有第一前中 腿连接杆21,第一前中腿连接杆21两端均通过连接件可转动的连接在第一前腿部分和第一 中腿部分的第一中腿可滑动连杆20粗端。
[0069]所述后腿弹跳连杆机构包括胫骨腿连接杆12及转动连接在胫骨腿连接杆12两端 的第一胫骨腿13和第二胫骨腿41,所述胫骨腿连接杆12与第一胫骨腿13和第二胫骨腿41的 连接处还分别转动连接有第一股骨上腿I5和第二股骨上腿42,第一股骨上腿15和第二股骨 上腿42的端部之间较接有股骨上腿连接杆1〇,股骨上腿连接杆10可转动的设置在机架机构 上;所述第一胫骨腿13和第二胫骨腿41还分别可转动的连接有第一股骨下腿14和第二股骨 下腿45,第一股骨下腿14和第二股骨下腿45端部之间与所述推杆连轴9固定连接,所述胫骨 腿连接杆12与推杆连轴9之间还设置有第一后腿蓄力弹簧29和第二后腿蓄力弹簧11。
[0070]第一高速小齿轮33与第一减速大齿轮6的齿数比为9:36,传动比为4:1;
[0071]第二高速小齿轮7与后腿第二减速大齿轮8的齿数比为9:36,传动比为4:1;
[0072]第二高速小齿轮7与前腿第二减速大齿轮4的齿数比为9:36,传动比为4:1;
[0073]前腿第三高速小齿轮5与前腿第三减速大齿轮3的齿数比为9:36,传动比为4:1; [0074]分段不完全齿轮23与前腿第四减速大齿轮22的传动比为1.8:1。
[0075]所述机架结构包括相对平行设置的第一身体连接板1和第二身体连接板2,第一身 体连接板1和第二身体连接板2之间设置有用于固定驱动电机34的第一电机固定轴38和第 二电机固定轴39。
[0076]所述驱动电机34外部套设有电机壳体40,所述第一电机固定轴38和第二电机固定 轴39插入电机壳体40将驱动电机34固定。
[0077] 所述凸轮轮廓推杆28通过限位定位销36固连在推杆连轴9上。
[0078]本实施例的齿轮传动机构、分段不完全齿轮传力机构和凸轮传力机构安装在机架 机构的第一身体连接板1与第二身体连接板2之间;后腿弹跳连杆机构、前中腿缓冲连杆机 构对称安装在机架机构的第一身体连接板1与第二身体连接板2两侧。
[0079]第一身体连接板1与第二身体连接板2平行放置且结构相同,完全对称分布在整个 设计结构两侧;前腿连接杆24通过轴承安装在第一身体连接板1与第二身体连接板2之间, 它们之间是转动连接关系;第一电机固定轴38插入第一身体连接板1与第二身体连接板2上 的孔2-2 ’中固定连接,它们之间的配合为过盈配合;第二电机固定轴39插入第一身体连接 板1与第二身体连接板2上的孔3-3 ’中固定连接,它们之间的配合为过盈配合;股骨上腿连 接杆10插入第一身体连接板1与第二身体连接板2上的孔5-5’中固定连接,它们之间的配合 为过盈配合。推杆连轴9插入第一身体连接板1与第二身体连接板2上的孔4-4’中固定连接, 它们之间的配合为过盈配合。
[0080] 驱动电机34安装在电机壳体40内,驱动电机输出轴伸出到电机壳体40的外部,驱 动电机34输出轴与第一高速小齿轮33固定连接;第一减速轴37和驱动电机34输出轴平行并 且位于电机壳体40的一侧;第一减速大齿轮6和第二高速小齿轮7固定连接在第一减速轴37 上,并且与第一减速轴37之间的配合是过盈配合;后腿第二减速轴27与第一减速轴37在一 个平面上并且平行,后腿第二减速轴27在第一减速轴37的一侧;后腿第二减速大齿轮8固连 在后腿第二减速轴27上,且与后腿第二减速轴27之间的配合为过盈配合;前腿第二减速轴 26与第一减速轴37在一个平面上并且平行,前腿第二减速轴26在第一减速轴37的另外一 侧;前腿第二减速大齿轮4和前腿第三高速小齿轮5在前腿第二减速轴26上固定连接,它们 之间的配合为过盈配合;前腿第三减速轴25与前腿第二减速轴26、第一减速轴37在一个平 面上并且平行,前腿第三减速轴25在前腿第二减速轴26的一侧;前腿第三减速大齿轮3固连 在前腿第三减速轴25上,和前腿第三减速轴25过盈配合;其中第一高速小齿轮33与第一减 速大齿轮6是啮合传动;第一减速大齿轮6与第二高速小齿轮7是同轴传动;第二高速小齿轮 7与后腿第二减速大齿轮8是啮合传动的关系。第二高速小齿轮7与前腿第二减速大齿轮4是 啮合传动;前腿第二减速大齿轮4与前腿第三高速小齿轮5同轴传动;前腿第三高速小齿轮5 与前腿第三减速大齿轮3啮合传动;驱动电机34装在电机壳体40中,通过第一电机固定轴38 与第二电机固定轴39插入电机壳体40实现驱动电机34的固定,第一减速轴37、后腿第二减 速轴27、前腿第二减速轴26和前腿第三减速轴25两侧均通过轴承安装在第一身体连接板1 与第二身体连接板2之间。
[0081]凸轮16固连在后腿第二减速轴27上;凸轮轮廓推杆28与凸轮16轮廓接触连接;凸 轮轮廓推杆28与推杆连轴9固定连接,它们之间的配合关系为过盈配合,其中凸轮轮廓推杆 28与推杆连轴9通过限位定位销36紧固连接,防止在机器人运动过程中凸轮轮廓推杆28与 凸轮16轮廓发生错位;其中推杆连轴9两侧通过轴承安装在第一身体连接板1与第二身体连 接板2之间。
[0082] 分段不完全齿轮23安装在齿轮传动机构的前腿第三减速轴25上,和前腿第三减速 轴25过盈配合;前腿第四减速轴35通过轴承安装在第一身体连接板1与第二身体连接板2之 间,前腿第四减速大齿轮22安装在前腿第四减速轴35上,使分段不完全齿轮23与前腿第四 减速大齿轮22啮合传动连接。
[0083] 股骨上腿连接杆10两侧通过过盈配合安装在第一身体连接板1与第二身体连接板 2之间;第一胫骨腿13和第二胫骨腿41均设置有转动连接转轴孔,胫骨腿连接杆12两端分别 插入第一胫骨腿13和第二胫骨腿41的转动连接转轴孔实现转动连接,同时,第一股骨上腿 lf5和第二股骨上腿42则分别可转动的连接在第一胫骨腿13和第二胫骨腿41均设置有转动 连接转轴孔,使第一胫骨腿13与第一股骨上腿15只有转动关系、第二胫骨腿41与第二股骨 上腿42只有转动关系。
[0084] 第一股骨上腿15与股骨上腿连接杆10突出第一身体连接板1部分铰链连接,两者 可实现相对转动;第一股骨下腿14与推杆连轴9突出身体部位固定连接,它们之间的配合关 系是过盈配合;第一股骨上腿15与第一胫骨腿13通过胫骨腿连接杆12实现转动连接;第一 股骨下腿14与第一胫骨腿13的使用第一销钉30转动连接,相对位置可以根据实际情况进行 调节;
[0085]第一中腿可滑动连杆20的有粗、细两端,粗与细的比例可根据实际情况调节,细端 上套有第一中腿缓冲弹簧19,套上缓冲弹簧后插入第一中腿缓冲滑块17内,可以在第一中 腿缓冲滑块17内滑动;其中第一中腿缓冲滑块17和第一中腿滑块连接杆43是固定连接;第 一中腿滑块连接杆43与第一身体连接板1间隙配合可以转动;第一摆动中腿连杆18与第一 中腿可滑动连杆20通过第三销钉32实现转动连接关系。
[0086]第一摆动中腿连杆18与前腿第四减速轴35之间是转动连接关系;第一中腿滑动连 接杆《与第一身体连接板1转动连接;第一中腿模块带动第一前腿模块同步运动,两者之间 是平行连接关系。第二前中腿模块与第一前中腿模块结构形式及安装方式完全相同;第一 前中腿模块与第二前中腿模块关于第一身体连接板1与第二身体连接板2的中心平面对称 布置;
[0087] 第一减速大齿轮6与第二高速小齿轮7为同轴固定齿轮组合;后腿第二减速大齿轮 8与凸轮16为同轴固定齿轮组合;前腿第二减速大齿轮4与前腿第三高速小齿轮5为同轴固 定齿轮组合;前腿第三减速大齿轮3与分段不完全齿轮23为同轴固定齿轮组合。
[0088] 本实施例所述的连接件为第二销钉31和第四销钉48。
[0089]基于以上内容,本实施例的工作原理是:在跳跃开始之前,第一后腿蓄力弹簧29、 第二后腿蓄力弹簧11、第一中腿缓冲弹簧19、第一前腿缓冲弹簧44、第二中腿缓冲弹簧46、 第二前腿缓冲弹簧47均处于原长状态,驱动电机34带动第一高速小齿轮33高速运转,第一 高速小齿轮33与第一减速大齿轮6啮合传动,第一减速大齿轮6与第二高速小齿轮7同轴固 连,第二高速小齿轮7同时带动前腿第二低速大齿轮4与后腿第二低速大齿轮8运转,即通过 齿轮传动把力同时分到前中腿与后腿;后腿第二减速大齿轮8与凸轮16同轴固连带动凸轮 16运动,即后腿通过两级减速,同时前腿需要三级减速传到前腿第三减速大齿轮3上,前腿 第三减速大齿轮3与分段不完全齿轮23同轴固连,由于前腿第三高速小齿轮5与前腿第三减 速大齿轮3的传动比为4:1,即凸轮16旋转一周(360°),对应的分段不完全齿轮23仅能旋转 1/4周(g卩90°),为了能实现前后腿之间的联动而且使机器人具有连续跳跃能力,把分段不 完全齿轮23分为4部分,每部分均有有齿部分与无齿部分,分段不完全齿轮23与前腿第四减 速大齿轮22啮合,由前腿第四减速大齿轮22带动前腿运动;凸轮ie带动后腿的弹跳连杆机 构下蹲使第一后腿蓄力弹簧29和第二后腿蓄力弹簧11拉伸蓄力;同时分段不完全齿轮23通 过与前腿第四减速大齿轮22啮合传动,带动前中腿缓冲弹簧进行压缩蓄力,使前中腿与后 腿形成联动。当第一后腿蓄力弹簧29与第二后腿蓄力弹簧11拉伸到极限长度、与此同时前 中腿也达到转动极限,此时前中腿的所有缓冲弹簧压缩到最大程度,进一步旋转,凸轮16从 动件瞬间进入回程阶段,分段不完全齿轮23从1/4的有齿部分进入无齿部分与前腿第四减 速大齿轮22断开啮合,前中腿弹簧弹力瞬间释放,同时后腿蓄力弹簧弹力也瞬间释放形成 跳跃运动。本实施例的分段不完全齿轮23等分为四部分,每个部分均包含有齿部分和无齿 部分,有齿部分负责传动力矩,对前中腿弹簧进行蓄力,无齿部分负责弹簧蓄力后的瞬间释 放,下次跳跃时凸轮从近程开始转动同时分段不完全齿轮在无齿部分旋转,凸轮16进程转 动结束进入后腿蓄力弹簧蓄力时,分段不完全齿轮23的有齿部分进入哨合,进行下次的弹 跳运动,通过以上表述可知后腿是和前腿同时跳跃实现了联动,能很好的实现前后腿之间 的联动跳跃。
[0090]本实施例中,设第一股骨下腿14、第一股骨上腿15与机架机构连接点的水平间距 为A;
[0091]设第二股骨上腿犯、第二股骨下腿45与机架机构连接点的水平间距为B;
[0092]设第一股骨下腿14、第一股骨上腿15与第一胫骨腿13连接点的间距为C;
[0093]设第二股骨下腿45、第二股骨上腿42与第二胫骨腿41连接点的间距为D;
[0094]则,
[0095]所述水平间距A、第一股骨下腿14、间距C及第一股骨上腿15的长度比为10: 30:6: 26;
[0096]所述水平间距B、弟二股骨下腿45、间距D及第二股骨上腿42的长度比为10: 30:6: 26 〇
[0097]从以上比例关系中可以看出,在两个四杆机构中间距C长度与间距D长度是最短 杆,所以是双摆杆机构,双摆杆机构的设计能够保证后腿在活动范围内转动,还能尽量保证 在机器人储能蹲下时间距C与第一股骨下腿14、间距D与第二股骨下腿45尽量夹角最大,使 跳跃时储能最大。
[0098]本实施例中,第一胫骨腿13、第一股骨上腿I5、第一股骨下腿M及机架机构类似构 成四杆机构,同样的,第二胫骨腿41、第二股骨上腿42、第二股骨下腿45、及机架机构类似构 成四杆机构,设凸轮I6升程为7mm,凸轮轮廓推杆28长为10麵,第一股骨下腿14长为30mra,第 一股骨上腿15长为26mm,第一胫骨腿13作为四杆机构的连杆部分为6mm;若凸轮16推动凸轮 轮廓推杆28在升程带动推杆连轴9逆时针旋转41 °,带动第一股骨下腿14逆时针旋转41 °,则 通过四杆机构带动第一腔骨腿(13)顺时针旋转81°,带动后腿部位整体下蹲23.5mm;设前中 腿第一摆动中腿连杆18长为15mm,当初始位置时,第一中腿可滑动连杆20位于摇块机构内 的有效长度为15mm,分段不完全齿轮23每次啮合可带动第一摆动中腿连杆18逆时针旋转 20°,则可使第一中腿缓冲弹簧19压缩2mn,带动前腿部位整体下蹲5mm。通过以上说明,第一 胫骨腿13、第一股骨上腿15、第一股骨下腿14、第二胫骨腿41、第二股骨上腿42、第二股骨下 腿45、及机架能使机器人的质心最高点进一步升高,提高机器人跳跃的高度。
[0099] 如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例,各个优选 实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提,各个优选 实施方式都可以任意叠加组合使用,所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表 述发明人的发明验证过程,并非用以限制本发明的专利保护范围,本发明的专利保护范围 仍然以其权利要求书为准,凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化,同 理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

  1. i .一种具有腿部联动与缓冲特性的仿蝗虫弹跳机器人,包括机架机构,其特征在于,机 架机构上设置有齿轮传动机构及与齿轮传动机构连接的后腿弹跳连杆机构、前中腿缓冲连 杆机构、分段不完全齿轮传力机构和凸轮传力机构; 其中, 所述齿轮传动机构包括位于同一平面且平行设置的第一减速轴(37)、后腿第二减速轴 (27)、前腿第二减速轴(26)和前腿第三减速轴(25),前腿第三减速轴(25)同轴设置有前腿 第三减速大齿轮(3),前腿第二减速轴(26)并排同轴设置有前腿第二减速大齿轮⑷和前腿 第三高速小齿轮(5),后腿第二减速轴(27)同轴设置有后腿第二减速大齿轮(8),第一减速 轴(37)并排同轴设置有第一减速大齿轮⑹和第二高速小齿轮(7),所述前腿第三减速大齿 轮⑶和前腿第三高速小齿轮⑸啮合、第二高速小齿轮⑺分别与前腿第二减速大齿轮(4) 和后腿第二减速大齿轮⑻啮合构成齿轮传动组,所述第一减速大齿轮(6)还啮合有第一高 速小齿轮(33),第一高速小齿轮(33)连接有驱动电机(34); 所述凸轮传力机构包括凸轮(16)、凸轮轮廓推杆(28)及推杆连轴(9),所述凸轮(16)设 置在后腿第二减速轴(27)上,所述凸轮轮廓推杆(28)设置在推杆连轴(9)上,推杆连轴(9) 可转动的设置在机架机构上,所述凸轮轮廓推杆(28)与凸轮(16)曲线轮廓相切接触; 所述分段不完全齿轮传力机构包括啮合的分段不完全齿轮(23)和前腿第四减速大齿 轮(22),分段不完全齿轮(23)同轴安装在前腿第三减速轴(25)上,前腿第四减速大齿轮 (22)同轴安装有前腿第四减速轴(35),前腿第四减速轴(35)可转动的安装在机架机构上; 所述前腿第四减速轴(35)与前中腿缓冲连杆机构连接,所述推杆连轴(9)与后腿弹跳 连杆机构连接。
  2. 2. 根据权利要求1所述的一种具有腿部联动与缓冲特性的仿蝗虫弹跳机器人,其特征 在于,所述前中腿缓冲连杆机构包括第一前中腿模块和第二前中腿模块,第一前中腿模块 和第二前中腿模块对称设置在机架机构前端两侧且结构相同; 所述第一前中腿模块或第二前中腿模块包括第一前腿部分和第一中腿部分,第一前腿 部分和第一中腿部分相互平行设置且结构相同; 所述第一前腿部分和第一中腿部分均包括两个对称设置的前中腿部组件,第一前腿部 分的两个前中腿部组件通过二者之间的前腿连接杆(24)连接并同步转动,第一中腿部分的 两个前中腿部组件分别连接在所述前腿第四减速轴(35)两端,所述前腿连接杆(24)可转动 的设置在机架机构上; 所述前中腿部组件包括第一中腿可滑动连杆(2〇),第一中腿可滑动连杆(20)两端粗细 不一形成粗端和细端,细端上套设第一中腿缓冲弹簧(19)后插接有可滑动的第一中腿缓冲 滑块(17),第一中腿缓冲滑块(17)端面垂直连接有第一中腿滑块连接杆(43),所述第一中 腿可滑动连杆(20)的粗端还通过第三销钉(32)可转动的连接有第一摆动中腿连杆(18),所 述第一中腿滑块连接杆(43)可转动的连接在机架机构上,所述第一摆动中腿连杆(18)与所 述前腿连接杆(24)或前腿第四减速轴(35)可转动的连接; 所述第一前腿部分和第一中腿部分同侧的前中腿部组件之间还设置有第一前中腿连 接杆(21),第一前中腿连接杆(2D两端均通过连接件可转动的连接在第一前腿部分和第一 中腿部分的第一中腿可滑动连杆(2〇)粗端。
  3. 3. 根据权利要求1所述的一种具有腿部联动与缓冲特性的仿蝗虫弹跳机器人,其特征 在于,所述后腿弹跳连杆机构包括胫骨腿连接杆(12)及转动连接在胫骨腿连接杆(12)两端 的第一胫骨腿(1¾和第二胫骨腿(41),所述胫骨腿连接杆(12)与第一胫骨腿(13)和第二胫 骨腿(41)的连接处还分别转动连接有第一股骨上腿(15)和第二股骨上腿(42),第一股骨上 腿(15)和第二股骨上腿(42)的端部之间铰接有股骨上腿连接杆(10),股骨上腿连接杆(10) 可转动的设置在机架机构上;所述第一胫骨腿(13)和第二胫骨腿(41)还分别可转动的连接 有第一股骨下腿(14)和第二股骨下腿(45),第一股骨下腿(14)和第二股骨下腿(45)端部之 间与所述推杆连轴⑼固定连接,所述胫骨腿连接杆(12)与推杆连轴⑼之间还设置有第一 后腿蓄力弹簧(29)和第二后腿蓄力弹簧(11)。
  4. 4. 根据权利要求1所述的一种具有腿部联动与缓冲特性的仿蝗虫弹跳机器人,其特征 在于, 设第一股骨下腿(14)、第一股骨上腿(15)与机架机构连接点的水平间距为A; 设第二股骨上腿(42)、第二股骨下腿(45)与机架机构连接点的水平间距为B; 设第一股骨下腿(14)、第一股骨上腿(15)与第一胫骨腿(13)连接点的间距为C; 设第二股骨下腿(45)、第二股骨上腿(42)与第二胫骨腿(41)连接点的间距为D; 则, 所述水平间距A、第一股骨下腿(14)、间距C及第一股骨上腿(15)的长度比为10:30:6: 26; 所述水平间距B、第二股骨下腿(45)、间距D及第二股骨上腿(42)的长度比为10 :30:6: 26 〇
  5. 5. 根据权利要求1所述的一种具有腿部联动与缓冲特性的仿蝗虫弹跳机器人,其特征 在于, 第一高速小齿轮(33)与第一减速大齿轮(6)的齿数比为9:36,传动比为4:1; 第二高速小齿轮⑺与后腿第二减速大齿轮⑻的齿数比为9:36,传动比为4:1; 第二高速小齿轮⑺与前腿第二减速大齿轮⑷的齿数比为9:36,传动比为4:1; 前腿第三高速小齿轮⑸与前腿第三减速大齿轮⑶的齿数比为9:36,传动比为4:1; 分段不完全齿轮(23)与前腿第四减速大齿轮(22)的传动比为1.8:1。
  6. 6. 根据权利要求1-5任一项所述的一种具有腿部联动与缓冲特性的仿蝗虫弹跳机器 人,其特征在于,所述机架结构包括相对平行设置的第一身体连接板(1)和第二身体连接板 (2),第一身体连接板(1)和第二身体连接板(2)之间设置有用于固定驱动电机(34)的第一 电机固定轴(38)和第二电机固定轴(39)。
  7. 7. 根据权利要求6所述的一种具有腿部联动与缓冲特性的仿蝗虫弹跳机器人,其特征 在于,所述驱动电机(34)外部套设有电机壳体(40),所述第一电机固定轴(38)和第二电机 固定轴(39)插入电机壳体(40)将驱动电机(34)固定。
  8. 8. 根据权利要求1-5任一项所述的一种具有腿部联动与缓冲特性的仿蝗虫弹跳机器 人,其特征在于,所述凸轮轮廓推杆(28)通过限位定位销(36)固连在推杆连轴(9)上。
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