一种仿生弹跳及行走机构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机器人技术领域，涉及仿生机器人，具体涉及一种仿生弹跳及行走机构，可用作仿生机器人的腿部机构。
【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，其移动的空间范围远远大于轮式或足式机器人。
[0003]国外，美国Raibert教授设计了世界上以弹跳方式运动的单腿机器人，它的腿部装一个相当于弹簧的气缸，只能在一个平面内运动。美国HRL实验室制作了一种利用电机和气缸并行驱动的机器人腿部结构，该机构腿部有三个关节，而每一个关节使用能够准确控制关节角度的舵机和提供瞬间爆发力的气缸并行拉伸弹性材料来驱动，使关节迅速摆动，但只能实现单腿原地的弹跳运动。NASA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。卡耐基梅隆大学的Garth Zeglin研制了一种三维Bow Leg机器人，能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。Case Western Reserve University研制出人工筋驱动的蟋蟀，其腿部是由微控制器控制腿部微型阀门及空气压缩机，使人工筋作出绷紧与收缩动作，来实现机械蟋蟀的行走及弹跳动作。麻省理工学院研制的三维单腿弹跳机构可以在水平面上自主跳动，受到干扰后能自动稳定，但是需要从外部连接电源、气管以及控制线等。美国Jean-christophe Zuffercy等人研制的弓形弹跳机构，利用上一次弹跳的能量，简化了多数机构中复杂的锁定与触发机制，但是其能量存储时间有限且不能循环积累，弹跳高度有限。日本Toshiki MaSuda等人研制了四足机器人Rush，每条腿有膝、髋两个关节，都为俯仰自由度，其膝关节为弹簧约束的被动转动副，该机器人能实现稳定的跳跃步态。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。
[0004]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。华中科技大学研制的“4+2”仿生多足步行机器人，其腿部自由度是由三个主动自由度和一个被动自由度组成，采用分层控制的思想，具有一定的全方位步行能力。北京理工大学研制的两栖仿生机器蟹，其腿部有三个自由度，通过直流无刷电机驱动关节运动，可实现全方位的移动。哈尔滨工业大学研制了一种每条腿只有一个驱动的四足机器人，每条腿的髋关节由一个直流电机驱动其转动，腿部由弹簧和直线移动导轨构成被动的移动副；该机器人能够实现前后腿交替支撑的Bounding步态，而且机器人从静止到勾速跑动的加速过程很快。
[0005]然而，上述机器人都只能实现单一的移动或者弹跳动作，目前只能在很平坦的地形上运动或者弹跳，还远远不能适应自然界中复杂的地形环境。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种仿生弹跳及行走机构，具有起跳角度调整、弹跳高度调整、连续弹跳、自动复位和行走的功能，以适应复杂的环境。
[0007]本发明采用的技术方案是:
本发明包括弹跳机构和弹簧锁解机构；所述的弹跳机构包括齿轮箱、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；圆柱形的齿轮箱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的端面边缘；两根齿轮轴对称铰接于齿轮箱上，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，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；所述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；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；输出轴与齿轮箱铰接，滚筒与输出轴固连；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。
[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上；所述的棘爪固定在棘爪轴上，并与棘爪啮合；棘爪复位弹簧的一端与棘爪固定，另一端与齿轮箱固定；所述的离合器动块与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的内端面之间；所述拨叉驱动电机的底座通过电机支撑架与齿轮箱固定，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]齿轮箱包括齿轮箱壳体、齿轮箱上盖和齿轮箱下盖；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；所述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。
[0010]直齿轮四与直齿轮三的齿数比为2:1。
[0011]本发明的有益效果是:
本发明可用作仿生机器人的腿部机构，具有起跳角度调整、弹跳高度调整、连续弹跳、自动复位和行走的功能；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。
【附图说明】
[0012]图1是本发明的整体结构立体图； 图2是本发明中弹簧锁解机构与弹跳机构的装配立体图；
图3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4是本发明中弹簧锁解机构与齿轮箱上盖的装配立体图；
图5是本发明中弹簧锁解机构的结构立体图。
【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、2和3所示，一种仿生弹跳及行走机构，包括弹跳机构和弹簧锁解机构。
[0015]弹跳机构包括齿轮箱壳体1、齿轮箱上盖19、齿轮箱下盖13、髋关节电机、曲柄一、连杆一、同步齿轮8、大腿杆2、小腿杆一 3、小腿杆二 6、拉簧一 7、拉簧二 5、输出轴27、滚筒29和钢绳15 ;齿轮箱壳体I的两端分别与齿轮箱上盖19和齿轮箱下盖13固定；齿轮箱壳体I通过轴承支承在机器人躯干上，形成髋关节；髋关节电机的底座固定在机器人躯干上，曲柄