CN112296988A - 一种辅助宇航员月面活动的仿袋鼠可穿戴跳跃机器人 - Google Patents

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袁建平
方静
孙冲
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Northwestern Polytechnical University
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    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/0006—Exoskeletons, i.e. resembling a human figure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64G—COSMONAUTICS; VEHICLES OR EQUIPMENT THEREFOR
    • B64G1/00—Cosmonautic vehicles
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Abstract

本发明公开了一种仿袋鼠的月面可穿戴跳跃机器人，本发明通过设置在腰部固定件、大腿部件、小腿部件和柔性长足部件内的传感器组实时跟踪宇航员在月面运动时各部分的姿态、位置等运动信息，并判断宇航员的运动意图，控制大腿驱动器、小腿驱动器、长足驱动器和尾部驱动器的输出力，从而为宇航员在月面的运动提供辅助。本发明不仅可以增强人类在月球上的运动能力，通过减震来提高宇航员在月面运动的稳定性和平衡性，还可以通过弹性势能的储存和再分配降低宇航员的新陈代谢能量消耗。还可以作为娱乐设备在地球上推广。

Description

一种辅助宇航员月面活动的仿袋鼠可穿戴跳跃机器人
技术领域
本发明属于宇航员辅助装置领域，具体涉及一种辅助宇航员月面活动的仿袋鼠可穿戴跳跃机器人。
背景技术
在未来，无论是月球探测、基地建设还是月球旅游，都需要宇航员的直接参与。然而，从美国宇航局提供的阿波罗任务图像和视频来看，宇航员在月球表面移动是非常困难的，他们很容易失去平衡摔倒。这是由于月球的低重力、松软月壤、复杂地形等的特殊环境因素造成的。因此，设计可帮助宇航员在月球上的移动并适应月球特殊性的可穿戴机器人是非常有必要的。
目前月面机器人的研究主要集中在月面自主移动机器人，如月球车、月面弹跳机器人等。很少有学者关注协助宇航员月面运动的可穿戴机器人。研究表明，跳跃运动与步行、跑步相比，能更好地利用月球的低重力，并适应其复杂的地形环境。
袋鼠作为一种跳跃动物，动作速度快，越障及平衡能力强，运动稳健，能耗低，其骨骼和肌肉肌腱结构对月面可穿戴机器人有很大的参考价值。例如，袋鼠的后肢构造中具有独特的肌腱、踝骨与脚趾结构，便于储存及释放运动过程中的弹性能；其柔性长脚和尾巴在奔跑时可缓解地面的冲击和身体的波动，保证跳跃落地后的稳定性。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种辅助宇航员月面活动的仿袋鼠可穿戴跳跃机器人，以帮助宇航员在月面更灵活的移动。
为了达到上述目的，本发明包括腰部固定件，腰部固定件下设置有两个大腿部件，大腿部件下部连接小腿部件，小腿部件下部连接柔性长足部件，腰部固定件后部设置有尾部部件，腰部固定件和大腿部件之间通过大腿驱动器连接，大腿部件和小腿部件之间通过小腿驱动器连接，小腿部件和柔性长足部件之间通过长足驱动器连接，尾部部件为多节结构，多节结构间采用尾部驱动器独立控制，腰部固定件、大腿部件、小腿部件和柔性长足部件内均设置有传感器组，传感器组连接控制器，控制器连接大腿驱动器、小腿驱动器、长足驱动器和尾部驱动器；
腰部固定件的四周设置有摄像头，摄像头用于实时采集月球环境中的地形、地貌、障碍物等信息，并发送至控制器；
传感器组用于实时采集判断宇航员当前的运动状态和下一步运动意图，并发送至控制器；
控制器用于融合传感器组和摄像头的信息，综合判断宇航员的运动意图，结合月面当前的环境信息及特殊的微重力，计算得出各驱动器的控制量，驱动大腿驱动器、小腿驱动器、长足驱动器和尾部驱动器工作，以辅助宇航员下一步运动。
柔性长足部件通过拱形脚掌部件和链式脚趾部件组成，链式脚趾部件设置在拱形脚掌部件前部。
拱形脚掌部件和链式脚趾部件之间通过趾关节部件连接。
腰部固定件和大腿部件之间通过髋关节部件连接。
大腿部件和小腿部件之间通过膝关节部件连接。
小腿部件和柔性长足部件之间通过踝关节部件连接。
腰部固定件与尾部部件之间通过尾部关节部件连接。
大腿驱动器和小腿驱动器均采用线性电缆或人工肌肉驱动器。
长足驱动器采用模拟袋鼠足跟腱的线性弹簧和主动驱动器。
传感器组包括惯性测量单元、压力传感器和距离传感器。
与现有技术相比，本发明通过设置在腰部固定件、大腿部件、小腿部件和柔性长足部件内的传感器组和摄像头实时跟踪月面环境变化及宇航员在月面运动时各部分的姿态、位置等运动信息，并判断宇航员的运动意图，控制大腿驱动器、小腿驱动器、长足驱动器和尾部驱动器的输出力，从而为宇航员在月面的运动提供辅助。本发明不仅可以增强宇航员在月球上的运动能力，通过减震来提高宇航员在月面运动的稳定性和平衡性，还可以通过弹性势能的储存和再分配降低宇航员的新陈代谢能量消耗。还可以作为娱乐设备在地球上推广。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
其中，1、腰部固定件，2、大腿部件，3、小腿部件，4、柔性长足部件，5、尾部部件，6、拱形脚掌部件，7、脚趾部件，8、髋关节部件，9、膝关节部件，10、踝关节部件，11、尾部关节部件，12、趾关节部件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明包括腰部固定件1，腰部固定件1下设置有两个大腿部件2，大腿部件2下部连接小腿部件3，小腿部件3下部连接柔性长足部件4，腰部固定件1后部设置有尾部部件5，腰部固定件1和大腿部件2之间通过大腿驱动器连接，大腿部件2和小腿部件3之间通过小腿驱动器连接，小腿部件3和柔性长足部件4之间通过长足驱动器连接，尾部部件5为多节结构，多节结构间采用尾部驱动器独立控制，腰部固定件1、大腿部件2、小腿部件3和柔性长足部件4内均设置有传感器组，传感器组连接控制器，控制器连接大腿驱动器、小腿驱动器、长足驱动器和尾部驱动器；传感器组包括惯性测量单元、压力传感器和距离传感器。腰部固定件1的四周设置有摄像头，摄像头用于实时采集月球环境中的地形、地貌、障碍物等信息，并发送至控制器；传感器组用于实时采集判断宇航员当前的运动状态和下一步运动意图，并发送至控制器；控制器用于融合传感器组和摄像头的信息，综合判断宇航员的运动意图，结合月面当前的环境信息及特殊的微重力，计算得出各驱动器的控制量，驱动大腿驱动器、小腿驱动器、长足驱动器和尾部驱动器工作。
柔性长足部件4通过拱形脚掌部件6和链式脚趾部件7组成，链式脚趾部件7设置在拱形脚掌部件6前部。拱形脚掌部件6和链式脚趾部件7之间通过趾关节部件12连接。腰部固定件1和大腿部件2之间通过髋关节8部件连接。大腿部件2和小腿部件3之间通过膝关节部件9连接。小腿部件3和柔性长足部件4之间通过踝关节部件10连接。腰部固定件1与尾部部件5之间通过尾部关节部件11连接。大腿驱动器和小腿驱动器均采用线性电缆或人工肌肉驱动器。长足驱动器采用模拟袋鼠足跟腱的线性弹簧和主动驱动器。
本发明正如袋鼠下肢的肌肉肌腱结构，月面可穿戴跳跃机器人的各关节由主动和被动弹性驱动器协同驱动。主被动结合的驱动方式可以减轻可穿戴跳跃机器人的重量，提高可穿戴跳跃机器人的能源利用效率。
惯性测量单元、压力传感器、距离传感器和摄像头实时采集宇航员身体各部分的姿态位置、人机交互力及月面地形地貌和障碍物信，发送至控制器，从而判断使用者的运动意图，计算各驱动器的控制量，发送控制指令控制大腿驱动器、小腿驱动器、长足驱动器和尾部驱动器的工作。

Claims (10)

1.一种辅助宇航员月面活动的仿袋鼠可穿戴跳跃机器人，其特征在于，包括腰部固定件(1)，腰部固定件(1)下设置有两个大腿部件(2)，大腿部件(2)下部连接小腿部件(3)，小腿部件(3)下部连接柔性长足部件(4)，腰部固定件(1)后部设置有尾部部件(5)，腰部固定件(1)和大腿部件(2)之间通过大腿驱动器连接，大腿部件(2)和小腿部件(3)之间通过小腿驱动器连接，小腿部件(3)和柔性长足部件(4)之间通过长足驱动器连接，尾部部件(5)为多节结构，多节结构间采用尾部驱动器独立控制，腰部固定件(1)、大腿部件(2)、小腿部件(3)和柔性长足部件(4)内均设置有传感器组，传感器组连接控制器，控制器连接大腿驱动器、小腿驱动器、长足驱动器和尾部驱动器；
腰部固定件(1)的四周设置有摄像头，摄像头用于实时采集月球环境中的地形、地貌、障碍物等信息，并发送至控制器；
传感器组用于实时采集判断宇航员当前的运动状态和下一步运动意图，并发送至控制器；
控制器用于融合传感器组和摄像头的信息，综合判断宇航员的运动意图，结合月面当前的环境信息及特殊的微重力，计算得出各驱动器的控制量，驱动大腿驱动器、小腿驱动器、长足驱动器和尾部驱动器工作。
2.根据权利要求1所述的一种辅助宇航员月面活动的仿袋鼠可穿戴跳跃机器人，其特征在于，柔性长足部件(4)通过拱形脚掌部件(6)和链式脚趾部件(7)组成，链式脚趾部件(7)设置在拱形脚掌部件(6)前部。
3.根据权利要求2所述的一种辅助宇航员月面活动的仿袋鼠可穿戴跳跃机器人，其特征在于，拱形脚掌部件(6)和链式脚趾部件(7)之间通过趾关节部件(12)连接。
4.根据权利要求1所述的一种辅助宇航员月面活动的仿袋鼠可穿戴跳跃机器人，其特征在于，腰部固定件(1)和大腿部件(2)之间通过髋关节(8)部件连接。
5.根据权利要求1所述的一种辅助宇航员月面活动的仿袋鼠可穿戴跳跃机器人，其特征在于，大腿部件(2)和小腿部件(3)之间通过膝关节部件(9)连接。
6.根据权利要求1所述的一种辅助宇航员月面活动的仿袋鼠可穿戴跳跃机器人，其特征在于，小腿部件(3)和柔性长足部件(4)之间通过踝关节部件(10)连接。
7.根据权利要求1所述的一种辅助宇航员月面活动的仿袋鼠可穿戴跳跃机器人，其特征在于，腰部固定件(1)与尾部部件(5)之间通过尾部关节部件(11)连接。
8.根据权利要求1所述的一种辅助宇航员月面活动的仿袋鼠可穿戴跳跃机器人，其特征在于，大腿驱动器和小腿驱动器均采用线性电缆或人工肌肉驱动器。
9.根据权利要求1所述的一种辅助宇航员月面活动的仿袋鼠可穿戴跳跃机器人，其特征在于，长足驱动器采用模拟袋鼠足跟腱的线性弹簧和主动驱动器。
10.根据权利要求1所述的一种辅助宇航员月面活动的仿袋鼠可穿戴跳跃机器人，其特征在于，传感器组包括惯性测量单元、压力传感器和距离传感器。
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