基于连杆机构的仿生跳跃机器人.pdf

本发明涉及一种基于连杆机构的仿生跳跃机器人，其特征在于：该机器人具体结构包括：(a)机体，由两片近似梯形的四边形镂空金属板组成，用于固定安装机器人的其他部件；(b)履带行进模块：主要包括：两个减震销，一对减震弹簧，三对履带轮；(c)跳跃机构模块：主要包括：大腿、小腿、脚掌、脚连杆，小腿连杆；(d)动力模块：动力模块可分为两个子模块，即单向传动齿轮组和自动储能放能机构子模块。本发明机器人一方面能越过较高的障碍和跳上较高的台阶；另一方面摈弃了单纯地、完全地模仿理念。机器人的跳跃方式与方便快捷、地形适应性强的机器履带行进方式相结合，达到了仿生机器人具有超强越障能力。

1.  一种基于连杆机构的仿生跳跃机器人，其特征在于：该机器人具体结构包括：
(a)机体，由两片近似梯形的四边形镂空金属板组成，用于固定安装机器人的其他部件；其中平行的两边中的长边朝上称为“上边”、短边朝下称为“下边”，短斜边的一侧为机器人前进的方向，即前方；两片金属板通过尾轴、上边栓轴、头部的弹簧拉轴以及下边的两根履带轮轮轴等部件连接在一起；
(b)履带行进模块：主要包括：两个减震销，分别插在位于机体下边前部的孔槽中；一对减震弹簧，分别顶在机体和两个减震销之间的两个孔槽中；三对履带轮；两两对称分别安装在机体的两侧，下边的两对履带轮是从动轮，分别通过滚动轴承固定在两根“履带轮轮轴”上；其中，所述的两根履带轮轮轴，一根安装于减震销上，一根安装在下边的后部；另外一对履带轮安装于机体的短斜边上，是主动轮，由减速电机直接驱动，与下边上的履带轮有一定的高度差；每一侧的三个履带轮通过其上的履带实现连动；
(c)跳跃机构模块：主要包括：大腿、小腿、脚掌、脚连杆，小腿连杆；其中，大腿的一端固定在不完全齿轮主轴上，另一端与小腿的设定位置铰接；小腿的一端与小腿连杆铰接，小腿连杆的另一端与机体铰接；脚掌分别与小腿的另一端及脚连杆的一端铰接；脚连杆的另一端铰接在大腿的预定位置；
(d)动力模块：动力模块可分为两个子模块，即单向传动齿轮组和自动储能放能机构子模块：
1)单向传动齿轮组，单向传动齿轮组主要包括：主动齿轮，与减速电机的输出轴固连；游动卡槽，是开在机体上的与水平面有倾斜角度的一个两头圆的长槽，游动轴，可以在游动卡槽内游动；游动齿轮，与游动轴连接并且与主动齿轮啮合；大齿轮，与游动齿轮啮合；
2)自动储能放能机构子模块，该子模块主要包括：不完全齿轮曲轴，与单向传动齿轮组中的大齿轮固连；不完全齿轮主轴，与大腿固连并且与不完全齿轮曲轴啮合；弹簧拉片，绕在不完全齿轮曲轴上；自动收腿弹簧，一端固定履带压轴上，另一端拉在不完全齿轮主轴上；主弹簧，一端拉在弹簧拉片上，另一端拉在调节螺栓上；调节螺母，与该调节螺栓配合，将主弹簧与一连接片固定；该连接片的另一端固定在机体头部的弹簧拉轴上。

2.  根据权利要求1所述的基于连杆机构的仿生跳跃机器人，其特征在于：在所述的减震销的上方，还设有一根履带压轴，以把履带往下压，以便给机体内部的其他零部件让出空间。

3.  根据权利要求1所述的基于连杆机构的仿生跳跃机器人，其特征在于：所述的小腿的设定位置靠近小腿与小腿连杆的铰接点。

4.  根据权利要求1所述的基于连杆机构的仿生跳跃机器人，其特征在于：所述的大腿的预定位置靠近大腿与小腿的铰接点。

5.  根据权利要求1所述的基于连杆机构的仿生跳跃机器人，其特征在于：设大腿与小腿连杆在机体上的固定点的距离为a，大腿在机体上的固定点到大腿与脚连杆的铰接点的距离为b，大腿与脚连杆的铰接点到大腿与小腿的铰接点的距离为c，小腿连杆的长度为d，小腿与小腿连杆的铰接点到大腿与小腿的铰接点的距离为e，大腿与小腿的铰接点到小腿与脚掌的铰接点的距离为f，脚连杆的长度为g，则有a∶b∶c∶d∶e∶f∶g＝5.7737∶11.5∶1∶12.785∶3.295∶12.5∶12.7013∶2.25，各部分长度在±10％幅度内变化均可实现跳跃动作。

6.  根据权利要求1所述的基于连杆机构的仿生跳跃机器人，其特征在于：所述的游动卡槽的斜角度是与游动齿轮和主动齿轮的连心线垂直，而与游动齿轮和大齿轮的连心线夹角为135°——180°。

7.  根据权利要求1所述的基于连杆机构的仿生跳跃机器人，其特征在于：所述的自动收腿弹簧可以为扭簧。

基于连杆机构的仿生跳跃机器人
技术领域
本发明涉及一种基于连杆机构的仿生跳跃机器人，属于仿生机器人技术领域。
背景技术
随着当代仿生机器人技术的发展，一系列的仿生机器人已经出现在人们的视野，像机器鱼、机器蛇、双足、四足、六足等行进方式的仿生机器人的出现，不但引起了人们广泛的兴趣，而且有一些已被开发成玩具，有一些被开发成了探测器或运载器等具有实际工程应用价值的设备。
在国外，麻省理工学院机器人实验室在1980年研制成功了最早的弹跳机器人，该机器人可以连续跳跃，在实验室中已实现自主稳定跳跃、越障、翻跟斗等功能。美国国家航空宇航局(NASA)下属的喷气动力实验室(JPL)与加利福尼亚技术学院联合研制了系列弹跳机，用于扩大星际探索中漫游车的活动范围，其中一种蛙形弹跳机重量为1.3公斤，最大跳跃高度可达1.8米，预计最大跳跃高度可达5-6米，这一成果被刊登于美国当年的《发现》杂志上。美国明尼苏达大学在2000年也研制出一种弹跳机器人，直径4厘米，可以实现跳跃和滚动功能，其中跳跃由机器人腿内的弹簧机构实现，类似人的单腿跳动。这种机器人可以登楼梯，也可以跳过小的障碍物，还有两个独立的轮子帮助机器人进行普通的移动。此外美国麻省理工学院，瑞士苏黎世大学也分别试制出具有弹跳功能的机器人。美国犹他州大学2001年还专门举办过弹跳机器人大赛。
在国内，2003年初，南京航空航天大学朱剑英教授率先带领其工作队伍开始进行跳跃机器人的相关研究，其主要对国际上现已公布的跳跃机器人方案进行系统的研究，并根据部分理论做出了几个跳跃机器人的样机，进行测试，但效果并不是很好。西北工业大学和哈尔滨工业大学近两年也开展了相关的研究项目，前者主要进行仿袋鼠的跳跃机理，受国家自然科学基金资助，开展了大量的理论研究，运用国际上较为成熟的跳跃理论开展运动分析，得到不少实验数据，但是其根据理论制作的实验样机跳跃效果相差较大。后者从原理上设计了一种仿生蝗虫跳跃机器人，其机构设计较为简单，采用卷线轮滚动拉线从而拉动小腿收回蓄能的方法，落地后再收腿储能；在控制上，需要卷线电机反复正反转动来收拢和释放拉线，需要用舵机扳动“卡勾”释放能量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于连杆机构的仿生跳跃机器人，是一款具有较强越障能力的跳跃机器人。一方面机器人能越过较高的障碍和跳上较高的台阶；另一方面摈弃了单纯地、完全地模仿理念，机器人的跳跃方式与方便快捷、地形适应性强的机器履带行进方式相结合，达到了仿生机器人具有超强越障能力的目的。
本发明采用模块化设计，仅仅借助一个普通减速电机作为动力，单向转动，就可以顺利可循环地完成储能、快速释放、蹬腿、身体离地并保持姿态稳定、空中平稳滑行、空中自动收腿、带缓冲平稳落地的一系列动作。
本发明具体结构包括：
(a)机体，由两片近似梯形的四边形镂空金属板组成，用于固定安装机器人的其他部件；其中平行的两边中的长边朝上称为“上边”、短边朝下称为“下边”，短斜边的一侧为机器人前进的方向，即前方；两片金属板通过尾轴、上边栓轴、头部的弹簧拉轴以及下边的两根履带轮轮轴等部件连接在一起。
(b)履带行进模块。主要包括：两个减震销，分别插在位于机体下边前部的孔槽中；一对减震弹簧，分别顶在机体和两个减震销之间的两个孔槽中；三对履带轮；两两对称，分别安装在机体的两侧，下边的两对履带轮是从动轮，分别通过滚动轴承固定在两根“履带轮轮轴”上；其中，所述的两根履带轮轮轴，一根安装于减震销上，一根安装在下边的后部；另外一对履带轮安装于机体的短斜边上，是主动轮，由减速电机直接驱动，与下边上的履带轮有一定的高度差；每一侧的三个履带轮通过其上的履带实现连动。
其中，在减震销的上方，还设有一根履带压轴，作用是把履带往下压，以便给机体内部的其他零部件让出空间。
其工作过程是：当前方障碍不高于短斜边上履带轮的高度时，通过电机带动短斜边上履带轮转动，可以直接越过障碍；当机器人跳起后落地时，下边前方的履带轮的转轴可以延机体的孔槽上下滑动，从而带动减震销在机体的孔槽中顶着减震弹簧运动，以达到减震的目的。
(c)跳跃机构模块。主要包括：大腿、小腿、脚掌、脚连杆，小腿连杆；其中，大腿的一端固定在不完全齿轮主轴上，另一端与小腿的设定位置铰接；小腿的一端与小腿连杆铰接，小腿连杆的另一端与机体铰接；脚掌分别与小腿的另一端及脚连杆的一端铰接；脚连杆的另一端铰接在大腿的预定位置；
其中，所述的小腿的设定位置靠近小腿与小腿连杆的铰接点。
其中，所述的大腿的预定位置靠近大腿与小腿的铰接点。
其中，设大腿与小腿连杆在机体上的铰接点的距离为a，大腿在机体上的固定点到大腿与脚连杆的铰接点的距离为b，大腿与脚连杆的铰接点到大腿与小腿的铰接点的距离为c，小腿连杆的长度为d，小腿与小腿连杆的铰接点到大腿与小腿的铰接点的距离为e，大腿与小腿的铰接点到小腿与脚掌的铰接点的距离为f，脚连杆的长度为g，则有a∶b∶c∶d∶e∶f∶g＝5.7737∶11.5∶1∶12.785∶3.295∶12.5∶12.7013∶2.25，各部分长度在±10％幅度内变化均可实现跳跃动作。
工作过程是：当不完全齿轮主轴转动时带动大腿转动，由于所设计的连杆机构原理，小腿带动脚掌向机体的后下方约45°蹬出，同时脚连杆可以使脚掌与机体的角度保持基本不变，从而使机体稳定的离开地面，实现平稳跳跃。
(d)动力模块。动力模块可分为两个子模块，即单向传动齿轮组和自动储能放能机构子模块。
1)单向传动齿轮组，单向传动齿轮组主要包括：主动齿轮，与减速电机的输出轴固连；游动卡槽，是开在机体上的与水平面有倾斜角度的一个两头圆的长槽，游动轴，可以在游动卡槽内游动；游动齿轮，与游动轴连接并且与主动齿轮啮合；大齿轮，与游动齿轮啮合。其中，该倾斜角度是与游动齿轮和主动齿轮的连心线垂直，而与游动齿轮和大齿轮的连心线夹角为135°—180°以上即可；
其工作过程是：一方面，当减速电机输出轴逆时针转动时会带动游动齿轮延游动卡槽向斜下方移动到极限位置，进而与大齿轮啮合并传递动力；当减速电机输出轴顺时针转动时，游动齿轮会延游动卡槽向斜上方移动，进而与大齿轮脱离啮合，从而无法传递动力。另一方面，当大齿轮被带动着逆时针转动时，可以与游动齿轮很好地啮合传动，当大齿轮主动的逆时针转动时，会带动游动齿轮延游动卡槽向斜上方移动，从而与游动齿轮脱离啮合，这样大齿轮可以自由的逆时针转动。在整个过程中游动齿轮与主动齿轮都没有脱离，只要主动齿轮逆时针转动的线速度大于大齿轮逆时针转动的线速度，就可以带动游动齿轮回到与大齿轮啮合的位置。
2)自动储能放能机构子模块，该子模块主要包括：不完全齿轮曲轴，与单向传动齿轮组中的大齿轮固连；不完全齿轮主轴，与大腿固连并且与不完全齿轮曲轴啮合；弹簧拉片，绕在不完全齿轮曲轴上；自动收腿弹簧，一端固定履带压轴上，另一端拉在不完全齿轮主轴上；主弹簧，一端拉在弹簧拉片上，另一端拉在调节螺栓上；调节螺母，与该调节螺栓配合，将主弹簧与一连接片固定；该连接片的另一端固定在机体头部的弹簧拉轴上。
其中，自动收腿弹簧可以用扭簧替代来实现其相同的功能。
其工作过程是：在初始状态，主弹簧处于最短极限位置，不完全齿轮曲轴的齿与不完全齿轮主轴的齿是处于脱离啮合状态的，此时，大齿轮逆时针转动可以带动不完全齿轮曲轴逆时针转动，这时不完全齿轮曲轴会把主弹簧拉长，在弹簧被拉长到最长极限位置之前，不完全齿轮曲轴的齿与不完全齿轮主轴的齿开始啮合，不完全齿轮主轴随之开始转动，从而带动大腿转动，进而带动跳跃机构模块的连杆机构动作，使脚掌先着地，并把机体撑起一点，主弹簧会拉动不完全齿轮曲轴主动地继续逆时针转动，游动齿轮会与大齿轮脱离啮合，从而主弹簧的能量会很快的释放，带动不完全齿轮曲轴做快速的逆时针轴快速顺时针转动，进而带动脚掌向机体斜后方约45°快速蹬出，推动机器人跃起。当机体还在空中时，由于主弹簧已经达到最短极限位置，不完全齿轮曲轴的齿与不完全齿轮主轴的齿重新处于脱离啮合的状态，自动收腿弹簧会拉动不完全齿轮主轴回到初始位置，进而带动跳跃机构模块收回到初始状态。最后机体靠惯性在空中运动完之后，利用履带行进模块的减震装置缓冲落地。至此，机器人所有的机械部件经历了一个完整的循环过程，并回到初始状态，可以进行下一个周期的动作。
本发明一种基于连杆机构的仿生跳跃机器人，其优点及功效在于：所述的功能都已经过了所制作的实物的实验验证，仿生跳跃机器人顺利完成了履带前行、跳跃栏杆、跳上台阶等一系列试验项目。一方面机器人能越过较高的障碍和跳上较高的台阶；另一方面摈弃了单纯地、完全地模仿理念。机器人的跳跃方式与方便快捷、地形适应性强的机器履带行进方式相结合，达到了仿生机器人具有超强越障能力。本发明设计的实现具有工程实用价值，在星际探测、军事侦查、新型玩具开发等方面具有很好的应有前景。
附图说明
图1仿生跳跃机器人总体结构图；
图2不完全齿轮曲轴结构示意图；
图2a为图2的A向剖视图；
图2b为图2的B向剖视图；
图2c为图2的C向剖视图；
图3跳跃机构模块的脚掌平动曲线原理图；
图4跳跃机构模块的脚掌转动姿态原理图；
图中具体标号如下：
1、机体 2、上边 3、下边 4、短斜边 5、尾轴 6、上边栓轴 7、弹簧拉轴8、履带轮轮轴 9、减震销 10、减震弹簧 11、履带轮 12、履带 13、履带压轴14、大腿 15、小腿 16、脚掌 17、脚连杆 18、小腿连杆 19、主动齿轮20、减速电机的输出轴 21、游动卡槽 22、游动轴 23、游动齿轮 24、大齿轮25、不完全齿轮曲轴 26、不完全齿轮主轴 27、弹簧拉片 28、自动收腿弹簧29、主弹簧 30、调节螺栓 31、调节螺母 32、连接片P、脚的平动轨迹 Z、脚的姿态轨迹
具体实施方案
下面结合附图及具体实施例，对本发明的技术方案做进一步说明。
本发明一种基于连杆机构的仿生跳跃机器人，采用模块化设计，仅仅借助一个普通减速电机作为动力，单向转动，就可以顺利可循环地完成储能、快速释放、蹬腿、身体离地并保持姿态稳定、空中平稳滑行、空中自动收腿、带缓冲平稳落地的一系列动作。
如图1所示，本发明具体机构包括：
(a)机体1，由两片近似梯形的四边形镂空金属板组成，用于固定安装机器人的其他部件；其中平行的两边中的长边朝上称为“上边”2、短边朝下称为“下边”3，短斜边4的一侧为机器人前进的方向，即前方；两片金属板通过尾轴5、上边栓轴6、头部的弹簧拉轴7以及下边的两根履带轮轮轴8等部件连接在一起。
(b)履带行进模块；主要包括：两个减震销9，分别插在位于机体1下边前部的孔槽中；一对减震弹簧10，分别顶在机体1和两个减震销9之间的两个孔槽中；三对履带轮11；两两对称，分别安装在机体1的两侧，下边3的两对履带轮是从动轮，分别通过滚动轴承固定在两根“履带轮轮轴”8上；其中，所述的两根履带轮轮轴8，一根安装于减震销9上，一根安装在下边3的后部；另外一对履带轮11安装于机体1的短斜边4上，是主动轮，由减速电机直接驱动，与下边3上的履带轮有一定的高度差；每一侧的三个履带轮通过其上的履带12实现连动。
其中，在减震销9的上方，还设有一根履带压轴13，作用是把履带往下压，以便给机体内部的其他零部件让出空间。
其工作过程是：当前方障碍不高于短斜边上履带轮的高度时，通过电机带动短斜边上履带轮转动，可以直接越过障碍；当机器人跳起后落地时，下边前方的履带轮的转轴可以延机体的孔槽上下滑动，从而带动减震销在机体的孔槽中顶着减震弹簧运动，以达到减震的目的。
(c)跳跃机构模块：主要包括：大腿14、小腿15、脚掌16、脚连杆17，小腿连杆18；其中，大腿14的一端固定在不完全齿轮主轴26上，另一端与小腿15的设定位置铰接；小腿的一端与小腿连杆铰接，小腿连杆的另一端与机体铰接；脚掌16分别与小腿15的另一端及脚连杆17的一端铰接；脚连杆17的另一端铰接在大腿14的预定位置；
其中，所述的小腿的设定位置靠近小腿与小腿连杆的铰接点。
其中，所述的大腿的预定位置靠近大腿与小腿的铰接点。
其中，设大腿与小腿连杆在机体上的铰接点的距离为a，大腿在机体上的固定点到大腿与脚连杆的铰接点的距离为b，大腿与脚连杆的铰接点到大腿与小腿的铰接点的距离为c，小腿连杆的长度为d，小腿与小腿连杆的铰接点到大腿与小腿的铰接点的距离为e，大腿与小腿的铰接点到小腿与脚掌的铰接点的距离为f，脚连杆的长度为g，则有a∶b∶c∶d∶e∶f∶g＝5.7737∶11.5∶1∶12.785∶3.295∶12.5∶12.7013∶2.25，各部分长度在±10％幅度内变化均可实现跳跃动作。本发明具体实施例的取值如图4所示。
工作过程是：当不完全齿轮主轴26转动时带动大腿14转动，由于所设计的连杆机构原理，小腿15带动脚掌16向机体1的后下方约45°蹬出，同时脚连杆17可以使脚掌16与机体1的角度保持基本不变，从而使机体1稳定的离开地面，实现平稳跳跃。
(d)动力模块：动力模块可分为两个子模块，即单向传动齿轮组和自动储能放能机构子模块。
1)单向传动齿轮组，单向传动齿轮组主要包括：主动齿轮19，与减速电机的输出轴20固连；游动卡槽21，是开在机体上的与水平面有倾斜角度的一个两头圆的长槽，游动轴22，可以在游动卡槽21内游动；游动齿轮23，与游动轴22连接并且与主动齿轮19啮合；大齿轮24，与游动齿轮23啮合。其中，该倾斜角度是与游动齿轮和主动齿轮的连心线垂直，而与游动齿轮和大齿轮的连心线夹角为135°——120°以上即可.
其工作过程是：一方面，当减速电机输出轴逆时针转动时会带动游动齿轮延游动卡槽向斜下方移动到极限位置，进而与大齿轮啮合并传递动力；当减速电机输出轴顺时针转动时，游动齿轮会延游动卡槽向斜上方移动，进而与大齿轮脱离啮合，从而无法传递动力。另一方面，当大齿轮被带动着逆时针转动时，可以与游动齿轮很好地啮合传动，当大齿轮主动的逆时针转动时，会带动游动齿轮延游动卡槽向斜上方移动，从而与游动齿轮脱离啮合，这样大齿轮18可以自由的逆时针转动。在整个过程中游动齿轮与主动齿轮都没有脱离，只要主动齿轮逆时针转动的线速度大于大齿轮逆时针转动的线速度，就可以带动游动齿轮回到与大齿轮啮合的位置。
2)自动储能放能机构子模块，该子模块主要包括：不完全齿轮曲轴25，与单向传动齿轮组中的大齿轮24固连；不完全齿轮主轴26，与大腿14同连并且与不完全齿轮曲轴25啮合；弹簧拉片27，绕在不完全齿轮曲轴25上；自动收腿弹簧28，一端固定履带压轴13上，另一端拉在不完全齿轮主轴26上；主弹簧29，一端拉在弹簧拉片27上，另一端拉在调节螺栓30上；调节螺母31，与该调节螺栓30配合，将主弹簧29与一连接片32固定；该连接片32的另一端固定在机体头部的弹簧拉轴7上。
其中，自动收腿弹簧可以用扭簧替代来实现其相同的功能。
其工作过程是：在初始状态，主弹簧处于最短极限位置，不完全齿轮曲轴的齿与不完全齿轮主轴的齿是处于脱离啮合状态的，此时，大齿轮逆时针转动可以带动不完全齿轮曲轴逆时针转动，这时不完全齿轮曲轴会把主弹簧拉长，在弹簧被拉长到最长极限位置之前，不完全齿轮曲轴的齿与不完全齿轮主轴的齿开始啮合，不完全齿轮主轴随之开始转动，从而带动大腿转动，进而带动跳跃机构模块的连杆机构动作，使脚掌先着地，并把机体撑起一点，主弹簧会拉动不完全齿轮曲轴主动地继续逆时针转动，游动齿轮会与大齿轮脱离啮合，从而主弹簧的能量会很快的释放，带动不完全齿轮曲轴做快速的逆时针轴快速顺时针转动，进而带动脚掌向机体斜后方约45°快速蹬出，推动机器人跃起。当机体还在空中时，由于主弹簧已经达到最短极限位置，不完全齿轮曲轴的齿与不完全齿轮主轴的齿重新处于脱离啮合的状态，自动收腿弹簧会拉动不完全齿轮主轴回到初始位置，进而带动跳跃机构模块收回到初始状态。最后机体靠惯性在空中运动完之后，利用履带行进模块的减震装置缓冲落地。至此，机器人所有的机械部件经历了一个完整的循环过程，并回到初始状态，可以进行下一个周期的动作。
参阅图2，不完全齿轮曲轴19设计的关键在于不完全齿轮的齿与曲轴的曲柄方向的相对位置，合理的设计可以保证满足前述自动储能放能机构模块中两个不完全齿轮相互啮合与脱离的时间要求。
参阅图3，大腿14由图1中的不完全齿轮主轴26带动，当大腿14转动时，小腿15末端的运动轨迹如图所示，这条轨迹近似一条向斜下方45°的直线，这样，就模仿了昆虫蹬腿的动作。
参阅图4，在大腿上14增加一个铰接点，通过脚连杆17与脚掌16上的一个铰接点链接可以保证在蹬腿的过程中，脚掌16相对于机体1的位置和姿态如图4所示，只要身体的重心偏离图4中所示的“脚的运动轨迹”的延长线不多，在蹬腿过程中就可以保证脚掌16的脚跟和脚尖同时着地，这样，脚掌16的姿态保证了身体在腾空时是平稳的。