一種多功能仿生彈跳及行走機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種仿生機(jī)器人，具體涉及一種可實(shí)現(xiàn)多種彈 跳軌跡，具有原地轉(zhuǎn)向和行走功能的仿生機(jī)器人，主要用于在復(fù)雜環(huán)境或外太空?qǐng)?zhí)行偵察、 探測(cè)、攻擊和干擾等行動(dòng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 彈跳是自然界中一種很常見的運(yùn)動(dòng)方式，像青蛙、袋鼠和螳螂等，相比于行走，彈 跳具有活動(dòng)范圍廣、移動(dòng)效率高、爆發(fā)力強(qiáng)等特點(diǎn)。彈跳機(jī)器人作為一種移動(dòng)平臺(tái)，靈活性 好，不僅可以適應(yīng)崎嶇不平的地形，遇到障礙或溝壑時(shí)能夠輕松越過，尤其是在外太空低重 力環(huán)境下，其空間移動(dòng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輪式或足式機(jī)器人。
[0003] 國(guó)外，NASA歷時(shí)五年，先后研制了三代彈跳式機(jī)器人，第三代為輪式彈跳機(jī)器人， 結(jié)構(gòu)上保留了第二代中的六桿齒輪彈跳機(jī)構(gòu)，通過鋼繩纏繞滾輪的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)彈簧的伸 縮。Stoeter等人研制的一種小型彈跳機(jī)器人Scout，采用單絞繩拉動(dòng)蝶形彈簧片的方式儲(chǔ) 能，釋放彈性腿實(shí)現(xiàn)跳躍?？突仿〈髮W(xué)的Garth Zeglin博士提出并研制了一種三維Bow Leg機(jī)器人，能夠在三維空間做彈跳步伐式的移動(dòng)，原理是電機(jī)通過滑輪裝置拉緊和瞬間釋 放繩索，使弓形彈性腿繃緊和瞬間伸張，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)彈跳運(yùn)動(dòng)。Raibert教授等人研制了 髖關(guān)節(jié)具有兩個(gè)自由度的3D Biped三維跳躍機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)跑、跳、甚至空翻轉(zhuǎn)等動(dòng)作， 具有很好的平衡性和穩(wěn)定性。日本東京大學(xué)Niiyama等人研制了一種新穎的雙足彈跳機(jī)器 人Mowgli，在髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)處各有一個(gè)自由度，采用氣動(dòng)人工肌肉驅(qū)動(dòng)，能夠完 成和真實(shí)青蛙幾乎一樣的跳躍動(dòng)作。國(guó)內(nèi)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制了一種仿青蛙彈跳機(jī)器人， 后肢采用五桿齒輪彈跳機(jī)構(gòu)，前肢有兩個(gè)自由度，能夠調(diào)整起跳角度和彈跳高度，彈跳后能 自動(dòng)復(fù)位。哈爾濱工業(yè)大學(xué)根據(jù)蝗蟲起跳的運(yùn)動(dòng)機(jī)理設(shè)計(jì)了兩套分別基于電機(jī)和電磁鐵驅(qū) 動(dòng)的四足彈跳機(jī)器人樣機(jī)。上海交通大學(xué)提出了僅有三個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)構(gòu)成的翻轉(zhuǎn)跳躍單腿機(jī) 器人。然而，上述機(jī)器人都只能實(shí)現(xiàn)單一的彈跳軌跡和彈跳動(dòng)作，目前只能在很平坦的地形 上運(yùn)動(dòng)，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能適應(yīng)自然界中復(fù)雜的地形環(huán)境。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多功能仿生彈跳及行走機(jī)器人， 除了具有一般彈跳機(jī)器人的起跳角度調(diào)整、彈跳高度調(diào)整、連續(xù)彈跳和自動(dòng)復(fù)位的基本功 能外，還能實(shí)現(xiàn)仿青蛙彈跳、仿袋鼠彈跳兩種彈跳軌跡，并具有原地轉(zhuǎn)向和行走的功能，以 適應(yīng)更加復(fù)雜的環(huán)境。
[0005] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是： 本發(fā)明包括機(jī)器人軀干、保護(hù)蓋、前肢仿生機(jī)構(gòu)、彈簧鎖解機(jī)構(gòu)和后肢彈跳機(jī)構(gòu)。所述 的保護(hù)蓋與機(jī)器人軀干固定；兩個(gè)前肢仿生機(jī)構(gòu)對(duì)稱設(shè)置在機(jī)器人軀干前部；兩個(gè)后肢彈 跳機(jī)構(gòu)對(duì)稱設(shè)置在機(jī)器人軀干后部，且分別通過一個(gè)彈簧鎖解機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)。
[0006] 所述的后肢彈跳機(jī)構(gòu)包括齒輪箱殼體、齒輪箱上蓋、齒輪箱下蓋、髖關(guān)節(jié)電機(jī)、曲 柄一、連桿一、同步齒輪、大腿桿、小腿桿一、小腿桿二、拉簧一、拉簧二、輸出軸、滾筒和鋼 繩；所述齒輪箱殼體的兩端分別與齒輪箱上蓋和齒輪箱下蓋固定；齒輪箱殼體通過軸承支 承在機(jī)器人軀干上，形成髖關(guān)節(jié)；所述髖關(guān)節(jié)電機(jī)的底座固定在機(jī)器人軀干上，曲柄一固定 在髖關(guān)節(jié)電機(jī)的輸出軸上，連桿一的兩端分別鉸接于曲柄一的一端和齒輪箱上蓋的邊緣； 兩根齒輪軸對(duì)稱鉸接于齒輪箱上蓋上，固定在兩根齒輪軸上的兩個(gè)同步齒輪相嚙合；兩個(gè) 同步齒輪均固連有大腿桿，所述小腿桿一的一端與前部的大腿桿通過銷軸連接，形成膝關(guān) 節(jié)一；小腿桿一的另一端與小腿桿二的中部用銷軸連接，形成踝關(guān)節(jié)；所述小腿桿二的兩 端分別與后部的大腿桿和腳掌板用銷軸連接，形成膝關(guān)節(jié)二和跗跖關(guān)節(jié)；所述拉簧一的兩 端分別固定在膝關(guān)節(jié)一和膝關(guān)節(jié)二處的銷軸上；拉簧二的一端固定在踝關(guān)節(jié)處的銷軸上， 另一端固定在跗跖關(guān)節(jié)處的銷軸上；所述的輸出軸鉸接在齒輪箱上蓋上，滾筒與輸出軸固 連；所述鋼繩的一端纏繞在滾筒上，另一端固連在踝關(guān)節(jié)處的銷軸上。
[0007] 所述的前肢仿生機(jī)構(gòu)包括肩關(guān)節(jié)電機(jī)、直齒輪一、肩關(guān)節(jié)軸、前肢大臂、肘關(guān)節(jié)軸、 直齒輪二、肘關(guān)節(jié)電機(jī)、錐齒輪二、錐齒輪一、前肢小臂和前肢腳趾；所述肩關(guān)節(jié)電機(jī)的底座 固定在機(jī)器人軀干上，直齒輪一與肩關(guān)節(jié)電機(jī)的輸出軸固連；所述的肩關(guān)節(jié)軸通過軸承支 承在機(jī)器人軀干上；所述前肢大臂的頂端固定在肩關(guān)節(jié)軸上，底端通過軸承支承有肘關(guān)節(jié) 軸；直齒輪二固連在肩關(guān)節(jié)軸上，并與直齒輪一嚙合；所述肘關(guān)節(jié)電機(jī)的底座固定在前肢 大臂的底部，錐齒輪一固連在肘關(guān)節(jié)電機(jī)的輸出軸上；錐齒輪二固連在肘關(guān)節(jié)軸上，并與錐 齒輪一嚙合；所述前肢小臂的頂端與肘關(guān)節(jié)軸固定；所述前肢腳趾的頂部與前肢小臂底部 的沉頭孔通過滑動(dòng)副連接；緩沖彈簧的一端套在前肢腳趾的頂部，另一端壓緊前肢小臂的 沉頭孔孔底。
[0008] 所述的彈簧鎖解機(jī)構(gòu)包括主電機(jī)、直齒輪三、輸入軸、直齒輪四、棘爪、離合器動(dòng) 塊、離合器定塊、撥叉驅(qū)動(dòng)電機(jī)、曲柄二、連桿二和撥叉；所述主電機(jī)的底座固定在齒輪箱下 蓋上，直齒輪三與主電機(jī)的輸出軸固連；所述的輸入軸通過軸承支承在齒輪箱下蓋上，直齒 輪四、棘輪和離合器定塊均固定在輸入軸上；直齒輪四與直齒輪三嚙合；棘爪軸通過軸承 支承在齒輪箱下蓋上；所述的棘爪固定在棘爪軸上，并與棘爪軸嚙合；棘爪復(fù)位彈簧的一 端與棘爪固定，另一端與齒輪箱下蓋固定；所述的離合器動(dòng)塊與后肢彈跳機(jī)構(gòu)的輸出軸通 過花鍵連接，并與離合器定塊嵌合；離合器復(fù)位彈簧套在輸出軸上，且設(shè)置在離合器動(dòng)塊和 齒輪箱上蓋之間；電機(jī)支撐架的兩端分別固定在齒輪箱上蓋和齒輪箱下蓋上，所述撥叉驅(qū) 動(dòng)電機(jī)的底座固定在電機(jī)支撐架上，曲柄二固連在撥叉驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出軸上；所述連桿二 的兩端分別鉸接于曲柄二和撥叉的端部上；撥叉的中部與電機(jī)支撐架的支承軸鉸接，撥叉 的U型叉嵌入離合器動(dòng)塊的環(huán)形槽內(nèi)。
[0009] 所述的直齒輪二與直齒輪一的齒數(shù)比為2 :1 ;所述錐齒輪二與錐齒輪一的旋轉(zhuǎn)中 心軸交角為90° ,齒數(shù)比為1 :1 ;所述的直齒輪四與直齒輪三的齒數(shù)比為2 :1。
[0010] 所述前肢小臂底部的沉頭孔兩側(cè)均開設(shè)有槽長(zhǎng)沿前肢小臂臂長(zhǎng)方向設(shè)置的滑槽； 所述前肢腳趾的頂部與沉頭孔間隙配合；限位銷穿過沉頭孔兩側(cè)的滑槽，并與前肢腳趾頂 部的限位銷插孔過盈配合。
[0011] 本發(fā)明的有益效果是： 本發(fā)明具有多種移動(dòng)功能，能夠行走、仿青蛙彈跳、仿袋鼠彈跳和原地轉(zhuǎn)向；通用性強(qiáng)、 可編程性好，通過控制各關(guān)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡；安裝一些外設(shè)輔助設(shè) 備后，便可在復(fù)雜環(huán)境或外太空?qǐng)?zhí)行偵察、探測(cè)、攻擊和干擾等行動(dòng)。
【附圖說明】
[0012] 圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)立體圖； 圖2是本發(fā)明去除保護(hù)蓋后的結(jié)構(gòu)立體圖； 圖3是本發(fā)明中后肢彈跳機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)立體圖； 圖4是本發(fā)明中前肢仿生機(jī)構(gòu)的一個(gè)側(cè)視立體圖； 圖5是本發(fā)明中前肢仿生機(jī)構(gòu)的另一個(gè)側(cè)視立體圖； 圖6是本發(fā)明中前肢仿生機(jī)構(gòu)的剖視圖； 圖7是本發(fā)明中彈簧鎖解機(jī)構(gòu)與齒輪箱上蓋及齒輪箱下蓋的裝配立體圖； 圖8是本發(fā)明中彈簧鎖解機(jī)構(gòu)與齒輪箱上蓋的裝配立體圖； 圖9是本發(fā)明中彈簧鎖解機(jī)構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)立體圖； 圖10是本發(fā)明中彈簧鎖解機(jī)構(gòu)與后肢彈跳機(jī)構(gòu)的裝配立體圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但本發(fā)明并不局限于以下實(shí)施 例。
[0014] 如圖1和2所示，一種多功能仿生彈