CN108556956A - 一种仿猫跳跃机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及仿生机器人技术领域，具体涉及一种跳跃机器人。一种仿猫跳跃机器人，它包括：躯干机构、检测控制机构以及安装在躯干机构前后部的前腿跳跃机构、后腿跳跃机构；前腿跳跃机构与后腿跳跃机构结构组成相同，设计时参考哺乳动物的四肢结构，采用三段两个关节，分别使用伺服电机和直流电机驱动两个关节，以实现腿部的灵活运动；同时，本发明仿照真实动物的肌腱设计了带有弹性部件的四连杆机构，弹簧在机器人跳跃及奔跑过程中起到了缓冲和助力的作用，并且可以通过蓄力来实现跳跃瞬间的爆发力释放，提升了机器人的跳高及跳远性能，同时提高了对能量的利用效率。

Description

一种仿猫跳跃机器人
技术领域
本发明涉及仿生机器人技术领域，具体涉及一种跳跃机器人。
背景技术
腿足机器人尤其是四足机器人因其对不同地形的适应能力，能用于解决轮式及履带式机器人无法实现的翻越沟壑及障碍物等问题，在野外探险和军事活动中，能更加灵活的完成危险任务，在反恐、抢险救灾诸多领域中都具有很大的潜力。目前的四足机器人在行进稳定性方面已经取得了突破进展，但是由于自身重量和运动能力的限制，其跳跃运动能力还不足够，无法越障或者跳高。
申请号为CN201410145956.0的中国发明专利公开了一种带有脊柱关节和弹性腿的仿生四足机器人，弹性腿包括滑轮、钢丝绳、大腿、小腿、足部、压簧和拉簧。该机构能够提供一定弹性，但是仅能够被动地减小落地时地面对机器人的冲击力，并不能主动利用弹性机构储存的能量用于机器人运动，无法实现跳跃。
申请号为201410340993.7的中国发明专利公开了一种具有储能效应的仿生四足机器人，使用平行四杆机构作为腿部结构，使用弹簧拉线机构带动腿末端运动，并用直线弹簧实现减震储能，减小了机器人与地面碰撞时能量损失。但该机构驱动动力有限，并且腿部关节灵活性不足，难以实现更好的跳跃性能。
申请号为CN201510273138.3的中国发明专利公开了一种电驱小型仿生四足机器人，使用电机驱动双关节腿部机构，同时使用弹簧进行储能，增强了机器人的能量利用效率。但该方案的缺点在于：腿部机构不够仿生，不能很好地参考真实动物的运动形态，无法实现跳跃。
由此可见，现有的带储能元件的机器人机构系统仅具有被动缓冲或者局部关节作用，无法实现动物猫运动时肌肉蜷曲和伸展带来的能量耦合，并产生瞬时爆发的跳跃能力。
发明内容
本发明的目的是：为克服现有技术中仿生四足机器人跳跃能力不足、能量浪费、冲击严重等问题，提供一种仿猫跳跃机器人。
本发明的技术方案是：一种仿猫跳跃机器人，它包括：躯干机构、前腿跳跃机构、后腿跳跃机构以及检测控制机构；
躯干机构包括：躯干主体，以及分别布置在躯干主体前后的前横梁架、后横梁架；
前腿跳跃机构共两组，分别布置在躯干主体前部左右两侧，包括：由前腿伺服电机、前腿直流电机、肩胛骨夹板、前腿齿轮组组成的肩胛部，前腿大臂，前腿小臂，前腿弹簧以及前脚掌；前腿伺服电机固定安装在前横梁架上，其输出轴与肩胛骨夹板连接；前腿直流电机与前腿齿轮组安装在肩胛骨夹板之间；前腿大臂的一端通过肩关节轴安装在肩胛骨夹板之间，另一端通过肘关节轴与前腿小臂连接；前腿直流电机的输出轴与肩关节轴上均套接有前腿齿轮组中的传动齿轮，前腿直流电机的输出经前腿齿轮组减速后，驱动前腿大臂摆动；前腿弹簧的上下两端通过轴连接肩胛骨夹板、前腿小臂；前腿小臂通过腕关节轴与前脚掌连接；肩胛部、前腿大臂，前腿小臂及前腿弹簧构成一个四边不相等且不平行的带有弹性的四连杆机构；
后腿跳跃机构结构与前腿跳跃机构结构组成相同，但是各部分尺寸比例不同，包括长度、宽度及转动惯量在内的各项参数都参考真实家猫设计，进一步提升仿生效果，实现更好的运动特性；后腿跳跃机构共两组，分别布置在躯干主体后部左右两侧，具体包括：由后腿伺服电机、后腿直流电机、髋部夹板、后腿齿轮组组成的后腿根部，后腿大臂，后腿小臂，后腿弹簧以及后脚掌；后腿伺服电机固定安装在后横梁架上，其输出轴与髋部夹板连接；后腿直流电机与后腿齿轮组安装在髋部夹板之间；后腿大臂的一端通过髋关节轴安装在髋部夹板之间，另一端通过膝关节轴与后腿小臂连接；后腿直流电机的输出轴与髋关节轴上均套接有后腿齿轮组中的传动齿轮，后腿直流电机的输出经后腿齿轮组减速后，驱动后腿大臂摆动；后腿弹簧的上下两端通过轴连接髋部夹板、后腿小臂；后腿小臂通过踝关节轴与后脚掌连接；
检测控制机构包括：主控板、驱动板、电池以及电位计；电池与主控板、驱动板之间相互连接；电位计安装在前腿跳跃机构的肘关节轴处，以及后腿跳跃机构的膝关节轴处，用于检测轴的转动角度；电位计与主控板连接；驱动板连接前腿伺服电机、前腿直流电机、后腿伺服电机、后腿直流电机；主控板、驱动板、电池安装在躯干主体内。
进一步的，躯干主体由三块镂空铝件装配而成；躯干主体内部被分隔为胸腔与腹腔；主控板与驱动板安装在胸腔内，电池安装在腹腔内。
进一步的，腕关节轴上套接有扭簧，扭簧用于限制前脚掌相对于前腿小臂的转动角度；扭簧自由角度大于机器人正常站立时扭簧角度，机器人在站立状态下扭簧始终保持压缩状态。
上述方案中，具体的：前腿弹簧与后腿弹簧结构相同，均包括：拉簧、压簧以及可伸缩套筒；压簧嵌套在伸缩套筒上，两根拉簧分布在压簧两侧；拉簧的一端通过连接装置固定在肩胛部或后腿根部，另一端套接在前腿小臂或后腿小臂后部的连接轴上；拉簧的自由长度小于压簧的自由长度；前腿弹簧与后腿弹簧终处在预紧状态。
进一步的，当后腿直流电机驱动后腿大臂处于收紧状态时，后腿小臂与后腿伺服电机外壳接触，在接触处设有弹性挡块。后腿大臂处于收紧状态时，后腿小臂受弹性挡块限制压缩挡块，可用于最大距离跳跃时储能助力。
有益效果：本发明仿照真实动物的肌腱设计了带有弹性部件的四连杆机构，可对运动中的冲击进行有效缓解，并且在起跳时能起到储能释放的作用，提升了机器人的跳高及跳远性能，同时提高了对能量的利用效率；本发明中的前后腿跳跃机构参考哺乳动物的四肢结构，腿部结构分为三段两个关节，分别使用伺服电机和直流电机驱动两个关节，以实现腿部的灵活运动，可完成其它两段式机械腿无法实现的复杂动作。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的中躯干机构的结构示意图；
图3为本发明中前腿跳跃机构的结构示意图；
图4为本发明中后腿跳跃机构的结构示意图；
图5为本发明中检测控制机构在躯干机构内的安装布局示意图；
图6为图3中腕关节轴处的局部放大结构示意图。
具体实施方式
实施例1，参见附图1，一种仿猫跳跃机器人，它包括：躯干机构1、前腿跳跃机构2、后腿跳跃机构3以及检测控制机构4；
参见附图2，躯干机构1包括：躯干主体12，以及分别布置在躯干主体12前后的前横梁架11、后横梁架13；具体的，躯干主体12由三块镂空铝件装配而成；躯干主体12内部被分隔为胸腔与腹腔；
参见附图3，前腿跳跃机构2共两组，分别布置在躯干主体12前部左右两侧，包括：由前腿伺服电机212、前腿直流电机211、肩胛骨夹板213、前腿齿轮组214组成的肩胛部，前腿大臂22，前腿小臂24，前腿弹簧23以及前脚掌27；前腿伺服电机212固定安装在前横梁架11上，其输出轴与肩胛骨夹板213连接；前腿直流电机211与前腿齿轮组214安装在肩胛骨夹板213之间；前腿大臂22的一端通过肩关节轴25安装在肩胛骨夹板213之间，另一端通过肘关节轴26与前腿小臂24连接；前腿直流电机211的输出轴与肩关节轴25上均套接有前腿齿轮组214中的传动齿轮，前腿直流电机211的输出经前腿齿轮组214减速后，驱动前腿大臂22摆动；前腿弹簧23的上下两端通过轴连接肩胛骨夹板213、前腿小臂24；前腿小臂24通过腕关节轴28与前脚掌27连接；肩胛部、前腿大臂22，前腿小臂24及前腿弹簧23构成一个四边不相等且不平行的带有弹性的四连杆机构；本例中，前腿齿轮组214减速比为23；前腿伺服电机212所驱动的肩胛部实际可运动角度为80°，前腿直流电机211所驱动的前腿大臂22实际可运动角度为95°；前腿跳跃机构2中肩胛部、前腿大臂22可相互独立转动，以实现不同步态及跳跃模式下的不同运动；
参见附图4，后腿跳跃机构3结构与前腿跳跃机构2结构组成相同，但是各部分尺寸比例不同，包括长度、宽度及转动惯量在内的各项参数都参考真实家猫设计，进一步提升仿生效果，实现更好的运动特性；后腿跳跃机构3同样共两组，分别布置在躯干主体12后部左右两侧，具体包括：由后腿伺服电机311、后腿直流电机312、髋部夹板313、后腿齿轮组314组成的后腿根部，后腿大臂37，后腿小臂32，后腿弹簧33以及后脚掌38；后腿伺服电机311固定安装在后横梁架13上，其输出轴与髋部夹板313连接；后腿直流电机312与后腿齿轮组314安装在髋部夹板313之间；后腿大臂37的一端通过髋关节轴31安装在髋部夹板313之间，另一端通过膝关节轴35与后腿小臂32连接；后腿直流电机312的输出轴与髋关节轴31上均套接有后腿齿轮组314中的传动齿轮，后腿直流电机312的输出经后腿齿轮组314减速后，驱动后腿大臂37摆动；后腿弹簧33的上下两端通过轴连接髋部夹板313、后腿小臂32；后腿小臂32通过踝关节轴36与后脚掌38连接；后腿齿轮组314减速比为23；后腿伺服电机311所驱动的后腿根部实际可运动角度为130°，后腿直流电机312所驱动的后腿大臂37实际可运动角度为75°；后腿跳跃机构3中后腿根、后腿大臂37可相互独立转动，以实现不同步态及跳跃模式下的不同运动；
上述方案中，具体的：前腿弹簧23与后腿弹簧33结构相同，均包括：拉簧、压簧以及可伸缩套筒；压簧嵌套在伸缩套筒上，两根拉簧分布在压簧两侧；拉簧的一端通过连接装置固定在肩胛部或后腿根部，另一端套接在前腿小臂24或后腿小臂32后部的连接轴上；拉簧的自由长度小于压簧的自由长度；前腿弹簧23与后腿弹簧33终处在预紧状态；
参见附图5，检测控制机构4包括：主控板41、驱动板42、电池43以及电位计44；电池43与主控板41、驱动板42之间相互连接；主控板41与驱动板42安装在胸腔内，电池43安装在腹腔内，电位计44安装在前腿跳跃机构2的肘关节轴26处，以及后腿跳跃机构3的膝关节轴35处，用于检测轴的转动角度；电位计44与主控板41连接；驱动板42连接前腿伺服电机212、前腿直流电机211、后腿伺服电机311、后腿直流电机312；主控板41、驱动板42、电池43安装在躯干主体12内。
实施例2，参见附图6，在实施例1的基础上，进一步的，腕关节轴28上套接有扭簧29，扭簧29用于限制前脚掌27相对于前腿小臂24的转动角度；扭簧29自由角度大于机器人正常站立时扭簧角度，机器人在站立状态下扭簧29始终保持压缩状态，在前脚掌27落地时能起到很好的缓冲作用，并且为下一次起跳蓄力。
实施例3，在实施例1或2的基础上，在后腿直流电机312外壳处加设弹性挡块；
当后腿直流电机312驱动后腿大臂37处于收紧状态时，后腿小臂32与后腿伺服电机311外壳接触，在接触处设有弹性挡块，该弹性挡块在受到挤压时可实现储能并在挤压消失后释放。后腿大臂37处于收紧状态时，后腿小臂32受弹性挡块限制压缩挡块，可用于最大距离跳跃时储能助力。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种仿猫跳跃机器人，其特征在于：它包括：躯干机构(1)、前腿跳跃机构(2)、后腿跳跃机构(3)以及检测控制机构(4)；
所述躯干机构(1)包括：躯干主体(12)，以及分别布置在所述躯干主体(12)前后的前横梁架(11)、后横梁架(13)；
所述前腿跳跃机构(2)共两组，分别布置在所述躯干主体(12)前部左右两侧，包括：由前腿伺服电机(212)、前腿直流电机(211)、肩胛骨夹板(213)、前腿齿轮组(214)组成的肩胛部，前腿大臂(22)，前腿小臂(24)，前腿弹簧(23)以及前脚掌(27)；所述前腿伺服电机(212)固定安装在所述前横梁架(11)上，其输出轴与所述肩胛骨夹板(213)连接；所述前腿直流电机(211)与所述前腿齿轮组(214)安装在所述肩胛骨夹板(213)之间；所述前腿大臂(22)的一端通过肩关节轴(25)安装在所述肩胛骨夹板(213)之间，另一端通过肘关节轴(26)与所述前腿小臂(24)连接；所述前腿直流电机(211)的输出轴与所述肩关节轴(25)上均套接有所述前腿齿轮组(214)中的传动齿轮，所述前腿直流电机(211)的输出经所述前腿齿轮组(214)减速后，驱动所述前腿大臂(22)摆动；所述前腿弹簧(23)的上下两端通过轴连接所述肩胛骨夹板(213)、所述前腿小臂(24)；所述前腿小臂(24)通过腕关节轴(28)与所述前脚掌(27)连接；
所述后腿跳跃机构(3)共两组，分别布置在所述躯干主体(12)后部左右两侧，包括：由后腿伺服电机(311)、后腿直流电机(312)、髋部夹板(313)、后腿齿轮组(314)组成的后腿根部，后腿大臂(37)，后腿小臂(32)，后腿弹簧(33)以及后脚掌(38)；所述后腿伺服电机(311)固定安装在所述后横梁架(13)上，其输出轴与所述髋部夹板(313)连接；所述后腿直流电机(312)与所述后腿齿轮组(314)安装在所述髋部夹板(313)之间；所述后腿大臂(37)的一端通过髋关节轴(31)安装在所述髋部夹板(313)之间，另一端通过膝关节轴(35)与所述后腿小臂(32)连接；所述后腿直流电机(312)的输出轴与所述髋关节轴(31)上均套接有所述后腿齿轮组(314)中的传动齿轮，所述后腿直流电机(312)的输出经所述后腿齿轮组(314)减速后，驱动所述后腿大臂(37)摆动；所述后腿弹簧(33)的上下两端通过轴连接所述髋部夹板(313)、所述后腿小臂(32)；所述后腿小臂(32)通过踝关节轴(36)与所述后脚掌(38)连接；
所述检测控制机构(4)包括：主控板(41)、驱动板(42)、电池(43)以及电位计(44)；所述电池(43)与所述主控板(41)、所述驱动板(42)之间相互连接；所述电位计(44)安装在所述前腿跳跃机构(2)的肘关节轴(26)处，以及所述后腿跳跃机构(3)的膝关节轴(35)处，所述电位计(44)与所述主控板(41)连接；所述驱动板(42)连接所述前腿伺服电机(212)、所述前腿直流电机(211)、所述后腿伺服电机(311)、所述后腿直流电机(312)；所述主控板(41)、所述驱动板(42)、所述电池(43)安装在所述躯干主体(12)内。
2.如权利要求1所述的一种仿猫跳跃机器人，其特征在于：所述躯干主体(12)由三块镂空铝件装配而成；所述躯干主体(12)内部被分隔为胸腔与腹腔；所述主控板(41)与所述驱动板(42)安装在所述胸腔内，所述电池(43)安装在所述腹腔内。
3.如权利要求1或2所述的一种仿猫跳跃机器人，其特征在于：所述腕关节轴(28)上套接有扭簧(29)，所述扭簧(29)用于限制所述前脚掌(27)相对于所述前腿小臂(24)的转动角度。
4.如权利要求1或2所述的一种仿猫跳跃机器人，其特征在于：所述前腿弹簧(23)与所述后腿弹簧(33)结构相同，均包括：拉簧、压簧以及可伸缩套筒；所述压簧嵌套在所述伸缩套筒上，两根所述拉簧分布在所述压簧两侧；所述拉簧的一端通过连接装置固定在所述肩胛部或所述后腿根部，另一端套接在所述前腿小臂(24)或所述后腿小臂(32)后部的连接轴上；所述拉簧的自由长度小于所述压簧的自由长度；所述前腿弹簧(23)与所述后腿弹簧(33)终处在预紧状态。
5.如权利要求1或2所述的一种仿猫跳跃机器人，其特征在于：当所述后腿直流电机(312)驱动所述后腿大臂(37)处于收紧状态时，所述后腿小臂(32)与所述后腿伺服电机(311)外壳接触，在接触处设有弹性挡块。
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