CN114670951A - 一种Jansen连杆结构机器人仿生腿结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Jansen连杆结构机器人仿生腿结构，包括第一连杆，与第一连杆一端铰接的第二连杆，与第一连杆另一端铰接的第四连杆，分别设置在第二连杆两侧的第六连杆；两个所述第六连杆的一端与第三连杆的一端铰接；两个所述第六连杆的另一端与第五连杆铰接；所述第三连杆的另一端铰接的足端杆件，足端杆件还与第五连杆、第四连杆铰接；在第一连杆与第四连杆的铰接处设置的曲柄。本结构在曲柄驱动机构的驱动下可绕曲柄固定件的中心处旋转，带动连杆和足端杆件运动，形成一种闭环联动效应，使得足端杆件运动更加协调。

Description

一种Jansen连杆结构机器人仿生腿结构

技术领域

本发明属于仿生连杆机器人技术领域，尤其是一种Jansen连杆结构机器人仿生腿。

背景技术

Jansen连杆机构主要应用在仿生机器人领域，仿生腿的机构设计与控制是仿生机器人研究的核心内容之一，因此成为仿生机器人领域近年来的研究热点。由荷兰著名的动感雕塑艺术家Theo Jansen设计的仿生腿机构(Jansen-leg)以及基于该机构利用环保材料研制出的海滩风力机器“Wind Beast”引起了广泛关注。其控制简单、行走高效、运动协调、仿生性好，自提出就引起仿生机器人领域中众多学者的关注。并且，仿生步行机器人相比于轮式机器人能更好地表现出良好的机动性，其本质上为全方位系统。即一个步行机器人只通过改变立足点位置就可独立于主体轴的方向而变向，而传统的轮式机器人还需被操控来改变方向。Jansen连杆机构只需要1个驱动(1个自由度)，即曲柄杆件绕机架的铰接处转动，就能驱动整个机构，从而实现足端杆件的摆动与前进，这便是该机构控制简单、关节运动协调性好的原因。

但是现有足端杆件的结构上需要进行优化设计，提高整个足端杆件的性能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的不足，本申请提出了一种Jansen连杆结构机器人仿生腿，能够提高仿生腿结构运动的协调性和稳定性。

本发明所采用的技术方案如下：

一种Jansen连杆结构机器人仿生腿结构，包括：

第一连杆，

与第一连杆一端铰接的第二连杆；

与第一连杆另一端铰接的第四连杆；

分别设置在第二连杆两侧的第六连杆；两个所述第六连杆的一端与第三连杆的一端铰接；两个所述第六连杆的另一端与第五连杆铰接；

所述第三连杆的另一端铰接的足端杆件，足端杆件还与第五连杆、第四连杆铰接；

在第一连杆与第四连杆的铰接处设置的曲柄。

进一步，足端杆件与第四连杆设置在两个第五连杆之间。

进一步，两个第五连杆设置在第六连杆的外侧。

进一步，第六连杆与第二连杆之间通过两根圆柱销连接。

进一步，曲柄上设置曲柄固定件，曲柄绕曲柄固定件的中心处旋转。

进一步，足端杆件整体呈三角形的一体式结构，底部尖端为足部。

进一步，足端杆件为镂空设计。

进一步，足端杆件采用3D打印制成。

本发明的有益效果：

1、本申请所设计的一种Jansen连杆结构机器人仿生腿结构，在曲柄驱动机构的驱动下可绕曲柄固定件的中心处旋转，带动连杆和足端杆件运动，形成一种闭环联动效应，使得足端杆件运动更加协调。

2、由第二连杆与第六连杆可以驱动第三连杆，第三连杆与足端杆件在同一铰链处链接，故可由第三连杆带动足端杆件，形成摆动姿态。

3、第五连杆的一端位于固定机架处，另一端也与足端杆件在同一铰链处链接，对称结构的设计可以使得足端杆件运动更加协调。

附图说明

图1是本发明的结构轴测图；

图2是本发明的结构轴测图；

图3本发明的机构主视图；

图4本发明的机构侧视图；

图5本发明的机构俯视图；

图6是本发明的装配爆炸图。

图中：1、第一连杆，2、第二连杆，3、第三连杆，4、足端杆件，5、第四连杆，6、曲柄，7、曲柄固定件，8、固定机架，9、第五连杆，10、第六连杆，11、圆柱销。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本申请所设计的一种Jansen连杆结构机器人仿生腿结构如图1-6所示，包括第一连杆 1、第二连杆2、第三连杆3、足端杆件4、第四连杆5、曲柄6、第五连杆9、第六连杆10 等。具体连接关系如下：

第一连杆1的一端与第二连杆2的一端铰接，第一连杆1的另一端与第四连杆5的一端铰接；第二连杆2的另一端两层分别设有第六连杆10，且通过两根圆柱销11将第二连杆2与其两侧的第六连杆10进行连接。

两根第六连杆10的一端之间设有第三连杆3，第三连杆3的一端与其两侧的两根第六连杆10的一端铰接。两根第六连杆10的另一端的两侧分别设有第五连杆9，通过固定机架8穿过两根第五连杆9的一端以及第五连杆9之间的两根第六连杆10；两根第五连杆9 的另一端之间为第四连杆5的另一端以及足端杆件4的一连接端，四者之间铰接；足端杆件4的另一连接端与第三连杆3的另一端铰接。

在本实施例中，曲柄6设置在第一连杆1与第四连杆5的铰接处，三者铰接在一起。曲柄6上设置曲柄固定件7，曲柄6可绕曲柄固定件7的中心处旋转。

在本实施例中，足端杆件4整体呈三角形的一体式结构，，底部尖端为足部；足端杆件 4为镂空设计，能够实现对足端杆件轻量化设计。

在本实施例中，足端杆件4采用3D打印制成。

在本实施例中，足端杆件4以及连杆等部件均选用ABS材料。

本申请所设计的仿生腿结构的工作机理如下：

曲柄6在曲柄驱动机构的驱动下可绕曲柄固定件7的中心处旋转，进而带动连杆和足端杆件运动，形成一种闭环联动效应，使得足端杆件运动更加协调。

由第二连杆2与第六连杆10可以驱动第三连杆3，第三连杆3与足端杆件在同一铰链处链接，故可由第三连杆3带动足端杆件4，形成摆动姿态。

第五连杆9的一端位于固定机架处，另一端也与足端杆件4在同一铰链处链接，对称结构的设计可以使得足端杆件运动更加协调。

此外，在本申请中，为了对足端杆件进行优化，本实施例中，利用Altair Inspire软件进行足端构件的拓扑优化。设定杆件模型材料为ABS，对足端杆件轻量化设计结果进行初始强度分析，用最大位移、最大von Mises等效应力与安全系数体现分析结果。其中安全系数显示的是模型某些区域因所受应力而可能发生屈服。参考拓扑分析结果后使用PolyNURBS工具对优化结果进行手动拟合，通过拖拽控制点的方式调整自动拟合的优化结果，使其与非设计空间相交。使用方块到箱体的工具对模型受力薄弱的地方手动创建方块，并使用包覆，桥接，锐化等工具进行手动拟合。用布尔运算工具对优化重构结果和非设计空间进行几何相交，形成单一的实体模型。最后使用圆角工具处理重构结果与非设计空间之间的衔接，获得最终的足端杆件轻量化设计结果。在经过几何重构后，利用Altair Inspire软件进行有限元分析，运用3D打印技术，对比足端杆件拓扑优化前后的100％ABS填充实物。通过比对，足端新构形的杆件重量相比原先减轻了88.57％。

由于连杆较多，若主、从动件的转角过大，则各个连杆之间可能发生碰撞干涉，同时在运动过程中，需要考虑在转动副旋转时，不能出现死角，因此连杆长度与各连杆之间的角度需要满足一定的约束条件。其中约束条件的变量范围可依据力学模型中所得的变量数值进行区间扩大。

各个连杆之间的长度设计需要满足曲柄摇杆机构的急回特性，且要满足最短杆与最长杆的长度之和小于或等于其余两杆长度之和，且最短杆为连架杆。对于Jansen连杆机构进行杆件尺寸上的设计优化，主要对曲柄摇杆机构处进行最小传动角与急回特性的考虑，设计求解得出较优的曲柄长度。以曲柄扭矩与足端高度的函数关系实现双目标规划，采用蒙特卡洛模拟启发式算法解决初始值的选取，再使用MATLAB中的fmincon()函数的内点法进行联合优化，从而求解非线性规划得出一组最优解。对于机构的足端轨迹，选用优化后的杆件尺寸并改变二力杆的长度来进行比对，选出一种最优的足端轨迹。利用Inspire软件来进行足端构件的拓扑优化，并利用有限元分析和运动仿真发现，在最大von Mises等效应力小于材料许用应力的前提下，足端新构型杆件重量减轻了88.57％。且优化前后机构所受应力不超过材料的许用极限应力，满足实际的强度需求即可说明优化成功。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种Jansen连杆结构机器人仿生腿结构，其特征在于，包括：

第一连杆(1)，

与第一连杆(1)一端铰接的第二连杆(2)；

与第一连杆(1)另一端铰接的第四连杆(5)；

分别设置在第二连杆(2)两侧的第六连杆(10)；两个所述第六连杆(10)的一端与第三连杆(3)的一端铰接；两个所述第六连杆(10)的另一端与第五连杆(9)铰接；

所述第三连杆(3)的另一端铰接的足端杆件(4)，足端杆件(4)还与第五连杆(9)、第四连杆(5)铰接；

在第一连杆(1)与第四连杆(5)的铰接处设置的曲柄(6)。

2.根据权利要求1所述的一种Jansen连杆结构机器人仿生腿结构，其特征在于，足端杆件(4)与第四连杆(5)设置在两个第五连杆(9)之间。

3.根据权利要求1所述的一种Jansen连杆结构机器人仿生腿结构，其特征在于，两个第五连杆(9)设置在第六连杆(10)的外侧。

4.根据权利要求1所述的一种Jansen连杆结构机器人仿生腿结构，其特征在于，第六连杆(10)与第二连杆(2)之间通过两根圆柱销(11)连接。

5.根据权利要求1所述的一种Jansen连杆结构机器人仿生腿结构，其特征在于，曲柄(6)上设置曲柄固定件(7)，曲柄(6)绕曲柄固定件(7)的中心处旋转。

6.根据权利要求1-5中任意一项权利要求所述的一种Jansen连杆结构机器人仿生腿结构，其特征在于，足端杆件(4)整体呈三角形的一体式结构，底部尖端为足部。

7.根据权利要求6所述的一种Jansen连杆结构机器人仿生腿结构，其特征在于，足端杆件(4)为镂空设计。

8.根据权利要求6所述的一种Jansen连杆结构机器人仿生腿结构，其特征在于，足端杆件(4)采用3D打印制成。

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