CN117068293A - 一种双足仿生跳跃机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种双足仿生跳跃机器人，包括支撑腿，支撑腿包括与二号电机输出轴固定连接的腿部支架，在腿部支架的上端和下端分别安装有三号电机和四号电机，在三号电机的输出轴上固定连接有一号杆件，在四号电机的输出轴上固定连接有二号杆件，一号杆件的下端与三号杆件的上端铰接，二号杆件通过连接法兰与三号杆件的上部铰接，连接法兰与二号杆件转动连接，连接法兰与三号杆件固定连接，腿部支架、一号杆件、二号杆件与三号杆件构成平行四边形连杆结构，本发明支撑腿采用平行四边形结构，同时每个支撑腿利用三个驱动电机完全驱动，配合内部机械耦合，提升了支撑腿工作空间和灵活性，实现了在三维离散空间中的连续性运动。

Description

一种双足仿生跳跃机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种双足仿生跳跃机器人。

背景技术

腿式机器人是一种模拟自然界中有腿动物运动行为的机器人系统。与传统轮式或履带式机器人不同，腿式机器人通过腿部在各种环境中进行导航和移动，类似于人类、猎豹或昆虫等生物的运动方式。腿式机器人根据腿部数量不同划分为多种形式，包括双足机器人、四足机器人和六足机器人。

仿生设计在机器人领域应用十分广泛，并且取得了显著成果。机器人仿生设计指通过借鉴生物系统的结构、功能或行为模式，将其应用于机器人设计和控制的设计方法，使机器人更加适应日益复杂的工作环境和任务。仿生设计在提升机器人机动性和运动能力方面的贡献尤为突出。美国俄勒冈州立大学机器人学实验室提出了一种名为Cassie的轻量化反屈膝式双足腿式机器人，具有高度动态稳定性和灵活性，能够在不平坦的地面上行走和保持平衡，但只具备一定的快速行走能力。如何提升仿生腿式机器人输出功率以实现更加仿生化的移动模式是目前该领域的重点方向之一。

发明内容

本发明针对上述问题提供了一种双足仿生跳跃机器人。

为达到上述目的本发明采用了以下技术方案：

一种双足仿生跳跃机器人，包括主体机架，在所述主体机架的下方前后对称设置有两个一号电机，所述一号电机的输出轴与主体机架固定连接，在两个所述一号电机的壳体上均固定连接有电机支架，在所述电机支架内安装有二号电机，在所述二号电机的输出轴上安装有支撑腿，所述支撑腿包括与二号电机输出轴固定连接的腿部支架，在所述腿部支架的上端和下端分别安装有三号电机和四号电机，在所述三号电机的输出轴上固定连接有一号杆件，在所述四号电机的输出轴上固定连接有二号杆件，所述一号杆件的下端与三号杆件的上端铰接，所述二号杆件通过连接法兰与三号杆件的上部铰接，所述连接法兰与二号杆件转动连接，所述连接法兰与三号杆件固定连接，所述腿部支架、一号杆件、二号杆件与三号杆件之间构成平行四边形连杆结构，在所述三号杆件的下端铰接有支撑足。

进一步，在所述一号杆件与三号杆件之间设置有板簧，所述板簧与三号杆件的上端固定连接，所述板簧与一号杆件的下端转动连接。

再进一步，在所述二号杆件上安装有储能模块，用于将支撑腿弯曲时产生的力在支撑腿伸展时释放，从而提高机器人跳跃时的爆发力。

更进一步，所述储能模块包括固定设置在二号杆件上的支撑块，在所述支撑块上开设有通孔，在所述通孔内穿设有导向杆，在所述导向杆上套设有储能弹簧，在所述导向杆的上端固定设置有限位片，所述储能弹簧位于限位片与支撑块之间，在所述导向杆的下端连接有线缆，所述线缆的下端绕过导向滑轮与转盘固定连接，所述导向滑轮转动安装在二号杆件上，所述转盘固定安装在连接法兰上。

更进一步，在所述导向杆的上端铰接有两个一号连杆，且两个所述一号连杆关于导向杆的轴线对称设置，在所述一号连杆的下端铰接有二号连杆，所述二号连杆的下端与二号杆件铰接，且两个所述二号连杆关于导向杆的轴线对称设置。

更进一步，所述支撑足为具有弹性的弧形件。

更进一步，在所述支撑足的两端之间连接有拉力弹簧。

更进一步，在所述支撑足的两端均铰接有脚趾，在所述脚趾上开设有V型豁口，以便于脚趾的上端与支撑足卡接，在所述V型豁口的上壁设置有倾斜配合面，以便于限制脚趾的转动范围。

与现有技术相比本发明具有以下优点：

本发明支撑腿采用平行四边形结构，同时每个支撑腿利用三个驱动电机完全驱动，配合内部机械耦合，提升了支撑腿工作空间和灵活性，实现了在三维离散空间中的连续性运动；

本发明通过引入板簧替代现有技术中的刚性连接，有利于提升机器人的控制顺应性，实现更为接近生物原型的运动轨迹，同时板簧还可以在受到冲击时，通过变形来实现对支撑腿的缓冲；

本发明实现了双足机器人在非结构环境中高爆发、连续、稳定的跳跃；在支撑腿上设置了基于肌肉—肌腱仿生的储能模块，提高了有效功率输出，为实现高爆发跳跃提供了基础；

本发明的主体机架结构紧凑、重量轻，有效降低了克服自重所需能量消耗，同时较小的整机尺寸提升了机器人在非结构性环境的适应性；

本发明支撑足为具有弹性的弧形件，同时，在支撑足的两端之间连接有拉力弹簧，实现了对机器人落地时的缓冲；

与现有技术中使用单一电机驱动相比，本发明采用了多电机协同驱动的方式，通过合理地布置一号电机、二号电机、三号电机和四号电机，共同协调驱动机器人，能够有效提升机器人的输出功率和响应速度，当多个电机协同驱动时，负载分布按照一定比例分配，有效降低了单电机实现运动所需输出扭矩，可适应更强的运动；

本发明三号电机、四号电机构成一个闭合运动链，因此三号电机、四号电机为并联布置；二号电机、三号电机和四号电机构成一个开放运动链，二号电机、三号电机和四号电机为串联布置；在机器人腿部运动时，三号电机、四号电机分别驱动一号杆件和二号杆件，二号电机驱动腿部支架，二号电机与三号电机、四号电机相互配合实现对支撑腿的协同驱动。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明主体机架的结构示意图；

图3为本发明电机支架的结构示意图；

图4为本发明主体机架、一号电机、电机支架以及二号电机之间的连接示意图；

图5为本发明支撑腿的侧视图；

图6为本发明连接法兰的结构示意图；

图7为本发明储能模块的结构示意图；

图8为本发明脚趾的结构示意图；

图中，主体机架—1、一号电机—2、电机支架—3、二号电机—4、腿部支架—5、三号电机—6、四号电机—7、一号杆件—8、二号杆件—9、三号杆件—10、连接法兰—11、支撑足—12、板簧—13、支撑块—14、导向杆—15、储能弹簧—16、限位片—17、线缆—18、导向滑轮—19、转盘—20、一号连杆—21、二号连杆—22、拉力弹簧—23、脚趾—24、V型豁口—25、倾斜配合面—26。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明的技术方案，下面通过实施例对本发明进行进一步说明。

如图1至图8所示，一种双足仿生跳跃机器人，包括主体机架1，在所述主体机架1的下方前后对称设置有两个一号电机2，所述一号电机2的输出轴与主体机架1固定连接，在两个所述一号电机2的壳体上均固定连接有电机支架3，在所述电机支架3内安装有二号电机4，在所述二号电机4的输出轴上安装有支撑腿，所述支撑腿包括与二号电机4输出轴固定连接的腿部支架5，在所述腿部支架5的上端和下端分别安装有三号电机6和四号电机7，在所述三号电机6的输出轴上固定连接有一号杆件8，在所述四号电机7的输出轴上固定连接有二号杆件9，所述一号杆件8的下端与板簧13的上端铰接，所述二号杆件9通过连接法兰11与三号杆件10的上部铰接，所述连接法兰11与二号杆件9转动连接，所述连接法兰11与三号杆件10固定连接，所述板簧13的下端与三号杆件10的上端固定连接，所述腿部支架5、一号杆件8、二号杆件9与三号杆件10之间构成平行四边形连杆结构，在所述三号杆件10的下端铰接有支撑足12，所述支撑足12为具有弹性的弧形件，在所述支撑足12的两端之间连接有拉力弹簧23，在所述支撑足12的两端均铰接有脚趾24，在所述脚趾24上开设有V型豁口25，以便于脚趾24的上端与支撑足12卡接，在所述V型豁口25的上壁设置有倾斜配合面26，以便于限制脚趾24的转动范围。

在所述二号杆件9上安装有储能模块，用于将支撑腿弯曲时产生的力在支撑腿伸展时释放，从而提高机器人跳跃时的爆发力，所述储能模块包括固定设置在二号杆件9上的支撑块14，在所述支撑块14上开设有通孔，在所述通孔内穿设有导向杆15，在所述导向杆15上套设有储能弹簧16，在所述导向杆15的上端固定设置有限位片17，所述储能弹簧16位于限位片17与支撑块14之间，在所述导向杆15的下端连接有线缆18，所述线缆18的下端绕过导向滑轮19与转盘20固定连接，所述导向滑轮19转动安装在二号杆件9上，所述转盘20固定安装在连接法兰11上。在所述导向杆15的上端铰接有两个一号连杆21，且两个所述一号连杆21关于导向杆15的轴线对称设置，在所述一号连杆21的下端铰接有二号连杆22，所述二号连杆22的下端与二号杆件9铰接，且两个所述二号连杆22关于导向杆15的轴线对称设置。

以上显示和描述了本发明的主要特征和优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种双足仿生跳跃机器人，其特征在于：包括主体机架（1），在所述主体机架（1）的下方前后对称设置有两个一号电机（2），所述一号电机（2）的输出轴与主体机架（1）固定连接，在两个所述一号电机（2）的壳体上均固定连接有电机支架（3），在所述电机支架（3）内安装有二号电机（4），在所述二号电机（4）的输出轴上安装有支撑腿，所述支撑腿包括与二号电机（4）输出轴固定连接的腿部支架（5），在所述腿部支架（5）的上端和下端分别安装有三号电机（6）和四号电机（7），在所述三号电机（6）的输出轴上固定连接有一号杆件（8），在所述四号电机（7）的输出轴上固定连接有二号杆件（9），所述一号杆件（8）的下端与三号杆件（10）的上端铰接，所述二号杆件（9）通过连接法兰（11）与三号杆件（10）的上部铰接，所述连接法兰（11）与二号杆件（9）转动连接，所述连接法兰（11）与三号杆件（10）固定连接，所述腿部支架（5）、一号杆件（8）、二号杆件（9）与三号杆件（10）之间构成平行四边形连杆结构，在所述三号杆件（10）的下端铰接有支撑足（12）。

2.根据权利要求1所述的一种双足仿生跳跃机器人，其特征在于：在所述一号杆件（8）与三号杆件（10）之间设置有板簧（13），所述板簧（13）与三号杆件（10）的上端固定连接，所述板簧（13）与一号杆件（8）的下端转动连接。

3.根据权利要求1所述的一种双足仿生跳跃机器人，其特征在于：在所述二号杆件（9）上安装有储能模块，用于将支撑腿弯曲时产生的力在支撑腿伸展时释放，从而提高机器人跳跃时的爆发力。

4.根据权利要求3所述的一种双足仿生跳跃机器人，其特征在于：所述储能模块包括固定设置在二号杆件（9）上的支撑块（14），在所述支撑块（14）上开设有通孔，在所述通孔内穿设有导向杆（15），在所述导向杆（15）上套设有储能弹簧（16），在所述导向杆（15）的上端固定设置有限位片（17），所述储能弹簧（16）位于限位片（17）与支撑块（14）之间，在所述导向杆（15）的下端连接有线缆（18），所述线缆（18）的下端绕过导向滑轮（19）与转盘（20）固定连接，所述导向滑轮（19）转动安装在二号杆件（9）上，所述转盘（20）固定安装在连接法兰（11）上。

5.根据权利要求4所述的一种双足仿生跳跃机器人，其特征在于：在所述导向杆（15）的上端铰接有两个一号连杆（21），且两个所述一号连杆（21）关于导向杆（15）的轴线对称设置，在所述一号连杆（21）的下端铰接有二号连杆（22），所述二号连杆（22）的下端与二号杆件（9）铰接，且两个所述二号连杆（22）关于导向杆（15）的轴线对称设置。

6.根据权利要求1所述的一种双足仿生跳跃机器人，其特征在于：所述支撑足（12）为具有弹性的弧形件。

7.根据权利要求6所述的一种双足仿生跳跃机器人，其特征在于：在所述支撑足（12）的两端之间连接有拉力弹簧（23）。

8.根据权利要求6所述的一种双足仿生跳跃机器人，其特征在于：在所述支撑足（12）的两端均铰接有脚趾（24），在所述脚趾（24）上开设有V型豁口（25），以便于脚趾（24）的上端与支撑足（12）卡接，在所述V型豁口（25）的上壁设置有倾斜配合面（26），以便于限制脚趾（24）的转动范围。