本发明涉及一种气动肌肉驱动力臂可变的双足跳跃机器人，由左腿、右腿、躯干、肌肉系统和弹簧系统组成。通过气动肌肉和弹性弹簧等协调运动，能够很好的实现垂直跳跃、倾斜跳跃运动。具有结构简单紧凑、重量轻、结构几何相似性、运动仿生性和柔顺性等特点，能有效提高双足机器人适应非结构化环境的机动性。
背景技术：
随着机器人技术和仿生技术的发展，机器人向着更具仿生性和柔顺性的方向发展，同时也由最开始的步行运行向着跳跃运动发展。仿生跳跃机器人，目前采用的驱动方式，大多采用电机、液压驱动，这些驱动方式，导致机器人的重量较重，并且机器人运动过程中缺乏仿生性和柔顺性。近年来，具有仿生性特性的气动肌肉越来越广泛地应用于仿生跳跃机器人中。通过观察青蛙、袋鼠等动物的跳跃动作过程，同时，分析了各关节及驱动各关节运动的生物肌肉的分布情况，运用结构几何相似性以及仿生原理，设计一种气动人工肌肉驱动的力臂可变的双足跳跃机器人，具有机构紧凑、仿生性和柔顺性好等特点。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对已有的技术不足，提供一种气动肌肉驱动力臂可变的双足跳跃机器人，具有结构简单紧凑、重量轻、结构几何相似性、机构运动仿生性和柔顺性等特点。
本发明所采用的技术方案是：一种气动肌肉驱动的力臂可变的双足跳跃机器人，由右腿（I）、左腿（II）、躯干（III）、肌肉系统（IV）和弹性弹簧系统（V）组成。右腿（I）与左腿（II）通过躯干（III）和中心管（90、93）连接。
所述的左、右腿（I、II）机构具有相同配置，包括髋关节（98）、膝关节（99）、踝关节（100）、大腿（6）、小腿（8）、胫骨（10）、脚（11）、双关节肌肉力臂变化装置（102）、髋关节力臂变化装置（101）；其中髋关节（98）和膝关节（99）与大腿（6）通过螺纹连接，膝关节（99）和踝关节（100）与小腿（8）通过螺纹连接，踝关节（100）和脚（11）与胫骨（10）通过螺纹连接；髋关节（98）由髋关节中间接头（58）、髋关节外接头（56）和髋关节下滑轮（96）组成，髋关节中间接头（58）和髋关节外接头（56）通过髋关节上空心杆（57）和两个螺母（49）进行连接，其中还有两个轴承（60）、轴承套（59）、两个轴承挡圈（50）、两个垫片（48）；髋关节外接头（56）和髋关节下滑轮（96）通过髋关节滑轮中心杆（55）和两个螺母（51）进行连接，其中还有两个轴承（95）、轴承套（54）、两个轴承挡圈（53）、两个轴承垫片（52）；膝关节（99）由膝关节中间接头（45）和膝关节外接头（43）组成，膝关节中间接头（45）和膝关节外接头通过膝关节空心管（44）和两个螺母（40）进行连接，其中还有两个轴承（46）、两个轴承挡圈（47）、两个垫片（41）和轴承套（42）；踝关节（100）由踝关节中间接头（38）和踝关节外接头（39）组成，踝关节中间接头（38）和踝关节外接头（39）通过踝关节空心管（32）和两个螺母（36）连接，其中还有两个轴承（34）、轴承套（33）、两个垫片（35）、两个轴承挡圈（37）。
所述的双关节肌肉力臂变化装置（102）由螺母（65）、中间滑轮（66）、中间套筒（64）、螺钉（63）、螺母（62）、垫片（61）、中间架（67）、螺栓（68）组成，中间架（68）和髋关节中间接头（58）通过螺栓（68）连接，中间架（68）和中间滑轮（66）通过螺钉（63）连接。髋关节力臂变化装置（101）包括贴片（80、81）、中间杆（73）、中间杆（75）、两个可调贴片（74）、中间滑轮（76）、两个轴承（77）、两个轴承挡圈（79）、两个垫片（78），中间滑轮（76）和可变贴片通过中间杆（75）和螺母（72）连接，整个装置和髋关节（98）通过中间杆（73）、中间杆（106）和螺母（71）、螺母（104）连接。
所述的躯干（III）包括中间板（24）、空心管（25、94）、前接头（28、106）、前空心管（31、69），髋关节（98）和躯干（III）通过空心管（25、94）经过螺纹连接，中间板（24）和空心管（25、94）通过6个螺钉（23）和螺母（27）连接，前接头（28、106）之间通过前空心管（31、69）和4个螺母（29）连接。
所述的肌肉系统（IV）由单关节肌肉G-maxA（2、22）、单关节肌肉G-maxB（3、21）、双关节肌肉RF（4、19）、单关节肌肉SOL（7、16）组成。在左右腿上的肌肉布置相同，在右腿（I）上，单关节肌肉G-maxA（2）一端连接在躯干（III）的前接头（28）上，另一端经过髋关节力臂变化装置（101）连接在髋关节（98）上；单关节肌肉G-maxB（3）一端连接在躯干（III）的前接头（28）上，另一端经过髋关节中间接头（58）连接在髋关节（98）上；双关节肌肉RF（4）一端连接在躯干（III）的前接头（28）上，另一端经过双关节肌肉力臂变化装置（102）、膝关节中间接头（45）连接在膝关节（99）上,；单关节肌肉SOL（7）一端连接在膝关节（99）上，另一端连接在踝关节（100）上。
所述的弹性弹簧系统（V）由弹性弹簧（1、5、9、14、18、20）组成，在左右腿（I、II）中的配置相同。在右腿（II）中，弹性弹簧（1）连接躯干（III）和髋关节（98），弹性弹簧（5）连接髋关节（98）和膝关节（99），弹性弹簧（9）连接膝关节（99）和踝关节（100）。
本发明与现有技术相比较，具有如下鲜明的实质性特点和显著技术进步：
一、本发明能改变髋关节所受力臂，使髋关节所受气动肌肉产生的力矩达到最大化。
二、本发明运用双关节肌肉控制，能够扩大关节角的转动范围，改善躯体的伸展程度。
三、本发明使用弹性弹簧来恢复各个关节角的初始位置，并可用来缓冲跳跃落地式的冲击力。
四、本发明使用气动肌肉驱动，各个关节的运动柔顺性更强，仿生性更好。
附图说明
图1是本发明一种气动肌肉驱动的力臂可变的双足跳跃机器人总体结构示意图。
图2是本发明一种气动肌肉驱动制的力臂可变的双足跳跃机器人总体结构外部零件示意图。
图3是本发明一种气动肌肉驱动的力臂可变的双足跳跃机器人躯干结构示意图。
图4是本发明一种气动肌肉驱动的力臂可变的双足跳跃机器人踝关节结构示意图。
图5是本发明一种气动肌肉驱动的力臂可变的双足跳跃机器人膝关节结构示意图。
图6是本发明一种气动肌肉驱动的力臂可变的双足跳跃机器人髋关节示意图。
图7是本发明一种气动肌肉驱动制的力臂可变的双足跳跃机器人双关节肌肉力臂变化装置结构示意图。
图8是本发明一种气动肌肉驱动的力臂可变的双足跳跃机器人髋关节力臂变化装置结构示意图。
图9是本发明一种气动肌肉驱动的力臂可变的双足跳跃机器人气动肌肉结构示意图。
图10是本发明一种气动肌肉驱动的力臂可变的双足跳跃机器人框架俯视图结构示意图。
图11 是本发明一种气动肌肉驱动的力臂可变的双足跳跃机器人单侧腿结构示意图。
具体实施方式
下面结合优选实施例和说明书附图对本发明做进一步的说明：
实施例一：
参见图1~图11，本气动肌肉驱动力臂可变的双足跳跃机器人，包括右腿（I）、左腿（II）、躯干（III）、肌肉系统（IV）和弹簧系统（V）。其特征在于：右腿（I）和左腿（II）通过两根平行的空心连杆（90、93）经过螺母连接，并与躯干（III）连接成一体；左右腿（I、II）具有左右对称相同配置的机构，各配有肌肉系统和弹簧系统，并有力臂可变装置。
实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：
所述左右腿（I、II）具有左右对称相同配置的机构是：包括髋关节（98）、膝关节（99）、踝关节（100）、大腿（6）、小腿（8）、胫骨（10）、脚（11）、双关节肌肉力臂变化装置（102）、髋关节力臂变化装置（101）。其中髋关节（98）和膝关节（99）与大腿（6）通过螺纹连接，膝关节（99）和踝关节（100）与小腿通过螺纹连接，踝关节（100）和脚（11）与胫骨（10）通过螺纹连接。髋关节（98）由髋关节中间接头（58）、髋关节外接头（56）和髋关节下滑轮（96）组成，髋关节中间接头（58）和髋关节外接头（56）通过髋关节上空心杆（57）和两个螺母（49）进行连接，其中还有两个轴承（60）、轴承套（59）、两个轴承挡圈（50）、两个垫片（48）；髋关节外接头（56）和髋关节下滑轮（96）通过髋关节滑轮中心杆（55）和两个螺母（51）进行连接，其中还有两个轴承（95）、轴承套（54）、两个轴承挡圈（53）、两个轴承垫片（52）。膝关节（99）由膝关节中间接头（45）和膝关节外接头（43）组成，膝关节中间接头（45）和膝关节外接头通过膝关节空心管（44）和两个螺母（40）进行连接，其中还有两个轴承（46）、两个轴承挡圈（47）、两个垫片（41）和轴承套（42）。踝关节（100）由踝关节中间接头（38）和踝关节外接头（39）组成，踝关节中间接头（38）和踝关节外接头（39）通过踝关节空心管（32）和两个螺母（36）连接，其中还有两个轴承（34）、轴承套（33）、两个垫片（35）、两个轴承挡圈（37）。所述双关节肌肉力臂变化装置（102）由螺母（65）、中间滑轮（66）、中间套筒（64）、螺钉（63）、螺母（62）、垫片（61）、中间架（67）、螺栓（68）组成，中间架（68）和髋关节中间接头（58）通过螺栓（68）连接，中间架（68）和中间滑轮（66）通过螺钉（63）连接。髋关节力臂变化装置（101）包括贴片（80、81）、中间杆（73）、中间杆（75）、两个可调贴片（74）、中间滑轮（76）、两个轴承（77）、两个轴承挡圈（79）、两个垫片（78），中间滑轮（76）和可变贴片通过中间杆（75）和螺母（72）连接，整个装置和髋关节（98）通过中间杆（73）、中间杆（106）和螺母（71）、螺母（104）连接。所述躯干（III）包括中间板（24）、空心管（25、94）、前接头（28、106）、前空心管（31、69），髋关节（98）和躯干（III）通过空心管（25、94）经过螺纹连接，中间板（24）和空心管（25、94）通过6个螺钉（23）和螺母（27）连接，前接头（28、106）之间通过前空心管（31、69）和4个螺母（29）连接。
实施例三：
如图1,本气动肌肉驱动力臂可变的双足跳跃机器人，包括右腿（I）、左腿（II）、躯干（III）、肌肉系统（IV）、弹簧系统（V）。其特征在于：右腿（I）与左腿（II）通过中心管（90、93）连接；躯干（III）与右腿（I）、左腿（II）通过空心管（25、94）连接。
如图2，肌肉系统（IV）通过单关节肌肉Gmax-A（2）和Gmax-B（3）连接躯干（III）和髋关节（98），由此控制躯体（III）和大腿（6）的伸展；肌肉系统（IV）通过双关节肌肉RF（4）连接躯干（III）和膝关节（99），由此控制躯干（III）和小腿（8）的伸展；肌肉系统（IV）通过单关节肌肉SOL（7）连接膝关节（99）和踝关节（100），由此来控制胫骨（10）的伸展。
弹簧系统（V）通过弹性弹簧（1）连接躯干（III）和髋关节（98），由此确定躯干（III）和大腿（6）的初始位置，并且在跳跃时吸收落地时产生的冲击力为下次跳跃时躯干（III）和大腿（6）的伸展提供一定的力；通过弹性弹簧（5）连接髋关节（98）和膝关节（99），由此确定小腿（8）的初始位置，并且在跳跃时吸收落地时产生的冲击力为下次跳跃时小腿（8）的伸展提供一定的力；通过弹性弹簧（9）连接膝关节（99）和踝关节（100），由此来确定胫骨（10）的初始位置，并且在跳跃时吸收落地时产生的冲击力为下次跳跃时胫骨（10）的伸展提供一定的力。
如图3是双足机器人躯干结构示意图，躯干（III）通过空心管（25、94）将右腿（I）和左腿（II）连接起来，中间板（24）通过6个相同螺钉（23）连接在空心管（25、94）上，中间板（24）用来放置压宿空气装置以及各种阀装置。
如图7双关节肌肉力臂变化装置结构示意图，由螺母（65）、中间滑轮（66）、中间套筒（64）、螺钉（63）、螺母（62）、垫片（61）、中间架（67）、螺栓（68）组成，中间架（67）和髋关节中间接头（58）通过螺栓（68）连接，中间架（68）和中间滑轮（66）通过螺钉（63）连接。通过该装置中的中间滑轮（66）来改变双关节肌肉RF（4）对躯干（III）产生的关节力矩，并通过调整中间架（67）与髋关节中间接头（58）之间的角度，来找到能产生最大关节力矩的角度。
如图8髋关节力臂变化装置结构示意图，髋关节力臂变化装置（101）包括贴片（80、81）、中间杆（73）、中间杆（75）、两个可调贴片（74）、中间滑轮（76）、两个轴承（77）、两个轴承挡圈（79）、两个垫片（78），通过中间滑轮（76）的作用，改变了单关节肌肉Gmax-A（2）对躯干（III）产生的关节力矩，同时也可以通过调整可调贴片（74）的长度以及与贴片（80、81）的角度，来找到能产生最大关节力矩的偏置距离和角度。
该机器人实现跳跃时，整个机器人的结构在弹性弹簧的作用下保持静止状态。在起跳阶段，先通过空气压缩机向双关节肌肉RF（4）充气使其产生轴向收缩径向扩张，使躯干（III）绕髋关节（98）旋转得到伸展，使小腿（8）绕膝关节（99）旋转得到伸展；然后通过空气压缩机同时向单关节肌肉Gmax-A（2）、单关节肌肉Gmax-B（3）和单关节肌肉SOL（7）充气，使肌肉轴向收缩径向扩张，使大腿（6）绕髋关节（98）旋转伸展，使胫骨（10）绕踝关节（100）旋转伸展，整个机器人离地起跳。在下落触地时，各个气动肌肉向外排气，躯干（III）和大腿（6）在弹性弹簧（1）的拉动下恢复到初始姿态，小腿（8）在弹性弹簧（5）的拉动下恢复到初始姿态，胫骨（10）在弹性弹簧（9）的拉动下恢复到初始姿态。继续下落过程，受到整个装置重力的作用，使弹性弹簧受到压缩，为下次弹跳存储力。