一种仿生腿式弹跳实验装置的制作方法

本发明属于仿生机械领域，具体涉及一种仿生腿式弹跳装置，尤其是关于一种以液压弹性驱动器为动力源，以仿生膝关节机构为运动关节的单腿弹跳装置。

背景技术：

仿生腿式弹跳装置的研究能够为仿生足式机器人的能量利用效率，运动稳定性与控制策略的研究提供大量理论依据与实验数据，能够促进仿生足式机器人实用化的发展，是目前仿生机器人研究领域的热点之一。

目前，仿生腿式弹跳装置腿部关节的驱动方式大致分为以下几种形式，电机驱动，气压驱动，液压驱动和弹性驱动器驱动。其中，弹性驱动器主要由驱动元件和弹性元件组成，驱动元件多为电机、气压、液压，弹性元件多为弹簧、绳索。电机驱动具有驱动源体积小重量轻，能源携带方便，和控制策略成熟等优点，但是，电机驱动的输出力矩较小，需要额外安装相应的减速器增大输出力矩，且减速器的机械效率不高；气压驱动本身就具有弹性驱动器中弹性元件的特性，能够有效的吸收和缓冲机器人在碰撞时产生的能量损失，安全性较高，且输出力较大，但是，由于气体压缩比很大，难以精确控制气压驱动的运动和力的输出特性；液压驱动输出力大，控制精度高，但是其驱动系统自重很大，液压油几乎无法压缩，因此在驱动过程中常产生刚性冲击，对机械结构的损害较大，且人机互动时的安全性不高；弹性驱动器由于其结构丰富，以及力的控制性能良好等特点，能够改进以上三种驱动方式，但其研究工作尚属起步阶段。

目前，仿生腿式弹跳装置的腿部关节多为单自由度回转关节，其具有重量轻，结构简单，制造难度低，容易建立理论模型的特点。但是，相较于生物腿部关节的运动特性，单自由度回转关节的运动稳定性较差，且控制策略更为复杂，对数据采集系统和数据处理程序的要求更高，从而提高了控制系统的设计成本；另外，在面对非结构化环境时，单自由度回转关节无法实时地适应路面状况，时至今日，几乎所有的实验结果表明，以单自由度回转关节作为腿部关节的仿生足式机器人只能在单一的路况下进行相对稳定的运动。

目前，在与仿生腿式弹跳装置研究领域相仿的康复医疗器械领域，以复杂的仿生机构作为下肢关节的研究已经取得了丰硕的成果，并大量应用于下肢伤残人员的医疗和辅助行动过程中。该领域大量的研究结果和实际应用表明，以复杂的仿生机构作为下肢关节的医疗设备能够极大的提高患者在行动过程中的稳定性和舒适性。

技术实现要素：

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明基于袋鼠跳跃运动的生理特点，提出一种仿生腿式弹跳实验装置，提高了机器人的跳跃运动。其动力提供方式为带有弹性驱动器的液压驱动系统，其运动关节为仿生机构，因此其输出力大，并具有良好的运动稳定性和力学特性，且控制策略的设计成本较低。

本发明的技术方案是：一种仿生腿式弹跳实验装置，其特征在于：包括框架部分1、躯干部分2、大腿部分3、膝关节部分4、小腿部分5、脚掌部分6和装置驱动控制系统7；装置驱动控制系统7用于驱动和控制整个实验装置的运行；

框架部分1包括框架支架构件11、直线导轨构件12、躯干悬挂滑块构件13和传送装置；所述框架支架构件11为框架式结构，用于支撑和固定整个实验装置；所述传送装置包括传送带14、支撑件、辊子和减速电机15，所述传送装置通过支撑件固定于所述框架支架构件11的底面上，减速电机15的输出轴通过皮带与所述辊子连接，用于给传送带14提供动力；直线导轨构件12固定于框架支架构件11的侧面，并与传送带14垂直，躯干悬挂滑块构件13与直线导轨构件12配合安装并能够沿直线导轨构件12滑动；躯干悬挂滑块构件13上固定有第一光轴，所述第一光轴垂直于框架支架构件11的侧面，并平行设置于传送带14正上方；

躯干部分2包括躯干支架构件21、髋关节液压缸尾座22、髋关节液压缸23、两个髋关节轴支座24和两根髋关节轴25；躯干支架构件21包括两个平行且对称设置的侧板和一个顶板，两个所述侧板一端的边缘垂直焊接于所述顶板的相对两侧，另一端通过髋关节液压缸尾座22连接，且另一端向所述顶板下方倾斜，在躯干支架构件21上由两个侧板、顶板一侧边缘和髋关节液压缸尾座22形成缺口，将朝向顶板一侧定义为躯干支架构件21的前方，将朝向髋关节液压缸尾座22一侧定于为躯干支架构件21的后方；髋关节液压缸尾座22为圆柱体结构，垂直固定于两个所述侧板之间；髋关节液压缸23位于所述缺口处，其底端与髋关节液压缸尾座22铰接，其活塞端端头与大腿部分3铰接；两个所述侧板中部相对设置有通孔，所述第一光轴通过轴承安装于两个所述侧板的通孔中，能够使躯干支架构件21相对于躯干悬挂滑块构件13转动；在躯干支架构件21缺口处的两个所述侧板上相对设置有两个髋关节轴支座24，两个髋关节轴25同轴安装于两个髋关节轴支座24上；

大腿部分3包括两个大腿支架构件31、阀块构件32、大腿液压缸33、流量比例阀34和叠加式流量比例阀35；阀块构件32为立方体结构，其四个侧面上均开有一个油孔；阀块构件32上表面中心位置成矩形阵列分布有四个油孔，分别与阀块构件32侧面的油孔一一对应且相通，阀块构件32下表面设置有凸块，所述凸块底面通过公制外管螺纹与大腿液压缸33活塞腔尾部的公制内管螺纹连接，使得大腿液压缸33同轴安装于阀块构件32下方；所述凸块侧面上开有与大腿液压缸33油管连接的油孔；阀块构件32上表面开有的四个油孔通过设置于阀块构件32内的油道分别与大腿液压缸33和大腿液压缸33油管连通；装置驱动控制系统7内驱动部分的液压动力总成通过油管与阀块构件32侧面上设置的油孔连接，且阀块构件32通过油管与髋关节液压缸23油孔连接；叠加式流量比例阀35和流量比例阀34依次固连于阀块构件32的上表面，叠加式流量比例阀35的液压油进出口孔与阀块构件32上表面开有的四个油孔相对应安装，且孔径相同；两个大腿支架构件31为相互平行设置的板状结构，其一端分别固定于阀块构件32凸块的相对两个侧面上，另一端固定于膝关节部分4上；大腿支架构件31中部开设的通孔内安装有轴承，同轴安装于髋关节轴25上，使得大腿部分3通过两个髋关节轴25安装于躯干支架构件21的缺口内，并能够相对髋关节轴25转动；两个大腿支架构件31平行于躯干支架构件21的侧板，其靠近躯干支架构件21后方一侧的上端开有的通孔，通过第二光轴连接，髋关节液压缸23活塞端端头铰接于所述第二光轴上；

膝关节部分4包括大腿连接构件41、反向齿轮组42、两个小齿轮构件43、大齿轮组44、齿条构件45、辅助轴承46，摆杆构件47、小腿连接构件48，两个凸轮构件49，凸轮推杆构件410和角位移传感器411；大腿连接构件41上端为立方体结构，其朝向大腿部分3的面为上表面；大腿连接构件41的上表面中心位置开有螺纹通孔，与大腿液压缸33活塞腔端盖的外螺纹配合安装；两个大腿支架构件31的另一端分别固定于大腿连接构件41的相对两个侧面上；大腿连接构件41的下表面设置有两个对称且平行的凸耳，所述凸耳平行大腿支架构件31，大腿连接构件41的螺纹通孔位于两个凸耳之间；所述凸耳上设置有四个通孔，第一通孔设置于所述凸耳根部并靠近躯干支架构件21前方一侧，第三光轴通过铜套同轴穿过并安装于两个所述第一通孔内；反向齿轮组42包括四个第一不完全齿轮，其中两个所述第一不完全齿轮通过所述第三光轴安装于两个所述凸耳之间，其余两个所述第一不完全齿轮通过所述第三光轴安装于两个所述凸耳外侧；所述凸耳的第二通孔设置于所述凸耳的顶部中间位置，第四光轴同轴穿过并安装于两个所述第二通孔内；两个小齿轮构件43为相同的第二不完全齿轮，两个小齿轮构件43轴心通孔内设有铜套，同轴安装于两个所述凸耳外侧的所述第四光轴上，两个小齿轮构件43分别与安装于两个所述凸耳外侧的两个第一不完全齿轮啮合；所述凸耳的第三通孔设置于所述凸耳的顶部并靠近躯干支架构件21前方一侧，第五光轴通过铜套同轴穿过并安装于两个所述第三通孔内；大齿轮组44包括三个第三不完全齿轮，第三不完全齿轮之间固定并通过所述第五光轴安装于两个所述凸耳之间，位于两侧的第三不完全齿轮对称设置并与安装于两个所述凸耳之间的两个第一不完全齿轮啮合，位于中间的第三不完全齿轮的齿朝向小腿连接构件48；所述凸耳的第四通孔设置于所述凸耳的顶部并靠近躯干支架构件21后方一侧，第六光轴同轴安装于第四通孔内，辅助轴承46通过第六光轴安装于两个所述第四通孔之间；齿条构件45为单侧有齿的长方体结构，其顶面设置有盲孔，将大腿液压缸33活塞杆端部同轴插入所述盲孔，并固定安装；齿条构件45的齿与大齿轮组44位于中间的第三不完全齿轮啮合，齿条构件45有齿一侧的相对面为光滑平面，光滑平面与辅助轴承46的外圆表面接触，用以保证齿条构件45的受力平衡；小腿连接构件48中间为立方体结构，其上表面中心位置开有矩形通孔，且在上表面平行且对称设置有两个三角形凸耳，矩形通孔位于两个三角形凸耳之间，其下表面中心位置设置有环形凸台，环形凸台内固定安装有直线滑动轴承，环形凸台的内孔与矩形通孔相通；所述三角形凸耳平行于大腿连接构件41的凸耳，其上设置有上通孔和下通孔，上通孔位于所述三角形凸耳的顶端处，两个第七光轴通过铜套同轴安装于两个所述上通孔内，两个所述第七光轴分别同轴穿过两个小齿轮构件43的偏心通孔，两个小齿轮构件43位于两个所述三角形凸耳之间；所述下通孔位于所述三角形凸耳根部并靠近躯干支架构件21后方一侧，其内同轴安装有铜套；摆杆构件47为两端均平行设置有两个凸耳的圆弧状连接部件，其一端的两个第一凸耳顶部同轴设置有通孔，大齿轮组44的第三不完全齿轮的偏心通孔与两个第一凸耳的通孔同轴，并通过第八光轴同轴安装于两个第一凸耳之间；摆杆构件47另一端的两个第二凸耳顶部同轴设置的通孔，与小腿连接构件48的两个下通孔分别通过两个第九光轴同轴安装，使得摆杆构件47绕第九光轴相对小腿连接构件48转动；凸轮推杆构件410为y型结构，y型上端两侧臂对称设置，两侧臂顶端相对位置同轴安装有两个轴承，y型下端为为圆柱状推杆，所述推杆穿过小腿连接构件48的矩形通孔同轴安装于所述直线滑动轴承的内孔，能够沿矩形通孔的轴向做直线运动，所述两侧臂位于小腿连接构件48的矩形通孔内，同时位于摆杆构件47的两个第二凸耳之间；齿条构件45下端位于所述两侧臂之间，并保证间隙配合；两个凸轮构件49平行且对称固定于大腿连接构件41上靠近第四通孔的位置，其凸轮面与凸轮推杆构件410上安装的两个轴承接触，使得所述两个轴承能够沿凸轮面滚动，实现推动凸轮推杆构件410沿小腿连接构件48轴向做直线运动；角位移传感器411的外壳固定于大腿连接构件41侧面，其轴同轴固定于所述第三光轴一侧；

小腿部分5包括小腿外壳构件51、压缩弹簧52和踝关节构件53依次同轴安装；踝关节构件53为沿中心轴开有通孔的柱状结构，其顶面设置有环状凸台，环状凸台内同轴安装有直线滑动轴承，踝关节构件53下端外周面朝向躯干支架构件21后方一侧设置有凸块；小腿外壳构件51为管状结构，其上端同轴固定安装于小腿连接构件48的环形凸台外周面，下端同轴固定安装于踝关节构件53的环状凸台外周面；压缩弹簧52两端通过圆形薄板封闭，并安装于小腿外壳构件51内，压缩弹簧52顶端圆形薄板与凸轮推杆构件410的推杆底端接触，凸轮推杆构件410的轴向力使压缩弹簧52压缩变形；

脚掌部分6包括脚背构件61、脚底构件62、脚趾构件63、弹簧推杆构件64和曲柄构件65；脚背构件61底面为平板结构，两块竖直平板相互平行且对称设置，并垂直固定于所述脚背构件61底面上表面，踝关节构件53下端凸块与所述两块竖直平板铰接；脚底构件62为长方形的平板结构，固定于脚背构件61底面靠近躯干支架构件21后方的下表面；脚趾构件63由三块弯曲弧度不同的弹簧钢板叠加而成，三块弹簧钢板的长度和弧度从上到下依次增加，两个脚趾构件63平行固定于脚背构件61底面靠近躯干支架构件21前方的下表面，用于降低整个实验装置弹跳过程中的冲击力；曲柄构件65底端与所述两块竖直平板铰接，其顶端与弹簧推杆构件64的底端铰接；弹簧推杆构件64上端同轴安装于踝关节构件53直线滑动轴承内孔，同时其顶面与压缩弹簧52底部圆形薄板接触，弹簧推杆构件64的轴向力使压缩弹簧52压缩变形；

安装于孔内的铜套和轴承作用相同，都是为了实现轴与开有孔的部件之间的相对转动。

本发明的进一步技术方案是：所述装置驱动控制系统7设置于框架部分1的顶部，装置驱动控制系统7内设有驱动部分和控制部分，驱动部分包括液压动力总成、蓄能器、节流阀、电机驱动器和电磁铁放大器，控制部分包括中央处理单元、上位机数据接口、控制系统接口、数据采集接口和数据中转单元，其中数据中转单元与控制系统接口和数据采集接口电性连接，中央处理单元与上位机数据接口和数据中转单元电性连接，上位机数据接口通过数据线与电脑连接，控制系统接口通过数据线与装置驱动控制系统7内驱动部分的电机驱动器和电磁铁放大器连接，同时电机驱动器通过数据线与液压动力总成和减速电机15连接、电磁铁放大器通过数据线与所述流量比例阀34和叠加式流量比例阀35连接，数据采集接口通过数据线与所述角位移传感器411连接。

本发明的进一步技术方案是：所述框架支架构件11由十二根铝合金型材通过螺栓固连而成，形状为长方体结构，其宽度大于传送带14宽度，其长度小于传送带14长度，其高度与长度相当。

本发明的进一步技术方案是：所述框架部分1的高度等于三倍的所述躯干部分2、所述大腿部分3、所述膝关节部分4、小腿部分5与所述脚掌部分6长度之和，所述传送带14的宽度大于三倍的所述躯干部分2的宽度；直线导轨构件12上光轴的长度大于两倍的所述躯干部分2、所述大腿部分3、所述膝关节部分4、所述小腿部分5与所述脚掌部分6长度之和，且光轴的下端紧贴所述传送带14。

本发明的进一步技术方案是：所述凸轮推杆构件410的侧壁上竖直安装有四个轴承，用于保证凸轮推杆构件410的受力平衡。

有益效果

本发明的有益效果在于：

1、本发明以两液压缸驱动弹跳装置，利用液压驱动输出力大的特点提高了装置的承载能力；

2、本发明以齿轮-五杆机构丰富的运动特性模拟特定生物关节运动瞬时曲率中心轨迹，使装置步态更加贴近生物的跳跃运动，从而为研究瞬时曲率中心轨迹对跳跃性能的影响提供了实验平台；

3、本发明以半可控的弹性驱动作为踝关节的驱动方式，可以将压缩弹簧线性的能量吸收与释放特性转化为非线性的能量吸收与释放特性，并能够通过安装不同的凸轮构件实现弹性驱动器的能量存储与释放特征的多样化，从而方便了对机器人跳跃运动中能量流动特性的研究工作；

4、本发明以液压驱动和弹簧驱动相结合的形式作为机器人的弹性驱动器，能够将较小功率的液压系统的输出能量存储之后，周期性的突然释放，从而减小了液压动力系统的需求功率、外形体积和重量，提高了能量的利用效率。

附图说明

图1是装置整体轴侧图；

图2是框架部分轴侧图；

图3是躯干部分轴侧图；

图4是躯干部分底视图；

图5是大腿部分轴侧图；

图6是大腿部分轴侧爆炸图；

图7是膝关节部分轴侧图；

图8是膝关节部分轴侧爆炸图；

图9是膝关节部分凸轮与辅助轴承爆炸图；

图10是小腿部分轴侧图；

图11是小腿部分弹簧爆炸图；

图12是脚掌部分轴侧图；

图13是脚掌部分脚趾爆炸图；

图14是大腿连接构件41零件图；

图15是齿条构件45零件图。

附图标记说明：1.框架部分，2.躯干部分，3.大腿部分，4.膝关节部分，5.小腿部分，6.是脚掌部分，7.装置驱动控制系统，11.框架支架构件，12.直线导轨构件，13.躯干悬挂滑块构件，14.传送带，15.减速电机，21.躯干支架构件，22.髋关节液压缸尾座，23.髋关节液压缸，24.髋关节轴支座，25.髋关节轴，31.大腿支架构件，32.阀块构件，33.大腿液压缸，34.流量比例阀，35.叠加式流量比例阀，41.大腿连接构件，42.反向齿轮组，43.小齿轮构件，44.大齿轮组，45.齿条构件，46.辅助轴承，47.摆杆构件，48.小腿连接构件，49.凸轮构件，410.凸轮推杆构件，411.角位移传感器，51.小腿外壳构件，52.压缩弹簧，53.踝关节构件，61.脚背构件，62.脚底构件，63.脚趾构件，64.弹簧推杆构件，65.曲柄构件。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参照附图，本发明一种仿生腿式弹跳实验装置包括框架部分1、躯干部分2、大腿部分3、膝关节部分4、小腿部分5、脚掌部分6和装置驱动控制系统7；装置驱动控制系统7用于驱动和控制整个实验装置的运行；所述装置驱动控制系统7设置于框架部分1的顶部，装置驱动控制系统7内设有驱动部分和控制部分，驱动部分包括液压动力总成、蓄能器、节流阀、电机驱动器和电磁铁放大器，控制部分包括中央处理单元、上位机数据接口、控制系统接口、数据采集接口和数据中转单元，其中数据中转单元与控制系统接口和数据采集接口电性连接，中央处理单元与上位机数据接口和数据中转单元电性连接，上位机数据接口通过数据线与电脑连接，控制系统接口通过数据线与装置驱动控制系统7内驱动部分的电机驱动器和电磁铁放大器连接，同时电机驱动器通过数据线与液压动力总成和所述减速电机15连接、电磁铁放大器通过数据线与所述流量比例阀34和叠加式流量比例阀35连接，数据采集接口通过数据线与所述角位移传感器411连接。

框架部分1包括框架支架构件11、直线导轨构件12、躯干悬挂滑块构件13和传送装置；所述框架支架构件11为框架式结构，用于支撑和固定整个实验装置；所述框架支架构件11由十二根铝合金型材通过螺栓固连而成，形状为长方体结构，其宽度大于传送带14宽度，其长度小于传送带14长度，其高度与长度相当。所述传送装置包括传送带14、支撑件、辊子和减速电机15，所述传送装置通过支撑件固定于所述框架支架构件11的底面上，减速电机15的输出轴通过皮带与所述辊子连接，用于给传送带14提供动力；直线导轨构件12固定于框架支架构件11的侧面，并与传送带14垂直，躯干悬挂滑块构件13与直线导轨构件12配合安装并能够沿直线导轨构件12滑动；躯干悬挂滑块构件13上固定有第一光轴，所述第一光轴垂直于框架支架构件11的侧面，并平行设置于传送带14正上方；

所述框架部分1的高度等于三倍的所述躯干部分2、所述大腿部分3、所述膝关节部分4、小腿部分5与所述脚掌部分6长度之和，所述传送带14上的宽度大于三倍的所述躯干部分2的宽度；直线导轨构件12上光轴的长度大于两倍的所述躯干部分2、所述大腿部分3、所述膝关节部分4、所述小腿部分5与所述脚掌部分6长度之和，且光轴的下端紧贴所述传送带14。

躯干部分2包括躯干支架构件21、髋关节液压缸尾座22、髋关节液压缸23、两个髋关节轴支座24和两根髋关节轴25；躯干支架构件21包括两个平行且对称设置的侧板和一个顶板，两个所述侧板一端的边缘垂直焊接于所述顶板的相对两侧，另一端通过髋关节液压缸尾座22连接，且另一端向所述顶板下方倾斜，在躯干支架构件21上由两个侧板、顶板一侧边缘和髋关节液压缸尾座22形成缺口，将朝向顶板一侧定义为躯干支架构件21的前方，将朝向髋关节液压缸尾座22一侧定于为躯干支架构件21的后方；髋关节液压缸尾座22为圆柱体结构，垂直固定于两个所述侧板之间；髋关节液压缸23位于所述缺口处，其底端与髋关节液压缸尾座22铰接，其活塞端端头与大腿部分3铰接；两个所述侧板中部相对设置有通孔，所述第一光轴通过轴承安装于两个所述侧板的通孔中，能够使躯干支架构件21相对于躯干悬挂滑块构件13转动；在躯干支架构件21缺口处的两个所述侧板上相对设置有两个髋关节轴支座24，两个髋关节轴25同轴安装于两个髋关节轴支座24上；

大腿部分3包括两个大腿支架构件31、阀块构件32、大腿液压缸33、流量比例阀34和叠加式流量比例阀35；阀块构件32为立方体结构，其中两个相对侧面上各设置有一圆柱凸台，圆柱凸台的设置是为了其上设置的油孔深度足够连接油管，沿所述圆柱凸台轴向开有油孔，另外两个相对侧面上均开有一个油孔；阀块构件32上表面中心位置成矩形阵列分布有四个油孔，分别与阀块构件32侧面的油孔一一对应且相通，阀块构件32下表面设置有凸块，所述凸块底面通过公制外管螺纹与大腿液压缸33活塞腔尾部的公制内管螺纹连接，使得大腿液压缸33同轴安装于阀块构件32下方；所述凸块侧面上开有与大腿液压缸33油管连接的油孔；阀块构件32上表面开有的四个油孔通过设置于阀块构件32内的油道分别与大腿液压缸33和大腿液压缸33油管连通；装置驱动控制系统7内驱动部分的液压动力总成通过油管与阀块构件32侧面上设置的油孔连接，且阀块构件32通过油管与髋关节液压缸23和大腿液压缸33油孔连接；叠加式流量比例阀35和流量比例阀34依次固连于阀块构件32的上表面，叠加式流量比例阀35的液压油进出口孔与阀块构件32上表面开有的四个油孔相对应安装，且孔径相同；两个大腿支架构件31为相互平行设置的板状结构，其一端分别固定于阀块构件32凸块的相对两个侧面上，另一端固定于膝关节部分4上；大腿支架构件31中部开设的通孔内安装有轴承，同轴安装于髋关节轴25上，使得大腿部分3通过两个髋关节轴25安装于躯干支架构件21的缺口内，并能够相对髋关节轴25转动；两个大腿支架构件31平行于躯干支架构件21的侧板，其靠近躯干支架构件21后方一侧的上端开有的通孔，通过第二光轴连接，髋关节液压缸23活塞端端头铰接于所述第二光轴上；

膝关节部分4包括大腿连接构件41、反向齿轮组42、两个小齿轮构件43、大齿轮组44、齿条构件45、辅助轴承46，摆杆构件47、小腿连接构件48，两个凸轮构件49，凸轮推杆构件410和角位移传感器411；大腿连接构件41上端为立方体结构，其朝向大腿部分3的面为上表面；大腿连接构件41的上表面中心位置开有螺纹通孔，与大腿液压缸33活塞腔端盖的外螺纹配合安装；两个大腿支架构件31的另一端分别固定于大腿连接构件41的相对两个侧面上；大腿连接构件41的下表面设置有两个对称且平行的凸耳，所述凸耳平行大腿支架构件31，大腿连接构件41的螺纹通孔位于两个凸耳之间；所述凸耳上设置有四个通孔，第一通孔设置于所述凸耳根部并靠近躯干支架构件21前方一侧，第三光轴通过铜套同轴穿过并安装于两个所述第一通孔内；反向齿轮组42包括四个第一不完全齿轮，其中两个所述第一不完全齿轮通过所述第三光轴安装于两个所述凸耳之间，其余两个所述第一不完全齿轮通过所述第三光轴安装于两个所述凸耳外侧；所述凸耳的第二通孔设置于所述凸耳的顶部中间位置，第四光轴同轴穿过并安装于两个所述第二通孔内；两个小齿轮构件43为相同的第二不完全齿轮，两个小齿轮构件43轴心通孔内设有铜套，同轴安装于两个所述凸耳外侧的所述第四光轴上，两个小齿轮构件43分别与安装于两个所述凸耳外侧的两个第一不完全齿轮啮合；所述凸耳的第三通孔设置于所述凸耳的顶部并靠近躯干支架构件21前方一侧，第五光轴通过铜套同轴穿过并安装于两个所述第三通孔内；大齿轮组44包括三个第三不完全齿轮，第三不完全齿轮之间固定并通过所述第五光轴安装于两个所述凸耳之间，位于两侧的第三不完全齿轮对称设置并与安装于两个所述凸耳之间的两个第一不完全齿轮啮合，位于中间的第三不完全齿轮的齿朝向小腿连接构件48；所述凸耳的第四通孔设置于所述凸耳的顶部并靠近躯干支架构件21后方一侧，第六光轴同轴安装于第四通孔内，辅助轴承46通过第六光轴安装于两个所述第四通孔之间；齿条构件45为单侧有齿的长方体结构，其顶面设置有盲孔，将大腿液压缸33活塞杆端部同轴插入所述盲孔，并固定安装；齿条构件45的齿与大齿轮组44位于中间的第三不完全齿轮啮合，齿条构件45有齿一侧的相对面为光滑平面，光滑平面与辅助轴承46的外圆表面接触，用以保证齿条构件45的受力平衡；小腿连接构件48中间为立方体结构，其上表面中心位置开有矩形通孔，且在上表面平行且对称设置有两个三角形凸耳，矩形通孔位于两个三角形凸耳之间，其下表面中心位置设置有环形凸台，环形凸台内固定安装有直线滑动轴承，环形凸台的内孔与矩形通孔相通；所述三角形凸耳平行于大腿连接构件41的凸耳，其上设置有上通孔和下通孔，上通孔位于所述三角形凸耳的顶端处，两个第七光轴通过铜套同轴安装于两个所述上通孔内，两个所述第七光轴分别同轴穿过两个小齿轮构件43的偏心通孔，两个小齿轮构件43位于两个所述三角形凸耳之间；所述下通孔位于所述三角形凸耳根部并靠近躯干支架构件21后方一侧，其内同轴安装有铜套；摆杆构件47为两端均平行设置有两个凸耳的圆弧状连接部件，其一端的两个第一凸耳顶部同轴设置有通孔，大齿轮组44的第三不完全齿轮的偏心通孔与两个第一凸耳的通孔同轴，并通过第八光轴同轴安装于两个第一凸耳之间；摆杆构件47另一端的两个第二凸耳顶部同轴设置的通孔，与小腿连接构件48的两个下通孔分别通过两个第九光轴同轴安装，使得摆杆构件47绕第九光轴相对小腿连接构件48转动；凸轮推杆构件410为y型结构，y型上端两侧臂对称设置，两侧臂顶端相对位置同轴安装有两个轴承，所述凸轮推杆构件410的侧壁上竖直安装有四个轴承，用于保证凸轮推杆构件410的受力平衡。y型下端为为圆柱状推杆，所述推杆穿过小腿连接构件48的矩形通孔同轴安装于所述直线滑动轴承的内孔，能够沿矩形通孔的轴向做直线运动，所述两侧臂位于小腿连接构件48的矩形通孔内，同时位于摆杆构件47的两个第二凸耳之间；齿条构件45下端位于所述两侧臂之间，并保证间隙配合；两个凸轮构件49平行且对称固定于大腿连接构件41上靠近第四通孔的位置，其凸轮面与凸轮推杆构件410上安装的两个轴承接触，使得所述两个轴承能够沿凸轮面滚动，实现推动凸轮推杆构件410沿小腿连接构件48轴向做直线运动；角位移传感器411的外壳固定于大腿连接构件41侧面，其轴同轴固定于所述第三光轴一侧；

小腿部分5包括小腿外壳构件51、压缩弹簧52和踝关节构件53依次同轴安装；踝关节构件53为沿中心轴开有通孔的柱状结构，其顶面设置有环状凸台，环状凸台内同轴安装有直线滑动轴承，踝关节构件53下端外周面朝向躯干支架构件21后方一侧设置有凸块；小腿外壳构件51为管状结构，其上端同轴固定安装于小腿连接构件48的环形凸台外周面，下端同轴固定安装于踝关节构件53的环状凸台外周面；压缩弹簧52两端通过圆形薄板封闭，并安装于小腿外壳构件51内，压缩弹簧52顶端圆形薄板与凸轮推杆构件410的推杆底端接触，凸轮推杆构件410的轴向力使压缩弹簧52压缩变形；

脚掌部分6包括脚背构件61、脚底构件62、脚趾构件63、弹簧推杆构件64和曲柄构件65；脚背构件61底面为平板结构，两块竖直平板相互平行且对称设置，并垂直固定于所述脚背构件61底面上表面，踝关节构件53下端凸块与所述两块竖直平板铰接；脚底构件62为长方形的平板结构，固定于脚背构件61底面靠近躯干支架构件21后方的下表面；脚趾构件63由三块弯曲弧度不同的弹簧钢板叠加而成，三块弹簧钢板的长度和弧度从上到下依次增加，两个脚趾构件63平行固定于脚背构件61底面靠近躯干支架构件21前方的下表面，用于降低整个实验装置弹跳过程中的冲击力；曲柄构件65底端与所述两块竖直平板铰接，其顶端与弹簧推杆构件64的底端铰接；弹簧推杆构件64上端同轴安装于踝关节构件53直线滑动轴承内孔，同时其顶面与压缩弹簧52底部圆形薄板接触，弹簧推杆构件64的轴向力使压缩弹簧52压缩变形。

所述齿条构件45由大腿液压缸33的活塞推动，通过齿轮齿条副带动大齿轮组44旋转，同时，由于大齿轮组44、反向齿轮组42和两个小齿轮构件43之间有啮合关系，且大腿连接构件41、大齿轮组44、两个小齿轮构件43、摆杆构件47和小腿连接构件48存在铰接关系，从而构成了由液压缸驱动的单自由度齿轮-五杆机构的复杂仿生运动，其中所述大腿连接构件41和小腿连接构件48之间的运动既非回转又非滑动，能够很好的模拟特定生物的关节运动特征。

所述凸轮推杆构件410与两个凸轮构件49形成高副，在运动过程中使所述压缩弹簧52的顶部呈现一定规律的运动，从而使压缩弹簧52内积蓄或释放的能量非线性化，通过安装不同轮廓面的凸轮构件49，能够实现不同的能量存放特性。

本发明一种仿生腿式弹跳实验装置的操作过程：

首先，按照本发明内容的描述并参考附图安装仿生腿式弹跳装置，并在所述装置驱动控制系统7中的液压动力总成中注入液压油，然后将电脑或其他上位机通过数据线连接在所述装置驱动控制系统7上，在实验装置的运行过程中，电脑将信号发送给所述装置驱动控制系统7，并通过装置驱动控制系统7驱动并控制所述减速电机15运转，从而带动所述传送带14运动；同时，电脑信号通过装置驱动控制系统7驱动液压动力总成内液压油的泵出，通过连接在装置驱动控制系统7上的液压油管将液压油输送至所述阀块构件32，液压油通过连接在阀块构件32上的流量比例阀34、叠加式流量比例阀35和液压油管流入所述髋关节液压缸23和大腿液压缸33内，从而使其活塞的运动；另外，电脑信号通过装置驱动控制系统7内的电磁铁放大器控制所述流量比例阀34和叠加式流量比例阀35内阀芯的开关大小，从而调节流过流量比例阀34和叠加式流量比例阀35的液压油流量，并控制髋关节液压缸23和大腿液压缸33活塞的运动速度。所述大腿支架构件31和齿条构件45分别在髋关节液压缸23和大腿液压缸33的活塞的推动下运动，从而实现髋关节和膝关节的角度变化，踝关节无主动控制，完全由所述压缩弹簧52实现缓冲和弹跳功能。所述角位移传感器411通过装置驱动控制系统7内的数据采集接口将角位移信号发送给电脑，能够实现实验的闭环控制。

实验开始时输入液压缸调试信号，在该信号下所述传送带14不动，而髋关节液压缸23和大腿液压缸33运动，观察并调节控制参数使液压缸能够稳定运动并符合调试信号的要求，之后输入竖直跳跃调试信号，该信号下所述传送带14依然不动，观察并调节控制参数使液压缸能够稳定运动且跳跃装置能够在竖直方向上进行连续跳跃运动，此后输入联动调试信号，该信号下所述传送带14、髋关节液压缸23和大腿液压缸33均进行运动，且传送带14的运动速度为由慢转快的简便过程，观察运动过程并调节控制参数，直至跳跃装置在传送带14达到最大运动速度时能够进行稳定的连续跳跃运动。

完成调试工作后，根据实验目的添加若干传感器(分别在大小齿轮组的轴部安装角位移传感器)，并输入目标信号进行实验。由于额外传感器的加入，装置的跳跃运动可能出现不稳定的情况，需要进行进一步调整参数直至运动稳定后采集实验数据。

在更换模拟的目标生物时，首先停止装置的运作，并拆卸所述两个小齿轮构件43和反向齿轮组44，在模数不变的同时更换齿数不同的小齿轮构件43和反向齿轮组44并安装，从而达到改变大腿连接构件41和小腿连接构件49之间的相对运动特征的目的。另外，改变齿轮构件43和反向齿轮组44的初始啮合位置也能够获得不同运动特征。

在实验不同的弹簧能量积蓄和释放特性时，可以拆卸所述小腿连接构件48和小腿外壳构件51之间的连接关系，或者拆卸踝关节构件53和小腿外壳构件51之间的连接关系，并更换弹簧，重新安装之后进行实验。此外，也可拆卸所述凸轮构件49，并更换轮廓面不同的凸轮构件49，测试跳跃装置在同一弹簧的不同非线性运动情况下的能量存放特性。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。