一种多功能仿生弹跳及行走机器人.pdf

本发明公开了一种多功能仿生弹跳及行走机器人。现有机器人都只能实现单一的弹跳轨迹和弹跳动作，且只能在平坦的地形运动，还远远不能适应自然界中复杂的地形环境。本发明的两个前肢仿生机构对称设置在机器人躯干前部，两个后肢弹跳机构对称设置在机器人躯干后部，且分别与一个弹簧锁解机构连接；弹簧锁解机构可驱动、锁定或解锁后肢弹跳机构；弹簧锁解机构包括主电机、直齿轮三、输入轴、直齿轮四、棘爪、离合器动块、离合器定块、拨叉驱动电机、曲柄二、连杆二和拨叉。本发明不仅可以实现起跳角度调整、弹跳高度调整、连续弹跳和自动复位的基本功能，还能实现仿青蛙弹跳和仿袋鼠弹跳两种弹跳轨迹，并可原地转向和行走，以适应复杂的环境。

权利要求书
1.   一种多功能仿生弹跳及行走机器人，包括机器人躯干、保护盖、前肢仿生机构、弹簧锁解机构和后肢弹跳机构，其特征在于：所述的保护盖与机器人躯干固定；两个前肢仿生机构对称设置在机器人躯干前部；两个后肢弹跳机构对称设置在机器人躯干后部，且分别通过一个弹簧锁解机构驱动；
所述的后肢弹跳机构包括齿轮箱壳体、齿轮箱上盖、齿轮箱下盖、髋关节电机、曲柄一、连杆一、同步齿轮、大腿杆、小腿杆一、小腿杆二、拉簧一、拉簧二、输出轴、滚筒和钢绳；所述齿轮箱壳体的两端分别与齿轮箱上盖和齿轮箱下盖固定；齿轮箱壳体通过轴承支承在机器人躯干上，形成髋关节；所述髋关节电机的底座固定在机器人躯干上，曲柄一固定在髋关节电机的输出轴上，连杆一的两端分别铰接于曲柄一的一端和齿轮箱上盖的边缘；两根齿轮轴对称铰接于齿轮箱上盖上，固定在两根齿轮轴上的两个同步齿轮相啮合；两个同步齿轮均固连有大腿杆，所述小腿杆一的一端与前部的大腿杆通过销轴连接，形成膝关节一；小腿杆一的另一端与小腿杆二的中部用销轴连接，形成踝关节；所述小腿杆二的两端分别与后部的大腿杆和脚掌板用销轴连接，形成膝关节二和跗跖关节；所述拉簧一的两端分别固定在膝关节一和膝关节二处的销轴上；拉簧二的一端固定在踝关节处的销轴上，另一端固定在跗跖关节处的销轴上；所述的输出轴铰接在齿轮箱上盖上，滚筒与输出轴固连；所述钢绳的一端缠绕在滚筒上，另一端固连在踝关节处的销轴上；
所述的前肢仿生机构包括肩关节电机、直齿轮一、肩关节轴、前肢大臂、肘关节轴、直齿轮二、肘关节电机、锥齿轮二、锥齿轮一、前肢小臂和前肢脚趾；所述肩关节电机的底座固定在机器人躯干上，直齿轮一与肩关节电机的输出轴固连；所述的肩关节轴通过轴承支承在机器人躯干上；所述前肢大臂的顶端固定在肩关节轴上，底端通过轴承支承有肘关节轴；直齿轮二固连在肩关节轴上，并与直齿轮一啮合；所述肘关节电机的底座固定在前肢大臂的底部，锥齿轮一固连在肘关节电机的输出轴上；锥齿轮二固连在肘关节轴上，并与锥齿轮一啮合；所述前肢小臂的顶端与肘关节轴固定；所述前肢脚趾的顶部与前肢小臂底部的沉头孔通过滑动副连接；缓冲弹簧的一端套在前肢脚趾的顶部，另一端压紧前肢小臂的沉头孔孔底；
所述的弹簧锁解机构包括主电机、直齿轮三、输入轴、直齿轮四、棘爪、离合器动块、离合器定块、拨叉驱动电机、曲柄二、连杆二和拨叉；所述主电机的底座固定在齿轮箱下盖上，直齿轮三与主电机的输出轴固连；所述的输入轴通过轴承支承在齿轮箱下盖上，直齿轮四、棘轮和离合器定块均固定在输入轴上；直齿轮四与直齿轮三啮合；棘爪轴通过轴承支承在齿轮箱下盖上；所述的棘爪固定在棘爪轴上，并与棘爪啮合；棘爪复位弹簧的一端与棘爪固定，另一端与齿轮箱下盖固定；所述的离合器动块与后肢弹跳机构的输出轴通过花键连接，并与离合器定块嵌合；离合器复位弹簧套在输出轴上，且设置在离合器动块和齿轮箱上盖之间；电机支撑架的两端分别固定在齿轮箱上盖和齿轮箱下盖上，所述拨叉驱动电机的底座固定在电机支撑架上，曲柄二固连在拨叉驱动电机的输出轴上；所述连杆二的两端分别铰接于曲柄二和拨叉的端部上；拨叉的中部与电机支撑架的支承轴铰接，拨叉的U型叉嵌入离合器动块的环形槽内。

2.  根据权利要求1所述的一种多功能仿生弹跳及行走机器人，其特征在于：所述的直齿轮二与直齿轮一的齿数比为2：1；所述锥齿轮二与锥齿轮一的旋转中心轴交角为90°，齿数比为1：1；所述的直齿轮四与直齿轮三的齿数比为2：1。

3.  根据权利要求1所述的一种多功能仿生弹跳及行走机器人，其特征在于：所述前肢小臂底部的沉头孔两侧均开设有槽长沿前肢小臂臂长方向设置的滑槽；所述前肢脚趾的顶部与沉头孔间隙配合；限位销穿过沉头孔两侧的滑槽，并与前肢脚趾顶部的限位销插孔过盈配合。

说明书一种多功能仿生弹跳及行走机器人
技术领域
本发明属于机器人技术领域，涉及一种仿生机器人，具体涉及一种可实现多种弹跳轨迹，具有原地转向和行走功能的仿生机器人，主要用于在复杂环境或外太空执行侦察、探测、攻击和干扰等行动。
背景技术
弹跳是自然界中一种很常见的运动方式，像青蛙、袋鼠和螳螂等，相比于行走，弹跳具有活动范围广、移动效率高、爆发力强等特点。弹跳机器人作为一种移动平台，灵活性好，不仅可以适应崎岖不平的地形，遇到障碍或沟壑时能够轻松越过，尤其是在外太空低重力环境下，其空间移动范围远远大于轮式或足式机器人。
国外，NASA历时五年，先后研制了三代弹跳式机器人，第三代为轮式弹跳机器人，结构上保留了第二代中的六杆齿轮弹跳机构，通过钢绳缠绕滚轮的动作来实现弹簧的伸缩。Stoeter等人研制的一种小型弹跳机器人Scout，采用单绞绳拉动蝶形弹簧片的方式储能，释放弹性腿实现跳跃。卡耐基梅隆大学的Garth Zeglin博士提出并研制了一种三维Bow Leg机器人，能够在三维空间做弹跳步伐式的移动，原理是电机通过滑轮装置拉紧和瞬间释放绳索，使弓形弹性腿绷紧和瞬间伸张，从而实现整个弹跳运动。Raibert教授等人研制了髋关节具有两个自由度的3D Biped三维跳跃机器人，可以实现跑、跳、甚至空翻转等动作，具有很好的平衡性和稳定性。日本东京大学Niiyama等人研制了一种新颖的双足弹跳机器人Mowgli，在髋关节、膝关节和踝关节处各有一个自由度，采用气动人工肌肉驱动，能够完成和真实青蛙几乎一样的跳跃动作。国内，哈尔滨工业大学研制了一种仿青蛙弹跳机器人，后肢采用五杆齿轮弹跳机构，前肢有两个自由度，能够调整起跳角度和弹跳高度，弹跳后能自动复位。哈尔滨工业大学根据蝗虫起跳的运动机理设计了两套分别基于电机和电磁铁驱动的四足弹跳机器人样机。上海交通大学提出了仅有三个旋转关节构成的翻转跳跃单腿机器人。然而，上述机器人都只能实现单一的弹跳轨迹和弹跳动作，目前只能在很平坦的地形上运动，还远远不能适应自然界中复杂的地形环境。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种多功能仿生弹跳及行走机器人，除了具有一般弹跳机器人的起跳角度调整、弹跳高度调整、连续弹跳和自动复位的基本功能外，还能实现仿青蛙弹跳、仿袋鼠弹跳两种弹跳轨迹，并具有原地转向和行走的功能，以适应更加复杂的环境。
本发明采用的技术方案是：
本发明包括机器人躯干、保护盖、前肢仿生机构、弹簧锁解机构和后肢弹跳机构。所述的保护盖与机器人躯干固定；两个前肢仿生机构对称设置在机器人躯干前部；两个后肢弹跳机构对称设置在机器人躯干后部，且分别通过一个弹簧锁解机构驱动。
所述的后肢弹跳机构包括齿轮箱壳体、齿轮箱上盖、齿轮箱下盖、髋关节电机、曲柄一、连杆一、同步齿轮、大腿杆、小腿杆一、小腿杆二、拉簧一、拉簧二、输出轴、滚筒和钢绳；所述齿轮箱壳体的两端分别与齿轮箱上盖和齿轮箱下盖固定；齿轮箱壳体通过轴承支承在机器人躯干上，形成髋关节；所述髋关节电机的底座固定在机器人躯干上，曲柄一固定在髋关节电机的输出轴上，连杆一的两端分别铰接于曲柄一的一端和齿轮箱上盖的边缘；两根齿轮轴对称铰接于齿轮箱上盖上，固定在两根齿轮轴上的两个同步齿轮相啮合；两个同步齿轮均固连有大腿杆，所述小腿杆一的一端与前部的大腿杆通过销轴连接，形成膝关节一；小腿杆一的另一端与小腿杆二的中部用销轴连接，形成踝关节；所述小腿杆二的两端分别与后部的大腿杆和脚掌板用销轴连接，形成膝关节二和跗跖关节；所述拉簧一的两端分别固定在膝关节一和膝关节二处的销轴上；拉簧二的一端固定在踝关节处的销轴上，另一端固定在跗跖关节处的销轴上；所述的输出轴铰接在齿轮箱上盖上，滚筒与输出轴固连；所述钢绳的一端缠绕在滚筒上，另一端固连在踝关节处的销轴上。
所述的前肢仿生机构包括肩关节电机、直齿轮一、肩关节轴、前肢大臂、肘关节轴、直齿轮二、肘关节电机、锥齿轮二、锥齿轮一、前肢小臂和前肢脚趾；所述肩关节电机的底座固定在机器人躯干上，直齿轮一与肩关节电机的输出轴固连；所述的肩关节轴通过轴承支承在机器人躯干上；所述前肢大臂的顶端固定在肩关节轴上，底端通过轴承支承有肘关节轴；直齿轮二固连在肩关节轴上，并与直齿轮一啮合；所述肘关节电机的底座固定在前肢大臂的底部，锥齿轮一固连在肘关节电机的输出轴上；锥齿轮二固连在肘关节轴上，并与锥齿轮一啮合；所述前肢小臂的顶端与肘关节轴固定；所述前肢脚趾的顶部与前肢小臂底部的沉头孔通过滑动副连接；缓冲弹簧的一端套在前肢脚趾的顶部，另一端压紧前肢小臂的沉头孔孔底。
所述的弹簧锁解机构包括主电机、直齿轮三、输入轴、直齿轮四、棘爪、离合器动块、离合器定块、拨叉驱动电机、曲柄二、连杆二和拨叉；所述主电机的底座固定在齿轮箱下盖上，直齿轮三与主电机的输出轴固连；所述的输入轴通过轴承支承在齿轮箱下盖上，直齿轮四、棘轮和离合器定块均固定在输入轴上；直齿轮四与直齿轮三啮合；棘爪轴通过轴承支承在齿轮箱下盖上；所述的棘爪固定在棘爪轴上，并与棘爪轴啮合；棘爪复位弹簧的一端与棘爪固定，另一端与齿轮箱下盖固定；所述的离合器动块与后肢弹跳机构的输出轴通过花键连接，并与离合器定块嵌合；离合器复位弹簧套在输出轴上，且设置在离合器动块和齿轮箱上盖之间；电机支撑架的两端分别固定在齿轮箱上盖和齿轮箱下盖上，所述拨叉驱动电机的底座固定在电机支撑架上，曲柄二固连在拨叉驱动电机的输出轴上；所述连杆二的两端分别铰接于曲柄二和拨叉的端部上；拨叉的中部与电机支撑架的支承轴铰接，拨叉的U型叉嵌入离合器动块的环形槽内。
所述的直齿轮二与直齿轮一的齿数比为2：1；所述锥齿轮二与锥齿轮一的旋转中心轴交角为90°，齿数比为1：1；所述的直齿轮四与直齿轮三的齿数比为2：1。
所述前肢小臂底部的沉头孔两侧均开设有槽长沿前肢小臂臂长方向设置的滑槽；所述前肢脚趾的顶部与沉头孔间隙配合；限位销穿过沉头孔两侧的滑槽，并与前肢脚趾顶部的限位销插孔过盈配合。
本发明的有益效果是：
本发明具有多种移动功能，能够行走、仿青蛙弹跳、仿袋鼠弹跳和原地转向；通用性强、可编程性好，通过控制各关节电机的转速，可以实现复杂的运动轨迹；安装一些外设辅助设备后，便可在复杂环境或外太空执行侦察、探测、攻击和干扰等行动。
附图说明
图1是本发明的整体结构立体图；
图2是本发明去除保护盖后的结构立体图；
图3是本发明中后肢弹跳机构的结构立体图；
图4是本发明中前肢仿生机构的一个侧视立体图；
图5是本发明中前肢仿生机构的另一个侧视立体图；
图6是本发明中前肢仿生机构的剖视图；
图7是本发明中弹簧锁解机构与齿轮箱上盖及齿轮箱下盖的装配立体图；
图8是本发明中弹簧锁解机构与齿轮箱上盖的装配立体图；
图9是本发明中弹簧锁解机构的整体结构立体图；
图10是本发明中弹簧锁解机构与后肢弹跳机构的装配立体图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
如图1和2所示，一种多功能仿生弹跳及行走机器人，包括机器人躯干1、保护盖61、前肢仿生机构、弹簧锁解机构和后肢弹跳机构；保护盖61与机器人躯干1通过螺钉连接；两个前肢仿生机构对称设置在机器人躯干1前部；两个后肢弹跳机构对称设置在机器人躯干1后部，且分别通过一个弹簧锁解机构驱动。
如图1、2、3和10所示，后肢弹跳机构包括齿轮箱壳体35、齿轮箱上盖38、齿轮箱下盖34、髋关节电机29、曲柄一10、连杆一9、同步齿轮8、大腿杆2、小腿杆一3、小腿杆二6、拉簧一7、拉簧二5、输出轴46、滚筒48和钢绳62；齿轮箱壳体35的两端分别与齿轮箱上盖38和齿轮箱下盖34固定；齿轮箱壳体35通过轴承支承在机器人躯干1上，形成髋关节；髋关节电机29的底座固定在机器人躯干1上，曲柄一10固定在髋关节电机29的输出轴上，连杆一9的两端分别铰接于曲柄一10的一端和齿轮箱上盖38的边缘；两根齿轮轴37对称铰接于齿轮箱上盖38上，固定在两根齿轮轴37上的两个同步齿轮8相啮合；两个同步齿轮8均固连有大腿杆2，小腿杆一3的一端与前部的大腿杆2通过销轴58连接，形成膝关节一；小腿杆一3的另一端与小腿杆二6的中部用销轴58连接，形成踝关节，小腿杆二6的两端分别与后部的大腿杆2和脚掌板4用销轴58连接，形成膝关节二和跗跖关节；拉簧一7的两端分别固定在膝关节一和膝关节二处的销轴58上，拉簧二5的一端固定在踝关节处的销轴58上，另一端固定在跗跖关节处的销轴58上；输出轴46铰接在齿轮箱上盖38上，滚筒48与输出轴46固连，钢绳62的一端缠绕在滚筒48上，另一端固连在踝关节处的销轴58上。
如图1、2、4、5和6所示，前肢仿生机构包括肩关节电机28、直齿轮一27、肩关节轴23、前肢大臂11、肘关节轴17、直齿轮二26、肘关节电机22、锥齿轮二16、锥齿轮一19、前肢小臂12和前肢脚趾13；肩关节电机28的底座固定在机器人躯干1上，直齿轮一27与肩关节电机28的输出轴固连；肩关节轴23通过轴承支承在机器人躯干1上；前肢大臂11的顶端固定在肩关节轴23上，底端通过轴承支承有肘关节轴17；直齿轮二26固连在肩关节轴23上，并与直齿轮一27啮合，齿数比为2：1；肘关节电机22的底座固定在前肢大臂11的底部，锥齿轮一19固连在肘关节电机22的输出轴上；锥齿轮二16固连在肘关节轴17上，并与锥齿轮一19啮合，锥齿轮二16与锥齿轮一19的旋转中心轴交角为90°，齿数比为1：1；前肢小臂12的顶端与肘关节轴17固定；前肢小臂12的底部开设有圆柱形的沉头孔，沉头孔的两侧均开设有槽长沿前肢小臂12臂长方向设置的滑槽；前肢脚趾13的顶端与沉头孔间隙配合；缓冲弹簧15的一端套在前肢脚趾13的顶部，另一端压紧前肢小臂12的沉头孔孔底；限位销14穿过沉头孔两侧的滑槽，并与前肢脚趾13顶部的限位销插孔过盈配合，限位销14可沿滑槽上、下移动。
如图7、8、9和10所示，弹簧锁解机构包括主电机39、直齿轮三40、输入轴44、直齿轮四41、棘爪53、离合器动块45、离合器定块43、拨叉驱动电机49、曲柄二51、连杆二55和拨叉52；主电机39的底座固定在齿轮箱下盖34上，直齿轮三40与主电机39的输出轴固连；输入轴44通过轴承支承在齿轮箱下盖34上，直齿轮四41、棘轮42和离合器定块43均固定在输入轴44上；直齿轮四41与直齿轮三40啮合，齿数比为2：1；棘爪轴56通过轴承支承在齿轮箱下盖34上；棘爪53固定在棘爪轴56上，并与棘爪53啮合；棘爪复位弹簧的一端与棘爪53固定，另一端与齿轮箱下盖34固定；离合器动块45与后肢弹跳机构的输出轴46通过花键连接，并与离合器定块43嵌合，离合器动块45可在输出轴46上移动；离合器复位弹簧47套在输出轴46上，且设置在离合器动块45和齿轮箱上盖38之间；电机支撑架50的两端分别固定在齿轮箱上盖38和齿轮箱下盖34上，拨叉驱动电机49的底座固定在电机支撑架50上，曲柄二51固连在拨叉驱动电机49的输出轴上；连杆二55的两端分别铰接于曲柄二51和拨叉52的端部上；拨叉52的中部与电机支撑架50的支承轴铰接，拨叉52的U型叉嵌入离合器动块45的环形槽内。
下面结合具体设计参数说明该多功能仿生弹跳及行走机器人的工作原理：
1、实现仿青蛙弹跳运动。机器人初始化的位姿：机器人躯干1与地面平行，拉簧一7的长度为                                               ，曲柄一10与水平线的夹角为75°并向前倾斜，前肢大臂11与机器人躯干1的夹角为45°并向后倾斜，前肢小臂12与前肢大臂11的夹角为70°并向前倾斜。拉簧一7的弹性系数，阻尼系数；拉簧二5的弹性系数，阻尼系数。
机器人仿青蛙弹跳的周期，每个周期可分为四个阶段：准备阶段、起跳阶段、腾空上升阶段和着陆阶段。一个周期内，时刻时，主电机39经直齿轮三40、直齿轮四41、输入轴44、离合器动块45、离合器定块43和输出轴46带动滚筒48旋转，钢绳62缠绕在滚筒上，后肢弹跳机构收缩，拉簧一7受拉，储存弹性势能；髋关节电机29带动后肢弹跳机构正转60°，肩关节电机28带动前肢大臂11反转10°，肘关节电机22带动前肢小臂12正转100°，机器人准备起跳；时，拨叉驱动电机49带动拨叉52正转10°，离合器动块45与离合器定块43分离，拉簧一7被释放，逐渐恢复原长，弹性势能转为机械能，机器人获得初速度弹跳离地，与此同时，肩关节电机28带动前肢大臂11正转55°，肘关节电机22带动前肢小臂12反转125°，前肢仿生机构收缩；时，机器人处于腾空上升阶段，拨叉驱动电机49带动拨叉52反转10°，离合器动块45与离合器定块43嵌合；时，机器人处于着陆阶段，主电机39正转带动拉簧一7拉伸至，髋关节电机29带动后肢弹跳机构反转60°，前肢仿生机构为着陆做准备开始伸展，肩关节电机28带动前肢大臂11反转80°，肘关节电机22带动前肢小臂12正转35°；时，机器人的前肢脚趾13先触地，缓冲弹簧15起到缓冲作用，肩关节电机28带动前肢大臂11正转25°，肘关节电机22带动前肢小臂12正转90°，髋关节电机29带动后肢弹跳机构正转60°，机器人复位到准备起跳时的位姿，为下一次起跳做准备。
2、实现仿袋鼠弹跳运动。机器人仿青蛙弹跳时，前肢仿生机构先着地，下落时的重力势能没有得到利用；仿袋鼠弹跳时后肢弹跳机构先着地，重力势能部分转化为拉簧一7的弹性势能，减少主电机39的负载，提高电池的能量利用率，弹跳的距离更远。机器人初始化的位姿与仿青蛙弹跳的位姿一样。拉簧一7的弹性系数，阻尼系数；拉簧二5的弹性系数，阻尼系数。
机器人仿袋鼠弹跳的周期，每个周期可分为四个阶段：准备阶段、起跳阶段、腾空上升阶段和着陆阶段。一个周期内，时刻为机器人的准备阶段和起跳阶段，所有电机的运转情况与仿青蛙弹跳时的相同；时，机器人处于腾空上升阶段，拨叉驱动电机49带动拨叉52反转10°，离合器动块45与离合器定块43在离合器复位弹簧47的作用下嵌合，与此同时，髋关节电机29带动后肢弹跳机构前摆150°；时，机器人处于着陆阶段，前肢仿生机构为着陆做准备开始伸展，肩关节电机28带动前肢大臂11反转90°，肘关节电机22带动前肢小臂12正转100°；时，曲柄一10与连杆一9在一条直线上，处于死点位置，对髋关节电机29起到自锁保护作用，机器人的脚掌板4先触地，拉簧一7在地面冲击力作用下拉伸左右，机器人重力势能部分转化为弹性势能；时，主电机39带动拉簧一7拉伸至，髋关节电机29带动后肢弹跳机构正转150°，肩关节电机28带动前肢大臂11正转35°，肘关节电机22带动前肢小臂12正转25°，机器人复位到准备起跳时的位姿，为下一次起跳做准备。
3、实现原地转向功能。拉簧一7处于拉伸状态，不起作用，拉簧二5的作用是使脚掌板4及时复位。机器人初始化的位姿以及拉簧一7和拉簧二5的参数同机器人仿青蛙弹跳时一样。
机器人转向的周期，每个周期分为三个阶段：前倾阶段、后摆阶段和转向阶段。一个周期内，时刻时，机器人位姿初始化；时，两侧的肩关节电机28带动对应的前肢大臂11正转65°，两侧的肘关节电机22带动对应的前肢小臂12反转65°，两侧的前肢仿生机构同步收缩，机器人前倾；时，一侧的髋关节电机29带动对应的后肢弹跳机构后摆95°，使得脚掌板4脱离地面；时，两侧的肩关节电机28带动对应的前肢大臂11反转65°，两侧的肘关节电机22带动对应的前肢小臂12正转65°，上述髋关节电机29带动对应的后肢弹跳机构前摆95°，使得后肢脚掌板4与地面的接触摩擦力形成了对机器人重心的摩擦力矩，机器人转动，并复位到初始化后的位姿，为下一次转向做准备。
4、实现行走。该机器人目前只能在平地简单地行走，主要有两种行走步伐。第一种步伐是三足触地步伐，即机器人每行走一步，至少有三条腿触地，以维持机器人重心的平衡。第二种步伐是对角足步伐，机器人四条腿可分为两组对角足，每行走一步，两组对角足依次离地、触地，机器人的重心在四条腿对角线的中心。