仿生被动回弹机械腿的制作方法

本发明属于机器人领域，涉及一种仿生被动回弹机械腿。

背景技术：

鸵鸟的后肢强壮而有力，具有稳健、持久和高速的奔跑能力。鸵鸟奔跑速度可达50-60Km/h，并持续奔跑30分钟，是陆地上跑得最快的双足动物。研究表明，在鸵鸟后肢从弯曲到伸张过程中，当跗骨间关节夹角大于125°时释放跖骨，跖骨在不受外力的作用下迅速摆到168°的位置。这种被动的伸张过程，能够降低鸵鸟运动的能量消耗。根据鸵鸟运动的节能和高速特性，基于工程仿生学原理，可将鸵鸟后肢的优越性能应用到腿-足式机器人腿部结构的设计中。2000年以来，国内外涌现了大量的仿生足式机器人，包括BISAM，HyQ，KOLT，BigDog，Aibo，ScoutⅡ，TITAN，LittleDog，Tekken等。虽然国内外对仿生足式机器人的研究比较成熟，但是在仿生足式机器人腿部结构设计上还存在能源利用率低的问题。且与地面产生较大冲击力，容易导致机器人产生振动，使其无法正常运作，严重时甚至损坏机器部件。

本发明以高效、节能的鸵鸟后肢为仿生原型，通过鸵鸟奔跑后肢运动参数分析，结合生物解剖学，确定了鸵鸟后肢结构尺寸，并根据鸵鸟跗骨间关节被动回弹特性，优化设计出节能、减振的仿生机械腿。

技术实现要素：

本发明公开一种仿生被动回弹机械腿。本发明仿鸵鸟后肢跗骨间关节的被动回弹功能，采用被动回弹机构，实现仿生机械腿在离地期能够自动完成“伸腿”动作。内弹簧的劲度系数大于下外弹簧，在触地期，内弹簧、下外弹簧同时工作，起到支撑、节能和减振的作用。在离地期，内弹簧不工作，依靠下外弹簧的反弹实现跗骨间关节被动回弹功能。本发明以高效运动的鸵鸟后肢为仿生原型，通过鸵鸟奔跑后肢运动参数分析，结合生物解剖学，确定了鸵鸟后肢结构尺寸，并根据鸵鸟跗骨间关节被动回弹特性，优化设计出节能、减振的仿生机械腿。

本发明包括机身、曲柄连杆机构、被动回弹机构和足端；曲柄连杆机构包括曲柄、股骨以及摇杆；被动回弹机构包括定滑块、胫骨、上外弹簧、滑轮、动滑块、腓骨、下外弹簧、挡块、跖骨、销轴和内弹簧机构，其中内弹簧机构包括底座、内轴、压簧板、压簧板基座、挡板、小弹簧、小弹簧导杆、闸线；足端包括扭簧和足趾，足趾由柔性储能材料制作而成。

如图1至图4所示，被动回弹机构中的定滑块固定在机身上，胫骨与定滑块组成滑动副；滑轮固定在胫骨上；上、下外弹簧固定在胫骨上，上外弹簧位于动滑块上方，受压时，上外弹簧上端与定滑块接触，上外弹簧下端与动滑块接触。下外弹簧位于动滑块下端，下外弹簧底端与挡块接触，挡块固定在胫骨上，受压时，下外弹簧上端与动滑块接触，动滑块可以在胫骨上滑动；动滑块通过腓骨与跖骨相连；跖骨与胫骨通过销轴相互铰接；内弹簧机构安装在胫骨内部，其中底座与挡块固定在胫骨上；内轴固定在底座上，内弹簧套在内轴上，内弹簧一端与底座接触，内弹簧另一端与压簧板基座接触；压簧板能够沿着压簧板基座和小弹簧导杆滑出或滑进胫骨，当压簧板滑出胫骨时，与动滑块接触；压簧板之间通过小弹簧相连，小弹簧套在小弹簧导杆上，安装时，压簧板位于滑出胫骨的最大位移处，小弹簧有一定预压力；当压簧板在小弹簧反弹作用下滑出胫骨至最大位移处时，挡板与压簧板接触，挡板阻挡压簧板继续向胫骨外滑出；闸线一端通过胫骨顶端滑轮连接到定滑块上，闸线另一端连接两个压簧板；跖骨底端通过扭簧与足趾铰接，不受外力作用时，跖骨与足趾相夹的角度为120°；股骨与胫骨铰接于第一铰接点，定滑块与机身铰接于第二铰接点；摇杆与股骨铰接。

本发明的有益效果：

1、整体机构只采用一个动力源，并利用曲柄连杆机构将腿部的摆动转化为电机的连续转动，有利于提高工作效率，减少能量损耗。

2、整体采用杆件结构，承载能力大、工作稳定，便于加工制造，且成本低。

3、内弹簧和下外弹簧在离地期前半段受压缩存储弹性性能，在离地期后半段释放弹性势能，使跖骨自动伸展，完成“伸腿”动作，实现鸵鸟后肢跗骨间关节被动回弹功能的仿生，无需额外作用力，有利于减少能量损耗。

4、在触地期，内弹簧、下外弹簧同时工作。触地期前半段，足端与地面产生较大冲力，内弹簧、下外弹簧有效吸收地面的冲击力，并将其转化为弹性势能；在触地期后半段，内弹簧、下外弹簧释放弹性势能，转化为机械腿的动能。在触地期，内弹簧、下外弹簧有效起到了缓冲减振，减少能耗的作用。

5、内弹簧的劲度系数大于下外弹簧，在离地期时内弹簧不工作，在离地期前半段动滑块只需压缩下外弹簧，减少电机的转矩，有利于节约能量。

附图说明

图1是本发明触地期某一时刻的立体示意图。

图2是本发明离地期某一时刻的立体示意图。

图3是本发明内弹簧机构的立体示意图。

图4是本发明内弹簧机构的侧视图。

其中：1-机身；2-曲柄；3-定滑块；4-上外弹簧；5-动滑块；6-内弹簧机构；7-下外弹簧；8-挡块；9-跖骨；10-足趾；11-销轴；12-腓骨；13-第二铰接点；14-胫骨；15-第一铰接点；16-股骨；17-摇杆；18-内轴；19-压簧板基座；20-闸线；21-压簧板；22-小弹簧导杆；23-小弹簧；24-内弹簧；25-底座；26-滑轮；27-挡板；28-扭簧。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明包括机身1、曲柄连杆机构、被动回弹机构和足端；曲柄连杆机构包括曲柄2、股骨16以及摇杆17；被动回弹机构包括定滑块3、胫骨14、上外弹簧4、滑轮26、动滑块5、腓骨12、下外弹簧7、挡块8、跖骨9、销轴11和内弹簧机构6，其中内弹簧机构6包括底座25、内轴18、压簧板21、压簧板基座19、挡板27、小弹簧23、小弹簧导杆22、闸线20；足端包括扭簧28和足趾10，足趾10由柔性储能材料制成。

被动回弹机构中的定滑块3固定在机身1上，胫骨14与定滑块3组成滑动副；滑轮26固定在胫骨14上；上外弹簧4、下外弹簧7固定在胫骨14上，上外弹簧4位于动滑块5上方，受压时，上外弹簧4上端与定滑块3接触，上外弹簧4下端与动滑块5接触；下外弹簧7位于动滑块5下端，下外弹簧7底端与挡块8接触，挡块8固定在胫骨14上，受压时，下外弹簧7顶端与动滑块5接触，动滑块5能在胫骨上滑动；动滑块5通过腓骨12与跖骨9相连；跖骨9与胫骨14通过销轴11相互铰接；内弹簧机构6安装在胫骨14内部，其中底座25与挡块8固定在胫骨14上；内轴18固定在底座25上，内弹簧24套在内轴18上，内弹簧24一端与底座25接触，内弹簧24另一端与压簧板基座19接触；压簧板21能够沿着压簧板基座19和小弹簧导杆22滑出或滑进胫骨14，当压簧板21滑出胫骨14时，与动滑块5接触；压簧板21之间通过小弹簧23相连，小弹簧23套在小弹簧导杆22上，安装时，压簧板21位于滑出胫骨14的最大位移处，小弹簧23有一定预压力；当压簧板21在小弹簧23反弹作用下滑出胫骨14至最大位移处时，挡板27与压簧板21接触，挡板27阻挡压簧板21继续向胫骨14外滑出；闸线20一端通过胫骨14顶端滑轮26连接到定滑块3上，闸线20另一端连接两个压簧板21；跖骨9底端通过扭簧28与足趾10铰接，不受外力作用时，跖骨9与足趾10相夹的角度为120°；股骨16与胫骨14铰接于第一铰接点15，定滑块3与机身1铰接于第二铰接点13。摇杆17与股骨16铰接。

本发明的工作过程：

以仿生机械腿运动一个周期为例：

以足趾10将要离地的位置为起点，曲柄2逆时针旋转。在离地期前半段，曲柄2带动股骨16运动，股骨16与胫骨14铰接于第一铰接点15。定滑块3与机身1铰接于第二铰接点13，此时第一铰接点15带动胫骨14相对于定滑块3向上运动，胫骨14的运动可以分解为绕第一铰接点15的转动和相对定滑块3向上的运动。闸线20一端通过胫骨14顶端滑轮26连接到定滑块3上，闸线20另一端连接两个压簧板21。此时由于胫骨14相对于定滑块3向上运动，从定滑块3到滑轮26之间的闸线20距离变长，从滑轮26到两个压簧板21之间的闸线20距离变短，从而拉动两个压簧板21向着内轴18运动，同时压缩小弹簧23。在整个离地期，由于压簧板21缩进胫骨14内，不与动滑块5接触，内弹簧24不工作。随着胫骨14相对于定滑块3向上运动，定滑块3压缩上外弹簧4，动滑块5在上外弹簧4反弹作用下压缩下外弹簧7，同时通过腓骨12作用跖骨9，使跖骨9绕着销轴11转动，完成“抬腿”动作；在离地期后半段，随着曲柄2继续转动，第一铰接点15带动胫骨14向下运动，其运动可以分解为绕第一铰接点15的转动和相对定滑块3向下的运动。此时动滑块5在下外弹簧7反弹作用下相对于胫骨14向上运动，同时通过腓骨12作用于跖骨9，使其伸展，完成“伸腿”动作。随着胫骨14向下运动，定滑块3到滑轮26之间的闸线20距离逐渐变短，压簧板21在小弹簧23反弹作用下做背向运动，在触地期压簧板21作用端弹出胫骨14，为足趾10触地期工作做准备。

在触地期前半段，曲柄2继续转动，足趾10先接触地面，受到地面的冲击较大，一部分能量由于碰撞损失，剩下的能量一部分被足趾10自身材料和扭簧28吸收，并转化为弹性势能，另一部分能量通过跖骨9和腓骨12作用于动滑块5，动滑块5通过压缩内弹簧24、下外弹簧7进行缓冲，并将一部分能量转化为弹性势能储存在内弹簧24、下外弹簧7中；在触地期后半段，内弹簧24和下外弹簧7释放弹性势能，反弹作用于动滑块5，并通过腓骨12作用于跖骨9，最终转化为仿生机械腿运动的机械能，同时，扭簧28和足趾10释放弹性势能，进一步降低仿生机械腿的能耗。