一種仿生袋鼠機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種機(jī)器人系統(tǒng)，具體的說(shuō)是一種仿生袋鼠機(jī)器人系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，未來(lái)機(jī)器人將會(huì)有越來(lái)越多的應(yīng)用，而其中一個(gè)重要的機(jī)器人應(yīng)用方向就是用于對(duì)復(fù)雜的自然界進(jìn)行探索，這就要求機(jī)器人具有較強(qiáng)的越障能力以滿足自然界復(fù)雜的地貌環(huán)境?，F(xiàn)在機(jī)器人的主流移動(dòng)方式有輪式或履帶式移動(dòng)、步行、爬行等，但是這些移動(dòng)方式的越障能力都十分有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際自然界中大體積障礙物的跨越。而跳躍機(jī)器人具有優(yōu)越的越障能力，可以越過(guò)本身數(shù)倍甚至數(shù)十倍的障礙物，從而可以滿足未來(lái)人類探索自然界的需求。
[0003]國(guó)際上，德國(guó)FESTO公司設(shè)計(jì)了一款仿袋鼠機(jī)器人B1nicKangaroo，使用氣動(dòng)元件作為動(dòng)力機(jī)構(gòu)，可以完成完整的跳躍過(guò)程。國(guó)內(nèi)，西北工業(yè)大學(xué)葛文杰教授及其團(tuán)隊(duì)對(duì)仿袋鼠跳躍機(jī)器人進(jìn)行了相關(guān)的理論研究與設(shè)計(jì)，并做出了跳躍機(jī)器人的樣機(jī)。
[0004]專利號(hào)為200820028650.7，名稱是仿袋鼠腿形跳躍機(jī)器人結(jié)構(gòu)的專利申請(qǐng)，公開(kāi)了一種仿袋鼠腿形跳躍機(jī)器人結(jié)構(gòu)，在機(jī)體上安裝負(fù)載，機(jī)體下側(cè)通過(guò)支撐架連接機(jī)器人膝關(guān)節(jié)，機(jī)器人膝關(guān)節(jié)通過(guò)腿部軸與機(jī)器人小腿連接，小腿的下端為機(jī)器人踝關(guān)節(jié)，腳掌與小腿在踝關(guān)節(jié)處通過(guò)腳掌軸連接，踝關(guān)節(jié)同時(shí)位于腳掌的1/3處，腳掌與腳趾通過(guò)腳趾軸連接，腳趾軸位于腳掌前端，下置彈簧一端安裝于腳掌后端，一端安裝于小腿的2/5處，上置彈簧一端安裝于小腿上端，一端安裝于機(jī)體的1/2處；動(dòng)力機(jī)構(gòu)通過(guò)上耳環(huán)和下耳環(huán)分別與小腿和腳掌連接。
[0005]該方案存在以下缺點(diǎn):
[0006]1、腿部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力機(jī)構(gòu)為液壓缸或者氣缸，蓄能程度不能自由控制。
[0007]2、腳掌與地面接觸面為平面設(shè)計(jì)，腳趾與腳掌的夾角不可控，機(jī)器人的起跳姿態(tài)為固定姿態(tài)，起跳角度不可調(diào)節(jié)。
[0008]3、機(jī)器人落地時(shí)上置彈簧與下置彈簧雖可以吸收能量，但是在拉伸到最大程度之后會(huì)馬上回復(fù)形變，若不及時(shí)利用能量將浪費(fèi)掉，無(wú)法做到真正的能量回收存儲(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]為了解決跳躍機(jī)器人蓄能程度不可控、起跳角度不可調(diào)節(jié)、落地時(shí)能量無(wú)法回收存儲(chǔ)、跳躍高度與距離有限等問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種蓄能程度可控、起跳角度可調(diào)、落地時(shí)可有效回收存儲(chǔ)能量、跳躍能力強(qiáng)并可以有效緩解落地瞬間剛性沖擊的一種仿生機(jī)器人機(jī)構(gòu)。
[0010]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，包括:機(jī)身、動(dòng)力傳輸裝置、兩腿部機(jī)構(gòu)、尾部平衡機(jī)構(gòu)及控制系統(tǒng)。
[0011]機(jī)身，由機(jī)身側(cè)板(1A、1B)、機(jī)身腿部連接軸(9)、電位器(6)、多根機(jī)身框架桿(4)組成，機(jī)身側(cè)板包括機(jī)身左側(cè)板(IA)和機(jī)身右側(cè)板(IB)，機(jī)身腿部連接軸(9)與機(jī)身左、右側(cè)板(1A、1B)固接，電位器(6)與機(jī)身右側(cè)板(IB)固接，兩根機(jī)身框架桿⑷分別與機(jī)身左、右側(cè)板(1A、1B)固接，機(jī)身框架桿⑷之間通過(guò)連接件連接。
[0012]動(dòng)力傳輸裝置，安裝在機(jī)身左、右側(cè)板(1A、1B)之間，包括帶離合器組件的減速齒輪組(2)、單向軸承(32)、髖關(guān)節(jié)軸(8)、蓄能電機(jī)(5)、蓄能電機(jī)安裝板(3);所述帶離合器組件的減速齒輪組(2)具體結(jié)構(gòu)為:一級(jí)齒輪軸(27)、二級(jí)齒輪軸(28)、三級(jí)齒輪軸(29)兩端分別與機(jī)身左、右側(cè)板(1A、1B)連接，一級(jí)齒輪軸(27)上裝有第一齒輪(18)、套筒
(24)、第四齒輪(23)，套筒(24)位于第一齒輪(18)與第四齒輪(23)之間，第一齒輪(18)、套筒(24)、第四齒輪(23)均相對(duì)于一級(jí)齒輪軸(27)可自由轉(zhuǎn)動(dòng)；二級(jí)齒輪軸(28)上裝有第二齒輪(19)、第三齒輪(20)、離合器(21)，第二齒輪(19)與二級(jí)齒輪軸(28)固接，第三齒輪(20)相對(duì)于二級(jí)齒輪軸(28)可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，離合器(21) —端與第二齒輪(19)固接，離合器(21)另一端嵌套在第三齒輪(20)上且這一端固接凹槽(33);絲杠(35)安裝在機(jī)身左側(cè)板(IA)上，且絲杠(35)相對(duì)于機(jī)身左側(cè)板(IA)可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠(35)位于機(jī)身左側(cè)板(IA)外側(cè)的一端固接有第七齒輪(31)，碼盤測(cè)速電機(jī)(30)輸出軸上固接碼盤測(cè)速電機(jī)輸出軸齒輪(34)，碼盤測(cè)速電機(jī)輸出軸齒輪(34)與第七齒輪(31)嚙合，絲杠(35)位于機(jī)身左側(cè)板(IA)內(nèi)側(cè)的一端裝有帶撥叉的螺母(22)，帶撥叉螺母(22)的撥叉嵌入凹槽(33)內(nèi)；三級(jí)齒輪軸(29)上固接第五齒輪(25);髖關(guān)節(jié)軸(8)與單向軸承(32)內(nèi)側(cè)固接，單向軸承(32)外側(cè)與第六齒輪(26)固接；第一齒輪(18)、第四齒輪(23)、第五齒輪(25)為雙聯(lián)齒輪；一級(jí)齒輪軸(27)、二級(jí)齒輪軸(28)、三級(jí)齒輪軸(29) 1/2處分別與蓄能電機(jī)安裝板
(3)連接，蓄能電機(jī)安裝板(3)上裝有蓄能電機(jī)(5)，蓄能電機(jī)(5)的輸出軸上固接蓄能電機(jī)輸出軸齒輪(17),蓄能電機(jī)輸出軸齒輪(17)與第一齒輪(18)上其中一個(gè)齒輪哨合,第一齒輪(18)上另一個(gè)齒輪與第二齒輪(19)嚙合，第三齒輪(20)與第四齒輪(23)其中一個(gè)齒輪哨合，第四齒輪(23)另一個(gè)齒輪與第五齒輪(25)中一個(gè)齒輪哨合,第五齒輪(25)另一齒輪與第六齒輪(26)哨合。
[0013]其中，碼盤測(cè)速電機(jī)(30)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)絲杠(35)轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠(35)上的帶撥叉的螺母
(22)隨之左右移動(dòng)，帶動(dòng)嵌套在第三齒輪上的離合器(21) —端左右移動(dòng)，產(chǎn)生離合器(21)的分離與接合效果。離合器(21)接合時(shí)第二齒輪(19)與第三齒輪(20)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，蓄能電機(jī)(5)輸出的動(dòng)力經(jīng)第一齒輪(18)至第五齒輪(25)傳動(dòng)到第六齒輪(26)。離合器(21)分離時(shí)第二齒輪(19)的轉(zhuǎn)動(dòng)與第三齒輪(20)的轉(zhuǎn)動(dòng)互不干擾，斷開(kāi)了減速齒輪組的動(dòng)力傳輸，蓄能電機(jī)(5)輸出的動(dòng)力對(duì)第六齒輪(26)不產(chǎn)生影響。
[0014]并且，髖關(guān)節(jié)軸(8)與第六齒輪(26)通過(guò)單向軸承(32)連接，單向軸承(32)在一個(gè)方向上可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，而在另一個(gè)方向上鎖死，當(dāng)?shù)诹X輪(26)主動(dòng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)即向機(jī)器人尾部方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)髖關(guān)節(jié)軸(8)逆時(shí)針同步轉(zhuǎn)動(dòng)，而當(dāng)?shù)诹X輪(26)主動(dòng)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不會(huì)對(duì)髖關(guān)節(jié)軸(8)產(chǎn)生順時(shí)針作用力，同理當(dāng)髖關(guān)節(jié)軸(8)主動(dòng)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)第六齒輪(26)轉(zhuǎn)動(dòng)，而當(dāng)髖關(guān)節(jié)軸(8)主動(dòng)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不會(huì)帶動(dòng)第六齒輪(26)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。使用單向軸承(32)的有益效果是，機(jī)器人落地時(shí)在沖擊作用下腿部機(jī)構(gòu)收縮，帶動(dòng)髖關(guān)節(jié)軸(8)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)而第六齒輪(26)不動(dòng)，當(dāng)腿部機(jī)構(gòu)收縮到?jīng)_擊作用下所能達(dá)到的最大程度后，腿部機(jī)構(gòu)在蓄能彈簧(12)的作用下會(huì)有伸展的趨勢(shì)，帶動(dòng)髖關(guān)節(jié)軸(8)有順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，在單向軸承(32)的作用下帶動(dòng)第六齒輪(26)有順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，但是此時(shí)帶離合器組件的減速齒輪組(2)中的離合器(21)接合，蓄能電機(jī)(5)輸出的動(dòng)力經(jīng)減速齒輪組傳動(dòng)使第六齒輪(26)停止不動(dòng)，在反作用力作用下髖關(guān)節(jié)軸(8)不會(huì)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，從而腿部機(jī)構(gòu)不會(huì)伸展，成功實(shí)現(xiàn)將落地時(shí)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為蓄能彈簧(12)的勢(shì)能并穩(wěn)定的存儲(chǔ)起來(lái)，等待需要時(shí)釋放。
[0015]兩腿部機(jī)構(gòu)左右對(duì)稱，分別與動(dòng)力傳輸裝置的髖關(guān)節(jié)軸(8)及機(jī)身的機(jī)身腿部連接軸(9)兩端連接，腿部機(jī)構(gòu)由大腿(10)、大腿連桿(11)、蓄能彈簧(12)、小腿(13)、小腿連桿(14)和弧形腳(15)組成。大腿(10)頂端與髖關(guān)節(jié)軸⑶固接，髖關(guān)節(jié)軸⑶位于機(jī)身右側(cè)板(IB)外側(cè)的一端通過(guò)同步帶(16)與電位器(6)連接。大腿連桿(11)頂端與機(jī)身腿部連接軸(9)通過(guò)軸承連接，大腿(10)末端與小腿(13)頂端鉸接，大腿連桿(11)末端與小腿(13)1/5處鉸接，大腿連桿(11)3/4處與小腿連桿(14)頂端鉸接，蓄能彈簧(12)兩端分別與大腿連桿(11)頂端及大腿(10)末端連接，小腿連桿(14)末端與弧形腳(15)頂端鉸接，小腿(13)末端與弧形腳(15) 1/5處鉸接。機(jī)身側(cè)板、大腿(10)、大腿連桿(11)和小腿(13)組成平行四邊形機(jī)構(gòu)，大腿連桿(11)、小腿(13)、小腿連桿(14)和弧形腳(15)組成平行四邊形機(jī)構(gòu)，腿部機(jī)構(gòu)的兩個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)疊加使用，可以放大腿部位移，并可以減少腿部結(jié)構(gòu)的主動(dòng)關(guān)節(jié)數(shù)，從而減少腿部作為動(dòng)力機(jī)構(gòu)的電機(jī)的數(shù)目，降低了控制的難度，減輕了機(jī)器人的重量，增強(qiáng)了機(jī)器人的跳躍能力。蓄能彈簧(12)兩端分別與大腿連桿
(11)頂端及大腿(10)末端連接，作為機(jī)身側(cè)板、大腿(10)、大腿連桿(11)和小腿(13)組成的平行四邊形機(jī)構(gòu)的對(duì)角線，髖關(guān)節(jié)軸(8)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)大腿(10)轉(zhuǎn)動(dòng)，引發(fā)蓄能彈簧(12)形變。髖關(guān)節(jié)軸⑶與電位器(6)通過(guò)同步帶(16)連接，確定電位器(6)轉(zhuǎn)過(guò)角度即可確定大腿(10)轉(zhuǎn)過(guò)角度，從而確定平行四邊形機(jī)構(gòu)的內(nèi)角角度，推算平行四邊形機(jī)構(gòu)的對(duì)角線長(zhǎng)度即蓄能彈簧(12)的長(zhǎng)度，從而確定蓄能彈簧(12)的蓄能程度?；⌒文_(15)與地面的接觸面為弧面，可使機(jī)器人前后傾斜。
[0016]尾部平衡機(jī)構(gòu)，包括尾巴(7)、尾部連接軸(42)、尾部固定桿(39)、尾部電機(jī)(41)、尾部電機(jī)安裝板(40)、尾部齒輪(37);尾部連接軸(42)、尾部固定桿(39)分別與機(jī)身左、右側(cè)板(1A、1B)、尾部電機(jī)安裝板(40)固接，尾部電機(jī)(41)分別與尾部電機(jī)安裝