帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)，包括依次鉸接的機(jī)身、大腿、小腿和足部，所述機(jī)身與大腿的鉸接處設(shè)有驅(qū)動(dòng)大腿旋轉(zhuǎn)的方向驅(qū)動(dòng)裝置，所述大腿上設(shè)有驅(qū)動(dòng)小腿轉(zhuǎn)動(dòng)的第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置，所述小腿的上端具有與大腿下端鉸接的小腿頂板，小腿頂板與第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置之間設(shè)有膝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿，所述膝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿的兩端分別與小腿頂板與第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置鉸接，所述大腿與小腿的鉸接出設(shè)有驅(qū)動(dòng)小腿旋轉(zhuǎn)的第二跳躍驅(qū)動(dòng)裝置；所述小腿和足部之間設(shè)有緩沖機(jī)構(gòu)。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)對(duì)機(jī)器人跳躍中蓄能能力弱，不能實(shí)現(xiàn)髖膝協(xié)同工作，以及無(wú)法保護(hù)踝關(guān)節(jié)電機(jī)免受跳躍中沖擊的問(wèn)題。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的進(jìn)步，機(jī)器人時(shí)代正在向我們走來(lái)。仿人機(jī)器人已經(jīng)成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)，如何實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的快速跳躍和跑步運(yùn)動(dòng)已經(jīng)成為機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。人體腿部能夠?qū)崿F(xiàn)行走、跳躍、等運(yùn)動(dòng)，對(duì)腿式機(jī)器人提升其運(yùn)動(dòng)性能有重要的借鑒意義。目前我國(guó)對(duì)腿式機(jī)器人的研究主要集中在實(shí)現(xiàn)步行和爬行等功能，但是運(yùn)動(dòng)速度受到自身重量與電機(jī)功率等因素的限制，相比于國(guó)外先進(jìn)的腿式機(jī)器人存在一定的差距。
[0003]單腿機(jī)器人是腿式機(jī)器人中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的機(jī)器人，具有動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)單、干擾較少、研究成本低和周期短的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)設(shè)計(jì)單腿機(jī)器人機(jī)構(gòu)，可以更好地了解腿式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和運(yùn)動(dòng)特性。
[0004]如授權(quán)公告號(hào)為CN103879470B的專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)的一種連桿傳動(dòng)的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)，包括依次鉸接的機(jī)身、大腿和小腿，大腿設(shè)有驅(qū)動(dòng)小腿轉(zhuǎn)動(dòng)的跳躍驅(qū)動(dòng)裝置，機(jī)身與大腿的鉸接處設(shè)有驅(qū)動(dòng)大腿旋轉(zhuǎn)的方向驅(qū)動(dòng)裝置，小腿上端具有與大腿下端鉸接的小腿頂板，小腿頂板與跳躍驅(qū)動(dòng)裝置之間設(shè)有傳動(dòng)桿，傳動(dòng)桿的兩端分別與驅(qū)動(dòng)裝置和小腿頂板鉸接，大腿與小腿頂板之間還設(shè)有彈性?xún)?chǔ)能件。方向驅(qū)動(dòng)裝置能夠驅(qū)動(dòng)大腿旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)方向控制;跳躍驅(qū)動(dòng)裝置和方向驅(qū)動(dòng)裝置靠近機(jī)身，這降低了大腿相對(duì)于機(jī)身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，能減少第一驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能耗，提高機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和敏捷性;通過(guò)平衡飛輪，增加了機(jī)器人的穩(wěn)定性;通過(guò)設(shè)置的彈性?xún)?chǔ)能件和平衡件，既能儲(chǔ)能又能緩沖。但該機(jī)器人沒(méi)有踝關(guān)節(jié)及足底，不能利用踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)提高機(jī)器人的跳躍能力，在高強(qiáng)度跳躍運(yùn)動(dòng)中對(duì)減緩地面對(duì)機(jī)器人膝關(guān)節(jié)與髖關(guān)節(jié)沖擊的能力也較為有限。
[0005]申請(qǐng)公布號(hào)為CN102556193 A的專(zhuān)利文獻(xiàn)提供的彈跳機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)彈跳和保持平衡，但是在工作時(shí)主要依賴(lài)電機(jī)提供能量，不具備機(jī)構(gòu)儲(chǔ)能裝置，因此對(duì)電機(jī)的負(fù)荷比較大。
[0006]申請(qǐng)公布號(hào)為CN103264733 A的專(zhuān)利文獻(xiàn)公開(kāi)了一種動(dòng)力儲(chǔ)能的單腿機(jī)器人原地跳躍機(jī)構(gòu)，機(jī)器人由機(jī)身、髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、足底和大小腿五部分組成，機(jī)身與大腿、大腿與小腿之間分別通過(guò)髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)連接;髖關(guān)節(jié)由電機(jī)、諧波減速器、編碼器和髖彈簧等元件組成，具有主動(dòng)輸出關(guān)節(jié)力矩的功能，通過(guò)同步帶為膝關(guān)節(jié)提供主動(dòng)的力矩輸出；膝關(guān)節(jié)的膝轉(zhuǎn)軸安裝膝彈簧，膝關(guān)節(jié)通過(guò)將機(jī)器人的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為膝彈簧的彈性勢(shì)能，為機(jī)器人的跳躍積蓄和補(bǔ)償能量;足部安裝有力傳感器，用于檢測(cè)機(jī)器人的觸地信息。但是該單腿機(jī)器人原地跳躍機(jī)構(gòu)雖然采用了串聯(lián)彈性驅(qū)動(dòng)裝置，具有一定的儲(chǔ)能效果，但儲(chǔ)能能力較弱，且由于沒(méi)有髖關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器，機(jī)器人只能在原地彈跳，不能進(jìn)行前進(jìn)或后退運(yùn)動(dòng)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)。解決了現(xiàn)有技術(shù)對(duì)機(jī)器人跳躍中蓄能能力較弱，無(wú)法實(shí)現(xiàn)髖膝協(xié)同工作，以及無(wú)法實(shí)現(xiàn)踝關(guān)節(jié)蓄能并在運(yùn)動(dòng)中做功的問(wèn)題。
[0008]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下:一種帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)，包括依次鉸接的機(jī)身、大腿、小腿和足部，所述機(jī)身與大腿的鉸接處設(shè)有驅(qū)動(dòng)大腿旋轉(zhuǎn)的方向驅(qū)動(dòng)裝置，所述大腿上設(shè)有驅(qū)動(dòng)小腿轉(zhuǎn)動(dòng)的第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置，所述小腿的上端具有與大腿下端鉸接的小腿頂板，小腿頂板與第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置之間設(shè)有膝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿，所述膝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿的兩端分別與小腿頂板與第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置鉸接，所述大腿與小腿的鉸接出設(shè)有驅(qū)動(dòng)小腿旋轉(zhuǎn)的第二跳躍驅(qū)動(dòng)裝置;所述小腿和足部之間設(shè)有緩沖機(jī)構(gòu);所述足部上還設(shè)有微動(dòng)開(kāi)關(guān)，所述微動(dòng)開(kāi)關(guān)向用于反饋?zhàn)悴恐氐男畔?所述機(jī)身上安裝有控制器，所述方向驅(qū)動(dòng)裝置、第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置、第二跳躍驅(qū)動(dòng)裝置和微動(dòng)開(kāi)關(guān)均與控制器相連。
[0009]進(jìn)一步地，所述大腿包括:
[0010]與機(jī)身鉸接的安裝架，用于安裝方向驅(qū)動(dòng)裝置和第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置；
[0011 ]三腳架，一端與安裝架固定，另一端與小腿鉸接。
[0012I進(jìn)一步地，所述方向驅(qū)動(dòng)裝置包括:
[0013]固定在安裝架上的髖關(guān)節(jié)電機(jī)，所述髖關(guān)節(jié)電機(jī)與控制器相連；
[0014]固定在安裝架上與髖關(guān)節(jié)電機(jī)配合傳動(dòng)的髖諧波減速器；
[0015]與髖諧波減速器輸出軸配合的髖關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器；
[0016]所述髖關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器包括同心布置能相對(duì)旋轉(zhuǎn)的第一外環(huán)和第一內(nèi)環(huán)，第一外環(huán)與第一內(nèi)環(huán)之間設(shè)置有若干第一彈簧件，所述第一內(nèi)環(huán)與髖諧波減速器的輸出軸固定，所述第一外環(huán)與機(jī)身固定。
[0017]進(jìn)一步地，所述第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置包括:
[0018]固定在安裝架上的膝關(guān)節(jié)電機(jī)，所述膝關(guān)節(jié)電機(jī)與控制器相連；
[0019]固定在安裝架上與膝關(guān)節(jié)電機(jī)配合傳動(dòng)的膝諧波減速器；
[0020]與膝諧波減速器輸出軸配合的膝關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器，
[0021]所述膝關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器包括同心布置能相對(duì)旋轉(zhuǎn)的第二外環(huán)和第二內(nèi)環(huán)，第二外環(huán)與第二內(nèi)環(huán)之間設(shè)置有若干第二彈簧件，所述第二內(nèi)環(huán)與膝諧波減速器的輸出軸固定，所述第二外環(huán)與膝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿的一端鉸接。
[0022]進(jìn)一步地，所述第二跳躍驅(qū)動(dòng)裝置包括:
[0023]固定在小腿上的踝關(guān)節(jié)電機(jī)，所述踝關(guān)節(jié)電機(jī)與控制器相連；
[0024]固定在三腳架上與踝關(guān)節(jié)電機(jī)配合傳動(dòng)的踝諧波減速器；
[0025]與踝諧波減速器輸出端固定的踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿；
[0026]踝電機(jī)編碼器，所述踝電機(jī)編碼器的轉(zhuǎn)子與踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿固定連接，定子與小腿固定連接。
[0027]進(jìn)一步地，所述緩沖機(jī)構(gòu)包括:
[0028]踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿，一端與踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿末端鉸接；
[0029]小腿鉸接桿，一端與小腿的下部鉸接；
[0030]彈性機(jī)構(gòu)，上端分別與踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿的另一端和小腿鉸接桿的另一端鉸接，下端與足部鉸接；
[0031]所述小腿、踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿、踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿和小腿鉸接桿構(gòu)成一個(gè)平行四邊形四連桿機(jī)構(gòu)。
[0032]進(jìn)一步地，所述彈性機(jī)構(gòu)包括:
[0033]與踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿的另一端和小腿鉸接桿的另一端鉸接的踝關(guān)節(jié)上彈簧座；
[0034]固定在踝關(guān)節(jié)上彈簧座上的踝關(guān)節(jié)彈簧鎖扣；
[0035]兩個(gè)踝關(guān)節(jié)上彈簧座之間設(shè)有若干踝關(guān)節(jié)彈簧，所述踝關(guān)節(jié)彈簧通過(guò)踝關(guān)節(jié)彈簧鎖扣固定在踝關(guān)節(jié)上彈簧座。
[0036]進(jìn)一步地，所述小腿和足部的鉸接處設(shè)有踝關(guān)節(jié)編碼器;所述踝關(guān)節(jié)編碼器與控制器相連。
[0037]進(jìn)一步地，所述足部包括足部主體，所述足部主體后部固定有足后跟連桿;所述彈性機(jī)構(gòu)的下端與足后跟連桿鉸接;所述足部主體包裹有足部橡膠，用于降低跳躍沖擊并增大與地面的摩擦力;所述足底踏板設(shè)置在足部橡膠和足部主體之間，足底踏板的前端嵌入足部主體的限位卡槽中，足底踏板的后端鉸接在足部主體的下端;所述足底踏板和足部主體之間設(shè)置有足底彈簧，足底彈簧處于壓縮狀態(tài)，用于使足底踏板與足部主體下端保持距離;所述足部主體內(nèi)部還安裝有兩個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān);所述微動(dòng)開(kāi)關(guān)的撥桿貼在足底踏板表面;所述微動(dòng)開(kāi)關(guān)與控制器相連。
[0038]進(jìn)一步地，所述小腿、小腿鉸接桿、踝關(guān)節(jié)彈簧和足后跟連桿構(gòu)成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)。
[0039]本發(fā)明與【背景技術(shù)】相比，具有的有益效果是:
[0040]1、附帶有踝關(guān)節(jié)電機(jī)，能夠主動(dòng)控制踝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)膝踝聯(lián)合運(yùn)動(dòng)，提升機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力；
[0041]2、踝關(guān)節(jié)安裝有串聯(lián)彈性裝置，能夠在機(jī)器人著地階段緩解沖擊，存儲(chǔ)沖擊能量并在起跳階段為機(jī)器人提供能量；
[0042]3、安裝有仿生足部，減緩跳躍過(guò)程對(duì)機(jī)身的沖擊，仿生足部?jī)?nèi)部的微動(dòng)開(kāi)關(guān)能夠靈敏檢測(cè)機(jī)器人的落地狀態(tài)。
【附圖說(shuō)明】
[0043]圖1是本發(fā)明帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖2是機(jī)器人小腿與足部的側(cè)視圖；
[0045]圖3是踝關(guān)節(jié)彈性機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0046]圖4是仿生足部的局部剖視圖；
[0047]圖5是髖關(guān)節(jié)彈性轉(zhuǎn)盤(pán)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0048]圖6是膝關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0049]圖中，1.機(jī)身、2.大腿、3.小腿、4.足部、5.髖關(guān)節(jié)電機(jī)、6.髖諧波減速器、7.髖關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器、8.膝關(guān)節(jié)電機(jī)、9.膝諧波減速器、10.膝關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器、11.膝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿、12.踝關(guān)節(jié)電機(jī)、13.踝傳動(dòng)皮帶、14.踝諧波減速器、15.踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿、16.踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿、17.小腿鉸接桿、18.踝關(guān)節(jié)彈簧、19.踝關(guān)節(jié)彈簧上連桿軸、20.踝關(guān)節(jié)上彈簧座、21.踝關(guān)節(jié)下彈簧座、22.踝關(guān)節(jié)彈簧鎖扣、23.踝關(guān)節(jié)彈簧下連桿軸、24.足后跟連桿、25.足部橡膠、26.足底踏板、27.微動(dòng)開(kāi)關(guān)、28.踝電機(jī)編碼器、29.踝關(guān)節(jié)編碼器、30.足底彈簧、31.限位卡槽、32.足部主體、33.小腿頂板、34.髖壓縮彈簧、35.膝壓縮彈簧、36.安裝架、37.三腳架。
【具體實(shí)施方式】
[0050]下面結(jié)合附圖和實(shí)例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0051]如圖1-6所示，一種帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)，包括依次鉸接的機(jī)身1、大腿2、小腿3和足部4，所述機(jī)身I與大腿2的鉸接處設(shè)有驅(qū)動(dòng)大腿2旋轉(zhuǎn)的方向驅(qū)動(dòng)裝置，所述大腿2上設(shè)有驅(qū)動(dòng)小腿3轉(zhuǎn)動(dòng)的第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置，所述小腿3的上端具有與大腿2下端鉸接的小腿頂板33，小腿頂板與第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置之間設(shè)有膝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿11，所述膝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿11的兩端分別與小腿頂板33與第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置鉸接，所述大腿2與小腿3的鉸接出設(shè)有驅(qū)動(dòng)小腿3旋轉(zhuǎn)的第二跳躍驅(qū)動(dòng)裝置;所述小腿3和足部4之間設(shè)有緩沖機(jī)構(gòu);所述足部4上還設(shè)有微動(dòng)開(kāi)關(guān)27，所述微動(dòng)開(kāi)關(guān)27向用于反饋?zhàn)悴?著地的信息;所述機(jī)身I上安裝有控制器，所述方向驅(qū)動(dòng)裝置、第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置、第二跳躍驅(qū)動(dòng)裝置和微動(dòng)開(kāi)關(guān)27均與控制器相連。
[0052]所述大腿2包括:
[0053]與機(jī)身I鉸接的安裝架36，用于安裝方向驅(qū)動(dòng)裝置和第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置；
[0054]三腳架37，一端與安裝架36固定，另一端與小腿3鉸接。
[°°55]所述方向驅(qū)動(dòng)裝置包括:
[0056]固定在安裝架36上的髖關(guān)節(jié)電機(jī)5，并與控制器相連；
[0057]固定在安裝架36上與髖關(guān)節(jié)電機(jī)5配合傳動(dòng)的髖諧波減速器6;
[0058]與髖諧波減速器輸出軸配合的膝關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器，
[0059]所述髖關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器7包括同心布置能相對(duì)旋轉(zhuǎn)的第一外環(huán)和第一內(nèi)環(huán)，第一外環(huán)與第一內(nèi)環(huán)之間預(yù)緊安裝有六個(gè)髖壓縮彈簧34，所述第一內(nèi)環(huán)與髖諧波減速器的輸出軸固定，所述第一外環(huán)與機(jī)身固定，即當(dāng)髖關(guān)節(jié)電機(jī)5轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)髖諧波減速器6轉(zhuǎn)動(dòng)，髖諧波減速器6驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器盤(pán)7轉(zhuǎn)動(dòng)，髖關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器盤(pán)7帶動(dòng)機(jī)身I轉(zhuǎn)動(dòng)；
[0060]所述第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置包括:
[0061 ]固定在安裝架36上的膝關(guān)節(jié)電機(jī)8，并與控制器相連；
[0062]固定在安裝架36上與膝關(guān)節(jié)電機(jī)8配合傳動(dòng)的膝諧波減速器9;
[0063]與膝諧波減速器輸出軸配合的膝關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器，
[0064]所述膝關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器10包括同心布置能相對(duì)旋轉(zhuǎn)的第二外環(huán)和第二內(nèi)環(huán)，第二外環(huán)與第二內(nèi)環(huán)之間預(yù)緊安裝有六個(gè)髖壓縮彈簧35，所述第二內(nèi)環(huán)與膝諧波減速器的輸出軸固定，所述第二外環(huán)與膝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿11的一端鉸接，即當(dāng)膝關(guān)節(jié)電機(jī)8轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)膝諧波減速器9轉(zhuǎn)動(dòng)，膝諧波減速器9驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器10轉(zhuǎn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器10帶動(dòng)膝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿11運(yùn)動(dòng)，將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到小腿頂板33。
[0065]所述第二跳躍驅(qū)動(dòng)裝置包括:
[0066]固定在小腿3上的踝關(guān)節(jié)電機(jī)12，并與控制器相連；
[0067]固定在三腳架37上與踝關(guān)節(jié)電機(jī)12配合傳動(dòng)的踝諧波減速器14;
[0068]與踝諧波減速器14輸出端固定的踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿15;
[0069]踝電機(jī)編碼器28，所述踝電機(jī)編碼器28的轉(zhuǎn)子與踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿15固定連接，定子與小腿3固定連接。
[0070]所述緩沖機(jī)構(gòu)包括:
[0071]踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿16，一端與踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿15末端鉸接；
[0072]小腿鉸接桿17，一端與小腿3的下部鉸接；
[0073]彈性機(jī)構(gòu)，上端分別與踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿16的另一端和小腿鉸接桿17的另一端鉸接，下端與足部4纟父接；
[0074]所述小腿3、踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿15、踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿16和小腿鉸接桿17構(gòu)成一個(gè)平行四邊形四連桿機(jī)構(gòu)。
[0075]所述彈性機(jī)構(gòu)包括:
[0076]與踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿16的另一端和小腿鉸接桿17的另一端鉸接的踝關(guān)節(jié)上彈簧座20;
[0077]固定在踝關(guān)節(jié)上彈簧座20上的踝關(guān)節(jié)彈簧鎖扣22;
[0078]兩個(gè)踝關(guān)節(jié)上彈簧座20之間設(shè)有若干踝關(guān)節(jié)彈簧18，所述踝關(guān)節(jié)彈簧18通過(guò)踝關(guān)節(jié)彈簧鎖扣22固定在踝關(guān)節(jié)上彈簧座20。
[0079]所述小腿3和足部4的鉸接處設(shè)有踝關(guān)節(jié)編碼器29;所述踝關(guān)節(jié)編碼器29與控制器相連。
[0080]所述足部4包括足部主體32，所述足部主體32后部固定有足后跟連桿24;所述彈性機(jī)構(gòu)的下端與足后跟連桿24鉸接;所述足部主體32包裹有足部橡膠25，用于降低跳躍沖擊并增大與地面的摩擦力;所述足底踏板26設(shè)置在足部橡膠25和足部主體32之間，足底踏板26的前端嵌入足部主體32的限位卡槽31中，足底踏板26的后端鉸接在足部主體32的下端；所述足底踏板26和足部主體32之間設(shè)置有足底彈簧30，足底彈簧30處于壓縮狀態(tài)，用于使足底踏板26與足部主體下端保持距離;所述足部主體32內(nèi)部還安裝有兩個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)27;所述微動(dòng)開(kāi)關(guān)27的撥桿貼在足底踏板26表面;所述微動(dòng)開(kāi)關(guān)27與控制器相連；當(dāng)足部橡膠25離地時(shí)，足底彈簧30壓迫解除，足底踏板26離開(kāi)足部主體下端，受足部限位卡槽31的約束與足部主體下端保持一定距離。此時(shí)微動(dòng)開(kāi)關(guān)27斷開(kāi)，向控制系統(tǒng)反饋?zhàn)悴?離地的信息。所述控制器可以采用Elmo公司Gold Solo Guitar型號(hào)的產(chǎn)品，但不限于此。
[0081 ] 本發(fā)明的工作過(guò)程如下:
[0082]機(jī)器人的控制器安裝在身體I內(nèi)部。大腿2上安裝有髖關(guān)節(jié)電機(jī)5、膝關(guān)節(jié)電機(jī)8、髖諧波減速器6、膝諧波減速器9、髖關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器盤(pán)7和膝關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器10。髖關(guān)節(jié)電機(jī)5通過(guò)髖諧波減速器6與髖關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器盤(pán)7聯(lián)接，髖關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器盤(pán)7輸出端與身體I聯(lián)接，髖關(guān)節(jié)電機(jī)5轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)髖諧波減速器9轉(zhuǎn)動(dòng)，髖諧波減速器6驅(qū)動(dòng)髖關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器盤(pán)7轉(zhuǎn)動(dòng)，髖關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器盤(pán)7帶動(dòng)身體I轉(zhuǎn)動(dòng);膝關(guān)節(jié)電機(jī)8通過(guò)膝諧波減速器9與膝關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器10聯(lián)接，膝關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器10輸出端與膝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿11鉸接，膝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿11另一端與小腿3頂端鉸接，膝關(guān)節(jié)電機(jī)8轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)膝諧波減速器9轉(zhuǎn)動(dòng)，膝諧波減速器9驅(qū)動(dòng)膝關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器10轉(zhuǎn)動(dòng)，膝關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器10帶動(dòng)膝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿11運(yùn)動(dòng)，將轉(zhuǎn)動(dòng)傳遞到小腿頂板33。
[0083]為減小踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)髖膝關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，踝關(guān)節(jié)電機(jī)12、踝諧波減速器14、踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿15安裝在機(jī)器人的小腿頂板33上，踝諧波減速器14與膝關(guān)節(jié)同軸。踝關(guān)節(jié)電機(jī)12輸出軸通過(guò)踝傳動(dòng)皮帶13帶動(dòng)踝諧波減速器14輸入端轉(zhuǎn)動(dòng)，踝諧波減速器14輸出端與踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿15固接，踝電機(jī)編碼器28與膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸同軸安裝，其轉(zhuǎn)子與踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿15固接，定子與小腿3固接;踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿15末端與踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿16鉸接，踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿16另一端與小腿鉸接桿17、踝關(guān)節(jié)上彈簧座20通過(guò)踝關(guān)節(jié)彈簧上連桿軸19鉸接，小腿鉸接桿17另一端與小腿3鉸接。小腿3、踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿15、踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿16、小腿鉸接桿17構(gòu)成一個(gè)平行四邊形四連桿機(jī)構(gòu)；小腿3、小腿鉸接桿17、踝關(guān)節(jié)彈簧18和足后跟連桿24也構(gòu)成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)。踝關(guān)節(jié)上彈簧座20上固定有三個(gè)踝關(guān)節(jié)彈簧鎖扣22，踝關(guān)節(jié)彈簧鎖扣22通過(guò)中部的圓槽將三條踝關(guān)節(jié)彈簧18末端固定在踝關(guān)節(jié)上彈簧座20上。三條踝關(guān)節(jié)彈簧18的另一端通過(guò)另外三個(gè)踝關(guān)節(jié)彈簧鎖扣22固定在踝關(guān)節(jié)下彈簧座21上。運(yùn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)踝電機(jī)編碼器28讀取踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿相對(duì)于小腿的轉(zhuǎn)角，通過(guò)踝關(guān)節(jié)編碼器29讀取足部4相對(duì)于小腿3的轉(zhuǎn)角。三個(gè)踝關(guān)節(jié)彈簧18具備拉伸功能，因此在機(jī)器人著地時(shí)踝關(guān)節(jié)彈簧18拉伸以存儲(chǔ)能量;踝關(guān)節(jié)彈簧18在壓縮方向沒(méi)有彈性，可以看作剛體，因此機(jī)器人在空中回?cái)[足部4時(shí)沒(méi)有彈性的干擾，可以較精確地定位。實(shí)際使用中，根據(jù)機(jī)器人質(zhì)量的變化，踝關(guān)節(jié)彈簧18可以從一個(gè)到三個(gè)進(jìn)行調(diào)節(jié)，其長(zhǎng)度與勁度系數(shù)也可以相應(yīng)更改。當(dāng)踝關(guān)節(jié)彈簧18沒(méi)有拉伸時(shí)，小腿3、小腿鉸接桿17、踝關(guān)節(jié)彈簧18和足后跟連桿24構(gòu)成的四連桿機(jī)構(gòu)為平行四邊形，此時(shí)踝電機(jī)編碼器28與踝關(guān)節(jié)編碼器29讀數(shù)相同；當(dāng)踝關(guān)節(jié)彈簧18受力拉伸時(shí)，小腿3、小腿鉸接桿17、踝關(guān)節(jié)彈簧18和足后跟連桿24構(gòu)成的四連桿機(jī)構(gòu)變形，踝關(guān)節(jié)編碼器29和踝電機(jī)編碼器28讀數(shù)不再相同。根據(jù)踝關(guān)節(jié)編碼器29與踝電機(jī)編碼器28讀數(shù)的差值可以計(jì)算出踝關(guān)節(jié)彈簧18的伸長(zhǎng)量，通過(guò)胡克定律計(jì)算出足部橡膠25所受的壓力，控制系統(tǒng)能夠以此判斷機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和姿態(tài)，進(jìn)而控制髖關(guān)節(jié)電機(jī)5、膝關(guān)節(jié)電機(jī)8與踝關(guān)節(jié)電機(jī)12的運(yùn)動(dòng)。
[0084]機(jī)器人足部4后部固接有足后跟連桿24，踝關(guān)節(jié)部位與踝關(guān)節(jié)編碼器29定子固接，小腿與踝關(guān)節(jié)編碼器29轉(zhuǎn)子固接。踝關(guān)節(jié)下彈簧座21與足后跟連桿24通過(guò)踝關(guān)節(jié)彈簧下連桿軸23鉸接。足部4包裹有足部橡膠25用于降低跳躍沖擊并增大與地面的摩擦力；足部4內(nèi)部安裝有兩個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān)27，微動(dòng)開(kāi)關(guān)27撥桿貼在足底踏板26表面;足底踏板26后端鉸接在足部4下端，足底踏板26前端嵌入足部限位卡槽31中。當(dāng)足部4著地時(shí)，足底彈簧30受力收縮，足底踏板26牢牢貼在足部4下端，此時(shí)微動(dòng)開(kāi)關(guān)27撥桿受到壓迫，微動(dòng)開(kāi)關(guān)27閉合，向控制系統(tǒng)反饋?zhàn)悴肯鹉z25著地的信息；當(dāng)足部橡膠25離地時(shí)，足底彈簧30壓迫解除，足底踏板26離開(kāi)足部4下端，受足部限位卡槽31的約束與足部4下端保持一定距離。此時(shí)微動(dòng)開(kāi)關(guān)27斷開(kāi)，向控制系統(tǒng)反饋?zhàn)悴?離地的信息。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)，包括依次鉸接的機(jī)身、大腿、小腿和足部等，所述機(jī)身與大腿的鉸接處設(shè)有驅(qū)動(dòng)大腿旋轉(zhuǎn)的方向驅(qū)動(dòng)裝置，所述大腿上設(shè)有驅(qū)動(dòng)小腿轉(zhuǎn)動(dòng)的第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置，所述小腿的上端具有與大腿下端鉸接的小腿頂板，小腿頂板與第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置之間設(shè)有膝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿，所述膝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿的兩端分別與小腿頂板與第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置鉸接，其特征在于，所述大腿與小腿的鉸接出設(shè)有驅(qū)動(dòng)小腿旋轉(zhuǎn)的第二跳躍驅(qū)動(dòng)裝置;所述小腿和足部之間設(shè)有緩沖機(jī)構(gòu);所述足部上還設(shè)有微動(dòng)開(kāi)關(guān)，所述微動(dòng)開(kāi)關(guān)向用于反饋?zhàn)悴恐氐男畔?所述機(jī)身上安裝有控制器，所述方向驅(qū)動(dòng)裝置、第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置、第二跳躍驅(qū)動(dòng)裝置和微動(dòng)開(kāi)關(guān)均與控制器相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述大腿包括: 與機(jī)身鉸接的安裝架，用于安裝方向驅(qū)動(dòng)裝置和第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置； 三腳架，一端與安裝架固定，另一端與小腿鉸接。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述方向驅(qū)動(dòng)裝置包括: 固定在安裝架上的髖關(guān)節(jié)電機(jī)，所述髖關(guān)節(jié)電機(jī)與控制器相連； 固定在安裝架上與髖關(guān)節(jié)電機(jī)配合傳動(dòng)的髖諧波減速器； 與髖諧波減速器輸出軸配合的髖關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器； 所述髖關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器包括同心布置能相對(duì)旋轉(zhuǎn)的第一外環(huán)和第一內(nèi)環(huán)，第一外環(huán)與第一內(nèi)環(huán)之間設(shè)置有若干第一彈簧件，所述第一內(nèi)環(huán)與髖諧波減速器的輸出軸固定，所述第一外環(huán)與機(jī)身固定。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述第一跳躍驅(qū)動(dòng)裝置包括: 固定在安裝架上的膝關(guān)節(jié)電機(jī)，所述膝關(guān)節(jié)電機(jī)與控制器相連； 固定在安裝架上與膝關(guān)節(jié)電機(jī)配合傳動(dòng)的膝諧波減速器； 與膝諧波減速器輸出軸配合的膝關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器， 所述膝關(guān)節(jié)彈性驅(qū)動(dòng)器包括同心布置能相對(duì)旋轉(zhuǎn)的第二外環(huán)和第二內(nèi)環(huán)，第二外環(huán)與第二內(nèi)環(huán)之間設(shè)置有若干第二彈簧件，所述第二內(nèi)環(huán)與膝諧波減速器的輸出軸固定，所述第二外環(huán)與膝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿的一端鉸接。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述第二跳躍驅(qū)動(dòng)裝置包括: 固定在小腿上的踝關(guān)節(jié)電機(jī)，所述踝關(guān)節(jié)電機(jī)與控制器相連； 固定在三腳架上與踝關(guān)節(jié)電機(jī)配合傳動(dòng)的踝諧波減速器； 與踝諧波減速器輸出端固定的踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿； 踝電機(jī)編碼器，所述踝電機(jī)編碼器的轉(zhuǎn)子與踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿固定連接，定子與小腿固定連接。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述緩沖機(jī)構(gòu)包括: 踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿，一端與踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿末端鉸接； 小腿鉸接桿，一端與小腿的下部鉸接； 彈性機(jī)構(gòu)，上端分別與踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿的另一端和小腿鉸接桿的另一端鉸接，下端與足部鉸接； 所述小腿、踝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)桿、踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿和小腿鉸接桿構(gòu)成一個(gè)平行四邊形四連桿機(jī)構(gòu)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述彈性機(jī)構(gòu)包括: 與踝關(guān)節(jié)傳動(dòng)桿的另一端和小腿鉸接桿的另一端鉸接的踝關(guān)節(jié)上彈簧座； 固定在踝關(guān)節(jié)上彈簧座上的踝關(guān)節(jié)彈簧鎖扣； 兩個(gè)踝關(guān)節(jié)上彈簧座之間設(shè)有若干踝關(guān)節(jié)彈簧，所述踝關(guān)節(jié)彈簧18通過(guò)踝關(guān)節(jié)彈簧鎖扣22固定在踝關(guān)節(jié)上彈簧座20。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述小腿和足部的鉸接處設(shè)有踝關(guān)節(jié)編碼器;所述踝關(guān)節(jié)編碼器與控制器相連。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述足部包括足部主體，所述足部主體后部固定有足后跟連桿;所述彈性機(jī)構(gòu)的下端與足后跟連桿鉸接;所述足部主體包裹有足部橡膠，用于降低跳躍沖擊并增大與地面的摩擦力;所述足底踏板設(shè)置在足部橡膠和足部主體之間，足底踏板的前端嵌入足部主體的限位卡槽中，足底踏板的后端鉸接在足部主體的下端;所述足底踏板和足部主體之間設(shè)置有足底彈簧，足底彈簧處于壓縮狀態(tài);所述足部主體內(nèi)部還安裝有兩個(gè)微動(dòng)開(kāi)關(guān);所述微動(dòng)開(kāi)關(guān)的撥桿貼在足底踏板表面;所述微動(dòng)開(kāi)關(guān)與控制器相連。10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的帶主動(dòng)腳踝關(guān)節(jié)與仿生足部的單腿機(jī)器人跳躍機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述小腿、小腿鉸接桿、踝關(guān)節(jié)彈簧和足后跟連桿構(gòu)成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】B62D57/02GK106005079SQ201610356002
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月24日
【發(fā)明人】朱秋國(guó), 趙逸棟, 毛翊超, 吳偉男, 李陽(yáng), 熊蓉
【申請(qǐng)人】浙江大學(xué)