專利名稱：仿青蛙腿形跳躍機器人結(jié)構(gòu)的制作方法
專利說明本實用新型涉及一種機器人結(jié)構(gòu)，具體地說是一種仿青蛙腿形跳躍機器人結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著機器人技術(shù)的不斷發(fā)展，在面對惡劣的環(huán)境和復(fù)雜的地形時，運用機器人的 彈跳功能來增強其地形適應(yīng)和自主運動的能力，是近年來發(fā)展較快的一種機器人技術(shù)。具 有彈跳性能的機器人目前在國際尚處于研究階段，在國內(nèi)也僅有個別院校進行相關(guān)研究。 由于此類機器人研制難度很大，涉及的很多關(guān)鍵技術(shù)保密性很強，故公開資料很少。國際上，最早的彈跳機器人由Raibert于1980年在麻省理工學(xué)院機器人實驗室研 制成功，該機器人屬于連續(xù)性跳躍機構(gòu)，Raibert分析了單足跳躍機器人的起跳姿態(tài)控制以 及落地時的組空定位算法問題，目前已取得了一些理論研究成果，在實驗室中已實現(xiàn)自主 穩(wěn)定跳躍、越障等功能。在國內(nèi)，2003年初，南京航空航天大學(xué)朱劍英教授率先帶領(lǐng)其工作團隊進行跳躍 機器人的相關(guān)研究，并獲得了國家自然科學(xué)基金項目和國防科工委的立項資助，其主要對 國際上現(xiàn)已公布的跳躍機器人方案進行系統(tǒng)的研究，并根據(jù)部分理論做出了幾個跳躍機器 人的樣機。專利申請?zhí)枮?00810017793. 2名稱為“仿袋鼠腿型跳躍機器人結(jié)構(gòu)”的專利申 請，公開了一種仿袋鼠腿型跳躍機器人結(jié)構(gòu)，在機體上安裝負載，機體下側(cè)通過支撐架連接 機器人膝關(guān)節(jié)，機器人膝關(guān)節(jié)通過腿部軸與機器人小腿連接，小腿的下端為機器人踝關(guān)節(jié)， 腳掌與小腿在踝關(guān)節(jié)處通過腳掌軸連接，踝關(guān)節(jié)同時位于腳掌的1/3處，腳掌與腳趾通過 腳趾軸連接，腳趾軸位于腳掌前端，下置彈簧一端安裝與腳掌后端，一端安裝于小腿的2/5 處，上置彈簧一端安裝于小腿上端，一端安裝于機體的1/2處；動力機構(gòu)通過上耳環(huán)和下耳 環(huán)分別與小腿和腳掌連接。該方案存在以下缺點1、所設(shè)計腿部結(jié)構(gòu)中，只包括小腿和腳掌，沒有對大腿進行相關(guān)研究與設(shè)計，忽略 了腿部結(jié)構(gòu)的完整性，不符合仿生學(xué)原理。2、驅(qū)動元件安裝于腳掌和小腿前方，驅(qū)動元件的收縮/釋放運動與腿部的機械運 動在結(jié)構(gòu)上相互制約，不僅降低了機器人的彈跳能力，而且破壞了腿部的仿生結(jié)構(gòu)。3、整個腿部結(jié)構(gòu)在彈跳時的伸展幅度較小，限制了彈跳的高度與距離。4、腳部與地面的接觸面積較小，在起跳時不能獲得足夠大的靜磨擦力，在著陸時 不能保持機器人身體的穩(wěn)定。5、在跳躍過程的落地瞬間通過腳趾的關(guān)節(jié)來減震，不能良好地緩解剛性沖擊。
實用新型內(nèi)容為了解決彈跳機構(gòu)復(fù)雜、彈跳效率不高、落地穩(wěn)定性以及緩解著陸瞬間剛性沖擊 等問題，本實用新型提供了一種結(jié)構(gòu)簡單、仿生程度高、著陸穩(wěn)定好、彈跳效率高并且具有一定柔性的仿青蛙腿形跳躍機器人結(jié)構(gòu)。本實用新 型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是一種仿青蛙腿形跳躍機器人結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括一曲柄滑塊機構(gòu)，由導(dǎo)桿、滑塊、髖關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)、斜撐桿、中間關(guān)節(jié)和大腿組成，在導(dǎo) 桿上裝有拉力彈簧，拉力彈簧兩端分別與滑塊和髖關(guān)節(jié)相連，滑塊下方與關(guān)節(jié)螺栓固接， 關(guān)節(jié)與中間關(guān)節(jié)通過斜撐桿連接，中間關(guān)節(jié)周向固定于大腿中部；一腿部機構(gòu)總成，由大腿、大腿連桿、膝關(guān)節(jié)、小腿連桿、小腿和踝關(guān)節(jié)組成，大腿 上端和髖關(guān)節(jié)相連，下端與膝關(guān)節(jié)相連，小腿上端與膝關(guān)節(jié)相連，下端與踝關(guān)節(jié)相連，大腿 連桿兩端分別鉸接于中間關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)，小腿連桿兩端分別鉸接于膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)；一腳部機構(gòu)，包括一腳部，采用弧形結(jié)構(gòu)，上端與踝關(guān)節(jié)相連，下端底部粘貼有足 墊。作為本實用新型的優(yōu)選方案，所述機器人腿部結(jié)構(gòu)的拉力彈簧套于導(dǎo)桿上，可在 滑塊的作用下形變。其有益效果是擴大了動力元件的機械運動范圍，提高了動力元件的利 用率，同時解放了腿部機械結(jié)構(gòu)。作為本實用新型的優(yōu)選方案，所述機器人的導(dǎo)桿、滑塊、髖關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)、斜撐桿、中 間關(guān)節(jié)和大腿共同組成曲柄滑塊機構(gòu)。其有益效果是模擬了青蛙的腰部與腿部的連接關(guān) 系，提高了傳動效率，同時增加了機械結(jié)構(gòu)的仿生效果。作為本實用新型的優(yōu)選方案，所述機器人腿部采用連桿機構(gòu)，中間關(guān)節(jié)、大腿連 桿、膝關(guān)節(jié)和大腿共同組成四桿機構(gòu)。小腿連桿、膝關(guān)節(jié)、小腿和踝關(guān)節(jié)共同組成四桿機構(gòu)。 其有益效果是模擬了青蛙腿部的骨骼與肌肉結(jié)構(gòu)，增加了機械結(jié)構(gòu)的仿生效果、提高了機 械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。作為本實用新型的優(yōu)選方案，所述機器人腿部結(jié)構(gòu)中導(dǎo)桿、大腿、小腿以及腳部的 長度均相等。其有益效果是模擬了青蛙腿部骨骼間的長度比例關(guān)系，增加了機械結(jié)構(gòu)的仿 生效果。作為本實用新型的優(yōu)選方案，所述機器人腿部結(jié)構(gòu)的腳部采用弧形結(jié)構(gòu)，由彈性 材料制成。其有益效果是模擬青蛙腳部的骨骼結(jié)構(gòu)，提高了機械結(jié)構(gòu)的仿生效果，增加了 機械結(jié)構(gòu)的柔性，降低了機器人在著陸時受到了剛性沖擊。作為本實用新型的優(yōu)選方案，所述機器人腿部結(jié)構(gòu)的腳部14在底部裝有足墊15。 其有益效果是增加了腳掌與地面的摩擦系數(shù)，降低機器人在著陸時受到的剛性沖擊。本實用新型工作時，具體過程如下1、腿部收縮滑塊在外力的作用下沿導(dǎo)桿向遠離髖關(guān)節(jié)方向滑動，拉力彈簧在滑 塊帶動下產(chǎn)生形變，同時大腿在斜撐桿的牽引下以髖關(guān)節(jié)為圓心順時針擺動，髖關(guān)節(jié)的張 角逐漸減小。小腿在膝關(guān)節(jié)的作用下以膝關(guān)節(jié)為圓心逆時針擺動，膝關(guān)節(jié)在大腿連桿的牽 引下逆時針轉(zhuǎn)動，同時膝關(guān)節(jié)的張角逐漸減小。腳部在踝關(guān)節(jié)作用下以踝關(guān)節(jié)為圓心順時 針擺動，踝關(guān)節(jié)在小腿連桿的牽引下順時針轉(zhuǎn)動，同時踝關(guān)節(jié)的張角逐漸減小。當(dāng)滑塊運動 到最遠端時，腿部已完全收縮，完成起跳準(zhǔn)備動作。2、腿部伸展當(dāng)作用在滑塊上的外力消失時，拉力彈簧開始恢復(fù)形變，滑塊迅速向 髖關(guān)節(jié)方向滑動。大腿在斜撐桿與中間關(guān)節(jié)的牽引下以髖關(guān)節(jié)為圓心逆時針擺動，髖關(guān)節(jié) 的張角迅速增大。小腿在膝關(guān)節(jié)的作用下以膝關(guān)節(jié)為圓心順時針擺動，膝關(guān)節(jié)在大腿連桿的牽引下順時針轉(zhuǎn)動，同時膝關(guān)節(jié)的張角迅速增大。足部在踝關(guān)節(jié)作用下以踝關(guān)節(jié)為圓心 逆時針擺動，踝關(guān)節(jié)在小腿連桿的牽引下逆時針轉(zhuǎn)動，同時踝關(guān)節(jié)的張角迅速增大。當(dāng)滑塊 運動到與髖關(guān)節(jié)的最近距離時，腿部已完全釋放，完成跳躍動作。本實用新型的整體有益效果是一、將動力元件與腿部結(jié)構(gòu)分離，擴大了動力元件的機械運動范圍，同時解放了腿 部機械結(jié)構(gòu)。二、根據(jù)仿生設(shè)計原理，對青蛙 的骨骼結(jié)構(gòu)進行模擬，因此腿部在完全伸展條件 下的長度占總機體長度的3/4，其中腳部的有效行程是彈簧形變量的3. 5倍，大幅提高了驅(qū) 動元件的能量利用率和腿部利用率。三、對腿部結(jié)構(gòu)進行柔性設(shè)計，使機器人在著陸時受到的剛性沖擊大幅減小，提高 了機器人在著陸時的姿態(tài)穩(wěn)定性，并對機械結(jié)構(gòu)起到了良好的保護作用。綜上，本實用新型提高了機器人驅(qū)動元件的利用率，優(yōu)化了腿部機械結(jié)構(gòu)；提高了 機器人的仿生程度，增強了機器人的跳躍能力；提高了機器人機械機構(gòu)的柔性，增強了跳躍 過程的姿態(tài)穩(wěn)定性。

圖1為仿青蛙腿形跳躍機器人結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為仿青蛙腿形跳躍機器人結(jié)構(gòu)完全收縮圖；圖3為仿青蛙腿形跳躍機器人結(jié)構(gòu)完全伸展圖；圖4為仿青蛙腿形跳躍機器人結(jié)構(gòu)的腳掌結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1-導(dǎo)桿；2-滑塊；3-拉力彈簧；4-髖關(guān)節(jié)，5-關(guān)節(jié)；6_斜撐桿；7_中間關(guān)節(jié)； 8_大腿；9-大腿連桿；10-膝關(guān)節(jié)；11-小腿連桿；12-小腿；13-踝關(guān)節(jié)；14-腳部；15-足 墊；41、42、52、71、102、103、132-套筒；51、72、73、101、104、131、133-鉸鏈座。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和實施方式對本實用新型做進一步說明。裝置實施例參照圖1，本實用新型的一種仿青蛙腿形跳躍機器人結(jié)構(gòu)，包括一 曲柄滑塊機構(gòu)，由導(dǎo)桿1、滑塊2、髖關(guān)節(jié)4、關(guān)節(jié)5、斜撐桿6、中間關(guān)節(jié)7和大腿8組成，在 導(dǎo)桿上裝有拉力彈簧3，拉力彈簧3兩端分別與滑塊2和髖關(guān)節(jié)4相連，滑塊2下方與關(guān)節(jié) 5螺栓固接，關(guān)節(jié)5與中間關(guān)節(jié)7通過斜撐桿6連接，中間關(guān)節(jié)7周向固定于大腿8中部； 一腿部機構(gòu)總成，由大腿8、大腿連桿9、膝關(guān)節(jié)10、小腿連桿11、小腿12和踝關(guān)節(jié)13組成， 大腿8上端和髖關(guān)節(jié)4相連，下端與膝關(guān)節(jié)10相連，小腿12上端與膝關(guān)節(jié)10相連，下端與 踝關(guān)節(jié)13相連，大腿連桿9兩端分別鉸接于中間關(guān)節(jié)7和膝關(guān)節(jié)10，小腿連桿11兩端分 別鉸接于膝關(guān)節(jié)10和踝關(guān)節(jié)13 ；—腳部機構(gòu)，包括一腳部14，采用弧形結(jié)構(gòu)，上端與踝關(guān)節(jié) 13相連，下端底部粘貼有足墊15。其中，導(dǎo)桿1末端周向固定于套筒41，套筒42與套筒41 鉸接組成髖關(guān)節(jié)4。鉸鏈座51螺栓固接于滑塊2，同時與套筒52鉸接組成關(guān)節(jié)5。斜撐桿 6上端周向固定于套筒52，下端固定于套筒71，套筒71與鉸鏈座73鉸接組成中間關(guān)節(jié)7， 中間關(guān)節(jié)7周向固定于大腿8中部，大腿8上端周向固定于套筒42，下端周向固定于套筒 103，套筒103與套筒102鉸接組成膝關(guān)節(jié)10，其上部鉸鏈座101與中間關(guān)節(jié)7的鉸鏈座72通過連桿9鉸接。小腿12上端周向固定于套筒102，下端周向固定于套筒132，套筒132與 鉸鏈座133鉸接組成踝關(guān)節(jié)13，其上部鉸鏈座131與膝關(guān)節(jié)10的鉸鏈座104通過連桿11 鉸接。腳部14上端與鉸鏈座133下端鉚接，足墊15粘貼于腳部14底側(cè)，腳部14采用弧形 結(jié)構(gòu)，彈性材料制成。參照圖2，為仿青蛙腿形跳躍機器人結(jié)構(gòu)完全收縮姿態(tài)，機體豎直高度為480mm。 滑塊2在外力的作用下沿導(dǎo)桿1已運動至距離髖關(guān)節(jié)4最遠端，拉力彈簧3在滑塊2帶動 下已產(chǎn)生最大形變，髖關(guān)節(jié)4的張角為15°、膝關(guān)節(jié)10的張角為9°，踝關(guān)節(jié)13的張角為 75°。此時腳掌與地面完全接觸，機器人重心已降至最低，能量儲備工作已經(jīng)結(jié)束，蓄勢待 發(fā)。參照圖3，為仿青蛙腿形跳躍機器人結(jié)構(gòu)完全伸展姿態(tài)，機體豎直高度為1350mm。 滑塊2在拉力彈簧3的作用下沿導(dǎo)桿1已運動至距離髖關(guān)節(jié)4最近端，拉力彈簧3此時已 完全恢復(fù)形變，髖關(guān)節(jié)4的張角為95°、膝關(guān)節(jié)10的張角為134°、踝關(guān)節(jié)13的張角為 180°。此時腳掌已完全脫離地面，機器人重心已升至最高，能量釋放工作已經(jīng)結(jié)束，騰空而 起。參照圖4，為腳部結(jié)構(gòu)示意圖，在其中上部采用弧形結(jié)構(gòu)，增加了腿部的柔性，在腳 部底側(cè)粘貼有足墊，增大了腳掌與地面的靜摩擦力，同時還可減小機器人在著陸時腳部受 到的剛性沖擊。
權(quán)利要求一種仿青蛙腿形跳躍機器人結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括一曲柄滑塊機構(gòu)，由導(dǎo)桿(1)、滑塊(2)、髖關(guān)節(jié)(4)、關(guān)節(jié)(5)、斜撐桿(6)、中間關(guān)節(jié)(7)和大腿(8)組成，在導(dǎo)桿上裝有拉力彈簧(3)，拉力彈簧(3)兩端分別與滑塊(2)和髖關(guān)節(jié)(4)相連，滑塊(2)下方與關(guān)節(jié)(5)螺栓固接，關(guān)節(jié)(5)與中間關(guān)節(jié)(7)通過斜撐桿(6)連接，中間關(guān)節(jié)(7)周向固定于大腿(8)中部；一腿部機構(gòu)總成，由大腿(8)、大腿連桿(9)、膝關(guān)節(jié)(10)、小腿連桿(11)、小腿(12)和踝關(guān)節(jié)(13)組成，大腿(8)上端和髖關(guān)節(jié)(4)相連，下端與膝關(guān)節(jié)(10)相連，小腿(12)上端與膝關(guān)節(jié)(10)相連，下端與踝關(guān)節(jié)(13)相連，大腿連桿(9)兩端分別鉸接于中間關(guān)節(jié)(7)和膝關(guān)節(jié)(10)，小腿連桿(11)兩端分別鉸接于膝關(guān)節(jié)(10)和踝關(guān)節(jié)(13)；一腳部機構(gòu)，包括一腳部(14)，上端與踝關(guān)節(jié)(13)相連，下端底部粘貼有足墊(15)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿青蛙腿形跳躍機器人結(jié)構(gòu)，其特征在于所述拉力彈簧(3) 套于導(dǎo)桿(1)上，可在滑塊(2)的作用下形變。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿青蛙腿形跳躍機器人結(jié)構(gòu)，其特征在于所述中間關(guān)節(jié) (7)、大腿(8)、大腿連桿(9)和膝關(guān)節(jié)(10)組成四桿機構(gòu)；所述膝關(guān)節(jié)(10)、小腿連桿 (11)、小腿(12)、踝關(guān)節(jié)(13)組成四桿機構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿青蛙腿形跳躍機器人結(jié)構(gòu)，其特征在于所述導(dǎo)桿(1)、大 腿(8)、小腿(12)、腳部(14)的長度均相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的仿青蛙腿形跳躍機器人結(jié)構(gòu)，其特征在于所述腳部(14)由 彈性材料制成。
專利摘要本實用新型公開了一種仿青蛙腿形跳躍機器人結(jié)構(gòu)，在導(dǎo)桿上套有拉力彈簧，彈簧末端和髖關(guān)節(jié)相連，彈簧上端和滑塊相連，導(dǎo)桿、滑塊、斜撐桿、大腿和關(guān)節(jié)共同構(gòu)成曲柄滑塊結(jié)構(gòu)。腿部結(jié)構(gòu)由大腿、小腿、連桿和關(guān)節(jié)組成，在腿部結(jié)構(gòu)中含有兩個四桿機構(gòu)的組合。通過控制滑塊在導(dǎo)桿上的滑動，可以調(diào)節(jié)腿部機構(gòu)的伸展和收縮。機器人腳掌形狀呈弧形，在足底裝有足墊。本實用新型機械結(jié)構(gòu)模擬青蛙骨骼，優(yōu)化了腿部結(jié)構(gòu)，提高了動力元件的能量利用率，增加了機械結(jié)構(gòu)的柔性，提高了機器人的跳躍能力。
文檔編號B62D57/032GK201703452SQ20102012921
公開日2011年1月12日 申請日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者孫榮毅, 左國玉, 王冠, 阮曉鋼, 龔道雄 申請人:北京工業(yè)大學(xué)