CN113120106B - 一种燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人 - Google Patents

Abstract

一种燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人，属于软体跳跃机器人领域。解决了现有软体弹跳机器人跳跃姿态、落地方向不可控，落地不平稳的问题。本发明运用了氢气和氧气的燃爆放能原理、软体燃爆腔和刚体活塞式约束结合的方式实现能量的释放，能够将化学能在短时间内转换为机械能，可实现机器人较大的瞬时加速度，同时通过刚性活塞式约束，实现对软体燃爆腔膨胀方向的控制，从而使机器人的跳跃方向和姿态受到控制。本发明适用于仿生机器人技术领域。

Description

一种燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人

技术领域

本发明属于软体跳跃机器人领域。

背景技术

软体跳跃机器人在机器人领域有着广泛的研究前景。相比传统刚性机器人，软体机器人要求更高的复杂环境适应能力、更高的仿生潜力、更高的轻量化潜力和更高的人机交互安全性。

现有的软体弹跳机器人包括化学放能反应驱动的仿青蛙水下软体机器人柔性燃爆压裂装置及钻井管串，以及一种基于磁编程温敏水凝胶的磁驱动跳跃软体机器人。这些软体机器人的主要缺点是瞬时加速度较低、能量释放方向可控性差等。

燃爆放能反应具有反应速度极快、放出大量的热、产生大量的气体的特点，从而使得软体机器人能够在短时间内获得大驱动力。

但是现有的软体弹跳机器人跳跃姿态不可控，落地不平稳、存在落地方向不可控的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有软体弹跳机器人跳跃姿态、落地方向不可控，落地不平稳的问题，提出了一种燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人。

本发明所述的一种燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人，包括燃爆驱动单元、机身壳体、前肢模块和后肢模块；

燃爆驱动单元设置在所述机身壳体内；所述机身壳体为下部和后部均开口的结构；

燃爆驱动单元利用气体燃料燃爆时产生气体的瞬间冲击力为后肢模块提供向前跳跃的动力；前肢模块和后肢模块分别设置在机身下侧的前部和后部；

燃爆驱动单元包括气体传输装置、刚柔耦合燃爆驱动器、气泵和软体气囊；

所述刚柔耦合燃爆驱动器、气泵和软体气囊均设置在所述机身壳体内，气体传输装置嵌设在机身壳体上，所述气体传输装置的进气口设置在机身壳体的上侧，气体传输装置的出气口与软体气囊联通，所述气体传输装置用于向软体气囊内充入可燃烧气体和氧气；

所述软体气囊位于所述机身壳体的前端；刚柔耦合燃爆驱动器位于软体气囊的后侧，所述气泵位于软体气囊与刚柔耦合燃爆驱动器之间，用于将软体气囊内的气体抽入刚柔耦合燃爆驱动器的软体燃爆腔内；

后肢模块包括两个后腿，每个后腿包括大腿骨、小腿骨和脚掌；

所述刚柔耦合燃爆驱动器的后端通过驱动连接件与脚掌上侧的固定件铰接；大腿骨的一端固定在刚柔耦合燃爆驱动器的侧面，另一端与小腿骨的一端铰接，小腿骨的另一端与所述驱动连接件的本体铰接；

前肢模块包括两个前腿和舵机；所述两个前腿的上端均与舵机的输出轴固定连接，所述舵机用于控制前腿的落地方向；舵机通过机架固定在刚柔耦合燃爆驱动器的下表面。

进一步地，刚柔耦合燃爆驱动器还包括导气头、软体燃爆腔、外腔和内腔；

外腔为后端开口结构，内腔为前端开口结构，内腔设置在外腔内，且与外腔沿机身长度方向线性滑动连接，所述内腔扣设在软体燃爆腔的外侧，且软体燃爆腔的前端贴设在外腔前臂的内侧；

导气头的一端设置在外腔的外侧，与气体传输装置联通，另一端与软体燃爆腔联通；

驱动连接件的固定端与内腔的后端固定连接，大腿骨固定在外腔侧面，软体燃爆腔内气体燃爆瞬间推动内腔后端从外腔伸出，所述驱动连接件向后运动使脚掌蹬地，小腿骨与大腿骨伸展，完成模仿青蛙后腿跳跃。

进一步地，前腿包括大臂、肘部连杆、前臂和手掌；

大臂的一端与舵机的输出轴固定连接，另一端与肘部连杆的杆体铰接，所述肘部连杆的一端铰接在机架的下侧，肘部连杆的一端与前臂的一端通过螺栓铰接，所述前臂的另一端与手掌的腕部通过螺栓铰接。

进一步地，肘部连杆和前臂铰接处的螺栓上套接肘部扭簧。

进一步地，前臂与手掌腕部铰接处的螺栓上套接有腕部扭簧和腕部滑轮。

进一步地，前臂的本体开有沿长度方向的矩形通孔，所述矩形通孔内设有前臂滑轮。

进一步地，手掌的每个指端均连接有手指滑轮。

进一步地，还包括控制器，所述控制器用于根据方向指令向舵机发送方向控制信号。

进一步地，还包括点火头，所述点火头的点火点设置在外腔的外侧，所述点火头用于点燃软体燃爆腔内的气体，所述点火控制信号输入端连接控制器的点火控制信号输出端。

进一步地，软体气囊内是氢气和氧气的混合气体。

本发明运用了氢气和氧气的燃爆放能原理、软体燃爆腔和刚体活塞式约束结合的方式实现能量的释放，能够将化学能在短时间内转换为机械能，可实现机器人较大的瞬时加速度，并且具有较强的仿生性。

本发明利用软体燃爆腔材料的超弹性特点，实现跳跃后的自动复位功能，较传统刚性跳跃机器人，具有更轻的重量，结构更加简单紧凑。

本发明应用软体超弹性材料燃爆腔作为驱动，比金属材料作为燃爆腔的驱动方式具有更高的安全性。

本发明通过刚性活塞式约束，实现对软体燃爆腔膨胀方向的控制，从而使机器人的跳跃方向和姿态受到控制，解决了软体燃爆机器人跳跃姿态不可控的问题。

本发明通过前肢模块，实现了跳跃高度和远度比例的控制，实现了落地时的缓冲，解决了软体燃爆机器人落地不平稳、落地方向不可控的问题，并增加了仿青蛙机器人的仿生性。

附图说明

图1是本发明所述燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人的立体结构右视图；

图2是刚柔耦合燃爆驱动器的结构示意图；

图3是是本发明所述燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人的立体结构左视图；

图4是本发明所述仿青蛙机器人前肢模块结构示意图；

图5是本发明所述仿青蛙机器人静止状态俯视图

图6是本发明所述仿青蛙机器人跳跃过程中的后腿运动俯视图；

图7为大腿骨与外腔，小腿骨与驱动连接件的连接关系示意图；

图8(a)为前肢模块跳跃前姿态图，图8(b)为前肢模块跳跃前准备姿态图，图8(c)为前肢模块跳跃姿态图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

具体实施方式一：下面结合图1至图7说明本实施方式，本实施方式所述一种燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人，包括燃爆驱动单元、机身壳体2、前肢模块和后肢模块；

燃爆驱动单元设置在所述机身壳体2内；所述机身壳体2为下部和后部均开口的结构；

燃爆驱动单元利用气体燃料燃爆时产生气体的瞬间冲击力为后肢模块提供向前跳跃的动力；前肢模块和后置模块分别设置在机身下侧的前部和后部；

燃爆驱动单元包括气体传输装置1、刚柔耦合燃爆驱动器3、气泵和软体气囊4；

所述刚柔耦合燃爆驱动器3、气泵和软体气囊4均设置在所述机身壳体2内，气体传输装置1嵌设在机身壳体2上，所述气体传输装置1的进气口设置在机身壳体2的上侧，气体传输装置1的出气口与软体气囊联通，所述气体传输装置1用于向软体气囊内充入可燃烧气体和氧气；

所述软体气囊位于所述机身壳体2的前端；刚柔耦合燃爆驱动器3位于软体气囊4的后侧，所述气泵位于软体气囊4与刚柔耦合燃爆驱动器3之间，用于将软体气囊4内的气体抽入刚柔耦合燃爆驱动器3的软体燃爆腔32内；

后肢模块包括两个后腿，每个后腿包括大腿骨5、小腿骨6和脚掌7；

所述刚柔耦合燃爆驱动器3的后端通过驱动连接件35与脚掌7上侧的固定件铰接；大腿骨5的一端固定在刚柔耦合燃爆驱动器3的侧面，另一端与小腿骨6的一端铰接，小腿骨6的另一端与所述驱动连接件35的本体铰接；

前肢模块9包括两个前腿和舵机91；所述两个前腿的上端均与舵机91的输出轴固定连接，所述舵机91用于控制前腿的落地方向；舵机91通过机架92固定在刚柔耦合燃爆驱动器3的下表面。

本实施方式中，气体传输装置1由电磁阀、紧固螺栓组、阀岛盖和阀岛组成。电磁阀由紧固螺栓组固定在阀岛上，阀岛盖通过螺纹与阀岛连接，阀岛与泵、软体气囊和刚柔耦合燃爆驱动器的导气头通过导气管连接。软体气囊外侧设置防护腔体，避免软体气囊碰撞爆炸。

本发明以氢气和氧气为燃料，软体储气腔用于储存混合的氢气和氧气，由气体传输装置将燃料充入刚柔混合燃爆腔驱动器，刚柔耦合燃爆驱动器中的软体燃爆腔通过膨胀将氢气和氧气点燃爆炸产生的能量转化为机械能，驱动器中的外腔、内腔34提供对软体燃爆腔的约束，实现这种机械能的线性输出，使得青蛙整体向前跳跃。

进一步地，刚柔耦合燃爆驱动器3还包括导气头31、软体燃爆腔32、外腔33和内腔34；

外腔33为后端开口结构，内腔34为前端开口结构，内腔34设置在外腔33内，且与外腔33沿机身长度方向线性滑动连接，所述内腔34扣设在软体燃爆腔32的外侧，且软体燃爆腔32的前端贴设在外腔33前臂的内侧；

导气头31的一端设置在外腔33的外侧，与气体传输装置1联通，另一端与软体燃爆腔32联通；

驱动连接件35的固定端与内腔34的后端固定连接，大腿骨5固定在外腔33侧面，软体燃爆腔32内气体燃爆瞬间推动内腔34后端从外腔33伸出，所述驱动连接件35向后运动使脚掌7蹬地，小腿骨6与大腿骨5伸展，完成模仿青蛙后腿跳跃。

本实施方式中，刚柔耦合软体驱动器中的软体燃爆腔具有超弹性特点，可通过膨胀将内部燃料的化学能转化为机械能，由于氢气和氧气反应生成水，可快速实现跳跃后的自动复位功能。内腔34和外腔形成活塞式结构，内腔34上端的侧面与和底面在初始位置(内部压强与外部相等)与软体燃爆腔紧贴，对软体燃爆腔的径向膨胀起到约束作用；内腔34上端外壁与外腔内壁设有滑动线性滑轨结构，保证内腔34与外腔之间的线性相对运动，不限制软体燃爆腔的轴向膨胀。在燃料燃爆时，软体燃爆腔在约束下推动内腔34在外腔内线性加速，将燃爆释放的机械能线性输出，脚掌7在蹬地过程中的轨迹为线性的，使得机器人的跳跃方向可控。

驱动连接件35与小腿骨6、小腿骨6与大腿骨5、大腿骨5与外腔、内腔34连接件与脚掌7均通过螺栓连接，形成转动副，在燃料燃爆时，驱动连接件35线性运动，使脚掌7蹬地跳跃，同时带动小腿骨6与大腿骨5伸展，完成模仿青蛙后腿的跳跃动作。内腔34下端与脚掌7之间的转动副可使脚掌7在不同的站立姿态下保持与地面充分接触。

进一步地，前腿包括大臂94、肘部连杆95、前臂97和手掌911；

大臂94的一端与舵机91的输出轴固定连接，另一端与肘部连杆95的杆体铰接，所述肘部连杆95的一端铰接在机架92的下侧，肘部连杆95的一端与前臂97的一端通过螺栓铰接，所述前臂97的另一端与手掌的腕部通过螺栓铰接。

进一步地，肘部连杆95和前臂97铰接处的螺栓上套接肘部扭簧98。

进一步地，前臂97与手掌911腕部铰接处的螺栓上套接有腕部扭簧910和腕部滑轮99。

进一步地，前臂97的本体开有沿长度方向的矩形通孔，所述矩形通孔内设有前臂滑轮98。

进一步地，手掌911的每个指端均连接有手指滑轮912。

本实施方式中，前肢部分的机架、连架杆、大臂、肘部连杆组成平面四杆机构，以螺栓连接作为转动副，可以实现两个动作：准备起跳时，舵机带动前肢前后微小摆动，调整前肢撑地的高度，调整站立姿态，以控制跳跃高度和远度的比例；落地时舵机带动前肢向前伸出前肢，落地缓冲，并增加整体跳跃动作的仿生性。

腕部扭簧、手掌、手指滑轮组成手掌自动接地机构，手掌与前臂之间的转动副由螺栓连接，螺栓穿过手掌腕部、前臂滑轮、腕部扭簧。手指滑轮可减小手指受到的摩擦力。在受到地面支持力时，腕部扭簧弯曲，可实现手掌平面在多种姿态下与地面保持重合。

肘部连杆、肘部扭簧、前臂、前臂滑轮、腕部滑轮组成落地缓冲结构。前臂滑轮与前臂通过螺栓连接，形成转动副。螺栓穿过肘部连杆、肘部扭簧、前臂，形成可储能的转动副。前臂滑轮、腕部滑轮可减少落地时前肢与地面的摩擦力，使手掌和前臂在受到冲击时仍向前滑动，防止机器人以前肢接触地面处为支点向前翻滚。在手掌接触地面受时，地面对前肢的冲击力达到肘部扭簧的阈值，肘部扭簧弯曲，手肘向上弯折，实现机器人落地时的缓冲，在前肢受到较大冲击的时候保护舵机和其它前肢结构，并使得落地动作仿生性更强。

进一步地，还包括控制器，所述控制器用于根据方向指令向舵机91发送方向控制信号。

进一步地，还包括点火头36，所述点火头36的点火点设置在外腔33的外侧，所述点火头用于点燃对软体燃爆腔32内的气体，所述点火控制信号输入端连接控制器的点火控制信号输出端。

进一步地，软体气囊4内是氢气和氧气的混合气体。

本发明中，燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人仿生跳跃时：

(1)、抽气：通过气体传输装置1将软体燃爆腔32中的气体抽干；

(2)、充气：控制气体传输装置1将软体储气腔4中的混合气体充入软体燃爆腔32内；

(3)、点火：控制器输出高电压使点火头36放电，混合的氢气和氧气点燃爆炸；

(4)、能量输出/转换：气体燃爆使软体燃爆腔32膨胀，在内腔34和外腔33的约束下，燃爆腔推动内腔34做直线运动，由内腔34连接的驱动连接件35线性地输出能量；内腔34外壁与外腔33内壁设有滑动线性滑轨结构，保证内腔34与外腔之间的线性相对运动；跳跃过程中机器人前腿的姿态若图8(a)-图8(c)所示；

(5)、爆炸结束后，软体燃爆腔32内部压力瞬间降低，使得软体燃爆腔32收缩，将内腔34拉回初始位置，可以进行下一次充气；

(6)、站立时调整姿态：控制舵机91的转动角度，通过机架92、连架杆、大臂94、肘部连杆95组成平面四杆机构，完成前肢的前后微小摆动，调整前肢支撑机器人的角度，从而调整机器人站立的角度；

(7)、手掌接地：由腕部扭簧910、手掌911、手指滑轮912组成的手掌自动接地机构，可实现手掌911平面在多种姿态下自动与地面保持重合；

(8)、落地之前向前伸出前肢：控制舵机91的转动角度，通过前肢部分的机架92、连架杆、大臂94、肘部连杆95组成平面四杆机构，使前肢在落地前向前伸出，使得手掌911首先接触地面，缓冲地面对机器人的冲击，并增加整体跳跃动作的仿生性；

(9)、落地时肘部缓冲：由肘部连杆95、肘部扭簧98、前臂97、前臂滑轮98、腕部滑轮99组成的落地缓冲结构。前臂滑轮98、腕部滑轮99可减少落地时前肢与地面的摩擦力，使手掌911和前臂97在受到冲击时仍向前滑动，防止机器人以前肢接触地面处为支点向前翻滚。在手掌接触地面受时，地面对前肢的冲击力达到肘部扭簧的阈值，肘部扭簧98弯曲，手肘向上弯折，实现机器人落地时的缓冲，在前肢受到较大冲击的时候保护舵机91和其它前肢结构，并使得落地动作仿生性更强。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (9)

1.一种燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人，其特征在于，包括燃爆驱动单元、机身壳体(2)、前肢模块和后肢模块；

燃爆驱动单元设置在所述机身壳体(2)内；所述机身壳体(2)为下部和后部均开口的结构；

燃爆驱动单元利用气体燃料燃爆时产生气体的瞬间冲击力为后肢模块提供向前跳跃的动力；前肢模块和后肢模块分别设置在机身下侧的前部和后部；

燃爆驱动单元包括气体传输装置(1)、刚柔耦合燃爆驱动器(3)、气泵和软体气囊(4)；

所述刚柔耦合燃爆驱动器(3)、气泵和软体气囊(4)均设置在所述机身壳体(2)内，气体传输装置(1)嵌设在机身壳体(2)上，所述气体传输装置(1)的进气口设置在机身壳体(2)的上侧，气体传输装置(1)的出气口与软体气囊(4)联通，所述气体传输装置(1)用于向软体气囊(4)内充入可燃烧气体和氧气；

所述软体气囊(4)位于所述机身壳体(2)的前端；刚柔耦合燃爆驱动器(3)位于软体气囊(4)的后侧，所述气泵位于软体气囊(4)与刚柔耦合燃爆驱动器(3)之间，用于将软体气囊(4)内的气体抽入刚柔耦合燃爆驱动器(3)的软体燃爆腔(32)内；

后肢模块包括两个后腿，每个后腿包括大腿骨(5)、小腿骨(6)和脚掌(7)；

所述刚柔耦合燃爆驱动器(3)的后端通过驱动连接件(35)与脚掌(7)上侧的固定件铰接；大腿骨(5)的一端固定在刚柔耦合燃爆驱动器(3)的侧面，另一端与小腿骨(6)的一端铰接，小腿骨(6)的另一端与所述驱动连接件(35)的本体铰接；

前肢模块(9)包括两个前腿和舵机(91)；所述两个前腿的上端均与舵机(91)的输出轴固定连接，所述舵机(91)用于控制前腿的落地方向；舵机(91)通过机架(92)固定在刚柔耦合燃爆驱动器(3)的下表面；

前腿包括大臂(94)、肘部连杆(95)、前臂(97)和手掌(911)；

大臂(94)的一端与舵机(91)的输出轴固定连接，另一端与肘部连杆(95)的杆体铰接，所述肘部连杆(95)的一端铰接在机架(92)的下侧，肘部连杆(95)的一端与前臂(97)的一端通过螺栓铰接，所述前臂(97)的另一端与手掌的腕部通过螺栓铰接。

2.根据权利要求1所述的一种燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人，其特征在于，刚柔耦合燃爆驱动器(3)还包括导气头(31)、软体燃爆腔(32)、外腔(33)和内腔(34)；

外腔(33)为后端开口结构，内腔(34)为前端开口结构，内腔(34)设置在外腔(33)内，且与外腔(33)沿机身长度方向线性滑动连接，所述内腔(34)扣设在软体燃爆腔(32)的外侧，且软体燃爆腔(32)的前端贴设在外腔(33)前臂的内侧；

导气头(31)的一端设置在外腔(33)的外侧，与气体传输装置(1)联通，另一端与软体燃爆腔(32)联通；

驱动连接件(35)的固定端与内腔(34)的后端固定连接，大腿骨(5)固定在外腔(33)侧面，软体燃爆腔(32)内气体燃爆瞬间推动内腔(34)后端从外腔(33)伸出，所述驱动连接件(35)向后运动使脚掌(7)蹬地，小腿骨(6)与大腿骨(5)伸展，实现模仿青蛙后腿跳跃。

3.根据权利要求2所述的一种燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人，其特征在于，肘部连杆(95)和前臂(97)铰接处的螺栓上套接肘部扭簧(98)。

4.根据权利要求2或3所述的一种燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人，其特征在于，前臂(97)与手掌(911)腕部铰接处的螺栓上套接有腕部扭簧(910)和腕部滑轮(99)。

5.根据权利要求2或3所述的一种燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人，其特征在于，前臂(97)的本体开有沿长度方向的矩形通孔，所述矩形通孔内设有前臂滑轮(98)。

6.根据权利要求2或3所述的一种燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人，其特征在于，手掌(911)的每个指端均连接有手指滑轮(912)。

7.根据权利要求1或2所述的一种燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人，其特征在于，还包括控制器，所述控制器用于根据方向指令向舵机(91)发送方向控制信号。

8.根据权利要求2所述的一种燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人，其特征在于，还包括点火头，所述点火头的点火点设置在外腔(33)的外侧，所述点火头(36)用于点燃软体燃爆腔(32)内的气体，点火控制信号输入端连接控制器的点火控制信号输出端。

9.根据权利要求1或2所述的一种燃爆驱动刚柔耦合仿青蛙机器人，其特征在于，软体气囊(4)内是氢气和氧气的混合气体。

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