仿鴕鳥后肢運動功能特性的節(jié)能步行腿機(jī)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機(jī)器人領(lǐng)域，涉及一種仿鴕鳥后肢運動功能特性的節(jié)能步行腿機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]鴕鳥是目前世界上奔跑最快的兩足動物。研究顯示，在鴕鳥腿從彎曲狀態(tài)到伸張過程中，當(dāng)小腿與跖骨的角度大于108°時，鴕鳥跖骨會自動伸張。這種被動的伸張過程，能夠節(jié)約鴕鳥運動的能量消耗。同時，鴕鳥在沙漠中的奔跑速度能夠達(dá)到50-60Km/h，并能夠持續(xù)30分鐘。由于鴕鳥運動具備節(jié)能和高速特征，鴕鳥在速度和節(jié)能方面比其他雙足動物更加優(yōu)越。根據(jù)工程仿生學(xué)原理，可將鴕鳥的優(yōu)越性能應(yīng)用到雙足機(jī)器人的設(shè)計當(dāng)中。美國國防研究高級計劃局資助研制的“快跑者”鴕鳥形機(jī)器人能在15秒之內(nèi)從靜止加速到32千米/小時，最大時速43千米，并于2012年制造并測試。來自俄羅斯的四人團(tuán)體，已經(jīng)做出了一臺造價僅1500美元的可載人鴕鳥機(jī)器人。盡管國外對鴕鳥機(jī)器人進(jìn)行了初步研究，但是主要考慮運動速度和造價，目前尚未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、低能耗的仿鴕鳥后肢節(jié)能步行腿機(jī)構(gòu)相關(guān)研究報道。
[0003]本發(fā)明以高效運動的鴕鳥后肢為仿生原型，通過鴕鳥奔跑后肢運動參數(shù)分析，結(jié)合生物解剖學(xué)，確定了鴕鳥后肢結(jié)構(gòu)尺寸，并根據(jù)鴕鳥跗骨間關(guān)節(jié)回彈特性，優(yōu)化設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、高效節(jié)能的步行腿機(jī)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種仿鴕鳥后肢運動功能特性的節(jié)能步行腿機(jī)構(gòu)。本發(fā)明使鴕鳥機(jī)器人能夠模仿鴕鳥行走姿態(tài)，并具有結(jié)構(gòu)簡單、高效節(jié)能的優(yōu)點。本發(fā)明以高效運動的鴕鳥后肢為仿生原型，通過鴕鳥奔跑后肢運動參數(shù)分析，結(jié)合生物解剖學(xué)，確定了鴕鳥后肢結(jié)構(gòu)尺寸，并根據(jù)鴕鳥跗骨間關(guān)節(jié)回彈特性，優(yōu)化設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、高效節(jié)能的步行腿機(jī)構(gòu)。
[0005]本發(fā)明包括機(jī)架、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、回彈機(jī)構(gòu)和足趾；曲柄連桿機(jī)構(gòu)包括曲柄、大腿以及搖桿；回彈機(jī)構(gòu)包括定滑塊、連桿、跖骨、閘線、小腿、擋塊、彈簧、動滑塊、棘爪、棘輪和角度限制器；足趾為柔性儲能材料制作而成；回彈機(jī)構(gòu)中的定滑塊固定在機(jī)架上，小腿與定滑塊組成滑動副；彈簧底端與擋塊接觸，擋塊固定在小腿上，彈簧另一端與動滑塊接觸，動滑塊可以在小腿上滑動；動滑塊通過連桿與跖骨相連；跖骨與小腿通過角度限制器鉸接，棘輪機(jī)構(gòu)包括棘爪和棘輪，棘輪機(jī)構(gòu)安裝在跖骨與小腿的鉸接處；閘線一端固定在棘爪上，閘線另一端與動滑塊相連；跖骨底端通過扭轉(zhuǎn)彈簧與足趾鉸接，不受外力作用時，跖骨與足趾相夾的角度為120°。
[0006]所述的足趾觸地期所對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角與足趾離地期所對應(yīng)的曲柄轉(zhuǎn)角比為5:19，并且足趾觸地期與離地期時間相同。
[0007]本發(fā)明的有益效果:
[0008]1、整體采用連桿機(jī)構(gòu)，并且只使用一臺電動機(jī)進(jìn)行動力輸入，節(jié)約制造成本，整體結(jié)構(gòu)緊湊，有利于減少能量傳遞損失以及提尚機(jī)構(gòu)運彳丁的可靠性。
[0009]2、以高效運動的鴕鳥后肢為仿生原型，通過鴕鳥奔跑后肢運動參數(shù)分析，結(jié)合生物解剖學(xué)，確定了鴕鳥后肢結(jié)構(gòu)尺寸，并根據(jù)鴕鳥跗骨間關(guān)節(jié)回彈特性，優(yōu)化設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、高效節(jié)能的步行腿機(jī)構(gòu)。
【附圖說明】
[0010]圖1是本發(fā)明的節(jié)能步行腿機(jī)構(gòu)立體示意圖。
[0011]圖2是本發(fā)明的側(cè)視圖。
[0012]圖3是本發(fā)明棘輪機(jī)構(gòu)和角度限制器的立體示意圖。
[0013]圖4是本發(fā)明棘輪機(jī)構(gòu)的立體示意圖。
[0014]其中:1-機(jī)架；2_搖桿；3_大腿；4_第一鉸點；5_定滑塊；6_連桿；7_第二鉸點；8-妬骨；9-足祉；10_棘輪機(jī)構(gòu)；11_兩線；12_小腿；13_擋塊；14_彈黃；15_動滑塊；16_曲柄；17_棘爪；18_棘輪；19-角度限制器。
【具體實施方式】
[0015]請參閱圖1、圖2、圖3和圖4所示，本發(fā)明包括機(jī)架1、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、回彈機(jī)構(gòu)和足趾9 ;曲柄連桿機(jī)構(gòu)包括曲柄16、大腿3以及搖桿2 ;回彈機(jī)構(gòu)包括定滑塊5、連桿6、跖骨8、閘線11、小腿12、擋塊13、彈簧14、動滑塊15、棘爪17、棘輪18和角度限制器19 ;足趾9為柔性儲能材料制作而成。
[0016]如圖2所示，回彈機(jī)構(gòu)中的定滑塊5固定在機(jī)架1上，小腿12與定滑塊5組成滑動副；彈簧14底端與擋塊13接觸，擋塊13固定在小腿12上，彈簧14另一端與動滑塊15接觸，動滑塊15可以在小腿12上滑動；動滑塊15通過連桿6與跖骨8相連；跖骨8與小腿12通過角度限制器19鉸接，棘輪機(jī)構(gòu)10包括棘爪17和棘輪18，棘輪機(jī)構(gòu)10安裝在跖骨8與小腿12的鉸接處；閘線11 一端固定在棘爪17上，閘線11另一端與動滑塊15相連；跖骨8底端通過扭轉(zhuǎn)彈簧與足趾9鉸接，不受外力作用時，跖骨8與足趾9相夾的角度為120°。
[0017]所述的足趾9觸地期所對應(yīng)的曲柄16轉(zhuǎn)角與足趾9離地期所對應(yīng)的曲柄16轉(zhuǎn)角比為5:19，并且足趾9觸地期與離地期時間相同。
[0018]本發(fā)明的工作過程:
[0019]以節(jié)能步行腿機(jī)構(gòu)運動一個周期為例:
[0020]以足趾9將要離地的位置為起點，曲柄16逆時針旋轉(zhuǎn)。曲柄16帶動小腿12向上運動，小腿12的運動可以分解為繞第一鉸點4的轉(zhuǎn)動和相對定滑塊5向上的運動。此時，擋塊13固定在小腿12上，相對于小腿12靜止，由于小腿12向上運動且定滑塊5固定不動，動滑塊15在定滑塊5擠壓下沿著小腿12向下運動，使彈簧14壓縮，儲存能量，并且動滑塊15向下運動時拉動閘線11，使棘爪17抬起，自鎖解除，跖骨8可以繞第二鉸點7逆時針轉(zhuǎn)動；同時，動滑塊15通過連桿6作用于跖骨8頂端，使其繞第二鉸點7做逆時針轉(zhuǎn)動，完成抬腿的動作。
[0021]曲柄16轉(zhuǎn)過最高點至與小腿12共線后，帶動小腿12向下運動過程，其運動可以分解為繞第一鉸點4的轉(zhuǎn)動和相對定滑塊5向下的運動。此時，擋塊13隨著小腿12向下運動，由于定滑塊5固定不動，擋塊13與定滑塊5之間的間距逐漸增大，動滑塊15在彈簧14的反彈作用下沿著小腿12向上運動，實現(xiàn)仿鴕鳥后肢的回彈特性，同時，松閘線11，棘爪17回落，棘爪17與棘輪18形成自鎖機(jī)構(gòu)，使跖骨8不能繞第二鉸點7做逆時針轉(zhuǎn)動；并且動滑塊15通過連桿6作用于跖骨8頂端，使其繞第二鉸點7做順時針轉(zhuǎn)動，在角度限制器19的作用下，使跖骨8與小腿12的最大夾角為168°，為足趾9觸地做準(zhǔn)備。
【主權(quán)項】
1.一種仿鴕鳥后肢運動功能特性的節(jié)能步行腿機(jī)構(gòu)，其特征在于:包括機(jī)架(I)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、回彈機(jī)構(gòu)和足趾(9);曲柄連桿機(jī)構(gòu)包括曲柄(16)、大腿(3)以及搖桿(2);回彈機(jī)構(gòu)包括定滑塊(15)、連桿(6)、跖骨(8)、閘線(11)、小腿(12)、擋塊(13)、彈簧(14)、動滑塊(15)、棘爪(17)、棘輪(18)和角度限制器(19); 回彈機(jī)構(gòu)中的定滑塊(5)固定在機(jī)架(I)上，小腿(12)與定滑塊(5)組成滑動副；彈簧(14)底端與擋塊(13)接觸，擋塊(13)固定在小腿(12)上，彈簧(14)另一端與動滑塊(15)接觸，動滑塊(15)可以在小腿(12)上滑動；動滑塊(15)通過連桿(6)與跖骨⑶相連；妬骨⑶與小腿(12)通過角度限制器(19)鉸接，棘輪機(jī)構(gòu)(10)包括棘爪(17)和棘輪(18)，棘輪機(jī)構(gòu)(10)安裝在跖骨⑶與小腿(12)的鉸接處；閘線(11) 一端固定在棘爪(17)上，閘線(11)另一端與動滑塊(15)相連；跖骨(8)底端通過扭轉(zhuǎn)彈簧與足趾(9)鉸接，不受外力作用時，跖骨⑶與足趾(9)相夾的角度為120°。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿鴕鳥后肢運動功能特性的節(jié)能步行腿機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述的足趾(9)觸地期所對應(yīng)的曲柄(16)轉(zhuǎn)角與足趾(9)離地期所對應(yīng)的曲柄(16)轉(zhuǎn)角比為5:19，并且足趾(9)觸地期與離地期時間相同。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種仿鴕鳥后肢運動功能特性的節(jié)能步行腿機(jī)構(gòu)，其特征在于:所述的足趾(9)為柔性儲能材料制作而成。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種仿鴕鳥后肢運動功能特性的節(jié)能步行腿機(jī)構(gòu)，由機(jī)架、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、回彈機(jī)構(gòu)和足趾組成，曲柄連桿機(jī)構(gòu)包括曲柄、大腿以及搖桿，回彈機(jī)構(gòu)包括定滑塊、小腿、動滑塊、連桿、彈簧、擋塊、棘輪機(jī)構(gòu)、閘線、角度限制器和跖骨；本發(fā)明設(shè)計基于鴕鳥后肢的尺寸參數(shù)以及鴕鳥跗骨間關(guān)節(jié)的回彈特性，通過模仿鴕鳥后肢運動設(shè)計一種節(jié)能、高效的步行腿。利用彈簧壓縮時產(chǎn)生的回彈力，來實現(xiàn)跖骨的自動伸展，減少能量損耗。通過模仿鴕鳥后肢運動功能特性的節(jié)能步行腿能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能、高效的目標(biāo)。
【IPC分類】B62D57/032
【公開號】CN105346620
【申請?zhí)枴緾N201510917098
【發(fā)明人】張銳, 何遠(yuǎn), 馬松松, 韓佃雷, 江磊, 蘇波, 李建橋
【申請人】吉林大學(xué)
【公開日】2016年2月24日
【申請日】2015年12月11日