五關節仿蛙跳躍機器人的制作方法
【專利摘要】本發明提供的是一種五關節仿蛙跳躍機器人，由軀干機構、前肢機構和后肢機構組成。軀干機構包括兩個驅動電機、左右側身體側板、加固支撐軸、身體后肢掛彈簧軸、電機保護板、兩個身體固定板、兩個同步帶傳動機構。前肢機構包括前肢大腿機構、前肢小腿機構和腳掌機構。前肢大腿機構包括左右前肢大腿、肩關節軸和前肢大腿固定板，前肢小腿機構包括左右前肢小腿、彈簧安裝板、復位彈簧、小腿驅動繩、肘關節軸、小腿加固支撐軸和前肢小腿固定板，腳掌機構包括腳掌、腳掌復位彈簧、腳掌轉軸。后肢機構包括后肢大腿機構、后肢小腿機構和腳掌機構。本發明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的柔性及起跳和緩沖效果。
【專利說明】五關節仿娃跳躍機器人
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種跳躍機器人，尤其是涉及一種五關節仿蛙跳躍機器人。
【背景技術】
[0002]隨著機器人技術的不斷發展，在面對惡劣的環境和復雜的地形時，運動機器人彈跳功能來增強其地形適應和自主運動的能力，是近年來發展較快的一種機器人技術。相比輪式或履帶式機器人，跳躍機器人具有突出的越障能力，其運動的爆發性及突然性對于機器人躲避危險是非常有利的。更重要的是跳躍的運動方式具有低能耗特點。此外，研究跳躍機器人有助于對生物奔跑、跳躍運動機理的深入研究了解，對改善目前步行或爬行等遲緩運動方式有很好的啟發意義。
[0003]目前，國內外對跳躍機器人已經做了大量的研究。在國外，最早的跳躍機器人是1987年麻省理工大學的M.H.Raibert教授研制的單腿彈跳機器人，該機器人做類似于帶彈簧的倒立擺的平面運動。在國內，上海交通大學的楊煌普提出了一種單腿跳躍機器人的機構，該機器人與之前采用彈簧的機器人的結構有所不同，它只由旋轉關節組成，可實現周期性的翻轉跳躍。近年哈爾濱工業大學也開展了相關的項目研究，對青蛙進行生物體結構分析及跳躍運動特征采集，研制了仿蛙跳躍機器人樣機。
[0004]同時，在中國專利局發布的專利中也有一些仿蛙跳躍機器人，但大部分仿生度不高。仿青蛙跳躍機器人(專利申請號:201210279364.9)通過對前后肢的合理設置，提高了驅動元件的利用率，優化了腿部結構，跳躍性能也不錯，但是其后腿對青蛙的仿生程度不高，忽略了腿部結構的完整性，不符合仿生學原理。一種蛙式跳躍機器人(專利申請號:201010194799.4)，電機作為動力元件，超越離合器與齒形帶等裝置作為傳動機構，滑塊通過傳動裝置在電機的驅動下可以在導軌上運動，機器人雙腿則在滑塊的驅動下進行伸展與收縮從而完成跳躍動作。機器人腿部很好的模仿了青蛙后腿，其腳部也加裝了彈性元件，但是其起跳后只用腳步彈性元件和髖關節的彈簧來緩沖，緩沖效果不太好，而且其髖關節的彈簧需要拉伸很長距離才能釋放，影響了起跳效率。除此之外，仿生蝗蟲跳躍機器人(專利申請號:200710072236.6)其腿部結構和黃昔光的仿青蛙跳躍機器人的后腿機構原理一樣。

【發明內容】

[0005]本發明的目的在于提供一種能夠形象地模擬青蛙的骨骼結構，在跳躍過程中能夠獲得較大的爆發力，著陸穩定的五關節仿蛙跳躍機器人。
[0006]本發明的目的是這樣實現的:
[0007]本發明的五關節仿蛙跳躍機器人主要由軀干機構、前肢機構和后肢機構組成；
[0008]所述軀干機構包括兩個驅動電機、左右側身體側板、加固支撐軸、身體后肢掛彈簧軸、電機保護板、第一身體固定板、第二身體固定板、兩個同步帶傳動機構，所述兩個同步帶傳動機構與兩個驅動電機連接，兩個驅動電機分別通過電機保護板和第一身體固定板與左右側身體側板固定，軀干的兩端通過軸承與腿部關節軸相連；[0009]所述前肢機構主要包括前肢大腿機構、前肢小腿機構和腳掌機構；所述前肢大腿機構包括左右前肢大腿、肩關節軸和前肢大腿固定板，肩關節軸與左右前肢大腿固定；所述前肢小腿機構包括左右前肢小腿、彈簧安裝板、復位彈簧、小腿驅動繩、肘關節軸、小腿加固支撐軸和前肢小腿固定板，所述復位彈簧安裝在彈簧安裝板和前肢大腿固定板上，小腿驅動繩一端安裝在右或左前肢小腿上，小腿驅動繩另一端安裝在所述同步帶傳動機構的同步帶輪上，肘關節軸與左右前肢小腿固定；所述腳掌機構包括腳掌、腳掌復位彈簧、腳掌轉軸，腳掌通過腳掌轉軸安裝在左右前肢小腿上，腳掌復位彈簧安裝在腳掌和左右前肢小腿上；
[0010]所述后肢機構主要包括后肢大腿機構、后肢小腿機構和腳掌機構；所述后肢大腿機構包括左右后肢大腿、踝關節軸、大腿復位彈簧和后肢大腿固定板，所述踝關節軸與左右后肢大腿固定，后肢大腿固定板與左右后肢大腿固定，復位彈簧一端安裝在后肢大腿固定板上、另一端安裝在后肢掛彈簧軸上；所述后肢小腿機構包括左右后肢小腿、小腿彎曲驅動繩、膝關節軸、小腿前端定滑輪固定板和小腿復位彈簧，所述膝關節軸與左右后肢小腿固定，小腿前端定滑輪固定板與左右后肢小腿固定，小腿彎曲驅動繩一端安裝在身體掛彈簧軸上、一端安裝在左或右后肢小腿，小腿復位彈簧一端安裝在小腿前端定滑輪固定板上、一端安裝在后肢大腿固定板上。
[0011]本發明還可以包括:
[0012]1、所述后肢小腿機構還包括后肢小腿伸縮機構，所述后肢小腿伸縮機構包括固定管、伸縮管、導向塊、滑動導向板、后肢小腿固定板和伸縮彈簧，所述固定管分別固定在所述左、右側后肢小腿上，所述導向塊、滑動導向板通過自身的孔套在所述固定管上、并固定在所述兩個伸縮管上，所述后肢小腿固定板安裝在所述左、右側后肢小腿之間，所述伸縮彈簧一端安裝在后肢小腿固定板上、另一端安裝在所述滑動導向板上，所述小腿伸縮機構還包括導向滑輪、滑輪支撐板和伸縮驅動繩，所述滑輪支撐板固定在小腿前端定滑輪固定板上，導向滑輪安裝在滑輪支撐板之間，伸縮驅動繩兩端分別固定在后肢大腿固定板和滑動導向板上且通過所述導向滑輪。
[0013]2、所述腳掌機構包括腳掌、腳掌復位彈簧、腳掌轉軸、限位銷，所述腳掌通過腳掌轉軸安裝在伸縮管上，所述腳掌復位彈簧一端安裝在所述腳掌上、另一端安裝在所述伸縮管上，所述限位銷固定在腳掌上。
[0014]本發明的現實意義和優點在于:
[0015]本發明公開的五關節仿蛙跳躍機器人，由于對前后肢的驅動機構和執行機構進行了合理的布置，提高了機器人驅動元件的利用率，優化了機器人腿部結構，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的柔性及起跳和緩沖效果。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為五關節仿蛙跳躍機器人總裝結構示意圖；
[0017]圖2為五關節仿蛙跳躍機器人軀干俯視圖；
[0018]圖3為五關節仿蛙跳躍機器人前肢結構示意圖；
[0019]圖4為五關節仿蛙跳躍機器人后肢結構示意圖。
【具體實施方式】[0020]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明:
[0021]結合圖1，該機器人主要由軀干機構1、前肢機構II和后肢機構III三部分組成。機器人的跳躍過程主要靠前后肢的協調運動來實現。軀干機構分別通過肩關節軸9和踝關節軸I與前肢機構I1、后肢機構III連接。
[0022]結合圖2，軀干機構主要包括:兩個驅動電機，左右側身體側板A16和B2，一個加固支撐軸10，一個身體后肢掛彈簧軸17，一個電機保護板12，一個身體固定板A3和一個身體固定板B11，兩個同步帶傳動機構，同步帶傳動機構通過平鍵與驅動電機連接，其上有張緊裝置螺栓軸承。兩個驅動電機分別通過電機保護板12和身體固定板A3與左右側身體側板A16和B2固定，軀干的兩端通過軸承與腿部關節軸相連。
[0023]結合圖3，前肢機構主要包括:前肢大腿機構、前肢小腿機構和腳掌機構。所述前肢大腿機構包括左右前肢大腿A18和B29，肩關節軸9和前肢大腿固定板20。肩關節軸9通過螺栓與左右前肢大腿A18和B29固定。所述小腿部分包括左右前肢小腿A22和B27，彈簧安裝板21，復位彈簧30，小腿驅動繩19，肘關節軸28，小腿加固支撐軸23和前肢小腿固定板26。所述復位彈簧30安裝在彈簧安裝板21和前肢大腿固定板20上，小腿驅動繩19 一端安裝在前肢小腿A22上，另一端安裝在同步帶輪8上。肘關節軸28通過螺栓與左右前肢小腿A22和B27固定。所述腳掌機構包括腳掌25、腳掌復位彈簧24。腳掌25通過螺栓安裝在左右前肢小腿A22和B27上，腳掌復位彈簧24安裝在腳掌25和左右前肢小腿A22和B27 上。
[0024]結合圖4，后肢機構主要包括:后肢大腿機構、后肢小腿機構和腳掌機構。所述后肢大腿機構包括左右后肢大腿A31和B52，踝關節軸1，大腿復位彈簧53和后肢大腿固定板
50。所述踝關節軸I通過螺栓與左右后肢大腿A31和B52固定，后肢大腿固定板50通過螺栓與左右后肢大腿A31和B52固定，復位彈簧53 —端安裝在后肢大腿固定板50上,一端安裝在后肢掛彈簧鋁軸17上。所述后肢小腿機構包括左右后肢小腿A46和B38，小腿彎曲驅動繩51，膝關節軸35，小腿前端定滑輪固定板32和小腿復位彈簧49。所述膝關節軸35通過螺栓與左右后肢小腿A46和B38固定，小腿前端定滑輪固定板32通過螺栓與左右后肢小腿A46和B38固定。小腿彎曲驅動繩51 —端安裝在身體掛彈簧鋁軸17上，一端安裝在后肢小腿A46和B38上。小腿復位彈簧49 一端安裝在小腿前端定滑輪固定板32上，一端安裝在后肢大腿固定板50上。
[0025]所述后肢小腿機構還包括后肢小腿伸縮機構。所述后肢小腿伸縮機構包括固定管44,伸縮管41,導向塊36,滑動導向板45,后肢小腿固定板40,伸縮彈簧39。所述固定管44分別固定在所述左、右側后肢小腿A46和B38上。所述導向塊36、滑動導向板45通過自身的孔套在所述固定管44上，并固定在所述兩個伸縮管41上。所述后肢小腿固定板40安裝在所述左、右側后肢小腿A46和B38之間。所述伸縮彈簧39 —端安裝在后肢小腿固定板40上，另一端安裝在所述滑動導向板45上。所述小腿伸縮機構還包括導向滑輪34，滑輪支撐板47和伸縮驅動繩51。所述滑輪支撐板47固定在小腿前端定滑輪固定板32上，導向輪34安裝在滑輪支撐板47之間。伸縮驅動繩37兩端分別固定在后肢大腿固定板50和滑動導向板45上，且通過所述導向滑輪34。
[0026]所述腳掌機構包括腳掌42、腳掌復位彈簧43。所述腳掌42通過螺栓安裝在伸縮管41上，所述腳掌復位彈簧43 —端安裝在所述腳掌42上，另一端安裝在所述伸縮管41上。[0027]結合圖1、圖2、圖3、圖4，對五關節仿蛙跳躍機器人的跳躍過程進行一下說明:姿態調整階段，前肢驅動電機5通過同步帶傳動帶動肩關節軸9逆時針轉動,從而帶動與之固連的前肢大腿左右側固定板A18和B29做旋轉運動，同時大腿與軀干之間的夾角變小。隨著同步帶6的傳動，固定在同步帶輪8上的小腿驅動繩19纏繞，同時帶動小腿旋轉,小腿與大腿之間的夾角變小，復位彈簧30張緊。后肢驅動電機4通過同步帶15傳動帶動踝關節軸I順時針轉動(從圖1的正方向看)，從而帶動與之固連的后肢大腿左右側固定板A31和B52做旋轉運動，同時大腿與軀干之間的夾角變小，大腿復位彈簧53逐漸張緊。小腿彎曲驅動繩51和左右側小腿固定板A46和B38，以及大腿左右側身體固定板A31和B52和后肢掛彈簧鋁軸17組成了四連桿機構，小腿跟隨大腿彎曲并繞膝關節軸35做逆時針轉動(從圖1的正面看)。隨著小腿的轉動，小腿前端定滑輪固定板32和滑動導向板45之間的距離逐漸減小，從而伸縮驅動繩37拉動滑動導向板45向導向滑輪34的方向移動，伸縮彈簧39逐漸張緊。隨著滑動導向板45的移動，伸縮管41跟著移動。腳掌42在腳掌復位彈簧43和伸縮管41的作用下做順時針運動，腳掌42與小腿之間的夾角逐漸減小。此時完成了機器人起跳蓄能準備。通過控制前后肢驅動電機調節前后肢各個關節角度來保證機器人起跳時獲得最佳起跳角。跳躍階段，電機脫離控制，彈簧能量釋放，機器人騰空，在空中前肢驅動電機5調節肩關節軸9和肘關節軸28，保證機器人平穩落地，后肢驅動電機4轉動調節后肢各個關節角度再次蓄能為下一次跳躍做準備。
【權利要求】
1.一種五關節仿蛙跳躍機器人，主要由軀干機構、前肢機構和后肢機構組成，其特征是: 所述軀干機構包括兩個驅動電機、左右側身體側板、加固支撐軸、身體后肢掛彈簧軸、電機保護板、第一身體固定板、第二身體固定板、兩個同步帶傳動機構，所述兩個同步帶傳動機構與兩個驅動電機連接，兩個驅動電機分別通過電機保護板和第一身體固定板與左右側身體側板固定，軀干的兩端通過軸承與腿部關節軸相連； 所述前肢機構主要包括前肢大腿機構、前肢小腿機構和腳掌機構；所述前肢大腿機構包括左右前肢大腿、肩關節軸和前肢大腿固定板，肩關節軸與左右前肢大腿固定；所述前肢小腿機構包括左右前肢小腿、彈簧安裝板、復位彈簧、小腿驅動繩、肘關節軸、小腿加固支撐軸和前肢小腿固定板，所述復位彈簧安裝在彈簧安裝板和前肢大腿固定板上，小腿驅動繩一端安裝在右或左前肢小腿上，小腿驅動繩另一端安裝在所述同步帶傳動機構的同步帶輪上，肘關節軸與左右前肢小腿固定；所述腳掌機構包括腳掌、腳掌復位彈簧、腳掌轉軸，腳掌通過腳掌轉軸安裝在左右前肢小腿上，腳掌復位彈簧安裝在腳掌和左右前肢小腿上； 所述后肢機構主要包括后肢大腿機構、后肢小腿機構和腳掌機構；所述后肢大腿機構包括左右后肢大腿、踝關節軸、大腿復位彈簧和后肢大腿固定板，所述踝關節軸與左右后肢大腿固定，后肢大腿固定板與左右后肢大腿固定，復位彈簧一端安裝在后肢大腿固定板上、另一端安裝在后肢掛彈簧軸上；所述后肢小腿機構包括左右后肢小腿、小腿彎曲驅動繩、膝關節軸、小腿前端定滑輪固定板和小腿復位彈簧，所述膝關節軸與左右后肢小腿固定，小腿前端定滑輪固定板與左右后肢小腿固定，小腿彎曲驅動繩一端安裝在身體掛彈簧軸上、一端安裝在左或右后肢小腿，小腿復位彈簧一端安裝在小腿前端定滑輪固定板上、一端安裝在后肢大腿固定板上。
2.根據權利要求1所述的五關節仿蛙跳躍機器人，其特征是:所述后肢小腿機構還包括后肢小腿伸縮機構，所述后肢小腿伸縮機構包括固定管、伸縮管、導向塊、滑動導向板、后肢小腿固定板和伸縮彈簧，所述固定管分別固定在所述左、右側后肢小腿上，所述導向塊、滑動導向板通過自身的孔套在所述固定管上、并固定在所述兩個伸縮管上，所述后肢小腿固定板安裝在所述左、右側后肢小腿之間，所述伸縮彈簧一端安裝在后肢小腿固定板上、另一端安裝在所述滑動導向板上，所述小腿伸縮機構還包括導向滑輪、滑輪支撐板和伸縮驅動繩，所述滑輪支撐板固定在小腿前端定滑輪固定板上，導向滑輪安裝在滑輪支撐板之間，伸縮驅動繩兩端分別固定在后肢大腿固定板和滑動導向板上且通過所述導向滑輪。
3.根據權利要求1或2所述的五關節仿蛙跳躍機器人，其特征是:所述腳掌機構包括腳掌、腳掌復位彈簧、腳掌轉軸、限位銷，所述腳掌通過腳掌轉軸安裝在伸縮管上，所述腳掌復位彈簧一端安裝在所述腳掌上、另一端安裝在所述伸縮管上，所述限位銷固定在腳掌上。
【文檔編號】B62D57/032GK103569235SQ201310553698
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月11日 優先權日:2013年11月11日
【發明者】胡勝海, 高爽, 姚建均, 王茂林, 孫天仕, 姜貴林, 余偉, 張滿慧, 張保平, 陳茜 申請人:哈爾濱工程大學