一种仿蝗虫跳跃机器人后腿机构

摘要

本发明提供了一种仿蝗虫跳跃机器人后腿机构，包括机架、驱动组件、连接组件、大腿组件、小腿组件、扭簧和储能拉绳，所述驱动组件安装在机架的两侧，所述连接组件安装在机架前端，所述大腿组件安装在机架后端，所述大腿组件通过所述扭簧与所述小腿组件连接，所述储能拉绳一端置于机架内，另一端与小腿组件相连；驱动组件带动储能拉绳拉动小腿组件运动，扭簧扭转，机器人进行储能下蹲，扭簧储能达到极限时，扭簧释放扭转力，机器人释能跳跃。本发明重量轻，体积小，能量释放迅速，成本低廉，便于操作，解决现有跳跃机器人后腿机构存在机构简单，无法模仿蝗虫的跳跃性能，且驱动和传动链环节较多，使得结构过于复杂的问题。

说明书

技术领域

本发明属于机器人领域，尤其是涉及一种仿蝗虫跳跃机器人后腿机构。

背景技术

腿足机器人尤其是四足机器人因其对不同地形的适应能力，能用于解决轮式及履带式机器人无法实现的翻越沟壑及障碍物等问题，在野外探险和军事活动中，能更加灵活的完成危险任务，在反恐、抢险救灾诸多领域中都具有很大的潜力。目前的四足机器人在行进稳定性方面已经取得了突破进展，但是由于自身重量和运动能力的限制，其跳跃运动能力还不足够，无法越障或者跳高，且驱动和传动链环节较多，使得结构过于复杂的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种仿蝗虫跳跃机器人后腿机构，重量轻，体积小，能量释放迅速，成本低廉，便于操作。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种仿蝗虫跳跃机器人后腿机构，包括机架、驱动组件、连接组件、大腿组件、小腿组件、扭簧和储能拉绳，所述驱动组件安装在机架的两侧，所述连接组件安装在机架前端，所述大腿组件安装在机架后端，所述大腿组件通过所述扭簧与所述小腿组件连接，所述储能拉绳一端置于机架内，另一端与小腿组件相连；驱动组件带动储能拉绳拉动小腿组件运动，扭簧扭转，机器人进行储能下蹲，扭簧储能达到极限时，扭簧释放扭转力，机器人释能跳跃。

进一步的，所述机架包括两块壳板、两块环形板和两块内衬，在每块环形板中内置一块内衬，内衬与环形板之间设有间隙，两块环形板置于内侧，两块壳板置于外侧，壳板和环形板间通过垫片隔开，内衬与壳板通过垫片隔开并通过销轴连接固定，所有板通过若干螺栓和螺母连接固定。

进一步的，所述储能拉绳包括尼龙绳、拉栓和滑块，尼龙绳的一端通过拉栓与机架相连，拉栓安装在内衬与环形板之间的间隙内，拉栓的凹槽与环形板内侧及内衬外侧接触形成滑动副，尼龙绳的另一端通过滑块与小腿组件连接形成滑动副。

进一步的，所述驱动组件包括两个减速电机和一个转勾，所述转勾夹于两块内衬间，两个减速电机对称分布于机架两侧，两个减速电机的输出轴通过一同步轴连接，所述同步轴与转勾的中心孔配合连接，其中一个电机为主动电机带动同步轴及转勾转动，，所述转勾的端部设有与拉栓配合的圆弧槽。

进一步的，所述内衬为“D”形板，内衬与环形板之间留有一个“月牙形”间隙和一个“环形”间隙。

进一步的，所述连接组件包括对称布置于机架两侧的两个连接单元，每侧的连接单元包括前支架和第一连接件，所述前支架的一端通过第一连接件固定在机架前端，前支架的另一端用于连接机器人身体。

进一步的，所述大腿组件包括对称布置于机架两侧的两个大腿单元，每侧大腿单元包括大腿、第二连接件、大腿连接块和小螺母，大腿的一端通过第二连接件固定在机架后端，大腿的另一端与大腿连接块相连，并通过端部螺旋和小螺母连接固定。

进一步的，所述第一连接件和第二连接件结构相同，均包括套筒、压板和两个螺钉，套筒通过压板和螺钉固定于机架上，前支架一端和大腿的一端伸入对应的套筒内，且与对应的套筒间隙配合。

进一步的，所述小腿组件包括对称布置于机架两侧的两个小腿单元，每侧小腿单元包括小腿、小腿连接块、小螺母和底座，小腿一端与小腿连接块相连，并通过端部螺旋和小螺母连接固定，小腿的另一端固定于底座上。

进一步的，所述扭簧共设置两个，且对称布置于机架两侧，每个扭簧的两端都分别与大腿连接块和小腿连接块相连，并通过端部螺旋和小螺母连接固定，两个扭簧同轴布置。

相对于现有技术，本发明所述的一种仿蝗虫跳跃机器人后腿机构具有以下优势：

本申请用扭转弹簧储能模拟后足膝关节处的弹性储能装置，有效模仿蝗虫起跳阶段的力学特性。并通过系统分析研究了仿蝗虫跳跃机器人的跳跃原理和运动过程特征，为制作仿蝗虫跳跃机器人实物提供了理论基础。

本申请解决现有跳跃机器人后腿机构存在机构简单，无法模仿蝗虫的跳跃性能，且驱动和传动链环节较多，使得结构过于复杂的问题。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的一种仿蝗虫跳跃机器人后腿机构的立体结构示意图；

图2为本发明实施例所述的一种仿蝗虫跳跃机器人后腿机构的主视图；

图3为图2的A-A向剖视图；

图4为图2的Y处放大图；

图5为图3的B-B向剖视图；

图6为本发明实施例所述的一种仿蝗虫跳跃机器人后腿机构的储能拉绳示意图；

图7为图2的C-C向剖视图；

图8为图7的Z处放大图。

附图标记说明：

1-壳板、2-前支架、3-螺钉、4-螺栓、5-套筒、6-压板、7-尼龙绳、8-大腿、9-大腿连接块、10-扭簧、11-滑块、12-小腿、13-底座、14-减速电机、15-环形板、16-内衬、17-垫片、18-转勾、19-螺母、20-拉栓、21-小螺母、22-小腿连接块、23-销轴。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1-图8所示，一种仿蝗虫跳跃机器人后腿机构，包括机架、驱动组件、连接组件、大腿组件、小腿组件、扭簧10和储能拉绳，所述驱动组件安装在机架的两侧，所述连接组件安装在机架前端，所述大腿组件安装在机架后端，所述大腿组件通过所述扭簧10与所述小腿组件连接，所述储能拉绳一端置于机架内，另一端与小腿组件相连；驱动组件带动储能拉绳拉动小腿组件运动，扭簧10扭转，机器人进行储能下蹲，扭簧10储能达到极限时，扭簧10释放扭转力，机器人释能跳跃。

机架包括两块壳板1、两块环形板15和两块内衬16，在每块环形板15中内置一块内衬16，内衬16与环形板15之间设有间隙，两块环形板15置于内侧，两块壳板1置于外侧，壳板1和环形板15间通过垫片17隔开，内衬16与壳板通过垫片隔开并通过销轴23连接固定，所有板通过若干螺栓4和螺母19连接固定。所述内衬15为“D”形板，内衬16与环形板15之间留有一个“月牙形”间隙和一个供拉栓20移动的“环形”间隙。如此布局使得机架形成了可供拉栓移动的“环形”间隙和“月牙形”间隙，给出了后腿机构储能的极限位置。

储能拉绳包括尼龙绳7、拉栓20和滑块11，尼龙绳7的一端通过拉栓20与机架相连，拉栓20安装在内衬16与环形板15之间的间隙内，拉栓20的凹槽与环形板15内侧及内衬16外侧接触形成滑动副，尼龙绳7的另一端通过滑块11与小腿组件连接形成滑动副，储能拉绳控制着扭簧的储能及放能，以实现蝗虫跳跃机器人后腿机构的跳跃动作。

驱动组件包括两个减速电机14和一个转勾18，所述转勾18夹于两块内衬16间，两个减速电机14对称分布于机架两侧，两个减速电机的输出轴通过一同步轴连接，所述同步轴与转勾18的D形中心孔配合连接，其中一个电机为主动电机带动同步轴及转勾18转动，另一个电机的电机轴由主动电机的输出轴带动，可以用来测试转速，所述转勾18的端部设有与拉栓20配合的圆弧槽。驱动组件驱动转勾周期性转动以提供拉栓周期性运动的动力。两个减速电机14对称布置，实现中心在机器人的中心处，利于后腿机构实现跳跃。

连接组件包括对称布置于机架两侧的两个连接单元，每侧的连接单元包括前支架2和第一连接件，所述前支架2的一端通过第一连接件固定在机架前端，前支架的另一端用于连接机器人身体。连接组件用于仿蝗虫跳跃机器人后腿机构与机器人身体连接。

大腿组件包括对称布置于机架两侧的两个大腿单元，每侧大腿单元包括大腿8、第二连接件、大腿连接块9和小螺母21，大腿8的一端通过第二连接件固定在机架后端，大腿的另一端与大腿连接块9相连，并通过端部螺旋和小螺母21连接固定。运动过程中，大腿组件与机架不产生相对运动，为机器人腿部的静止段。

第一连接件和第二连接件结构相同，均包括套筒5、压板6和两个螺钉3，套筒5通过压板6和螺钉3固定于机架上，前支架2一端和大腿的一端伸入对应的套筒内，且与对应的套筒间隙配合。

小腿组件包括对称布置于机架两侧的两个小腿单元，每侧小腿单元包括小腿12、小腿连接块22、小螺母21和底座13，小腿12一端与小腿连接块22相连，并通过端部螺旋和小螺母21连接固定，小腿的另一端固定于底座13上。运动过程中，小腿组件与机架产生相对运动，形成了机器人腿部的运动段。

扭簧10共设置两个，且对称布置于机架两侧，每个扭簧10的两端都分别与大腿连接块9和小腿连接块22相连，并通过端部螺旋和小螺母21连接固定，两个扭簧10同轴布置，并通过螺纹连接产生的摩擦力支撑。扭簧的储能及放能实现了蝗虫跳跃机器人后腿机构的跳跃动作。

本申请的工作过程为：

储能下蹲阶段：首先安装在机架上的电机14转动，由于减速电机14的输出轴与转勾18两端的联轴凹槽配合连接，因此电机14转动带动转勾18逆时针旋转，拉栓20与转勾18相接触，拉栓20的凹槽与环形板15内侧接触形成滑动副，且拉栓20的凹槽与内衬16外侧接触形成滑动副，因此拉栓20与内衬16的圆弧段相接触时，由于环形板15和内衬16圆弧段的限制，转勾18旋转推动拉栓20运动。由于尼龙绳7一端通过拉栓20与机架相连，另一端通过滑块11与小腿部件连接形成滑动副，且扭簧10两端分别与大腿组件和小腿组件的连接块相连，因此拉栓20通过尼龙绳7拉动滑块11，滑块11带动小腿12运动，使扭簧10扭转而进行储能，小腿12与大腿8之间的夹角变小，仿蝗虫跳跃机器人后腿机构储能下蹲。当电机14带动转勾18和拉栓20转到内衬16“月牙形”空隙上部尖端时，到达储能极限位置，扭簧10停止储能。

释能起跳阶段：拉栓20与内衬16的“月牙形”空隙上部尖端相接触时，在扭簧10扭转力的作用下拉栓20被迅速拉到“月牙形”空隙下部尖端，至此机器人完成跳跃运动。通过适当的控制减速电机14的转速，即可实现连续跳跃。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。