CN107458490A - 一种仿生跳蚤跳跃辅助装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿生跳蚤跳跃辅助装置，主要由躯干部分和下肢部分两部分组成，下肢部分包括一对仿生跳蚤的双腿和两根液压缓冲支撑杆。躯干包括上护壳支撑杆、上护壳、上肢连接带。上护壳支撑杆顶端固定帽盖形状的上护壳顶端。帽盖形状的上护壳的圆形底端与中护壳上端契合在一起，上护壳盖在中护壳上。上肢连接带固定在上护壳支撑杆上。本发明的有益效果是跳跃时空中稳定性高，落地平稳，弹跳高度高。本发明可用在外出旅行，野外勘探等方面，在军事领域中也有广泛的应用前景。

Description

一种仿生跳蚤跳跃辅助装置

技术领域

本发明涉及一种仿生跳跃装置，从使用上讲，是在工程等领域使用的一种仿生跳蚤跳跃辅助装置。

背景技术

目前，基于陆地上动物运动方式的外骨骼仿生研究，比较成熟的主要有力量和耐力两种。力量或耐力外骨骼可以大幅增强人体机能，但是对于大型障碍的穿越无能为力，所以对于跳跃增强方式的仿生辅具研究需要进一步开发。但现在机器人的普遍缺点是机械结构与控制不稳定、弹跳效率不高，空中平衡机制不稳定等。跳蚤可以穿过大于自己的几十倍到几百倍的障碍物，也是因为这个特点，仿生跳蚤生物辅助装置将大大提高人们适应地形的能力。

所以，发明一种能够穿着的、可以跳得更远，更稳的仿生跳蚤生物辅助装置，是会在地球的探索中发挥重要作用的。

发明内容

为达到以上效果，本发明提供一种结构简单，高距离跳跃，空中平衡稳定，着陆平稳的仿跳蚤跳跃辅助器具。

本发明的技术方案为：一种仿生跳蚤跳跃辅助装置，主要由躯干部分和下肢部分两部分组成，其特征在于：下肢部分包括一对仿生跳蚤的双腿和两根液压缓冲支撑杆。每条腿由下到上首先是水平接触地面的附足，两个附足未连接的末端朝向是装置的背面朝向。每个附足的另外一端，也就是装置的正面朝向，都各自通过绞动关节连接一个有倾斜水平面的下肢一的一端，下肢一的另外一端通过绞动关节连接倾斜方向相反的下肢二的一端，下肢二的另外一端通过绞动关节与一个垂直的连接杆的一端相连，连接杆的另外一端通过绞动关节与下肢二倾斜方向相反的下肢三的一端相连；下肢三的另一端通过绞动关节固定在躯干部分的固定旋转轴上。一对下肢一、下肢二、下肢三呈相互平行的之字形空间排布。上述下肢一、下肢二、下肢三的每一个下肢内部都安装有气动缸或液压装置，气动缸或液压装置两头安装绞动关节，形成双关节机构形式的气动缸或液压装置。此设计，采用双关节机构形式的气动缸或液压装置，利用多个大小不同的动器，以双关节的安装方式增大了腿部力量，达到合理布置。绞动连接结构装置是动力装置之间的螯合旋转轴，从而达到动力装置之间的相互传动，能够很好地发挥本辅具跳跃的动力装置作用。利用多个肢节既可以增强弹跳力，又可以减少落地的冲击压力。大多数的辅助跳跃机器都是以常规的屈膝式跳跃，跳跃高度和能量利用率方面都有很大的不足，而本发明采用模拟跳蚤跳跃的方式——弹弓式跳跃。跳蚤在跳跃时通过将足尖拉紧蹬地的方式，把两只大腿弯曲紧绷形成了一个弹弓形状。当跳蚤的大腿不再向收缩下压的时候，它就会以极快的速度弹射出去。跳蚤跳跃时仅仅足尖接触到地面。这种跳跃方式作为辅具的助跳方式可以大幅度增加跳跃的高度，并减少蓄能阶段的能量消耗。

两条腿的下肢三的上端绞动关节与躯干部分的液压缓冲坐垫，共同安装在整个装置的躯干部分与下肢部分相当于腰部的连接处，通过固定旋转轴固定保持排列在同一水平线上。固定旋转轴将液压缓冲坐垫固定在最中间，然后左右两边各固定左右两个仿生跳蚤腿，在固定旋转轴的两个端头处安装固定有一条圆弧形腰带状的金属质的中护壳，起保护操作者和装置的作用。固定旋转轴在中护壳外的两个端头处还各加工有一个平衡翅传动杆接头，两个平衡翅传动杆接头各连接有一个平衡翅。平衡翅传动杆接头内部安装有平衡翅的微动力装置。平衡翅的设计用来平衡姿态。在落地时，还可以增大阻力减少冲击。平衡翅起到调整跳起后的空中姿势，达到安全平稳的作用。

所述液压缓冲坐垫呈圆形或两椭圆瓣花瓣形状，内部安装有本装置的总电源和总控制系统；在液压缓冲坐垫圆形的平行固定旋转轴的直径下面，或花瓣形状的两椭圆瓣中心，对称连接有两根垂直向下的液压缓冲支撑杆。在防生跳蚤双腿之间的左右两个液压缓冲支撑杆的杆的中间部位，各自安装有一条下肢连接带，下肢连接带的一端固定在液压缓冲支撑杆上，另外一端固定于各自靠近的一条腿的下肢二的内侧。每个液压缓冲支撑杆的杆下部固定安装有固定脚垫，每个液压缓冲支撑杆垂直朝下的底端都安装有距离传感器。液压缓冲装置包括液压缓冲坐垫、液压缓冲支撑架。液压缓冲垫和液压缓冲支撑杆放置于仿生跳蚤双腿与装置腰部的连接处，当液压缓冲垫和液压缓冲支撑杆感受到碰撞压力时，动能通过塞子和加速弹簧传递到活塞，以沿相反的方向移动，被压缩的缓冲液的过程是通过活塞挤压油的过程，这个过程消耗大量的动能，起缓冲作用。距离传感器起到提前信号传给液压缓冲支撑杆，做出缓冲准备，以保持跳跃过程的平稳，不至于缓冲过于激烈，大起大落。保持安全平稳。

躯干部分还包括上护壳支撑杆、上护壳、上肢连接带和三轴陀螺仪模块。上护壳支撑杆分为左右两个、沿平行于固定旋转轴对称排列地安装在液压缓冲坐垫的向上一面的左右两边。上护壳支撑杆分为两段，下半段的底端头通过可调固定轴与液压缓冲坐垫固定连接，下半段的上端头通过驱动转轴与上护壳支撑杆的上半段相连。在每个上护壳支撑杆的上半段各自安装有一个三轴陀螺仪模块，三轴陀螺仪模块包含三轴陀螺仪，信号处理器。三轴陀螺仪模块的信号处理器能够通过有线或无线信号控制可调固定轴，驱动转轴，平衡翅的微动力装置，和液压缓冲支撑杆。左右两个上护壳支撑杆都安装有本装置的控制面板，配备有控制手柄或控制按钮。两个上护壳支撑杆的上半段的顶端共同支撑安装有一个能够拆卸的蛋形帽子形状的上护壳；蛋形帽子形状的上护壳的圆形底端与中护壳的上端保持5~30mm间隙配合在一起，上护壳外径大于中护壳外径，上护壳套在中护壳之上。间隙的存在有利于跳跃时的姿态调整，保护操作者和装置设备的安全。在上护壳支撑杆的上半段向后的方向还安装有一个连接两个上护壳支撑杆的半圆弧形的上肢连接带，上肢连接带能够伸缩固定，有利于操作者舒适。

上述技术方案中，所述三轴陀螺仪模块的信号处理器的输出采用有线方式时，信号线能够在平衡翅传动杆接头上安装和拆卸；所述三轴陀螺仪模块的三轴陀螺仪包含陀螺仪帧，万象坐标系，旋转轴，转子和陀螺仪固定轴。

上述技术方案中，所述下肢连接带具有弹性和高强度；所述上肢连接带上加工安装有安全紧固装置；所述两根液压缓冲支撑杆上都加工安装有安全紧固装置；所述两个固定脚垫上都加工安装有安全紧固装置。设计有利于操作者的安全保护。

上述技术方案中，所述左右两个上护壳支撑杆配备的控制手柄或控制按钮是有线的或者是无线的；所述上护壳全透明的，或者前方180度范围内是透明的，以利于保障操作者有良好的视野。

上述技术方案中，所述三轴陀螺仪模块的信号处理器能够接收三轴陀螺仪的信号，操作者的意念机的大脑意念信号，和距离传感器的信号，并传输给液压缓冲坐垫内部的总控制系统。总控制系统承担总协调控制装置跳跃的附足1、绞动关节2、下肢一3、下肢二4、下肢三6、液压缓冲支撑杆10、可调固定轴17，驱动转轴21、平衡翅14各个部件的工作。

上述技术方案中，所述下肢部分的长度比例尺寸，优选的为：附足∶下肢一∶下肢二∶连接杆∶下肢三= 5~6∶3~5∶4~5∶1∶6~9。

本发明技术特点是操作方便、又有专业性。本发明有下列有益效果：（1）空中稳定性高。引入了三轴陀螺仪增强整个生物辅具的稳定性；（2）落地平稳。设计中加入平衡翅稳定空中以及落地姿态；（3）弹跳高度高。在辅助跳跃的方式上采用跳蚤的弹弓式跳跃。

附图说明

图1为本发明的仿生跳蚤腿的结构示意图。

图2为本发明的腰部与下肢部分的结构示意图。

图3为本发明的整体侧视结构示意图。

图4为本发明的没装上护壳的侧正面立体结构示意图。

图5为本发明的没装上护壳的侧背面立体结构示意图。

图6为本发明的整体侧正面立体结构示意图。

图7为本发明的整体侧背面立体结构示意图。

图8为本发明的三轴陀螺仪的立体结构示意图。

图中：1.附足，2.绞动关节，3.下肢一，4.下肢二，5.连接杆，6.下肢三，7.液压缓冲垫，8.固定旋转轴，9.中护壳，10.液压缓冲支撑杆，11.下肢连接带，12.固定脚垫，13.上护壳，14.平衡翅，15.平衡翅传动杆接头，16.距离传感器；17.可调固定轴，18.上护壳支撑杆，19.三轴陀螺仪模块，20.上肢连接带，21.驱动转轴；25.躯干部分，26.下肢部分；30.陀螺仪帧，31.万象坐标系，32.旋转轴，33.转子，34.陀螺仪固定轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步对本发明加以说明。

参照图1至图8的形状结构，一种仿生跳蚤跳跃辅助装置，为了达到更高的仿生跳蚤跳跃模式，参照跳蚤腿部的肢节比例，设计仿生跳蚤双腿中的比例为：附足1∶下肢一3∶下肢二4∶连接杆5∶下肢三6的比值为6∶3∶4∶1∶9。所述绞动关节2以双关节的安装方式增大腿部力量，达到合理布置，帮助辅助装置的动力系统。在跳跃准备阶段时，双腿的6个气动缸收缩，使装置双腿处于一个压低状态，在跳跃时，6个气动缸同时工作，同时带动绞动关节2运作，使辅助装置迅速被推动，向上飞跃。这种跳跃模式的跳跃高度能够达到高出自身高度的几倍，这就是本发明仿生跳蚤跳跃的特点。

参照图1至图8的形状结构，因为考虑跳跃高度很高，本发明还考虑到降落时的强劲冲击力，为装置设计了液压缓冲系统，包括液压缓冲垫7，和在双腿两内侧各安装的两个液压缓冲支撑杆10，在液压缓冲支撑杆10上方安装的是液压缓冲垫7。在降落阶段，液压缓冲垫7受到碰撞压力时，动能通过塞子和弹簧传递到活塞，以沿相反的方向移动，活塞挤压缓冲油。这个过程消耗大量的动能，从而起到缓冲作用。液压缓冲垫7在仿生跳蚤双腿之间，通过固定旋转轴8固定，在液压缓冲垫7外侧固定一层中护壳9，作为防护栏，防止操作者侧倒时被伤害。在所述液压缓冲支撑杆10的中间还各安装了一个下肢连接带11，是为了限定仿生腿的下肢一3，下肢二4，下肢三6，防止这些下肢向外倾斜，保护操作者的人生安全。在所述的两个液压缓冲支撑杆10的最底部各安装了一个固定脚垫12，使操作者安稳踩放在其上。

参照图1至图8的形状结构，因为考虑到辅助装置在空中会出现姿态偏倒的情况，本发明为装置安装了三轴陀螺仪模块19和平衡翅14，所述三轴陀螺仪模块19包括三轴陀螺仪、信号处理器 。三轴陀螺仪就是一个信号采集装置，将辅助装置的整体平衡情况信息传送到信号处理器，如果装置的整体的平衡情况不在标准范围之内，信号处理器就会向平衡翅14传送信号，使其运作改善装置整体的平衡状态。上护壳13固定在上护壳支撑杆18的顶端，使上护壳13稳定套在中护壳9上。在两个上护壳支撑杆18的中间安装了上肢连接带20，半圆弧形的上肢连接带20和上护壳13以及各个紧固装置，支撑防止了操作者肢体的随意摆动，保护了操作者。操作者通过意念机的大脑意念信号、三轴陀螺仪的信号，和距离传感器16的信号，都被三轴陀螺仪模块19信号处理器接受处理。信号处理器的输出信号通过液压缓冲坐垫7内部安装的总控制系统，来总协调控制装置跳跃的附足1、绞动关节2、下肢一3、下肢二4、下肢三6、液压缓冲支撑杆10、可调固定轴17，驱动转轴21、平衡翅14各个部件的工作。

说明：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本发明的技术人员对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求书范围当中。

Claims (6)

1.一种仿生跳蚤跳跃辅助装置，主要由躯干部分（25）和下肢部分（26）两部分组成，其特征在于：下肢部分（26）包括一对仿生跳蚤的双腿和两根液压缓冲支撑杆（10）；每条腿由下到上首先是水平接触地面的附足（1），两个附足（1）未连接的一端朝向是装置的背面朝向；每个附足（1）的另外一端，也就是装置的正面朝向，都各自通过绞动关节（2）连接一个有倾斜水平面的下肢一（3）的一端；下肢一（3）的另外一端通过绞动关节（2）连接倾斜方向相反的下肢二（4）的一端，下肢二（4）的另外一端通过绞动关节（2）与一个垂直的连接杆（5）的一端相连，连接杆（5）的另外一端通过绞动关节（2）与下肢二（4）倾斜方向相反的下肢三（6）的一端相连；下肢三（6）的另一端通过绞动关节（2）固定在躯干部分（20）的固定旋转轴（8）上；一对下肢一（3）、下肢二（4）、下肢三（6）呈相互平行的之字形空间排布；上述下肢一（3）、下肢二（4）、下肢三（6）的每一个下肢内部都安装有气动缸或液压装置，气动缸或液压装置两头安装绞动关节（2），形成双关节机构形式的气动缸或液压装置；两条腿的下肢三（6）的上端绞动关节（2）与躯干部分（25）的液压缓冲坐垫（7），共同安装在整个装置的躯干部分（25）与下肢部分（26）相当于腰部的连接处，通过固定旋转轴（8）固定保持排列在同一水平线上；固定旋转轴（8）将液压缓冲坐垫（7）固定在最中间，然后左右两边各固定左右两个仿生跳蚤腿，在固定旋转轴（8）的两个端头处安装固定有一条圆弧形腰带状的金属质的中护壳（9）；固定旋转轴（8）在中护壳（9）外的两个端头处还各加工有一个平衡翅传动杆接头（15），两个平衡翅传动杆接头（15）各连接有一个平衡翅（14）；平衡翅传动杆接头（15）内部安装有平衡翅（14）的微动力装置；所述液压缓冲坐垫（7）呈圆形或两椭圆瓣花瓣形状，内部安装有本装置的总电源和总控制系统；在液压缓冲坐垫（7）圆形的平行固定旋转轴（8）的直径下面，或花瓣形状的两椭圆瓣中心，对称连接有两根垂直向下的、在防生跳蚤双腿之间的液压缓冲支撑杆（10）；左右两个液压缓冲支撑杆（10）的杆的中间部位，各自安装有一条下肢连接带（11），下肢连接带（11）的一端固定在液压缓冲支撑杆（10）上，另外一端固定于各自靠近的一条腿的下肢二（4）的内侧；每个液压缓冲支撑杆（10）的杆下部固定安装有固定脚垫（12），每个液压缓冲支撑杆（10）垂直朝下的底端处都安装有距离传感器（16）；躯干部分（25）还包括有上护壳支撑杆（18）、上护壳（13）、上肢连接带（20）和三轴陀螺仪模块（19）；上护壳支撑杆（18）分为左右两个、沿平行于固定旋转轴（8）对称排列地安装在液压缓冲坐垫（7）向上一面的左右两边；上护壳支撑杆（18）分为上下两段，下半段的底端头通过可调固定轴（17）与液压缓冲坐垫（7）固定连接，下半段的上端头通过驱动转轴（21）与上护壳支撑杆（18）的上半段相连；在每个上护壳支撑杆（18）的上半段各自安装有一个三轴陀螺仪模块（19），三轴陀螺仪模块（19）包含三轴陀螺仪，信号处理器；三轴陀螺仪模块（19）的信号处理器能够通过有线或无线信号控制可调固定轴（17），驱动转轴（21），平衡翅（14）的微动力装置，和液压缓冲支撑杆（10）；左右两个上护壳支撑杆（18）都安装有本装置的控制面板，配备有控制手柄或控制按钮；两个上护壳支撑杆（18）的上半段的顶端共同支撑安装有一个能够拆卸的蛋形帽子形状的上护壳（13）；蛋形帽子形状的上护壳（13）的圆形底端与中护壳（9）的上端保持5~30mm间隙配合在一起，上护壳（13）外径大于中护壳（9）外径，上护壳（13）套在中护壳（9）之上；在上护壳支撑杆（18）的上半段向后的方向还安装有一个连接两个上护壳支撑杆（18）的半圆弧形的上肢连接带（20），上肢连接带（20）能够伸缩固定。

2.根据权利要求1所述的一种仿生跳蚤跳跃辅助装置，其特征在于：所述三轴陀螺仪模块（19）信号处理器的输出采用有线方式时，信号线能够在平衡翅传动杆接头（15）上安装和拆卸；所述三轴陀螺仪模块（19）的三轴陀螺仪包含陀螺仪帧（30），万象坐标系（31），旋转轴（32），转子（33）和陀螺仪固定轴（34）。

3.根据权利要求1所述的一种仿生跳蚤跳跃辅助装置，其特征在于：所述下肢连接带（11）具有弹性和高强度；所述上肢连接带（20）上加工安装有安全紧固装置；所述两根液压缓冲支撑杆（10）上都加工安装有安全紧固装置；所述两个固定脚垫（12）上都加工安装有安全紧固装置。

4.根据权利要求1所述的一种仿生跳蚤跳跃辅助装置，其特征在于：所述左右两个上护壳支撑杆（18）配备的控制手柄或控制按钮是有线的或者是无线的；所述上护壳（13）全透明的，或者前方180度范围内是透明的。

5.根据权利要求1所述的一种仿生跳蚤跳跃辅助装置，其特征在于：所述三轴陀螺仪模块（19）的信号处理器能够接收三轴陀螺仪的信号，操作者的意念机的大脑意念信号，和距离传感器（16）的信号，并传输给液压缓冲坐垫（7）内部的总控制系统，总控制系统承担总协调控制装置跳跃的附足（1）、绞动关节（2）、下肢一（3）、下肢二（4）、下肢三（）、液压缓冲支撑杆（10）、可调固定轴（17），驱动转轴（21）、平衡翅（14）各个部件的工作。

6.根据权利要求1所述的一种仿生跳蚤跳跃辅助装置，其特征在于：所述下肢部分（26）的长度比例尺寸为，附足（1）∶下肢一（3）∶下肢二（4）∶连接杆（5）∶下肢三（6） = 5~6∶3~5∶4~5∶1∶6~9。