一种多功能仿生弹跳及行走机器人的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于机器人技术领域，涉及一种仿生机器人，具体涉及一种可实现多种弹 跳轨迹，具有原地转向和行走功能的仿生机器人，主要用于在复杂环境或外太空执行侦察、 探测、攻击和干扰等行动。
【背景技术】
[0002] 弹跳是自然界中一种很常见的运动方式，像青蛙、袋鼠和螳螂等，相比于行走，弹 跳具有活动范围广、移动效率高、爆发力强等特点。弹跳机器人作为一种移动平台，灵活性 好，不仅可以适应崎岖不平的地形，遇到障碍或沟壑时能够轻松越过，尤其是在外太空低重 力环境下，其空间移动范围远远大于轮式或足式机器人。
[0003] 国外，NASA历时五年，先后研制了三代弹跳式机器人，第三代为轮式弹跳机器人， 结构上保留了第二代中的六杆齿轮弹跳机构，通过钢绳缠绕滚轮的动作来实现弹簧的伸 缩。Stoeter等人研制的一种小型弹跳机器人Scout，采用单绞绳拉动蝶形弹簧片的方式储 能，释放弹性腿实现跳跃。卡耐基梅隆大学的Garth Zeglin博士提出并研制了一种三维Bow Leg机器人，能够在三维空间做弹跳步伐式的移动，原理是电机通过滑轮装置拉紧和瞬间释 放绳索，使弓形弹性腿绷紧和瞬间伸张，从而实现整个弹跳运动。Raibert教授等人研制了 髋关节具有两个自由度的3D Biped三维跳跃机器人，可以实现跑、跳、甚至空翻转等动作， 具有很好的平衡性和稳定性。日本东京大学Niiyama等人研制了一种新颖的双足弹跳机器 人Mowgli，在髋关节、膝关节和踝关节处各有一个自由度，采用气动人工肌肉驱动，能够完 成和真实青蛙几乎一样的跳跃动作。国内，哈尔滨工业大学研制了一种仿青蛙弹跳机器人， 后肢采用五杆齿轮弹跳机构，前肢有两个自由度，能够调整起跳角度和弹跳高度，弹跳后能 自动复位。哈尔滨工业大学根据蝗虫起跳的运动机理设计了两套分别基于电机和电磁铁驱 动的四足弹跳机器人样机。上海交通大学提出了仅有三个旋转关节构成的翻转跳跃单腿机 器人。然而，上述机器人都只能实现单一的弹跳轨迹和弹跳动作，目前只能在很平坦的地形 上运动，还远远不能适应自然界中复杂的地形环境。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种多功能仿生弹跳及行走机器人， 除了具有一般弹跳机器人的起跳角度调整、弹跳高度调整、连续弹跳和自动复位的基本功 能外，还能实现仿青蛙弹跳、仿袋鼠弹跳两种弹跳轨迹，并具有原地转向和行走的功能，以 适应更加复杂的环境。
[0005] 本发明采用的技术方案是： 本发明包括机器人躯干、保护盖、前肢仿生机构、弹簧锁解机构和后肢弹跳机构。所述 的保护盖与机器人躯干固定；两个前肢仿生机构对称设置在机器人躯干前部；两个后肢弹 跳机构对称设置在机器人躯干后部，且分别通过一个弹簧锁解机构驱动。
[0006] 所述的后肢弹跳机构包括齿轮箱壳体、齿轮箱上盖、齿轮箱下盖、髋关节电机、曲 柄一、连杆一、同步齿轮、大腿杆、小腿杆一、小腿杆二、拉簧一、拉簧二、输出轴、滚筒和钢 绳；所述齿轮箱壳体的两端分别与齿轮箱上盖和齿轮箱下盖固定；齿轮箱壳体通过轴承支 承在机器人躯干上，形成髋关节；所述髋关节电机的底座固定在机器人躯干上，曲柄一固定 在髋关节电机的输出轴上，连杆一的两端分别铰接于曲柄一的一端和齿轮箱上盖的边缘； 两根齿轮轴对称铰接于齿轮箱上盖上，固定在两根齿轮轴上的两个同步齿轮相啮合；两个 同步齿轮均固连有大腿杆，所述小腿杆一的一端与前部的大腿杆通过销轴连接，形成膝关 节一；小腿杆一的另一端与小腿杆二的中部用销轴连接，形成踝关节；所述小腿杆二的两 端分别与后部的大腿杆和脚掌板用销轴连接，形成膝关节二和跗跖关节；所述拉簧一的两 端分别固定在膝关节一和膝关节二处的销轴上；拉簧二的一端固定在踝关节处的销轴上， 另一端固定在跗跖关节处的销轴上；所述的输出轴铰接在齿轮箱上盖上，滚筒与输出轴固 连；所述钢绳的一端缠绕在滚筒上，另一端固连在踝关节处的销轴上。
[0007] 所述的前肢仿生机构包括肩关节电机、直齿轮一、肩关节轴、前肢大臂、肘关节轴、 直齿轮二、肘关节电机、锥齿轮二、锥齿轮一、前肢小臂和前肢脚趾；所述肩关节电机的底座 固定在机器人躯干上，直齿轮一与肩关节电机的输出轴固连；所述的肩关节轴通过轴承支 承在机器人躯干上；所述前肢大臂的顶端固定在肩关节轴上，底端通过轴承支承有肘关节 轴；直齿轮二固连在肩关节轴上，并与直齿轮一啮合；所述肘关节电机的底座固定在前肢 大臂的底部，锥齿轮一固连在肘关节电机的输出轴上；锥齿轮二固连在肘关节轴上，并与锥 齿轮一啮合；所述前肢小臂的顶端与肘关节轴固定；所述前肢脚趾的顶部与前肢小臂底部 的沉头孔通过滑动副连接；缓冲弹簧的一端套在前肢脚趾的顶部，另一端压紧前肢小臂的 沉头孔孔底。
[0008] 所述的弹簧锁解机构包括主电机、直齿轮三、输入轴、直齿轮四、棘爪、离合器动 块、离合器定块、拨叉驱动电机、曲柄二、连杆二和拨叉；所述主电机的底座固定在齿轮箱下 盖上，直齿轮三与主电机的输出轴固连；所述的输入轴通过轴承支承在齿轮箱下盖上，直齿 轮四、棘轮和离合器定块均固定在输入轴上；直齿轮四与直齿轮三啮合；棘爪轴通过轴承 支承在齿轮箱下盖上；所述的棘爪固定在棘爪轴上，并与棘爪轴啮合；棘爪复位弹簧的一 端与棘爪固定，另一端与齿轮箱下盖固定；所述的离合器动块与后肢弹跳机构的输出轴通 过花键连接，并与离合器定块嵌合；离合器复位弹簧套在输出轴上，且设置在离合器动块和 齿轮箱上盖之间；电机支撑架的两端分别固定在齿轮箱上盖和齿轮箱下盖上，所述拨叉驱 动电机的底座固定在电机支撑架上，曲柄二固连在拨叉驱动电机的输出轴上；所述连杆二 的两端分别铰接于曲柄二和拨叉的端部上；拨叉的中部与电机支撑架的支承轴铰接，拨叉 的U型叉嵌入离合器动块的环形槽内。
[0009] 所述的直齿轮二与直齿轮一的齿数比为2 :1 ;所述锥齿轮二与锥齿轮一的旋转中 心轴交角为90° ,齿数比为1 :1 ;所述的直齿轮四与直齿轮三的齿数比为2 :1。
[0010] 所述前肢小臂底部的沉头孔两侧均开设有槽长沿前肢小臂臂长方向设置的滑槽； 所述前肢脚趾的顶部与沉头孔间隙配合；限位销穿过沉头孔两侧的滑槽，并与前肢脚趾顶 部的限位销插孔过盈配合。
[0011] 本发明的有益效果是： 本发明具有多种移动功能，能够行走、仿青蛙弹跳、仿袋鼠弹跳和原地转向；通用性强、 可编程性好，通过控制各关节电机的转速，可以实现复杂的运动轨迹；安装一些外设辅助设 备后，便可在复杂环境或外太空执行侦察、探测、攻击和干扰等行动。
【附图说明】
[0012] 图1是本发明的整体结构立体图； 图2是本发明去除保护盖后的结构立体图； 图3是本发明中后肢弹跳机构的结构立体图； 图4是本发明中前肢仿生机构的一个侧视立体图； 图5是本发明中前肢仿生机构的另一个侧视立体图； 图6是本发明中前肢仿生机构的剖视图； 图7是本发明中弹簧锁解机构与齿轮箱上盖及齿轮箱下盖的装配立体图； 图8是本发明中弹簧锁解机构与齿轮箱上盖的装配立体图； 图9是本发明中弹簧锁解机构的整体结构立体图； 图10是本发明中弹簧锁解机构与后肢弹跳机构的装配立体图。
【具体实施方式】
[0013] 下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于以下实施 例。
[0014] 如图1和2所示，一种多功能仿生弹