專利名稱：單腿跳躍機器人機構的制作方法
技術領域：
本發明屬于機器人技術領域，尤其涉及一種單腿跳躍機器人機構。
背景技術：
近些年來，機器人技術得到了迅速發展，并與人們的日常生活越來越緊密。人們希望機器人能夠像人類自身一樣，具有快速靈巧的運動能力、良好的交互能力和高效的供給動力。特別是隨著仿人機器人、服務機器人的迅速發展，人們對機器人的快速、靈活和高效的運動能力提出了更高要求。目前，我國大部分腿式機器人只能實現類似行走或爬行的動作，并且行走或爬行的速度受到了電機等驅動的約束。近些年來，人們開始關注跳躍機器人的研究，并通過關節的儲能設計，使得機器人通過吸收外部的沖擊或利用自身的重力作用，轉化成關節的輸出能量，這種機制適用于單腿跳躍機器人，從而實現機器人的快速、靈巧和高效運動。

發明內容
本發明的目的是針對現有技術的不足，提供了一種單腿跳躍機器人機構，通過串聯彈簧的方式，提高關節的輸出能量，通過鋼絲繩牽引的方式，經過重量的合理分配，使機器人重心靠近髖關節，以提高機器人跳躍運動的可行性。本發明的目的是通過以下技術方案來實現的一種單腿跳躍機器人機構，由身體、大腿和小腿三部分組成，身體與大腿、大腿與小腿之間分別通過髖關節和膝關節連接。單腿機器人的身體部分包括了身體右側板、身體左側板、身體平板、連結桿、驅動器、驅動器座、以及髖電機、髖主動輪、髖同步帶等組成，身體右側板和身體左側板通過身體平板連接，驅動器座上安裝有驅動器，并固定在身體平板上，連結桿由身體右側板和身體左側板的身體第一軸承和身體第二軸承支撐，髖部的髖電機安裝在身體右側板上，由髖主動輪經髖同步帶進行動力傳遞；大腿部分由大腿右側板、大腿左側板、大腿連結桿、膝電機、膝主動輪和膝同步帶等組成，大腿右側板和大腿左側板通過大腿連結桿連接，膝電機通過膝主動輪和膝同步帶進行動力傳遞；小腿部分由小腿架、小腿、力傳感器、足底橡膠底等組成，小腿架與膝傳動輪和小腿連接，小腿內側安裝有彈簧，底部安裝有力傳感器和足底橡膠墊；髖關節部分實現髖和膝的運動，髖關節第一諧波減速器安裝在身體右側板上，髖第一主軸由髖從動輪輸入，經過第一平鍵帶動諧波減速器運動，髖第一主軸兩端由髖第一軸承和髖第二軸承支撐，且由第一套筒軸向限位，髖第一軸承安裝在髖第一端蓋內，髖第二軸承一端安裝有第一軸承套，諧波減速器外側經第一軸承套筒安裝有第一支撐軸承，第一支撐軸承嵌入在大腿右側板內，諧波減速器將運動傳遞到髖輸出法蘭，帶動大腿部分的運動；髖關節第二諧波減速器安裝在身體左側板上，髖第二主軸由膝從動輪輸入，經過第二平鍵帶動諧波減速器運動，髖第二主軸兩端由髖第三軸承和髖第四軸承支撐，且由第二套筒軸向限位，髖第三軸承安裝在髖第二端蓋內，髖第四軸承一端安裝有第二軸承套，諧波減速器外側經第二軸承套筒安裝有第二支撐軸承，第二支撐軸承嵌入在大腿左側板內，諧波減速器將運動傳遞到髖傳動輪，經過大腿鋼絲繩帶動膝關節運動，鋼絲繩的兩端分別裝有緊固頭，一端安裝在斜面上，另一端安裝在滑塊的斜面上，滑塊上安裝有螺釘，整個鎖緊座通過螺釘固定在髖傳動輪上，髖傳動輪與髖輸出法蘭之間安裝有中間支撐軸承；膝關節部分由膝主軸、膝傳動輪、膝輔助輪等組成，膝主軸兩端安裝有膝第一軸承和膝第二軸承，膝第一軸承安裝在膝軸承法蘭內，膝軸承法蘭與大腿右側板連接，膝第二軸承安裝在大腿左側板內，膝主軸的轉動角度通過安裝在電位計座上的電位計進行檢測，膝主軸上安裝有膝傳動輪，膝傳動輪通過小腿鋼絲繩帶動小腿架轉動，膝傳動輪與小腿架之間通過螺釘連接，膝輔助輪通過中間支撐軸承安裝在膝主軸上，中間支撐軸承由膝套筒和法蘭軸向限位，膝輔助輪上安裝有小腿鋼絲繩，小腿鋼絲繩的兩端分別安裝有緊固頭，一端安裝在膝輔助輪上，膝輔助輪由安裝在大腿連接桿上的擋塊和橡膠帽進行限位，小腿架和小腿連接在一起，小腿內安裝有彈簧和彈簧座，鋼絲繩的另一端固定在彈簧座的底部。本發明的有益效果是，本發明設計的單腿跳躍機器人機構，連結桿的一端與約束機器人平面運動的連桿連接，使機器人繞圓周平面跳躍，另一端可以方便調試人員做抬起機器人的握柄使用，方便給機器人一個跳躍的初始高度，髖關節的第一諧波減速器、第二諧波減速器、髖電機和膝電機等可以使機器人的重心盡量靠近髖關節，使物理模型更加接近 于理想的倒立擺模型，有利于提高控制的魯棒性，膝關節的雙電機控制，將有效提高機器人膝關節的輸出力矩，給機器人跳躍提供能量補償；鋼絲繩采用了斜面鎖緊機構，這種機構有利于對鋼絲繩進心預緊，可移動的滑塊將有助于調節鋼絲繩的張緊程度，小腿的鋼絲繩通過串聯彈簧，使得機器人在著地時刻依靠重量的作用壓縮膝關節，通過擋塊壓迫使膝輔助輪發生轉動，并經鋼絲繩對彈簧進行壓縮，這種依靠自身重力的方法有效得將沖擊能量轉化為彈簧的勢能，為膝關節的伸展運動儲備了能量，提高了運動的效率，擋塊的橡膠帽降低了膝輔助輪和擋塊之間的沖擊損傷，提升了機器人的可靠性。


圖I是單腿跳躍機器人的立體 圖2是髖關節的剖視；
圖3是膝關節的剖視 圖4是鋼絲繩鎖緊機構的立體 圖5是鋼絲繩端部固定的立體 圖6是膝關節彈簧儲能機構的剖視 圖中，身體平板I、驅動器板2、驅動器3、身體右側板4、身體第一軸承5、連接桿6、髖主動輪7、髖同步帶8、髖從動輪9、髖輸出法蘭10、身體左側板11、身體第二軸承12、髖電機13、膝同步帶14、膝主動輪15、膝電機16、大腿右側板17、大腿鋼絲繩18、大腿連接桿19、大腿左側板20、膝軸承法蘭21、膝主軸22、電位計23、膝傳動輪24、膝輔助輪25、小腿鋼絲繩26、小腿架27、小腿28、力傳感器29、足底橡膠30、髖第二主軸31、髖第三軸承32、第二端蓋33、第二平鍵34、髖傳動輪35、中間支撐軸承36、第一端蓋37、第一平鍵38、髖第一主軸39、髖第一軸承40、第一諧波減速器41、第一支撐軸承42、第一套筒43、髖第二軸承44、第一軸承套45、髖第四軸承46、第二軸承套47、第二套筒48、第二軸承套筒49、第二支撐軸承50、第二諧波減速器51、第一軸承套筒52、膝第一軸承53、膝第二軸承54、電位計法蘭55、螺釘56、膝套筒57、法蘭58、膝中間軸承59、鎖緊座60、螺釘61、斜面62、滑塊63、調節螺釘64、緊固頭65、擋塊66、橡膠帽67、彈簧68、彈簧座69。
具體實施例方式以下結合附圖進一步說明本發明。如圖所示，本發明一種單腿跳躍機器人機構由身體、大腿和小腿三部分組成，身體與大腿之間通過髖關節連接，大腿與小腿之間通過膝關節連接。單腿機器人的身體部分包括了身體右側板4、身體左側板11、身體平板I、連結桿
6、驅動器3、驅動器座2、以及髖電機13、髖主動輪7、髖同步帶8等組成，身體右側板4和身體左側板11通過身體平板I連接，驅動器座4上安裝有驅動器3，并固定在身體平板I上，連結桿6由身體右側板4和身體左側板11的身體第一軸承5和身體第二軸承12支撐，連結桿6的一端可以與約束機器人平面運動的連桿連接，使機器人可以繞圓周平面跳躍，另·一端可以方便調試人員做抬起機器人的握柄使用，方便給機器人一個跳躍的初始高度；髖部的髖電機13安裝在身體右側板4上，由髖主動輪7經髖同步帶8進行動力傳遞，髖關節的第一諧波減速器41、第二諧波減速器51、髖電機13和膝電機16等可以使機器人的重心盡量靠近髖關節，使物理模型更加接近于理想的倒立擺模型，有利于提高控制的魯棒性，同時，膝關節的雙電機控制，將有效提高機器人膝關節的輸出力矩，給機器人跳躍提供能量補償；大腿部分由大腿右側板17、大腿左側板20、大腿連結桿19、膝電機16、膝主動輪15和膝同步帶14等組成，大腿右側板17和大腿左側板20通過大腿連結桿19連接，膝電機16通過膝主動輪15和膝同步帶14進行動力傳遞；小腿部分由小腿架27、小腿28、力傳感器29、足底橡膠底30等組成，小腿架27與膝傳動輪和小腿28連接，小腿28內側安裝有彈簧68，底部安裝有力傳感器29和足底橡膠墊30 ;髖關節部分實現髖和膝的運動，髖關節第一諧波減速器41安裝在身體右側板4上，髖第一主軸39由髖從動輪9輸入，經過第一平鍵38帶動諧波減速器41運動，髖第一主軸39兩端由髖第一軸承40和髖第二軸承44支撐，且由第一套筒43軸向限位，髖第一軸承40安裝在髖第一端蓋37內，髖第二軸承44 一端安裝有第一軸承套45，諧波減速器41外側經第一軸承套筒52安裝有第一支撐軸承42，第一支撐軸承42嵌入在大腿右側板17內，諧波減速器41將運動傳遞到髖輸出法蘭10，以帶動大腿部分的運動；髖關節第二諧波減速器51安裝在身體左側板20上，髖第二主軸31由膝從動輪30輸入，經過第二平鍵34帶動諧波減速器51運動，髖第二主軸31兩端由髖第三軸承32和髖第四軸承46支撐，且由第二套筒48軸向限位，髖第三軸承32安裝在髖第二端蓋33內，髖第四軸承46 —端安裝有第二軸承套47，諧波減速器51外側經第二軸承套筒49安裝有第二支撐軸承50，第二支撐軸承50嵌入在大腿左側板20內，諧波減速器51將運動傳遞到髖傳動輪35，髖傳動輪35與髖輸出法蘭10之間安裝有中間支撐軸承36，髖傳動輪35經過大腿鋼絲繩18帶動膝關節運動，鋼絲繩18，26兩端分別裝有緊固頭65，一端安裝在斜面62上，另一端安裝在滑塊63的斜面62上，滑塊63上安裝有螺釘64，整個鎖緊座60通過螺釘61固定在髖傳動輪35上，大腿鋼絲繩18采用了斜面鎖緊機構，這種機構有利于對大腿鋼絲繩18進心預緊，可移動的滑塊63將有助于調節大腿鋼絲繩18的張緊程度；膝關節部分由膝主軸22、膝傳動輪24、膝輔助輪25等組成，膝主軸22兩端安裝有膝第一軸承53和膝第二軸承54，膝第一軸承53安裝在膝軸承法蘭21內，膝軸承法蘭21與大腿右側板17連接，膝第二軸承20安裝在大腿左側板20內，膝主軸22的轉動角度通過安裝在電位計座55上的電位計23進行檢測，膝主軸22上安裝有膝傳動輪24，膝傳動輪24通過小腿鋼絲繩26帶動小腿架27轉動，膝傳動輪24與小腿架27之間通過螺釘56連接，膝輔助輪25通過中間支撐軸承59安裝在膝主軸22上，中間支撐軸承59由膝套筒57和法蘭58軸向限位，膝輔助輪25上安裝有小腿鋼絲繩26，小腿鋼絲繩26的兩端分別安裝有緊固頭65，一端安裝在膝輔助輪25上，膝輔助輪25由安裝在大腿連接桿19上的擋塊66和橡膠帽67進行限位，小腿架27和小腿28連接在一起，小腿28內安裝有彈簧68和彈簧座69，小腿鋼絲繩26的 另一端固定在彈簧座69的底部，小腿鋼絲繩26通過串聯彈簧68，使得機器人在著地時刻依靠重量的作用壓縮膝關節，通過擋塊66壓迫使膝輔助輪25發生轉動，并經小腿鋼絲繩26對彈簧68進行壓縮，這種依靠自身重力的方法有效得將沖擊能量轉化為彈簧68的勢能，為膝關節的伸展運動儲備了能量，提高了運動的效率，擋塊66的橡膠帽67降低了膝輔助輪25和擋塊66之間的沖擊損傷，提升了機器人的可靠性。
權利要求
1.一種單腿跳躍機器人機構，其特征在于，它由身體、大腿和小腿等三部分組成，身體與大腿、大腿與小腿之間分別通過髖關節和膝關節連接；單腿機器人身體右側板(4)和身體左側板(11)通過身體平板(I)連接，驅動器座(2)上安裝有驅動器(3)，并固定在身體平板(I)上；連結桿(6)由身體右側板(4)的身體第一軸承(5)和身體左側板(11)的身體第二軸承(12)支撐，髖關節的髖電機(13)安裝在身體右側板(4)上，由髖主動輪(7)經髖同步帶(8)進行動力傳遞；大腿右側板(17)和大腿左側板(20)通過大腿連結桿(19)連接，膝電機(16)通過膝主動輪(15)和膝同步帶(14)進行動力傳遞；小腿架(27)與膝傳動輪(24)和小腿(28)連接，小腿(28)內側安裝有彈簧(68)，底部安裝有力傳感器(29)和足底橡膠墊(30);髖關節第一諧波減速器(41)安裝在身體右側板(4)上，髖第一主軸(39)由髖從動輪(9)輸入，經過第一平鍵(38)帶動諧波減速器(41)運動，髖第一主軸(39)兩端由髖第一軸承(40)和髖第二軸承(44)支撐，且由第一套筒(43)軸向限位，髖第一軸承(40)安裝在髖第一端蓋(37)內，髖第二軸承(44) 一端安裝有第一軸承套(45)，諧波減速器(41)外側經第一軸承套筒(52)安裝有第一支撐軸承(42)，第一支撐軸承(42)嵌入在大腿右側板(17)內，諧波減速器(41)將運動傳遞到髖輸出法蘭(10);髖關節第二諧波減速器(51)安裝在身體左側板(20 )上，髖第二主軸(31)由膝從動輪(30 )輸入，經過第二平鍵(34 )帶動諧波減速器(51)運動，髖第二主軸(31)兩端由髖第三軸承(32)和髖第四軸承(46)支撐，且由第二套筒(47)軸向限位，髖第三軸承(32)安裝在髖第二端蓋(33)內，髖第四軸承(46)—端安裝有第二軸承套(47)，諧波減速器(51)外側經第二軸承套筒(49)安裝有第二支撐軸承(50)，第二支撐軸承(50)嵌入在大腿左側板(20)內，諧波減速器(51)將運動傳遞到髖傳動輪(35)，經過大腿鋼絲繩(18)帶動膝關節運動，大腿鋼絲繩(18)的兩端分別裝有緊固頭(65)，一端安裝在斜面(62)上，另一端安裝在滑塊(63)的斜面(62)上，滑塊(63)上安裝有螺釘(64)，整個鎖緊座(60)通過螺釘(61)固定在髖傳動輪(35)上，髖傳動輪(35)與髖輸出法蘭(10)之間安裝有中間支撐軸承(36);膝主軸(22)兩端安裝有膝第一軸承(53)和膝第二軸承(54)，膝第一軸承(53)安裝在膝軸承法蘭(21)內，膝軸承法蘭(21)與大腿右側板(17)連接，膝第二軸承(54)安裝在大腿左側板(20)內，膝主軸(22)的轉動角度通過安裝在電位計座(55 )上的電位計(23 )進行檢測，膝主軸(22 )上安裝有膝傳動輪(24 )，膝傳動輪(24)通過小腿鋼絲繩(26)帶動小腿架(27)轉動，膝傳動輪(24)與小腿架(27)之間通過螺釘(56)連接，膝輔助輪(25)通過中間支撐軸承(59)安裝在膝主軸(22)上，中間支撐軸承(59 )由膝套筒(57 )和法蘭(58 )軸向限位，膝輔助輪(25 )上安裝有小腿鋼絲繩(26 )，小腿鋼絲繩(26)的兩端分別安裝有緊固頭(65)，一端安裝在膝輔助輪(25)上，膝輔助輪(25)由安裝在大腿連接桿(19)上的擋塊(66)和橡膠帽(67)進行限位，小腿架(27)和小腿(28)連接在一起，小腿(28)內安裝有彈簧(68)和彈簧座(69)，小腿鋼絲繩(26)的另一端固定在彈簧座(69)的底部。
全文摘要
本發明公開了一種單腿跳躍機器人機構，它由身體、大腿和小腿三部分組成，分別通過髖關節和膝關節連接；髖關節和膝關節的第一諧波減速器和第二諧波減速器均安裝在髖部，驅動電機均安裝在靠近髖部處，使得機器人接近于理想的倒立擺模型，以降低控制難度；膝關節通過大腿鋼絲繩傳動，大腿鋼絲繩采用斜面機構和滑塊調整機構，實現對鋼絲繩張緊程度的調節；膝關節彎曲時壓縮彈簧，將重力轉化為彈簧的勢能，為伸展運動積蓄能量。單腿機器人足底安裝了力傳感器，用于感知著地信息，足底橡膠墊緩沖了著地的沖擊。本發明的單腿跳躍機器人機構，通過合理分布重心和串聯彈簧儲能機制，有助于提高機器人運動的靈活性、柔順性和高效性。
文檔編號B62D57/02GK102874339SQ201210369619
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者朱秋國, 陳杰, 熊蓉, 褚健 申請人:浙江大學