CN117087787B - 一种基于液电效应产生动能的仿生青蛙 - Google Patents
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Abstract
本发明属于弹力装置技术领域，公开了一种基于液电效应产生动能的仿生青蛙，包括躯体、两个前腿、第一后腿和第二后腿，第一后腿和第二后腿均包括第一支腿、第二支腿、第三支腿和后脚掌，第二支腿与第三支腿之间设置有弹性支撑装置，第一支腿的中部铰接有内杆，内杆的下端安装有活塞，活塞滑动密封地设置在外杆内，内杆和外杆之间还连接有第一弹簧，外杆的下端铰接至第二支腿的中部，外杆与活塞和内杆之间形成冲击腔，冲击腔内安装有第一放电电极，第一放电电极连接的第一导线穿出外杆后连接至脉冲电源，第一导线上同时连接有触发开关，外杆上连接有与冲击腔连通的补液组件。本发明装置结构简单，可以有效地为仿生机器人提供弹力。
Description
技术领域
本发明涉及弹力装置技术领域，具体涉及一种基于液电效应产生动能的仿生青蛙。
背景技术
仿生机器人是仿生学与机器人领域应用需求结合的产物，根据仿生学原理，模仿生物的形态、结构、材料以及功能等性能优越的机电系统，它们往往是被用来专门针对特定任务而设计出来的。青蛙作为一种被人熟知的两栖动物，具有在陆地和水域生存的能力。青蛙在骨骼等机械层面有很多我们可以学习借鉴的地方，设计一种仿生青蛙机器，可以利用机器人弹跳功能来增强其地形适应和自主运动的能力。市面上的仿青蛙机器人大部分通过齿轮组等结构实现青蛙的跳跃动作，但是，此类机器人的结构较为复杂，从而使得机器人的自身重力更大，跳跃时所产生的动能难以很好地克服较大的重力，从而减弱机器人的弹跳能力。经检索，关于仿生青蛙机器人的专利已有公开，如，中国专利名称为：一种蛙式跳跃机器人(申请号：201010194799.4)的申请案，该申请案中采用电机作为动力元件，超越离合器与齿形带等装置作为传动机构，机器人腿部很好的模仿了青蛙后腿，但是其髋关节的弹簧需要拉伸很长距离才能释放，影响了起跳效率。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于液电效应产生动能的仿生青蛙，以解决上述技术问题。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于液电效应产生动能的仿生青蛙，包括躯体1、对称安装在所述躯体1后端两侧的第一后腿2和第二后腿3、对称安装在躯体1前端两侧的前腿33；所述前腿33的下端连接至前脚掌34；所述第一后腿2和第二后腿3均包括依次连接的第一支腿4、第二支腿5、第三支腿6和后脚掌7；所述第二支腿5与第三支腿6之间设置有弹性支撑装置8；第一支腿4的中部铰接有内杆9，内杆9下端安装有活塞10；所述活塞10滑动密封地设置在外杆11内，所述外杆11的下端铰接至第二支腿5的中部；内杆10和外杆11外部连接有第一弹簧12；所述外杆11与活塞10和内杆9之间形成冲击腔13；所述冲击腔13内安装有第一放电电极14和第二放电电极27，所述第一放电电极14和第二放电电极27分别通过第一导线15、第二导线28穿出外杆11后连接至脉冲电源16；所述第一导线15上同时连接有触发开关，所述外杆11上连接有与所述冲击腔13连通的补液组件。
所述触发开关包括支架18、第一舵机19、第一弧形空心杆20、第一接触片21、第二弧形空心杆22和第二接触片23；所述第一舵机19通过支架18固定安装在躯体1的底部，所述第一舵机19的输出轴连接至第一转轴17，所述第一支腿4的中部通过第一弧形空心杆20连接至第一接触片21，所述脉冲电源16的导线穿过第一弧形空心杆20后连接至第一接触片21，所述第二支腿5的中部通过第二弧形空心杆22连接至第二接触片23，所述第二导线28穿过第二弧形空心杆22后连接至第二接触片23，所述第一接触片21和第二接触片22对应。
所述第一支腿4的内侧开设有弧形槽24，所述第一弧形空心杆20滑动设置在所述弧形槽24内，所述第一弧形空心杆20深入第一支腿4内一端设置有限位板25，所述第一弧形空心杆20与第一支腿4之间还连接有第二弹簧26，第二弹簧26的两端分别与限位板25和第一支腿4连接。
所述补液组件包括补液管31以及连接所述补液管31的水泵，所述补液管31内安装有单向进液阀，所述补液管31的一端连接至冲击腔13，所述补液管31的另一端延伸至后脚掌7的上侧，所述补液管31的进液端设置有过滤头32。
所述第一支腿4的一端连接至躯体1，另一端朝躯体1的前侧下倾后铰接至第二支腿5的一端，所述第二支腿5的另一端朝躯体1的后侧下倾后铰接至第三支腿6的一端，所述第三支腿6的另一端朝躯体1的前侧下倾后铰接至后脚掌7。
所述第三支腿6的下端固定有销轴29，所述后脚掌7转动连接至所述销轴29，所述销轴29的外侧套设有复位扭簧30，所述复位扭簧30的两个连接端分别与后脚掌7和第三支腿6连接。
所述前腿33的下端连接至前脚掌34，所述前腿33的上端通过第二转轴35转动连接至躯体1，所述第二转轴35连接至第二舵机36的输出端，所述第二舵机36安装在躯体1的内侧。
所述第一支腿4的上端通过第三转轴37转动连接至躯体1，所述第三转轴37连接至第三舵机38的输出端，所述第三舵机38安装在躯体1的内侧。
所述躯体1的上侧呈前后弯曲的弧形结构。
本发明的有益效果在于：通过在第二支腿与第三支腿之间设置弹性支撑装置，当触发开关打开形成闭合回路后，脉冲电源为第一放电电极供电，此时高压大功率脉冲电流引发冲击腔内的液体间隙放电，使液体瞬时剧烈汽化、等离子化形成高速、高压强的冲击波，经外杆管体开口一端传递到活塞，让第一后腿和第二后腿以相互分离的方式移动，从而实现跳跃。
本发明通过采用液电效应产生动能，结构简单，可以有效地为仿生机器人提供弹力，在一个弹力的周期，只需要提供一瞬间的弹力，因此可以有效地利用能量和材料，具有成本较低、寿命较高等优点。相对于传统的电磁弹射来说，本发明装置无需复杂的励磁电路和时序控制，系统复杂度低、寿命长，使用维护更为方便。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图一；
图2为本发明装置的结构示意图二；
图3为第一后腿的结构示意图；
图4为第一弧形空心杆和第二弧形空心杆的剖视图；
图5为图4在A处的放大图；
图6为图4在B处的放大图；
图7为图1在C处的放大图。
图中：1-躯体、2-第一后腿、3-第二后腿、4-第一支腿、5-第二支腿、6-第三支腿、7-后脚掌、8-弹性支撑装置、9-内杆、10-活塞、11-外杆、12-第一弹簧、13-冲击腔、14-第一放电电极、15-第一导线、16-脉冲电源、17-第一转轴、18-支架、19-第一舵机、20-第一弧形空心杆、21-第一接触片、22-第二弧形空心杆、23-第二接触片、24-弧形槽、25-限位板、26-第二弹簧、27-第二放电电极、28-第二导线、29-销轴、30-复位扭簧、31-补液管、32-过滤头、33-前腿、34-前脚掌、35-第二转轴、36-第二舵机、37-第三转轴、38-第三舵机。
具体实施方式
如图1～7所示，本发明提出一种基于液电效应产生动能的仿生青蛙，包括躯体1、对称安装在躯体1后端两侧的第一后腿2和第二后腿3，躯体1内部空心，第一后腿2和第二后腿3用于对躯体1进行支撑且用于提供弹力。第一后腿2和第二后腿3的结构相同，以保持平衡。第一后腿2和第二后腿3均包括第一支腿4、第二支腿5、第三支腿6和后脚掌7，具体位置和连接关系为：从上到下，第一支腿4的一端连接至躯体1，可以采用固定连接的方式，也可以采用转动的连接方式，第一支腿4的另一端朝躯体1的前侧下倾后铰接至第二支腿5的一端，第二支腿5的另一端朝躯体1的后侧下倾后铰接至第三支腿6的一端，第三支腿6的另一端朝躯体1的前侧下倾后铰接至后脚掌7；后脚掌7平行于地面，三个支腿所在平面相互平行且转动的轴线也相互平行。为了方便示出躯体1的内部结构，本发明将躯体1面向第一后腿2一侧开口，可以理解，在需要时，可以将开口设置可以拆卸的挡板，便于后腿连接的同时可以用于对躯体1的内部结构进行密封。
在本发明中，第二支腿5与第三支腿6之间设置有弹性支撑装置8，弹性支撑装置8采用弧形的弹簧，在受到压缩或者拉伸时均可以提供弹性的恢复力。第一支腿4的中部铰接有内杆9，内杆9的下端安装有活塞10，活塞10滑动密封地设置在外杆11内，用于吸收冲击波的能量。内杆9和外杆11外部还连接有第一弹簧12，外杆11的下端铰接至第二支腿5的中部，外杆11与活塞10和内杆9之间形成冲击腔13，冲击腔13内安装有第一放电电极14，第一放电电极14连接的第一导线15穿出外杆11后连接至脉冲电源16，第一导线15上同时连接有触发开关，外杆11上连接有与冲击腔13连通的补液组件，用于对冲击腔13内补充液体，本发明的液电介质为水，可以方便补充，水源更为充足。本发明装置，通过外杆11限制作用，可以让活塞10朝着远离冲击腔13一侧的方向位移，可以对冲击力进行较好的利用，能量损失较小。
本发明提出的基于液电效应产生动能的仿生青蛙，通过在第二支腿5与第三支腿6之间设置弹性支撑装置8，当触发开关打开形成闭合回路后，脉冲电源16为第一放电电极14供电，此时高压大功率脉冲电流引发冲击腔13内的液体间隙放电，使液体瞬时剧烈汽化、等离子化形成高速、高压强的冲击波，经外杆11管体开口一端传递到活塞10，让第一后腿2和第二后腿3以相互分离的方式移动，从而实现跳跃。本发明装置可以用于模拟青蛙进行跳跃，经过实验，可以让一个1.5kg的青蛙向前跳跃3m，可以有效地对青蛙进行模拟，具有较大的市场空间。
本实施例中，第一支腿4的下端转动配合有第一转轴17，第一转轴17与第二支腿5的上端固定连接，当第一转轴17转动时，第二支腿5可以绕第一转轴17的轴线转动。具体的，本发明触发开关包括支架18、第一舵机19、第一弧形空心杆20、第一接触片21、第二弧形空心杆22和第二接触片23，第一舵机19通过支架18固定安装在躯体1的底部，第一舵机19的输出轴连接至第一转轴17，因此可以控制第一转轴17转动，以控制与其连接的第二支腿5旋转。第一支腿4的中部通过第一弧形空心杆20连接至第一接触片21，脉冲电源16的导线穿过第一弧形空心杆20后连接至第一接触片21，第二支腿5的中部通过第二弧形空心杆22连接至第二接触片23，第一导线15穿过第二弧形空心杆22后连接至第二接触片23，第一接触片21和第二接触片23对应。具体的触发过程为，第一舵机19带动第二支腿5朝着第一支腿4所在一侧旋转，直至第一接触片21和第二接触片23接触，从而将电源接通，此时通过控制器控制第一舵机19空载，脉冲电源16为第一放电电极14提供高压大功率脉冲电流，从而进行上述的冲击动作。本发明装置，通过第一舵机19控制接触片的触发，可以控制装置的弹跳周期，使用更为方便。
本实施例中，第一支腿4的内侧开设有弧形槽24，第一弧形空心杆20滑动设置在弧形槽24内，第一弧形空心杆20深入第一支腿4内一端设置有限位板25，第一弧形空心杆20与第一支腿4之间还连接有第二弹簧26，第二弹簧26的两端分别与限位板25和第一支腿4连接。本发明弧形槽24可以用于对第一弧形空心杆20进行限位，使得第一弧形空心杆20可以向后具有一定的让步和缓冲的空间，在第二弹簧26的支撑作用下，通过第一接触片21和第二接触片23的接触具有柔性，不仅减轻第一接触片21和第二接触片23接触时的冲击，起到保护的作用，也能减少回路不能被连通的发生概率。
本实施例中，第一放电电极14位于冲击腔13的底部，冲击腔13的中部安装有第二放电电极27，第二放电电极27连接的第二导线28穿出外杆11后连接至脉冲电源16，第二导线28同时穿过第二弧形空心杆22后连接至第二接触片23。第二导线28和第一导线15均连接有控制器，其中，第二导线28的连通是通过控制器进行控制的，例如通断控制器等。第一后腿2和第二后腿3内均包括第二放电电极27。当第一后腿2内的第二导线28连通时，第二后腿3的第二导线28断开，此时第一后腿2对应的第二放电电极27可以随着第一放电电极14一起放电，可以产生比第二后腿3更大的冲击力，由于左右冲击力的不平衡，可以让仿生机器人具有一定的转向作用，使其超前跳跃的同时，可以朝向第二后腿3所在一侧偏转，可以起到转向的作用。反之类似，本领域技术人员应当可以理解。
本实施例中，第三支腿6的下端固定有销轴29，后脚掌7转动连接至销轴29，销轴29的外侧套设有复位扭簧30，复位扭簧30的两个连接端分别与后脚掌7和第三支腿6连接，通过设置复位扭簧30，可以保证后脚掌7与第三支腿6之间具有一定的弹性支撑力，在弹跳时，可以让后脚掌7更好地受力，可以将力更好地回弹到躯体1，跳跃更高。
本实施例中，补液组件包括补液管31以及连接补液管31的水泵，补液管31内安装有单向进液阀，补液管31的一端连接至冲击腔13，补液管31的另一端延伸至后脚掌7的上侧，补液管31的进液端设置有过滤头32。该种方式适用于具有一定水深的环境当中，仿生机器人可以就地去水，将深埋在后脚掌7上侧的水进行利用，避免因为躯体1载水带来的重量超标等问题，可以提高装置的续航。在其他一些实施例中，躯体1中可以装载水箱，可以为补液管31补水。
本实施例中，躯体1的前端两侧对称安装有前腿33，前腿33的下端连接至前脚掌34，前腿33的上端通过第二转轴35转动连接至躯体1，第二转轴35连接至第二舵机36的输出端，第二舵机36安装在躯体1的内侧。本发明设置前腿33，可以通过第二舵机36控制前腿33的支撑角度，调整躯体1的跳跃仰角。例如，当前腿33与地面呈90°支撑时，此时青蛙的仰角最大，可以跳最高，但是向前跳跃的距离最短。
本实施例中，第一支腿4的上端通过第三转轴37转动连接至躯体1，第三转轴37连接至第三舵机38的输出端，第三舵机38安装在躯体1的内侧，可以在初期调节第一支腿4的角度，根据需要进行选择即可。躯体1的上侧呈前后弯曲的弧形结构，当躯体1翻转后，可以顺势滚动，直至躯体1位置得到修正，可以减少对装置位置的调整和修正。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (9)
1.一种基于液电效应产生动能的仿生青蛙，其特征在于，该基于液电效应产生动能的仿生青蛙包括躯体(1)、对称安装在所述躯体(1)后端两侧的第一后腿(2)和第二后腿(3)、对称安装在躯体(1)前端两侧的前腿(33)；所述前腿(33)的下端连接至前脚掌(34)；所述第一后腿(2)和第二后腿(3)均包括依次连接的第一支腿(4)、第二支腿(5)、第三支腿(6)和后脚掌(7)；所述第二支腿(5)与第三支腿(6)之间设置有弹性支撑装置(8)；第一支腿(4)的中部铰接有内杆(9)，内杆(9)下端安装有活塞(10)；所述活塞(10)滑动密封地设置在外杆(11)内，所述外杆(11)的下端铰接至第二支腿(5)的中部；内杆(9)和外杆(11)外部连接有第一弹簧(12)；所述外杆(11)与活塞(10)和内杆(9)之间形成冲击腔(13)；所述冲击腔(13)内安装有第一放电电极(14)和第二放电电极(27)，所述第一放电电极(14)和第二放电电极(27)分别通过第一导线(15)、第二导线(28)穿出外杆(11)后连接至脉冲电源(16)；所述第一导线(15)上同时连接有触发开关，所述外杆(11)上连接有与所述冲击腔(13)连通的补液组件。
2.根据权利要求1所述的基于液电效应产生动能的仿生青蛙，其特征在于，所述触发开关包括支架(18)、第一舵机(19)、第一弧形空心杆(20)、第一接触片(21)、第二弧形空心杆(22)和第二接触片(23)；所述第一舵机(19)通过支架(18)固定安装在躯体(1)的底部，所述第一舵机(19)的输出轴连接至第一转轴(17)，第一支腿(4)的下端转动配合有第一转轴(17)，第一转轴(17)与第二支腿(5)的上端固定连接，当第一转轴(17)转动时，第二支腿(5)绕第一转轴(17)的轴线转动；所述第一支腿(4)的中部通过第一弧形空心杆(20)连接至第一接触片(21)，所述脉冲电源(16)的导线穿过第一弧形空心杆(20)后连接至第一接触片(21)，所述第二支腿(5)的中部通过第二弧形空心杆(22)连接至第二接触片(23)，所述第二导线(28)穿过第二弧形空心杆(22)后连接至第二接触片(23)，所述第一接触片(21)和第二接触片(23)对应。
3.根据权利要求2所述的基于液电效应产生动能的仿生青蛙，其特征在于，所述第一支腿(4)的内侧开设有弧形槽(24)，所述第一弧形空心杆(20)滑动设置在所述弧形槽(24)内，所述第一弧形空心杆(20)深入第一支腿(4)内一端设置有限位板(25)，所述第一弧形空心杆(20)与第一支腿(4)之间还套接有第二弹簧(26)，第二弹簧(26)的两端分别与限位板(25)和第一支腿(4)连接。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于液电效应产生动能的仿生青蛙，其特征在于，所述补液组件包括补液管(31)以及连接所述补液管(31)的水泵，所述补液管(31)内安装有单向进液阀，所述补液管(31)的一端连接至冲击腔(13)，所述补液管(31)的另一端延伸至后脚掌(7)的上侧，所述补液管(31)的进液端设置有过滤头(32)。
5.根据权利要求4所述的基于液电效应产生动能的仿生青蛙，其特征在于，所述第一支腿(4)的一端连接至躯体(1)，另一端朝躯体(1)的前侧下倾后铰接至第二支腿(5)的一端，所述第二支腿(5)的另一端朝躯体(1)的后侧下倾后铰接至第三支腿(6)的一端，所述第三支腿(6)的另一端朝躯体(1)的前侧下倾后铰接至后脚掌(7)。
6.根据权利要求5所述的一种基于液电效应产生动能的仿生青蛙，其特征在于，所述第三支腿(6)的下端固定有销轴(29)，所述后脚掌(7)转动连接至所述销轴(29)，所述销轴(29)的外侧套设有复位扭簧(30)，所述复位扭簧(30)的两个连接端分别与后脚掌(7)和第三支腿(6)连接。
7.根据权利要求6所述的一种基于液电效应产生动能的仿生青蛙，其特征在于，所述前腿(33)的上端通过第二转轴(35)转动连接至躯体(1)，所述第二转轴(35)连接至第二舵机(36)的输出端，所述第二舵机(36)安装在躯体(1)的内侧。
8.根据权利要求7所述的一种基于液电效应产生动能的仿生青蛙，其特征在于，所述第一支腿(4)的上端通过第三转轴(37)转动连接至躯体(1)，所述第三转轴(37)连接至第三舵机(38)的输出端，所述第三舵机(38)安装在躯体(1)的内侧。
9.根据权利要求8所述的一种基于液电效应产生动能的仿生青蛙，其特征在于，
所述躯体(1)的上侧呈前后弯曲的弧形结构。
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| JP2006051559A (ja) * | 2004-08-10 | 2006-02-23 | Riyuukoku Univ | 脚モジュールおよびそれを用いた脚型ロボット |
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| CN112109817A (zh) * | 2020-08-07 | 2020-12-22 | 哈尔滨工业大学 | 步足式机器人用多自由度集成高功率密度液压运动关节 |
| CN112590961A (zh) * | 2020-12-24 | 2021-04-02 | 上海大学 | 一种采用气动串联弹性关节的仿生跳跃腿 |
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- 2023-09-27 CN CN202311259088.4A patent/CN117087787B/zh active Active
Patent Citations (8)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于燃爆驱动的仿蛙软体跳跃机器人设计及实验研究;高峰;中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑;20220315(第3期);全文 * |
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