一種連桿傳動的單腿機器人跳躍機構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種連桿傳動的單腿機器人跳躍機構，包括依次鉸接的機身、大腿和小腿，大腿設有驅動小腿轉動的跳躍驅動裝置，機身與大腿的鉸接處設有驅動大腿旋轉的方向驅動裝置，小腿上端具有與大腿下端鉸接的小腿頂板，小腿頂板與跳躍驅動裝置之間設有傳動桿，傳動桿的兩端分別與驅動裝置和小腿頂板鉸接，大腿與小腿頂板之間還設有彈性儲能件。方向驅動裝置能夠驅動大腿旋轉，實現方向控制；跳躍驅動裝置和方向驅動裝置靠近機身，這降低了大腿相對于機身的轉動慣量，能減少第一驅動電機的能耗，提高機器人運動的穩(wěn)定性和敏捷性；通過平衡飛輪，增加了機器人的穩(wěn)定性；通過設置的彈性儲能件和平衡件，既能儲能又能緩沖。
【專利說明】一種連桿傳動的單腿機器人跳躍機構
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及機器人【技術領域】，具體涉及一種連桿傳動的單腿機器人跳躍機構。
【背景技術】
[0002]近些年來，機器人技術得到了迅速的發(fā)展，人們對機器人作業(yè)的運動快速性和高效性提出了更高的要求。機器人的移動主要有三種方式，一種是輪式或履帶式，另一種是步行式或者爬行式，第三種是彈跳式。對于腿式機器人而言，如何實現機器人的快速跳躍和跑步運動已經成為機器人【技術領域】的研究熱點。目前，我國大部分的腿式機器人已經能夠實現步行和爬行等功能，但是運動速度受到自身重量與電機功率等因素的限制，相比于國外先進的機器人存在明顯的差距。
[0003]單腿機器人是腿式機器人中結構最簡單的機器人，設計單腿機器人具有成本低和周期短的優(yōu)點。通過設計單腿機器人機構，我們可以更好地了解腿式機器人的結構特點和運動特性。
[0004]如申請公布號為CN102556193A的專利文獻公開的一種連續(xù)跳躍的彈跳機器人，它包括機架、彈跳機構、調節(jié)機構、傳感控制模塊和電池，機架用于安裝固定彈跳機構、調節(jié)機構、傳感控制模塊和電池；彈跳機構實現彈跳機器人的站立和彈跳；調節(jié)機構用于彈跳機器人落地跌倒后自復位和起跳方向及角度的調節(jié)；傳感控制模塊感知彈跳機器人的姿態(tài)、朝向以及彈跳機構中凸輪和調節(jié)機構中桿腿的轉動位置，控制彈跳機器人的動作并與遠程遠程終端無線通信，上傳傳感器數據和接收遠程終端的命令，同時顯示彈跳機器人的工作狀態(tài)；電池為彈跳機器人提供電能。
[0005]申請公布號為CN102556193A的專利文獻提供的彈跳機器人能夠實現彈跳和保持平衡，但是在工作時主要依賴電機提供能量，不具備機構儲能裝置，因此對電機的負荷比較大。
[0006]申請公布號為CN103264733A的專利文獻公開了一種動力儲能的單腿機器人原地跳躍機構，機器人由身體、髖關節(jié)、膝關節(jié)、足底和大小腿五部分組成，身體與大腿、大腿與小腿之間分別通過髖關節(jié)和膝關節(jié)連接；髖關節(jié)由電機、諧波減速器、編碼器和髖彈簧等元件組成，具有主動輸出關節(jié)力矩的功能，通過同步帶為膝關節(jié)提供主動的力矩輸出；膝關節(jié)的膝轉軸安裝膝彈簧，膝關節(jié)通過將機器人的重力勢能轉化為膝彈簧的彈性勢能，為機器人的跳躍積蓄和補償能量；足部安裝有力傳感器，用于檢測機器人的觸地信息。但是該單腿機器人原地跳躍機構雖然采用了串聯彈性驅動裝置，具有一定的儲能效果，但儲能能力較弱，且由于沒有髖關節(jié)驅動器，機器人只能在原地彈跳，不能進行前進或后退運動。

【發(fā)明內容】

[0007]針對上述問題，本發(fā)明提供了 一種連桿傳動的單腿機器人跳躍機構。解決了現有技術儲能效果較弱，只能原地跳躍的問題。
[0008]本發(fā)明采取的技術方案如下:[0009]一種連桿傳動的單腿機器人跳躍機構，包括依次鉸接的機身、大腿和小腿，所述大腿設有驅動小腿轉動的跳躍驅動裝置，所述機身與大腿的鉸接處設有驅動大腿旋轉的方向驅動裝置，所述小腿上端具有與大腿下端鉸接的小腿頂板，小腿頂板與跳躍驅動裝置之間設有傳動桿，所述傳動桿的兩端分別與驅動裝置和小腿頂板鉸接，所述大腿與小腿頂板之間還設有彈性儲能件。
[0010]作為優(yōu)選，所述大腿包括:
[0011]與機身鉸接的安裝架，用于安裝跳躍驅動裝置和方向驅動裝置；
[0012]三腳架，一端與安裝架固定，另一端與小腿頂板鉸接。
[0013]所述安裝架位于大腿的上端，跳躍驅動裝置和方向驅動裝置安裝在安裝架內，這樣的設計使得機器人大腿相對于機身的轉動慣量大大減少，即減小了方向驅動裝置中電機的功率需求，同時也降低了對身體姿態(tài)的角動量影響，這有助于提高大腿轉動的靈活性和身體姿態(tài)的穩(wěn)定性。
[0014]作為優(yōu)選,所述方向驅動裝置包括:
[0015]固定在安裝架上的第一驅動電機；
[0016]固定在安裝架上與第一驅動電機配合的第一諧波減速器；
[0017]與第一波減速器輸出軸配合的第一串聯彈性驅動器，
[0018]所述第一串聯彈性驅動器包括同心布置能相對旋轉的第一外環(huán)和第一內環(huán)，第一外環(huán)和第一內環(huán)之間設有若干第一彈性件，所述第一內環(huán)與第一波減速器輸出軸固定，所述第一外環(huán)與機身固定。
[0019]第一驅動電機啟動后，通過第一諧波減速器帶動第一內環(huán)相對于第一外環(huán)旋轉，因為第一外環(huán)與機身固定，所以大腿相對于機身旋轉，通過控制第一驅動電機的旋轉方向可以控制大腿做順時針或者逆時針運動，實現跳躍方向的切換。
[0020]作為優(yōu)選，所述跳躍驅動裝置包括:
[0021]固定在安裝架上的第二驅動電機；
[0022]固定在安裝架上與第二驅動電機配合的第二諧波減速器；
[0023]與第二波減速器輸出軸配合的第二串聯彈性驅動器，
[0024]所述第二串聯彈性驅動器包括同心布置能相對旋轉的第二外環(huán)和第二內環(huán)，第二外環(huán)和第二內環(huán)之間設有若干第二彈性件，所述第二內環(huán)與第二波減速器輸出軸固定，所述第二外環(huán)與所述傳動桿鉸接。
[0025]第二驅動電機啟動后，通過第二諧波減速器帶動第二內環(huán)相對于第二外環(huán)旋轉，因為第二外環(huán)與傳動桿鉸接，傳動桿與小腿頂板鉸接，第二外環(huán)的旋轉驅動小腿轉動，實現跳躍動作。
[0026]作為優(yōu)選，所述彈性儲能件包括串聯的儲能彈簧和第一鋼絲繩。
[0027]為了防止儲能彈簧與小腿頂板之間發(fā)生干涉，作為優(yōu)選，所述儲能彈簧的一端與大腿固定，另一端與第一鋼絲繩連接；所述第一鋼絲繩的一端與儲能彈簧連接，另一端與小腿頂板連接。
[0028]所述儲能彈簧初始狀態(tài)為被拉伸狀態(tài)。
[0029]在機器人未著地前，為了保持小腿的穩(wěn)定，作為優(yōu)選，所述大腿與小腿頂板之間還設有平衡件，所述平衡件包括串聯的預拉緊彈簧和第二鋼絲繩，平衡件和彈性儲能件分別位于小腿頂板旋轉軸線的兩側。
[0030]為了防止預拉緊彈簧與小腿頂板之間發(fā)生干涉，作為優(yōu)選，所述預拉緊彈簧的一端與大腿固定，另一端與第二鋼絲繩連接；所述第二鋼絲繩的一端與預拉緊彈簧連接，另一端與小腿頂板連接。
[0031]作為優(yōu)選，所述小腿頂板上固定有轉輪，轉輪的中心線與小腿頂板的旋轉軸線平行，轉輪外壁上設有用于嵌合第一鋼絲繩和第二鋼絲繩的凹槽，且第一鋼絲繩和第二鋼絲繩均固定在轉輪上。
[0032]小腿頂板旋轉時帶動轉輪旋轉，相應的凹槽可以容納第一鋼絲繩和第二鋼絲繩。
[0033]為了減少緊固件，作為優(yōu)選，所述第一鋼絲繩和第二鋼絲繩相連構成一條鋼絲繩，該鋼絲繩繞過轉輪并通過緊固件固定在凹槽上。
[0034]為了使機器人具有較好的受力以及較大的儲能，作為優(yōu)選，所述轉輪、平衡件和彈性儲能件均為兩個，分布在小腿頂板相對兩側。
[0035]作為優(yōu)選，所述機身包括基座以及轉接在基座上的平衡飛輪，所述基座上還固定有相互配合的飛輪電機和飛輪減速器，飛輪減速器的輸出軸通過同步帶或者齒輪組與平衡飛輪配合，驅動平衡飛輪轉動。
[0036]旋轉的平衡飛輪在機器人運動過程中能夠抵消由于腿部運動對身體姿態(tài)造成的影響，能增加機器人的穩(wěn)定性。
[0037]所述基座上還設有陀螺儀。陀螺儀使得機器人能夠主動檢測滯空時期的位姿。
[0038]所述小腿還包括頂端與小腿頂板固定的小腿鋁管，該小腿鋁管底端設有彈性足底，該彈性足底設有傳感器。
[0039]本發(fā)明的有益效果是:方向驅動裝置能夠驅動大腿旋轉，實現方向控制；通過將跳躍驅動裝置和方向驅動裝置安置在位于大腿上側靠近機身的安裝架上，并通過傳動桿驅動小腿旋轉，這不僅降低了大腿相對于機身的轉動慣量，減少了第一驅動電機的能耗，提高機器人運動的穩(wěn)定性和敏捷性，而且還可以更好的模擬自然界生物的跳躍特性；通過設置在機身內的平衡飛輪，機器人在運動時，能抵消因為腿部運動對身體姿態(tài)造成的影響，增加機器人的穩(wěn)定性；通過設置的彈性儲能件和平衡件，能將機器人的動能轉變?yōu)閮δ軓椈珊皖A拉緊彈簧的彈性勢能，減少了著地過程中對機器人的瞬間沖擊，并且為機器人的再次起跳儲備能量，有利用機器人向前或向后跳躍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0040]圖1是本發(fā)明連桿傳動的單腿機器人跳躍機構的結構示意圖；
[0041]圖2是機身的結構示意圖；
[0042]圖3是大腿的結構示意圖；
[0043]圖4是本發(fā)明連桿傳動的單腿機器人跳躍機構的側視圖。
[0044]1.機身，2.大腿，3.小腿，4.安裝架，5.三腳架，6.第一串聯彈性驅動器，7.第二串聯彈性驅動器，8.傳動桿，9.小腿頂板，10.緊固件，11.轉輪，12.第一鋼絲繩，13.儲能彈簧，14.第二鋼絲繩，15.預拉緊彈簧，16.平衡飛輪，17.同步帶，18.飛輪減速器，19.飛輪電機，20.基座，21.夾緊管，22.側夾板，23.陀螺儀，24.第一驅動電機，25.第一諧波減速器，26.第一編碼器，27.第二編碼器，28.第二驅動電機，29.第二諧波減速器，30.第三編 碼器，31.第四編碼器。
【具體實施方式】
[0045]如圖1?4所示，一種連桿傳動的單腿機器人跳躍機構，包括依次鉸接的機身1、大腿2和小腿3，大腿設有驅動小腿轉動的跳躍驅動裝置以及驅動大腿旋轉的方向驅動裝置。
[0046]如圖2所示，機身I包括基座20、轉接在基座上的平衡飛輪16以及固定在基座上的陀螺儀23，基座上還固定有相互配合的飛輪電機19和飛輪減速器18，飛輪減速器的輸出軸通過同步帶17驅動平衡飛輪轉動?；?0還設有對稱設置的兩個側夾板22，側夾板通過夾緊管21固定成一個整體，每個側夾板均包括與大腿鉸接的轉接板，兩個轉接板直接還固定有第一串聯彈性驅動器6。
[0047]如圖1、3所示，小腿3的上端具有與大腿下端鉸接的小腿頂板9，小腿頂板與跳躍驅動裝置之間設有傳動桿8，傳動桿的兩端分別與驅動裝置和小腿頂板鉸接，大腿與小腿頂板之間還設有彈性儲能件和平衡件。
[0048]大腿2包括用于安裝跳躍驅動裝置和方向驅動裝置的安裝架4以及一端與安裝架固定另一端與小腿頂板9鉸接的三腳架5。
[0049]安裝架的一端與轉接板配合，能繞轉接板轉動，方向驅動裝置設置在該端；跳躍驅動裝置設置在安裝架的另一端。
[0050]方向驅動裝置包括:
[0051]固定在安裝架上的第一驅動電機24 ；
[0052]固定在安裝架上與第一驅動電機配合的第一諧波減速器25 ；
[0053]與第一波減速器輸出軸配合的第一串聯彈性驅動器6。
[0054]該第一串聯彈性驅動器包括同心布置能相對旋轉的第一外環(huán)和第一內環(huán)，第一外環(huán)和第一內環(huán)之間設有若干第一彈性件，第一內環(huán)與第一波減速器25的輸出軸固定，第一外環(huán)與機身I固定。方向驅動裝置還包括測量第一串聯彈性驅動器驅動力或力矩的第一編碼器26和第二編碼器27。
[0055]跳躍驅動裝置包括:
[0056]固定在安裝架上的第二驅動電機28 ;
[0057]固定在安裝架上與第二驅動電機配合的第二諧波減速器29 ；
[0058]與第二波減速器輸出軸配合的第二串聯彈性驅動器7，
[0059]該第二串聯彈性驅動器包括同心布置能相對旋轉的第二外環(huán)和第二內環(huán)，第二外環(huán)和第二內環(huán)之間設有若干第二彈性件，第二內環(huán)與第二波減速器29的輸出軸固定，第二外環(huán)與傳動桿8鉸接。跳躍驅動裝置還包括測量測量第二串聯彈性驅動器驅動力或力矩的第三編碼器30和第四編碼器31。
[0060]如圖1所示，小腿頂板9上固定有轉輪11，且轉輪的中心線與小腿頂板的旋轉軸線平行，上述的彈性儲能件包括相互串聯的儲能彈簧13和第一鋼絲繩12，平衡件包括相互串聯的預拉緊彈簧15和第二鋼絲繩14。儲能彈簧13和預拉緊彈簧15均與安裝架4固定，一鋼絲繩12和第二鋼絲繩14相連為同一根鋼絲繩，該由一鋼絲繩12和第二鋼絲繩14構成的鋼絲繩一端與儲能彈簧13連接，繞過轉輪11后與預拉緊彈簧15連接。
[0061]轉輪11外壁上設有凹槽，用于嵌合鋼絲繩，且轉輪具有緊固件10使鋼絲繩固定在凹槽上。
[0062]初始狀態(tài)時，儲能彈簧13和預拉緊彈簧15均處在被拉伸狀態(tài)。
[0063]儲能彈簧初始狀態(tài)為被拉伸狀態(tài)。
[0064]如圖1所示，轉輪、平衡件和彈性儲能件均為兩個，分布在小腿頂板相對兩側。小腿還包括頂端與小腿頂板固定的小腿鋁管，該小腿鋁管底端設有彈性足底，該彈性足底設有傳感器。
[0065]本發(fā)明工作原理，當第一驅動電機工作時，第一內環(huán)相對于第一外環(huán)旋轉，控制大腿的方向以此控制機器人的運動方向，當第二驅動電機工作時，第二外環(huán)旋轉帶動傳動桿運動，使小腿旋轉進行跳躍，同時小腿轉動時會帶動鋼絲繩運動，拉緊或放松儲能彈簧、預拉緊彈簧，實現緩沖儲能以及跳躍時的儲能利用。
[0066]本發(fā)明方向驅動裝置能夠驅動大腿旋轉，實現方向控制；通過將跳躍驅動裝置和方向驅動裝置安置在位于大腿上側靠近機身的安裝架上，并通過傳動桿驅動小腿旋轉，這不僅降低了大腿相對于機身的轉動慣量，減少了第一驅動電機的能耗，提高機器人運動的穩(wěn)定性和敏捷性，而且還可以更好的模擬自然界生物的跳躍特性；通過設置在機身內的平衡飛輪，機器人在運動時，能抵消因為腿部運動對身體姿態(tài)造成的影響，增加機器人的穩(wěn)定性；通過設置的彈性儲能件和平衡件，能將機器人的動能轉變?yōu)閮δ軓椈珊皖A拉緊彈簧的彈性勢能，減少了著地過程中對機器人的瞬間沖擊，并且為機器人的再次起跳儲備能量，有利用機器人向前或向后跳躍。
【權利要求】
1.一種連桿傳動的單腿機器人跳躍機構，包括依次鉸接的機身、大腿和小腿，所述大腿設有驅動小腿轉動的跳躍驅動裝置，其特征在于，所述機身與大腿的鉸接處設有驅動大腿旋轉的方向驅動裝置，所述小腿上端具有與大腿下端鉸接的小腿頂板，小腿頂板與跳躍驅動裝置之間設有傳動桿，所述傳動桿的兩端分別與驅動裝置和小腿頂板鉸接，所述大腿與小腿頂板之間還設有彈性儲能件。
2.根據權利要求1所述的連桿傳動的單腿機器人跳躍機構，其特征在于，所述大腿包括: 與機身鉸接的安裝架，用于安裝跳躍驅動裝置和方向驅動裝置； 三腳架，一端與安裝架固定，另一端與小腿頂板鉸接。
3.根據權利要求2所述的連桿傳動的單腿機器人跳躍機構，其特征在于，所述方向驅動裝置包括: 固定在安裝架上的第一驅動電機； 固定在安裝架上與第一驅動電機配合的第一諧波減速器； 與第一波減速器輸出軸配合的第一串聯彈性驅動器， 所述第一串聯彈性驅動器包括同心布置能相對旋轉的第一外環(huán)和第一內環(huán)，第一外環(huán)和第一內環(huán)之間設有若干第一彈性件，所述第一內環(huán)與第一波減速器輸出軸固定，所述第一外環(huán)與機身固定。
4.根據權利要求2所述的連桿傳動的單腿機器人跳躍機構，其特征在于，所述跳躍驅動裝置包括: 固定在安裝架上的第二驅動電機； 固定在安裝架上與第二驅動電機配合的第二諧波減速器； 與第二波減速器輸出軸配合的第二串聯彈性驅動器， 所述第二串聯彈性驅動器包括同心布置能相對旋轉的第二外環(huán)和第二內環(huán)，第二外環(huán)和第二內環(huán)之間設有若干第二彈性件，所述第二內環(huán)與第二波減速器輸出軸固定，所述第二外環(huán)與所述傳動桿鉸接。
5.根據權利要求1所述的連桿傳動的單腿機器人跳躍機構，其特征在于，所述彈性儲能件包括串聯的儲能彈簧和第一鋼絲繩。
6.根據權利要求5所述的連桿傳動的單腿機器人跳躍機構，其特征在于，所述大腿與小腿頂板之間還設有平衡件，所述平衡件包括串聯的預拉緊彈簧和第二鋼絲繩，平衡件和彈性儲能件分別位于小腿頂板旋轉軸線的兩側。
7.根據權利要求6所述的連桿傳動的單腿機器人跳躍機構，其特征在于，所述小腿頂板上固定有轉輪，轉輪的中心線與小腿頂板的旋轉軸線平行，轉輪外壁上設有用于嵌合第一鋼絲繩和第二鋼絲繩的凹槽，且第一鋼絲繩和第二鋼絲繩均固定在轉輪上。
8.根據權利要求7所述的連桿傳動的單腿機器人跳躍機構，其特征在于，所述第一鋼絲繩和第二鋼絲繩相連構成一條鋼絲繩，該鋼絲繩繞過轉輪并通過緊固件固定在凹槽上。
9.根據權利要求7所述的連桿傳動的單腿機器人跳躍機構，其特征在于，所述轉輪、平衡件和彈性儲能件均為兩個，分布在小腿頂板相對兩側。
10.根據權利要求1所述的連桿傳動的單腿機器人跳躍機構，其特征在于，所述機身包括基座以及轉接在基座上的平衡飛輪，所述基座上還固定有相互配合的飛輪電機和飛輪減速器，飛輪減速器的輸出軸通過同步帶或者齒輪組與平衡飛輪配合，驅動平衡飛輪轉動。
【文檔編號】B62D57/02GK103879470SQ201410107811
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權日:2014年3月21日
【發(fā)明者】趙逸棟, 朱秋國, 熊蓉 申請人:浙江大學