CN108297966A - 一种弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿 - Google Patents
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Abstract
一种弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿，包括弹性弓臂、弹性弓弦、弓弭腿、蓄能足和撑拉杆，所述弹性弓臂由弓弭臂、上弓臂、销孔弓弣和下弓臂依次固接构成，所述弓弭臂的下部或上弓臂的上部与弹性弓弦的上端相连接，所述销孔弓弣与撑拉杆铰接，所述下弓臂的下端与弓弭腿的上部铰接，所述弹性弓弦的下端与弓弭腿的上端相固接，所述弓弭腿的下端与蓄能足相连接。本发明结构简单、可轻量化、且便于安装，可高效连续蓄能释能、运动能耗较低，并可大幅减少运行中振动冲击。
Description
技术领域
本发明涉及仿生机器人领域，具体涉及一种弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿。
背景技术
2000年以来，国内外涌现了大量的仿生足式机器人，包括BISAM，HyQ，KOLT，BigDog，Aibo，ScoutⅡ，TITAN，LittleDog，Tekken等。虽然国内外对仿生足式机器人的研究比较成熟，但是在仿生足式机器人腿部结构设计上还存在能耗高、能源利用率低等问题，尤其采用多级伺服电机驱动的仿生机械腿，不仅结构复杂、稳定性差，而且重量重、控制逻辑复杂，运行能耗高，同时现有仿生足式机械腿与地面接触时产生较大冲击力和振动，需设置陀螺仪、缓冲机构等维持稳定平衡，客观上限制了仿生足式机器人的高速行走运动。
当前，降低仿生足式机械腿运动能耗，采用的基本技术方案是多连杆机构实现单个电机驱动腿部运动；虽然相对于多级伺服驱动或可降低部分能耗，但仍然存在振动、冲击大等问题。而减振缓冲技术的研究虽有进步，但尚不尽人意。其中，较先进的技术方案如申请号201610604950.4的中国专利所公开的一种仿鸵鸟后肢运动功能特性的仿生机械腿，在膝关节上安装弹簧、扭簧来降低冲击和减震；申请号201510917098.1的中国专利所公开的一种仿鸵鸟后肢运动功能特性的节能步行腿机构，在其中设置复杂的回弹机构来降低冲击和减震；上述的技术方案均存在结构复杂，安装装配难度大，可靠性差等问题，虽然能吸收一定的冲击能，但仍不理想；而且在高速行走运动下增加了系统的不稳定性。
在弹性蓄能和缓冲技术的应用方面，早在古代人们即以弓作为弹性元器件进行发射箭、弩等远射兵器，弓即是人类制造早期应用的蓄能元器件之一。弓由弹性弓臂和高弹性弓弦等构成，具有很好的蓄能、吸能等作用；如今奥运会射箭比赛项目的弓箭，其在制作弓臂、弓弦等材料上亦已有大幅升级，广泛采用弹性合金、高弹性橡胶、高弹性纤维等材料，来提升弓弦弓臂弓弭的弹性、韧性，并使其轻量化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，为仿生机器尤其是四足仿生机器，如仿生狗、牛、马等，提供一种结构简单、可轻量化、且便于安装，可高效连续蓄能释能、运动能耗较低，并可大幅减少运行中振动冲击的弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿，包括弹性弓臂、弹性弓弦、弓弭腿、蓄能足和撑拉杆，所述弹性弓臂由弓弭臂、上弓臂、销孔弓弣和下弓臂依次固接构成，所述弓弭臂的下部或上弓臂的上部与弹性弓弦的上端相连接，所述销孔弓弣与撑拉杆铰接，所述下弓臂的下端与弓弭腿的上部铰接，所述弹性弓弦的下端与弓弭腿的上端相固接，所述弓弭腿的下端与蓄能足相连接。
进一步，所述弹性弓臂可为整体式结构或分体式结构。
进一步，所述弓弭臂的上部设有用于悬挂整个机械腿的轴孔，为弹性弓臂的摆动轴心。
进一步，所述蓄能足为采用板簧式蓄能和/或螺旋弹簧式蓄能和/或扭簧式蓄能和/或空气压缩式蓄能（即气弹簧式蓄能）等机械式蓄能的足或蹄。所述蓄能足用于仿生机械腿行走过程中，吸收振动冲击力并蓄能。
进一步，所述撑拉杆两端均设有销孔，一端的销孔与弹性弓臂的销孔弓弣铰接，另一端的销孔可与外部设备动力机构铰接。
进一步，所述弓弭腿可为长度可调的弓弭腿，所述撑拉杆可为长度可调的撑拉杆，方便调整仿生机器的重心高低和步距长度。
进一步，所述弹性弓臂由弹性合金材料制成，或由弹性合金材料和有机弹性材料复合制成。所述弹性合金材料可以是弹性合金板簧或弹性合金卷簧或弹性合金扭簧等。
进一步，所述弹性弓弦由弹性合金条或弹性绳线或螺旋弹簧和/或弹性橡胶和/或弹性合成树脂材料制成的弹性带状或棒状弹性弓弦。所述弹性弓弦将撑拉杆对弹性弓臂的撑（推）拉动力转化为与弹性弓弦固接的弓弭腿的步行运动。
本发明之弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿，利用“弓”的机构和功能特征，可通过动力机构驱动撑拉杆运动，撑拉杆以撑（推）方式驱动拉弹性弓臂，带动弹性弓弦及与之固结的弓弭腿步行运动，从而使弓弭腿底部的蓄能足在地面实现步进式或跳跃式行走。在行走运动过程中，产生的振动冲击力可有效的被蓄能足/蹄和弹性弓臂、弹性弓弦的蓄能弹性元器件循环吸收和释放，既可减缓冲击振动，又可直接将蓄积的能量循环转化为行走的驱动力，可有效降低仿生机器的能量消耗。
本发明的有益效果：
1、借用优良的弹性蓄能释能机构“弓”的弹性弓臂、弹性弓弦、弓弭腿的结构特征制成的仿生机械腿，结构简单且轻量化，并便于快速安装。
2、高效利用弹性弓臂和弹性弓弦的连续循环蓄能释能，并辅之以蓄能足/蹄，可有效的降低机械腿承载状态下行走的运动能耗，并有效解决了冲击振动力，且可连续循环的将冲击振动能转化为行走的运动能，利于仿生机器的节能降耗和降噪。
3、可以两组或三组以上使用在仿生机器上，通过一个动力源或多个伺服动力源实现仿生机器的腿部协调运动。
附图说明
图1 为本发明实施例1的结构示意图；
图2 为本发明实施例2的结构示意图；
图3 为本发明实施例3的结构示意图；
图4 为本发明实施例4的结构示意图；
图5 为本发明实施例5的结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
参照图1，一种弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿，包括弹性弓臂1、弹性弓弦2、弓弭腿3、蓄能足4和撑拉杆5，所述弹性弓臂1为整体式结构，呈“弓”字形，由弓弭臂11、上弓臂12、销孔弓弣13和下弓臂14组成，所述弓弭臂11的下部通过铰接销Ⅲ9-1与弹性弓弦2的上端铰接，所述销孔弓弣13通过铰接销Ⅰ6与撑拉杆5铰接，所述下弓臂14的下端通过铰接销Ⅱ7与弓弭腿3的上部铰接，所述弹性弓弦2的下端卡入弓弭腿3的上端槽内，并通过固定销8-1固定，所述蓄能足4的上端卡入弓弭腿3下端中，并通过螺栓固定。
所述弓弭臂11的上部设有用于悬挂整个机械腿的轴孔16，为弹性弓臂的摆动轴心。
所述弹性弓臂1采用弹性合金材料制成。
所述弹性弓弦2由螺旋弹簧Ⅰ21-1、橡胶保护套22、卡箍固定端23和卡箍销孔端24组成，所述螺旋弹簧Ⅰ21-1设于卡箍固定端23和卡箍销孔端24之间，所述橡胶保护套22套于螺旋弹簧Ⅰ21-1外，所述卡箍销孔端24的上端通过铰接销Ⅲ9-1与弓弭臂11的下部连接。
所述蓄能足4为采用板簧式蓄能和扭簧式蓄能的蓄能足。所述蓄能足4由板簧Ⅰ41-1、足底板42-1和扭转弹簧43-1组成，所述板簧Ⅰ41-1的下端与足底板42-1的一端固连，所述扭转弹簧43-1的一端与板簧Ⅰ41-1相连，另一端与足底板42-1相连，所述板簧Ⅰ41-1的上端卡入弓弭腿3的下端槽内，并通过螺栓固定。
所述撑拉杆5采用直拉杆，且两端设有销孔。
在行走过程中，通过动力机构驱动撑拉杆5运动，撑（推）拉弹性弓臂1，迫使弹性弓弦2带动与之固结的弓弭腿3步行运动，从而使弓弭腿3底部的蓄能足4在地面实现步进式或跳跃式行走。在行走运动过程中，产生的振动冲击力可有效的被蓄能足4的板簧Ⅰ41-1、扭转弹簧43-1，弹性弓弦2的螺旋弹簧Ⅰ21-1及弹性弓臂1上的上弓臂12、下弓臂14等蓄能弹性元器件吸收。
当扭转弹簧43-1用螺旋弹簧替代时，所述蓄能足4为采用板簧式蓄能和螺旋弹簧式蓄能组合的蓄能足。
实施例2
参照图2，一种弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿，包括弹性弓臂1、弹性弓弦2、弓弭腿3、蓄能足4和撑拉杆5，所述弹性弓臂1为整体式结构，呈半圆形，由弓弭臂11、上弓臂12、销孔弓弣13和下弓臂14组成，所述弹性弓弦2的上端卡入弓弭臂11的下部卡槽中，并通过固定螺栓Ⅱ9-2连接，所述销孔弓弣13通过铰接销Ⅰ6与撑拉杆5铰接，所述下弓臂14的下端通过铰接销Ⅱ7与弓弭腿3的上部铰接，所述弹性弓弦2的下端卡入弓弭腿3的上端槽内，并通过固定螺栓Ⅰ8-2固定，所述弓弭腿3的下端卡入蓄能足4的上端中，并固定连接。
所述弓弭臂11上部设有用于悬挂整个机械腿的轴孔16，为弹性弓臂的摆动轴心。
所述弹性弓臂1采用弹性合金材料制成。
所述弹性弓弦2由（橡胶）弹簧棒21-2和弓弦连接板23-2组成，所述弓弦连接板23-2卡箍于弹簧棒21-2端部。
所述弓弭腿3的下部为采用弹性合金制成对称的板簧结构，具有弹性吸振功能。
所述蓄能足4为采用螺旋弹簧式和压缩空气式蓄能的蓄能足。所述蓄能足4由上固定座41-2、气弹簧42-2、螺旋弹簧Ⅱ43-2、蹄部44-1和外保护罩45-1组成，所述外保护罩45-1设于上固定座41-2和蹄部44-1之间，所述弹簧42-2和螺旋弹簧Ⅱ43-2设于外保护罩45-1内。
所述撑拉杆5采用双圆弧形拉杆，且两端设有销孔。
在行走过程中，通过动力机构驱动撑拉杆5运动，撑（推）拉弹性弓臂1，迫使弹性弓弦2带动与之固结的弓弭腿3步行运动，从而使弓弭腿3底部的蓄能足4在地面实现步进式或跳跃式行走。在行走运动过程中，产生的振动冲击力可有效的被蓄能足4上的气弹簧42-2、螺旋弹簧Ⅱ43-2，弹性弓弦2的橡胶弹簧棒21-2及弹性弓臂1上的上弓臂12、下弓臂14等蓄能弹性元器件吸收。
当蓄能足4的螺旋弹簧Ⅱ43-2不具备弹性时，蓄能足4为仅采用压缩空气式蓄能的蓄能足。
实施例3
参照图3，一种弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿，包括弹性弓臂1、弹性弓弦2、弓弭腿3、蓄能足4和撑拉杆5，所述弹性弓臂1为整体式结构，呈“弓”字形，由弓弭臂11、上弓臂12、销孔弓弣13和下弓臂14组成，所述弓弭臂11的下部通过铰接销Ⅲ9-1与弹性弓弦2的上端铰接，所述销孔弓弣13通过铰接销Ⅰ6与撑拉杆5铰接，所述下弓臂14的下端通过铰接销Ⅱ7与弓弭腿3的上部铰接，所述弹性弓弦2的下端卡入弓弭腿3的上端槽内，并通过固定销8-1固定，所述蓄能足4的上端卡入弓弭腿3的下端中，并固定连接。
所述弓弭臂11的上部设有用于悬挂整个机械腿的轴孔16，为弹性弓臂的摆动轴心。
所述弹性弓臂1采用弹性合金材料制成。
所述弹性弓弦2由板簧Ⅱ21和卡箍销孔端24组成，所述卡箍销孔端24设于板簧Ⅱ21上端。
所述弓弭腿3由上弓弭腿31、下弓弭腿32和固定螺栓Ⅲ33组成，所述上弓弭腿31和下弓弭腿32通过固定螺栓Ⅲ33连接。通过调整固定螺栓Ⅲ33的安装位置，可调节弓弭腿3的整长度。
所述蓄能足4为采用板簧式蓄能的蓄能足。所述蓄能足4由板簧Ⅰ41-1和蹄部44-1组成。所述板簧Ⅰ41-1的数量为两根，两根板簧Ⅰ41-1的一端卡入弓弭腿3的下弓弭腿32中，另一端卡入蹄部44-1中。
所述撑拉杆5采用折角形拉杆，且两端设有销孔。
在行走过程中，通过动力机构驱动撑拉杆5运动，撑（推）拉弹性弓臂1，迫使弹性弓弦2带动与之固结的弓弭腿3步行运动，从而使弓弭腿3底部的蓄能足4在地面实现步进式或跳跃式行走。在行走运动过程中，产生的振动冲击力可有效的被蓄能足4上的板簧Ⅰ41-1，弹性弓弦2上的板簧Ⅱ21及弹性弓臂1上的上弓臂12、下弓臂14等蓄能弹性元器件吸收。
实施例4
参照图4，一种弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿，包括弹性弓臂1、弹性弓弦2、弓弭腿3、蓄能足4和撑拉杆5，所述弹性弓臂1为分体式结构，呈半圆形，由弓弭臂11、上弓臂12、销孔弓弣13、下弓臂14和下弓臂固定板15依次通过卡槽和螺栓固定成一体，所述弹性弓弦2的上端卡入弓弭臂11的下部卡槽中，并通过固定螺栓Ⅱ9-2连接，所述销孔弓弣13通过铰接销Ⅰ6与撑拉杆5铰接，所述下弓臂固定板15通过铰接销Ⅱ7与弓弭腿3的上部铰接，所述弹性弓弦2下端卡入弓弭腿3的上端槽内，并通过固定螺栓Ⅰ8-2固定。
所述弓弭臂11的上部设有用于悬挂整个机械腿的轴孔16，为弹性弓臂的摆动轴心。
所述上弓臂12、下弓臂14、弹性弓弦2采用弹性合金材料制成板簧结构。
所述蓄能足4为采用板簧式蓄能的蓄能足，所述蓄能足4由弹性板41-3、固定卡槽Ⅰ42-3、板簧Ⅲ43-3、固定卡槽Ⅱ44-2、防滑足底45-2、铰接销轴46、铰接销Ⅳ47和铰接销Ⅴ48-1组成，所述弹性板41-3的上端通过铰接销Ⅳ47与弓弭腿3的下端连接，所述弹性板41-3的下端通过铰接销轴46与固定卡槽Ⅰ42-3连接，所述板簧Ⅲ43-3的上端卡入固定卡槽Ⅱ44-2中，所述固定卡槽Ⅱ44-2通过铰接销Ⅴ48-1与弓弭腿3的下端连接，所述板簧Ⅲ43-3的下端卡入固定卡槽Ⅰ42-3中，所述防滑足底45-2设于固定卡槽Ⅰ42-3的下端面和板簧Ⅲ43-3的下端面。
所述撑拉杆5采用可调节长度的拉杆结构。
在行走过程中，通过动力机构驱动撑拉杆5运动，撑（推）拉弹性弓臂1，迫使弹性弓弦2带动与之固结的弓弭腿3步行运动，从而使弓弭腿3底部的蓄能足4在地面实现步进式或跳跃式行走。在行走运动过程中，产生的振动冲击力可有效的被蓄能足4上的弹性板41-3、板簧Ⅲ43-3，弹性弓弦2，弹性弓臂1上的上弓臂12、下弓臂14等蓄能弹性元器件吸收。
实施例5
参照图5，一种弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿，包括弹性弓臂1、弹性弓弦2、弓弭腿3、蓄能足4和撑拉杆5，所述弹性弓臂1为整体式结构，呈半圆形（图示处于释放能量后状态），由弓弭臂11、上弓臂12、销孔弓弣13和下弓臂14组成，所述弹性弓弦2的上端卡入弓弭臂11下部的卡槽中，并通过固定螺栓Ⅱ9-2连接，所述销孔弓弣13通过铰接销Ⅰ6与撑拉杆5铰接，所述下弓臂14的下端通过铰接销Ⅱ7与弓弭腿3的上部铰接，所述弹性弓弦2的下端卡入弓弭腿3的上端槽内，并通过固定螺栓Ⅰ8-2固定。
所述弓弭臂11的上部设有用于悬挂整个机械腿的轴孔16，为弹性弓臂的摆动轴心。
所述弹性弓臂1采用弹性合金材料和有机弹性材料复合制成。
所述弹性弓弦2由（树脂）弹簧棒21-2和弓弦连接板23-2组成，所述弓弦连接板23-2卡箍于弹簧棒21-2端部。
所述蓄能足4为采用板簧式蓄能的蓄能足，蓄能足4由铰接板41-4、固定卡槽Ⅰ42-3、板簧Ⅲ43-3、防滑足底45-2、铰接销轴46、铰接销Ⅳ47和固定螺钉48-2组成，所述铰接板41-4的上端通过铰接销Ⅳ47与弓弭腿3的下端连接，所述铰接板41-4的下端通过铰接销轴46与固定卡槽Ⅰ42-3连接，所述板簧Ⅲ43-3的上端通过固定螺钉48-2与弓弭腿3的下端连接，所述板簧Ⅲ43-3的下端卡入固定卡槽Ⅰ42-3中，所述防滑足底45-2设于固定卡槽Ⅰ42-3的下端面。
所述撑拉杆5采用弧形拉杆，且两端设有销孔。
在行走过程中，通过动力机构驱动撑拉杆5运动，撑（推）拉弹性弓臂1，迫使弹性弓弦2带动与之固结的弓弭腿3步行运动，从而使弓弭腿3底部的蓄能足4在地面实现步进式或跳跃式行走。在行走运动过程中，产生的振动冲击力可有效的被蓄能足4上的板簧Ⅲ43-3，弹性弓弦2的（树脂）弹性棒21-2，弹性弓臂1上的上弓臂12、下弓臂14等蓄能弹性元器件吸收。
本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。
说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿，其特征在于：包括弹性弓臂、弹性弓弦、弓弭腿、蓄能足和撑拉杆，所述弹性弓臂由弓弭臂、上弓臂、销孔弓弣和下弓臂依次固接构成，所述弓弭臂的下部或上弓臂的上部与弹性弓弦的上端相连接，所述销孔弓弣与撑拉杆铰接，所述下弓臂的下端与弓弭腿的上部铰接，所述弹性弓弦的下端与弓弭腿的上端相固接，所述弓弭腿的下端与蓄能足相连接。
2.根据权利要求1所述的弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿，其特征在于：所述弹性弓臂为整体式结构或分体式结构。
3.根据权利要求1或2所述的弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿，其特征在于：所述弓弭臂的上部设有用于悬挂整个机械腿的轴孔，为弹性弓臂的摆动轴心。
4.根据权利要求1或2所述的弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿，其特征在于：所述蓄能足为采用板簧式蓄能和/或螺旋弹簧式蓄能和/或扭簧式蓄能和/或空气压缩式蓄能的足或蹄。
5.根据权利要求1或2所述的弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿，其特征在于：所述撑拉杆两端均设有销孔，一端的销孔与弹性弓臂的销孔弓弣铰接，另一端的销孔与外部设备动力机构铰接。
6.根据权利要求1或2所述的弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿，其特征在于：所述弓弭腿为长度可调的弓弭腿，所述撑拉杆为长度可调的撑拉杆，方便调整仿生机器的重心高低和步距长度。
7.根据权利要求1或2所述的弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿，其特征在于：所述弹性弓臂由弹性合金材料制成，或由弹性合金材料和有机弹性材料复合制成。
8.根据权利要求7所述的弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿，其特征在于：所述弹性合金材料是弹性合金板簧或弹性合金卷簧或弹性合金扭簧。
9.根据权利要求1或2所述的弓弦式弹性缓冲蓄能仿生机械腿，其特征在于：所述弹性弓弦由弹性合金条或弹性绳线或螺旋弹簧和/或弹性橡胶和/或弹性合成树脂材料制成的弹性带状或棒状弹性弓弦。
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2018
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