CN111332380A - 气动关节式弹跳腿 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气动关节式弹跳腿，包括踝关节、动力小腿和膝关节。其特征在于，所述踝关节包括作为各零部件安装基准且与地面接触的脚掌，由踝关节伺服气缸驱动的相对脚掌转动的脚跟；所述动力小腿包括与脚跟固连的跳跃气缸活塞杆，沿跳跃气缸活塞杆滑动的跳跃气缸缸体；所述膝关节为四杆机构，包括长度确定的下杆、右杆、上杆和由膝关节伺服气缸缸体和活塞杆组成的长度可调的左杆，其四根杆件通过三个铰链和一个固定连接首尾相连构成封闭梯形。本发明使用伺服气缸精确控制踝关节转动角度和膝关节弯曲角度，使用高压气体为动力小腿提供可控的强大爆发力和自缓冲能力，可以模仿动物较高水平的跳跃运动，是一种高效可靠的关节式弹跳腿。

Description

气动关节式弹跳腿
技术领域
本发明涉及仿生跳跃机器人技术领域，具体的说是通过伺服气缸驱动踝关节、动力小腿和膝关节，模仿动物跳跃运动的气动关节式弹跳腿。
背景技术
跳跃运动着地点的离散性和发力的爆发性使其具有很强的越障和地形适应能力，模仿自然界动物利用跳跃运动逃避敌害和高效捕食，仿生跳跃机器人成为到达恶劣地形区域的理想运载工具，将动物跳跃运动模式与机器人学结合起来的仿生跳跃机器人成为近年机器人领域的研究热点。单足机器人在仿生跳跃机器人研究中发挥着先导和基础的重要作用，单腿起跳和单足支撑是跳跃机器人必须能够完成的高难度动作，两者综合所建立的仿生跳跃模型对跳跃机器人的其他跳跃形式普遍有效。跳跃动力的首要特性是具有强大的爆发力，同时具有良好的可控性，在电机和液压动力系统无法提供足够爆发力的背景下，提高具有强大爆发力的气动系统可控性成为仿生跳跃机器人发展道路上最迫切的任务。气动系统使用高压气体传递动力，高压气体所具有的低刚度物理属性使其具备了天然的强大爆发力和自缓冲性，但低刚度所带来的强非线性和强时变性使高压气体动态参数的精确控制成为世界性的难题。本发明申请人研发了伺服气缸可用能线性控制器，可以克服气压动力可控性差的缺陷，为关节式弹跳腿提供了集爆发力、可控性、自缓冲性和高能量效率于一身的理想动力源。因此，本发明开发的使用单一气压动力的气动关节式弹跳腿将填补仿生跳跃机器人技术领域的空白。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服气动关节式弹跳腿的结构设计问题，提供一种通过伺服气缸驱动踝关节、动力小腿和膝关节模仿动物跳跃运动的气动关节式弹跳腿。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种气动关节式弹跳腿，包括踝关节、动力小腿和膝关节。其特征在于，所述踝关节包括作为各零部件安装基准且与地面接触的脚掌，在其中部和后部分别设有中部铰链支座和后部铰链支座，由通过中部铰链支座与脚掌连接的踝关节伺服气缸驱动的绕后部铰链支座相对脚掌转动的脚跟；所述动力小腿包括与脚跟固连的跳跃气缸活塞杆，借助气压动力沿跳跃气缸活塞杆滑动的跳跃气缸缸体；所述膝关节为四杆机构，包括与跳跃气缸缸体固连的下杆，固连在一起的右杆和上杆，由膝关节伺服气缸缸体和活塞杆组成的长度可调的左杆，其四根杆件通过三个铰链和一个固定连接首尾相连构成封闭梯形。
所述踝关节、动力小腿和膝关节在铅垂面内成串联布局，处于初始位置的弹跳腿零位为动力小腿与膝关节沿铅垂方向共线且与脚掌的底面垂直；动力小腿相对脚掌的踝关节转动角度在逆时针45°至顺时针34°范围内连续可调，四杆机构相对动力小腿的膝关节弯曲角度在逆时针15°和顺时针70°范围内连续可调。
所述踝关节其脚掌外轮廓为与人脚形状相似的梯形，脚掌中部和根部设有与脚掌底面垂直的中部铰链支座和后部铰链支座；通过精确控制踝关节伺服气缸活塞杆的伸出长度，实现动力小腿相对脚掌踝关节转动角度的精确调整。
所述膝关节其伺服气缸活塞杆伸出长度为定值时，四杆机构形状固定且相对动力小腿有确定的膝关节弯曲角度；通过精确控制膝关节伺服气缸活塞杆的伸出长度，实现四杆机构相对动力小腿膝关节弯曲角度的精确调整。
本发明使用伺服气缸精确控制踝关节转动角度和膝关节弯曲角度，使用高压气体为动力小腿提供可控的强大爆发力和自缓冲能力，可以模仿动物较高水平的跳跃运动。对照现有技术，其结构合理、跳跃能力强、可控性好，是一种高效可靠的关节式弹跳腿。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的左视图。
图中 11.脚掌，12.中部铰链支座，13.后部铰链支座，14.踝关节伺服气缸，15.脚跟，21.跳跃气缸活塞杆，22.跳跃气缸缸体，31.下杆，32. 右杆，33.上杆，34. 膝关节伺服气缸缸体，35. 膝关节伺服气缸活塞杆。
具体实施方式
从图1和图2中可以看出，一种气动关节式弹跳腿，其设有踝关节、动力小腿和膝关节。所述踝关节包括作为各零部件安装基准且与地面接触的脚掌11，在其中部和后部分别设有中部铰链支座12和后部铰链支座13，由通过中部铰链支座12与脚掌11连接的踝关节伺服气缸14驱动的绕后部铰链支座13相对脚掌11转动的脚跟15；所述动力小腿包括与脚跟15固连的跳跃气缸活塞杆21，借助气压动力沿跳跃气缸活塞杆21滑动的跳跃气缸缸体22；所述膝关节为四杆机构，包括与跳跃气缸缸体22固连的下杆31，固连在一起的右杆32和上杆33，由膝关节伺服气缸缸体34和活塞杆35组成的长度可调的左杆，其四根杆件通过三个铰链和一个固定连接首尾相连构成封闭梯形。
前述的气动关节式弹跳腿，所述踝关节、动力小腿和膝关节在铅垂面内成串联布局，处于初始位置的弹跳腿零位为动力小腿与膝关节沿铅垂方向共线且与脚掌11的底面垂直；动力小腿相对脚掌的踝关节转动角度在逆时针45°至顺时针34°范围内连续可调，四杆机构相对动力小腿的膝关节弯曲角度在逆时针15°和顺时针70°范围内连续可调。
前述的气动关节式弹跳腿，所述踝关节其脚掌11外轮廓为与人脚形状相似的梯形，脚掌11中部和后部设有与脚掌11底面垂直的中部铰链支座12和根部铰链支座13；通过精确控制踝关节伺服气缸14活塞杆的伸出长度，实现动力小腿相对脚掌11踝关节转动角度的精确调整。
前述的气动关节式弹跳腿，所述膝关节其伺服气缸活塞杆35伸出长度为定值时，四杆机构形状固定且相对动力小腿有确定的膝关节弯曲角度；通过精确控制膝关节伺服气缸活塞杆35的伸出长度，实现四杆机构相对动力小腿膝关节弯曲角度的精确调整。
本发明使用伺服气缸精确控制踝关节转动角度和膝关节弯曲角度，使用高压气体为动力小腿提供可控的强大爆发力和自缓冲能力，可以模仿动物较高水平的跳跃运动。对照现有技术，其结构合理、跳跃能力强、可控性好，是一种高效可靠的关节式弹跳腿。
本发明实现跳跃运动的过程为：跳跃准备、起跳、腾空、落地、触地缓冲、恢复零位，每次可完成一个周期的跳跃运动。该弹跳腿跳跃准备过程为操作者将各关节处于零位的弹跳腿直立于地面上，控制系统根据预设的跳跃高度和距离，计算弹跳腿起跳过程踝关节转动角度、跳跃气缸活塞位置和上腔充气时间；计算落地时刻踝关节转动角度、膝关节弯曲角度和跳跃气缸活塞位置；计算触地缓冲过程踝关节、膝关节和跳跃气缸伺服阀开度，按下启动按钮。开始起跳过程，起跳过程为：定位、调整、加速，定位过程为通过伺服阀调整跳跃气缸活塞位置到达起跳过程计算值；调整过程为通过伺服阀控制踝关节伺服气缸14活塞杆的伸出长度，使脚跟15连同动力小腿和四杆机构一起相对脚掌11转动的踝关节转动角度到达起跳过程计算值；加速过程为通过开启电磁阀使跳跃气缸的上下腔分别连通高压气源和大气，进入跳跃气缸上腔的大流量高压气体使跳跃气缸缸体22和膝关节四杆机构一起沿跳跃气缸活塞杆21以大于5g的加速度向上运动，充气时间到达起跳过程计算值时刻关闭电磁阀；高速向上运动的跳跃气缸缸体22和膝关节四杆机构带动跳跃气缸活塞杆21和踝关节跳离地面，起跳过程结束。开始腾空过程，同时控制三个伺服阀分别使踝关节转动角度、膝关节弯曲角度和跳跃气缸活塞位置到达落地时刻计算值，弹跳腿以后仰和脚掌11平行于地面的姿态落地，腾空过程结束。开始触地缓冲过程，在跳跃气缸上腔高压气体自动吸收弹跳腿沿活塞杆21轴线方向动能的同时，通过控制三个伺服阀以触地缓冲过程计算开度分别调整踝关节、膝关节和跳跃气缸的充排气；通过动力小腿和膝关节四杆机构的重心升高和踝关节伺服气缸14的节流吸收膝关节四杆机构和动力小腿绕后部铰链支座14相对脚掌11转动的动能，通过调整膝关节弯曲角度和跳跃气缸活塞位置使弹跳腿处于动态稳定状态，弹跳腿以各关节静力平衡状态到达相对地面的静态稳定姿态，触地缓冲过程结束。开始恢复零位过程，同时控制三个伺服气缸分别使踝关节转动角度、膝关节弯曲角度和跳跃气缸活塞位置到达弹跳腿初始位置要求的零位计算值，完成气动关节式弹跳腿本周期的跳跃运动。

Claims (4)

1.一种气动关节式弹跳腿，其特征是：其包括踝关节、动力小腿和膝关节；所述踝关节包括作为各零部件安装基准的脚掌，由与脚掌铰接的踝关节伺服气缸驱动的相对脚掌转动的脚跟；所述动力小腿包括与脚跟固连的跳跃气缸活塞杆，沿跳跃气缸活塞杆滑动的跳跃气缸缸体；所述膝关节为四杆机构，包括与跳跃气缸缸体固连的下杆，固连在一起的右杆和上杆，由膝关节伺服气缸缸体和活塞杆组成的长度可调的左杆，其四根杆件通过三个铰链和一个固定连接首尾相连构成封闭梯形。
2.根据权利要求1所述的气动关节式弹跳腿，其特征在于：所述踝关节、动力小腿和膝关节在铅垂面内成串联布局，处于初始位置的弹跳腿零位为动力小腿与膝关节沿铅垂方向共线且与脚掌的底面垂直；动力小腿相对脚掌的踝关节转动角度在逆时针45°至顺时针34°范围内连续可调，四杆机构相对动力小腿的膝关节弯曲角度在逆时针15°和顺时针70°范围内连续可调。
3.根据权利要求1所述的气动关节式弹跳腿，其特征在于：所述踝关节其脚掌外轮廓为与人脚形状相似的梯形，脚掌中部和根部设有与脚掌底面垂直的中部铰链支座和根部铰链支座；通过精确控制踝关节伺服气缸活塞杆的伸出长度，实现动力小腿相对脚掌踝关节转动角度的精确调整。
4.根据权利要求1所述的气动关节式弹跳腿，其特征在于：所述膝关节其伺服气缸活塞杆伸出长度为定值时，四杆机构形状固定且相对动力小腿有确定的膝关节弯曲角度；通过精确控制膝关节伺服气缸活塞杆的伸出长度，实现四杆机构相对动力小腿膝关节弯曲角度的精确调整。
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