CN103569235A - 五关节仿蛙跳跃机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种五关节仿蛙跳跃机器人，由躯干机构、前肢机构和后肢机构组成。躯干机构包括两个驱动电机、左右侧身体侧板、加固支撑轴、身体后肢挂弹簧轴、电机保护板、两个身体固定板、两个同步带传动机构。前肢机构包括前肢大腿机构、前肢小腿机构和脚掌机构。前肢大腿机构包括左右前肢大腿、肩关节轴和前肢大腿固定板，前肢小腿机构包括左右前肢小腿、弹簧安装板、复位弹簧、小腿驱动绳、肘关节轴、小腿加固支撑轴和前肢小腿固定板，脚掌机构包括脚掌、脚掌复位弹簧、脚掌转轴。后肢机构包括后肢大腿机构、后肢小腿机构和脚掌机构。本发明提高了机器人的仿生程度，增强了机器人的跳跃能力，提高了机器人机械机构的柔性及起跳和缓冲效果。

Description

五关节仿蛙跳跃机器人

技术领域

本发明涉及的是一种跳跃机器人，尤其是涉及一种五关节仿蛙跳跃机器人。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，在面对恶劣的环境和复杂的地形时，运动机器人弹跳功能来增强其地形适应和自主运动的能力，是近年来发展较快的一种机器人技术。相比轮式或履带式机器人，跳跃机器人具有突出的越障能力，其运动的爆发性及突然性对于机器人躲避危险是非常有利的。更重要的是跳跃的运动方式具有低能耗特点。此外，研究跳跃机器人有助于对生物奔跑、跳跃运动机理的深入研究了解，对改善目前步行或爬行等迟缓运动方式有很好的启发意义。

目前，国内外对跳跃机器人已经做了大量的研究。在国外，最早的跳跃机器人是1987年麻省理工大学的M.H.Raibert教授研制的单腿弹跳机器人，该机器人做类似于带弹簧的倒立摆的平面运动。在国内，上海交通大学的杨煌普提出了一种单腿跳跃机器人的机构，该机器人与之前采用弹簧的机器人的结构有所不同，它只由旋转关节组成，可实现周期性的翻转跳跃。近年哈尔滨工业大学也开展了相关的项目研究，对青蛙进行生物体结构分析及跳跃运动特征采集，研制了仿蛙跳跃机器人样机。

同时，在中国专利局发布的专利中也有一些仿蛙跳跃机器人，但大部分仿生度不高。仿青蛙跳跃机器人（专利申请号：201210279364.9）通过对前后肢的合理设置，提高了驱动元件的利用率，优化了腿部结构，跳跃性能也不错，但是其后腿对青蛙的仿生程度不高，忽略了腿部结构的完整性，不符合仿生学原理。一种蛙式跳跃机器人（专利申请号：201010194799.4），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，滑块通过传动装置在电机的驱动下可以在导轨上运动，机器人双腿则在滑块的驱动下进行伸展与收缩从而完成跳跃动作。机器人腿部很好的模仿了青蛙后腿，其脚部也加装了弹性元件，但是其起跳后只用脚步弹性元件和髋关节的弹簧来缓冲，缓冲效果不太好，而且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。除此之外，仿生蝗虫跳跃机器人（专利申请号：200710072236.6）其腿部结构和黄昔光的仿青蛙跳跃机器人的后腿机构原理一样。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够形象地模拟青蛙的骨骼结构，在跳跃过程中能够获得较大的爆发力，着陆稳定的五关节仿蛙跳跃机器人。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的五关节仿蛙跳跃机器人主要由躯干机构、前肢机构和后肢机构组成；

所述躯干机构包括两个驱动电机、左右侧身体侧板、加固支撑轴、身体后肢挂弹簧轴、电机保护板、第一身体固定板、第二身体固定板、两个同步带传动机构，所述两个同步带传动机构与两个驱动电机连接，两个驱动电机分别通过电机保护板和第一身体固定板与左右侧身体侧板固定，躯干的两端通过轴承与腿部关节轴相连；

所述前肢机构主要包括前肢大腿机构、前肢小腿机构和脚掌机构；所述前肢大腿机构包括左右前肢大腿、肩关节轴和前肢大腿固定板，肩关节轴与左右前肢大腿固定；所述前肢小腿机构包括左右前肢小腿、弹簧安装板、复位弹簧、小腿驱动绳、肘关节轴、小腿加固支撑轴和前肢小腿固定板，所述复位弹簧安装在弹簧安装板和前肢大腿固定板上，小腿驱动绳一端安装在右或左前肢小腿上，小腿驱动绳另一端安装在所述同步带传动机构的同步带轮上，肘关节轴与左右前肢小腿固定；所述脚掌机构包括脚掌、脚掌复位弹簧、脚掌转轴，脚掌通过脚掌转轴安装在左右前肢小腿上，脚掌复位弹簧安装在脚掌和左右前肢小腿上；

所述后肢机构主要包括后肢大腿机构、后肢小腿机构和脚掌机构；所述后肢大腿机构包括左右后肢大腿、踝关节轴、大腿复位弹簧和后肢大腿固定板，所述踝关节轴与左右后肢大腿固定，后肢大腿固定板与左右后肢大腿固定，复位弹簧一端安装在后肢大腿固定板上、另一端安装在后肢挂弹簧轴上；所述后肢小腿机构包括左右后肢小腿、小腿弯曲驱动绳、膝关节轴、小腿前端定滑轮固定板和小腿复位弹簧，所述膝关节轴与左右后肢小腿固定，小腿前端定滑轮固定板与左右后肢小腿固定，小腿弯曲驱动绳一端安装在身体挂弹簧轴上、一端安装在左或右后肢小腿，小腿复位弹簧一端安装在小腿前端定滑轮固定板上、一端安装在后肢大腿固定板上。

本发明还可以包括：

1、所述后肢小腿机构还包括后肢小腿伸缩机构，所述后肢小腿伸缩机构包括固定管、伸缩管、导向块、滑动导向板、后肢小腿固定板和伸缩弹簧，所述固定管分别固定在所述左、右侧后肢小腿上，所述导向块、滑动导向板通过自身的孔套在所述固定管上、并固定在所述两个伸缩管上，所述后肢小腿固定板安装在所述左、右侧后肢小腿之间，所述伸缩弹簧一端安装在后肢小腿固定板上、另一端安装在所述滑动导向板上，所述小腿伸缩机构还包括导向滑轮、滑轮支撑板和伸缩驱动绳，所述滑轮支撑板固定在小腿前端定滑轮固定板上，导向滑轮安装在滑轮支撑板之间，伸缩驱动绳两端分别固定在后肢大腿固定板和滑动导向板上且通过所述导向滑轮。

2、所述脚掌机构包括脚掌、脚掌复位弹簧、脚掌转轴、限位销，所述脚掌通过脚掌转轴安装在伸缩管上，所述脚掌复位弹簧一端安装在所述脚掌上、另一端安装在所述伸缩管上，所述限位销固定在脚掌上。

本发明的现实意义和优点在于：

本发明公开的五关节仿蛙跳跃机器人，由于对前后肢的驱动机构和执行机构进行了合理的布置，提高了机器人驱动元件的利用率，优化了机器人腿部结构，提高了机器人的仿生程度，增强了机器人的跳跃能力，提高了机器人机械机构的柔性及起跳和缓冲效果。

附图说明

图1为五关节仿蛙跳跃机器人总装结构示意图；

图2为五关节仿蛙跳跃机器人躯干俯视图；

图3为五关节仿蛙跳跃机器人前肢结构示意图；

图4为五关节仿蛙跳跃机器人后肢结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明：

结合图1，该机器人主要由躯干机构Ⅰ、前肢机构Ⅱ和后肢机构Ⅲ三部分组成。机器人的跳跃过程主要靠前后肢的协调运动来实现。躯干机构分别通过肩关节轴9和踝关节轴1与前肢机构Ⅱ、后肢机构Ⅲ连接。

结合图2，躯干机构主要包括：两个驱动电机，左右侧身体侧板A16和B2，一个加固支撑轴10，一个身体后肢挂弹簧轴17，一个电机保护板12，一个身体固定板A3和一个身体固定板B11，两个同步带传动机构，同步带传动机构通过平键与驱动电机连接，其上有张紧装置螺栓轴承。两个驱动电机分别通过电机保护板12和身体固定板A3与左右侧身体侧板A16和B2固定，躯干的两端通过轴承与腿部关节轴相连。

结合图3，前肢机构主要包括：前肢大腿机构、前肢小腿机构和脚掌机构。所述前肢大腿机构包括左右前肢大腿A18和B29，肩关节轴9和前肢大腿固定板20。肩关节轴9通过螺栓与左右前肢大腿A18和B29固定。所述小腿部分包括左右前肢小腿A22和B27，弹簧安装板21，复位弹簧30，小腿驱动绳19，肘关节轴28，小腿加固支撑轴23和前肢小腿固定板26。所述复位弹簧30安装在弹簧安装板21和前肢大腿固定板20上，小腿驱动绳19一端安装在前肢小腿A22上，另一端安装在同步带轮8上。肘关节轴28通过螺栓与左右前肢小腿A22和B27固定。所述脚掌机构包括脚掌25、脚掌复位弹簧24。脚掌25通过螺栓安装在左右前肢小腿A22和B27上，脚掌复位弹簧24安装在脚掌25和左右前肢小腿A22和B27上。

结合图4，后肢机构主要包括：后肢大腿机构、后肢小腿机构和脚掌机构。所述后肢大腿机构包括左右后肢大腿A31和B52，踝关节轴1，大腿复位弹簧53和后肢大腿固定板50。所述踝关节轴1通过螺栓与左右后肢大腿A31和B52固定，后肢大腿固定板50通过螺栓与左右后肢大腿A31和B52固定，复位弹簧53一端安装在后肢大腿固定板50上，一端安装在后肢挂弹簧铝轴17上。所述后肢小腿机构包括左右后肢小腿A46和B38，小腿弯曲驱动绳51，膝关节轴35，小腿前端定滑轮固定板32和小腿复位弹簧49。所述膝关节轴35通过螺栓与左右后肢小腿A46和B38固定，小腿前端定滑轮固定板32通过螺栓与左右后肢小腿A46和B38固定。小腿弯曲驱动绳51一端安装在身体挂弹簧铝轴17上，一端安装在后肢小腿A46和B38上。小腿复位弹簧49一端安装在小腿前端定滑轮固定板32上，一端安装在后肢大腿固定板50上。

所述后肢小腿机构还包括后肢小腿伸缩机构。所述后肢小腿伸缩机构包括固定管44，伸缩管41，导向块36，滑动导向板45，后肢小腿固定板40，伸缩弹簧39。所述固定管44分别固定在所述左、右侧后肢小腿A46和B38上。所述导向块36、滑动导向板45通过自身的孔套在所述固定管44上，并固定在所述两个伸缩管41上。所述后肢小腿固定板40安装在所述左、右侧后肢小腿A46和B38之间。所述伸缩弹簧39一端安装在后肢小腿固定板40上，另一端安装在所述滑动导向板45上。所述小腿伸缩机构还包括导向滑轮34，滑轮支撑板47和伸缩驱动绳51。所述滑轮支撑板47固定在小腿前端定滑轮固定板32上，导向轮34安装在滑轮支撑板47之间。伸缩驱动绳37两端分别固定在后肢大腿固定板50和滑动导向板45上，且通过所述导向滑轮34。

所述脚掌机构包括脚掌42、脚掌复位弹簧43。所述脚掌42通过螺栓安装在伸缩管41上，所述脚掌复位弹簧43一端安装在所述脚掌42上，另一端安装在所述伸缩管41上。

结合图1、图2、图3、图4，对五关节仿蛙跳跃机器人的跳跃过程进行一下说明：姿态调整阶段，前肢驱动电机5通过同步带传动带动肩关节轴9逆时针转动，从而带动与之固连的前肢大腿左右侧固定板A18和B29做旋转运动，同时大腿与躯干之间的夹角变小。随着同步带6的传动，固定在同步带轮8上的小腿驱动绳19缠绕，同时带动小腿旋转，小腿与大腿之间的夹角变小，复位弹簧30张紧。后肢驱动电机4通过同步带15传动带动踝关节轴1顺时针转动（从图1的正方向看），从而带动与之固连的后肢大腿左右侧固定板A31和B52做旋转运动，同时大腿与躯干之间的夹角变小，大腿复位弹簧53逐渐张紧。小腿弯曲驱动绳51和左右侧小腿固定板A46和B38，以及大腿左右侧身体固定板A31和B52和后肢挂弹簧铝轴17组成了四连杆机构，小腿跟随大腿弯曲并绕膝关节轴35做逆时针转动（从图1的正面看）。随着小腿的转动，小腿前端定滑轮固定板32和滑动导向板45之间的距离逐渐减小，从而伸缩驱动绳37拉动滑动导向板45向导向滑轮34的方向移动，伸缩弹簧39逐渐张紧。随着滑动导向板45的移动，伸缩管41跟着移动。脚掌42在脚掌复位弹簧43和伸缩管41的作用下做顺时针运动，脚掌42与小腿之间的夹角逐渐减小。此时完成了机器人起跳蓄能准备。通过控制前后肢驱动电机调节前后肢各个关节角度来保证机器人起跳时获得最佳起跳角。跳跃阶段，电机脱离控制，弹簧能量释放，机器人腾空，在空中前肢驱动电机5调节肩关节轴9和肘关节轴28，保证机器人平稳落地，后肢驱动电机4转动调节后肢各个关节角度再次蓄能为下一次跳跃做准备。

Claims (3)

1.一种五关节仿蛙跳跃机器人，主要由躯干机构、前肢机构和后肢机构组成，其特征是：

所述躯干机构包括两个驱动电机、左右侧身体侧板、加固支撑轴、身体后肢挂弹簧轴、电机保护板、第一身体固定板、第二身体固定板、两个同步带传动机构，所述两个同步带传动机构与两个驱动电机连接，两个驱动电机分别通过电机保护板和第一身体固定板与左右侧身体侧板固定，躯干的两端通过轴承与腿部关节轴相连；

所述前肢机构主要包括前肢大腿机构、前肢小腿机构和脚掌机构；所述前肢大腿机构包括左右前肢大腿、肩关节轴和前肢大腿固定板，肩关节轴与左右前肢大腿固定；所述前肢小腿机构包括左右前肢小腿、弹簧安装板、复位弹簧、小腿驱动绳、肘关节轴、小腿加固支撑轴和前肢小腿固定板，所述复位弹簧安装在弹簧安装板和前肢大腿固定板上，小腿驱动绳一端安装在右或左前肢小腿上，小腿驱动绳另一端安装在所述同步带传动机构的同步带轮上，肘关节轴与左右前肢小腿固定；所述脚掌机构包括脚掌、脚掌复位弹簧、脚掌转轴，脚掌通过脚掌转轴安装在左右前肢小腿上，脚掌复位弹簧安装在脚掌和左右前肢小腿上；

所述后肢机构主要包括后肢大腿机构、后肢小腿机构和脚掌机构；所述后肢大腿机构包括左右后肢大腿、踝关节轴、大腿复位弹簧和后肢大腿固定板，所述踝关节轴与左右后肢大腿固定，后肢大腿固定板与左右后肢大腿固定，复位弹簧一端安装在后肢大腿固定板上、另一端安装在后肢挂弹簧轴上；所述后肢小腿机构包括左右后肢小腿、小腿弯曲驱动绳、膝关节轴、小腿前端定滑轮固定板和小腿复位弹簧，所述膝关节轴与左右后肢小腿固定，小腿前端定滑轮固定板与左右后肢小腿固定，小腿弯曲驱动绳一端安装在身体挂弹簧轴上、一端安装在左或右后肢小腿，小腿复位弹簧一端安装在小腿前端定滑轮固定板上、一端安装在后肢大腿固定板上。

2.根据权利要求1所述的五关节仿蛙跳跃机器人，其特征是：所述后肢小腿机构还包括后肢小腿伸缩机构，所述后肢小腿伸缩机构包括固定管、伸缩管、导向块、滑动导向板、后肢小腿固定板和伸缩弹簧，所述固定管分别固定在所述左、右侧后肢小腿上，所述导向块、滑动导向板通过自身的孔套在所述固定管上、并固定在所述两个伸缩管上，所述后肢小腿固定板安装在所述左、右侧后肢小腿之间，所述伸缩弹簧一端安装在后肢小腿固定板上、另一端安装在所述滑动导向板上，所述小腿伸缩机构还包括导向滑轮、滑轮支撑板和伸缩驱动绳，所述滑轮支撑板固定在小腿前端定滑轮固定板上，导向滑轮安装在滑轮支撑板之间，伸缩驱动绳两端分别固定在后肢大腿固定板和滑动导向板上且通过所述导向滑轮。

3.根据权利要求1或2所述的五关节仿蛙跳跃机器人，其特征是：所述脚掌机构包括脚掌、脚掌复位弹簧、脚掌转轴、限位销，所述脚掌通过脚掌转轴安装在伸缩管上，所述脚掌复位弹簧一端安装在所述脚掌上、另一端安装在所述伸缩管上，所述限位销固定在脚掌上。

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