本發(fā)明屬于仿生機(jī)器人領(lǐng)域,具體涉及一種仿生跳躍機(jī)器人。
背景技術(shù):
人類(lèi)目前有較深入研究的主要在動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)方面,但是在仿生這個(gè)領(lǐng)域還有許多問(wèn)題值得科學(xué)家們?nèi)パ芯俊?/p>
早在1980年,麻省理工學(xué)院的raibert教授曾研究出了全世界第一個(gè)能單腿跳躍活動(dòng)的機(jī)器人,之后raibert教授又研究了那種類(lèi)似袋鼠跳躍的二維跳躍的腿部模型,此后raibert又研制出了一種三維跳躍機(jī)構(gòu)。
美國(guó)casewesternreserveuniversity也對(duì)仿生機(jī)器人進(jìn)行了研究,然后在1992年發(fā)明了通過(guò)人工筋作為動(dòng)力的機(jī)械蟋蟀。這種機(jī)器人的大腿都采用人工筋制作,這種人工筋是由一種高分子的纖維編制而成,用時(shí)只要用壓縮機(jī)充氣即可,使人工筋繃緊和收縮,因此具有彈跳能力,它的動(dòng)力為壓縮空氣,運(yùn)用一種叫做微型角度的傳感器來(lái)獲得外部的消息。
日本的fumitakakikuchi在2003年研究出了一種通過(guò)氣缸作為驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人,以氣缸作為動(dòng)力從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的跳躍和行走,它的特點(diǎn)就是每條腿的動(dòng)力都是源于氣缸。四連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng),通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了該機(jī)器人的跳躍能力以及落地時(shí)的平穩(wěn)緩沖能力。
現(xiàn)有跳躍機(jī)器人的動(dòng)力源件數(shù)量較多,有效動(dòng)力密度低,且重量較大,跳躍高度和距離較小。因此設(shè)計(jì)一種單動(dòng)力源驅(qū)動(dòng),重量較輕,跳躍距離遠(yuǎn)且能夠連續(xù)穩(wěn)定跳躍的跳躍式機(jī)器人十分重要。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種能夠跳躍前進(jìn)的仿生跳躍機(jī)器人。
本發(fā)明包括機(jī)架、前腿跳躍機(jī)構(gòu)、后腿跳躍機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。所述的前腿跳躍機(jī)構(gòu)包括前腿軸、前腿動(dòng)力桿、前腿小彈簧、前腿連接桿、前腿大彈簧和前腿腳掌桿。所述的前腿軸支承在機(jī)架上。前腿軸的兩端與兩根前腿動(dòng)力桿的內(nèi)端分別固定;兩根前腿動(dòng)力桿的中部與兩根前腿連接桿的一端分別鉸接。兩根前腿連接桿的另一端與兩根前腿腳掌桿的中部分別鉸接。所述前腿小彈簧及前腿大彈簧的一端均與前腿動(dòng)力桿固定,另一端均與前腿腳掌桿固定。
所述的后腿跳躍機(jī)構(gòu)包括后腿軸、后腿動(dòng)力桿、后腿小彈簧、后腿連接桿、后腿大彈簧和后腿腳掌桿;所述的后腿軸支承在機(jī)架上。后腿軸的兩端與兩根后腿動(dòng)力桿的內(nèi)端分別固定;兩根后腿動(dòng)力桿的中部與兩根后腿連接桿的一端分別鉸接。兩根后腿連接桿的另一端與兩根后腿腳掌桿的中部分別鉸接。所述后腿小彈簧及后腿大彈簧的一端均與后腿動(dòng)力桿固定,另一端均與后腿腳掌桿固定。
所述的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、拉卷輪、彈簧、齒輪組、第二從動(dòng)軸、第一從動(dòng)軸、動(dòng)力桿組和鋼索。所述的電機(jī)固定在機(jī)架上;第一從動(dòng)軸與第二從動(dòng)軸平行設(shè)置,且均支承在機(jī)架上。所述齒輪組包括第一缺齒齒輪、第一全齒齒輪、第二全齒齒輪、第三全齒齒輪、第二缺齒齒輪和第三缺齒齒輪。第一缺齒齒輪由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。第一全齒齒輪、第二全齒齒輪及第三全齒齒輪均固定在第一從動(dòng)軸上。第二缺齒齒輪及第三缺齒齒輪均固定在第二從動(dòng)軸上。第一缺齒齒輪的有齒部分與第一全齒齒輪嚙合。第二缺齒齒輪與第二全齒齒輪嚙合,或第三缺齒齒輪與第三全齒齒輪嚙合。拉卷輪固定在第二從動(dòng)軸上。所述的動(dòng)力桿組包括第一蓄能桿、第二蓄能桿、第三蓄能桿、第四蓄能桿、前腿傳動(dòng)桿、后腿傳動(dòng)桿、后腿搖桿和前腿搖桿。第三蓄能桿、第四蓄能桿、前腿傳動(dòng)桿及后腿傳動(dòng)桿的一端通過(guò)蓄能鉸接軸鉸接。第三蓄能桿遠(yuǎn)離蓄能鉸接軸的那端與第一蓄能桿的一端通過(guò)第一鉸接軸鉸接。第一蓄能桿的另一端與機(jī)架鉸接。第四蓄能桿遠(yuǎn)離蓄能鉸接軸的那端與第二蓄能桿的一端通過(guò)第二鉸接軸鉸接。第二蓄能桿的另一端與機(jī)架鉸接。第一鉸接軸與第二鉸接軸通過(guò)蓄能彈簧連接。前腿傳動(dòng)桿遠(yuǎn)離蓄能鉸接軸的那端與前腿搖桿的一端鉸接。前腿搖桿的另一端與前腿軸固定。后腿傳動(dòng)桿遠(yuǎn)離蓄能鉸接軸的那端與后腿搖桿的一端鉸接。后腿搖桿的另一端與后腿軸固定。鋼索的一端與拉卷輪固定,另一端與蓄能鉸接軸固定。
所述前腿小彈簧與前腿大彈簧的勁度系數(shù)相等,且前腿小彈簧的自由長(zhǎng)度小于前腿大彈簧的自由長(zhǎng)度。前腿小彈簧設(shè)置在前腿連接桿靠近前腿動(dòng)力桿內(nèi)端的一側(cè)。前腿大彈簧設(shè)置在前腿連接桿靠近前腿動(dòng)力桿外端的一側(cè)。
所述后腿小彈簧與后腿大彈簧的勁度系數(shù)相等,且后腿小彈簧的自由長(zhǎng)度小于后腿大彈簧的自由長(zhǎng)度。后腿小彈簧設(shè)置在后腿連接桿靠近后腿動(dòng)力桿內(nèi)端的一側(cè)。后腿大彈簧設(shè)置在后腿連接桿后腿動(dòng)力桿外端的一側(cè)。
所述的機(jī)架上支承有定滑輪;所述的鋼索繞過(guò)定滑輪。
所述的機(jī)架上固定有與電機(jī)相連的蓄電池。
所述第二全齒齒輪齒數(shù)的1.5倍小于第三全齒齒輪齒數(shù)。
本發(fā)明具有的有益效果是:
1、本發(fā)明通過(guò)前腿跳躍機(jī)構(gòu)與后腿跳躍機(jī)構(gòu)協(xié)同運(yùn)作,能夠進(jìn)行穩(wěn)定持續(xù)的跳躍式前進(jìn)。
2、本發(fā)明僅通過(guò)一個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)即可完成跳躍,結(jié)構(gòu)緊湊,穩(wěn)定可靠。
3、本發(fā)明通過(guò)連桿傳動(dòng),整體重量較小,滿足微小型特點(diǎn)。
附圖說(shuō)明
圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)立體圖;
圖2是本發(fā)明中前腿跳躍機(jī)構(gòu)的示意圖;
圖3是本發(fā)明中后腿跳躍機(jī)構(gòu)的示意圖;
圖4是本發(fā)明中傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的示意圖;
圖5是本發(fā)明中齒輪組的示意圖;
圖6是本發(fā)明中動(dòng)力桿組的示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖1和2所示,仿生跳躍機(jī)器人,包括機(jī)架、前腿跳躍機(jī)構(gòu)、后腿跳躍機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。前腿跳躍機(jī)構(gòu)包括前腿軸1、前腿動(dòng)力桿2、前腿小彈簧3、前腿連接桿4、前腿大彈簧5和前腿腳掌桿6。前腿軸1支承在機(jī)架上。前腿軸1的兩端與兩根前腿動(dòng)力桿2的內(nèi)端分別固定;兩根前腿動(dòng)力桿2的中部與兩根前腿連接桿4的一端分別鉸接。兩根前腿連接桿4的另一端與兩根前腿腳掌桿6的中部分別鉸接。前腿小彈簧3及前腿大彈簧5的一端均與前腿動(dòng)力桿2固定,另一端均與前腿腳掌桿6固定。前腿小彈簧3與前腿大彈簧5的勁度系數(shù)相等,且前腿小彈簧3的自由長(zhǎng)度小于前腿大彈簧5的自由長(zhǎng)度。前腿小彈簧3設(shè)置在前腿連接桿4靠近前腿動(dòng)力桿2內(nèi)端的一側(cè)。前腿大彈簧5設(shè)置在前腿連接桿4靠近前腿動(dòng)力桿2外端的一側(cè)。非工作狀態(tài)下,前腿腳掌桿6底面與機(jī)架底面平齊。
如圖1和3所示,后腿跳躍機(jī)構(gòu)包括后腿軸7、后腿動(dòng)力桿8、后腿小彈簧9、后腿連接桿10、后腿大彈簧11和后腿腳掌桿12;后腿軸7支承在機(jī)架上。后腿軸7的兩端與兩根后腿動(dòng)力桿8的內(nèi)端分別固定;兩根后腿動(dòng)力桿8的中部與兩根后腿連接桿10的一端分別鉸接。兩根后腿連接桿10的另一端與兩根后腿腳掌桿12的中部分別鉸接。后腿小彈簧9及后腿大彈簧11的一端均與后腿動(dòng)力桿8固定,另一端均與后腿腳掌桿12固定。后腿小彈簧9與后腿大彈簧11的勁度系數(shù)相等,且后腿小彈簧9的自由長(zhǎng)度小于后腿大彈簧11的自由長(zhǎng)度。后腿小彈簧9設(shè)置在后腿連接桿10靠近后腿動(dòng)力桿8內(nèi)端的一側(cè)。后腿大彈簧11設(shè)置在后腿連接桿10后腿動(dòng)力桿8外端的一側(cè)。非工作狀態(tài)下,后腿腳掌桿12底面與機(jī)架底面平齊。
如圖1、4、5和6所示,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電池固定板13、電機(jī)14、拉卷輪15、蓄能彈簧16、定滑輪17、齒輪組、第二從動(dòng)軸23、第一從動(dòng)軸24、第二固定軸25、第一固定軸26、動(dòng)力桿組和鋼索36。第一固定軸26與第二固定軸25平行設(shè)置,且均固定在機(jī)架上。電池固定板13固定在機(jī)架上。電池固定板13上固定有電機(jī)14及蓄電池;電機(jī)14與蓄電池相連;第一從動(dòng)軸24與第二從動(dòng)軸23平行設(shè)置,且均支承在機(jī)架上。齒輪組包括第一缺齒齒輪18、第一全齒齒輪19、第二全齒齒輪20、第三全齒齒輪21、第二缺齒齒輪22和第三缺齒齒輪35。第一缺齒齒輪18與電機(jī)14的輸出軸固定。第一全齒齒輪19、第二全齒齒輪20及第三全齒齒輪21均固定在第一從動(dòng)軸24上。第二缺齒齒輪22及第三缺齒齒輪35均固定在第二從動(dòng)軸23上。第一缺齒齒輪18的有齒部分與第一全齒齒輪19嚙合。第二缺齒齒輪22及第三缺齒齒輪35有齒部分對(duì)應(yīng)的圓心角均為180°。第二缺齒齒輪22與第二全齒齒輪20嚙合,或第三缺齒齒輪35與第三全齒齒輪21嚙合,即若第二缺齒齒輪22與第二全齒齒輪20嚙合,則第三缺齒齒輪35與第三全齒齒輪21不嚙合。若第二缺齒齒輪22與第二全齒齒輪20不嚙合,則第三缺齒齒輪35與第三全齒齒輪21嚙合。第二全齒齒輪20齒數(shù)的1.5倍小于第三全齒齒輪21齒數(shù)。拉卷輪15固定在第二從動(dòng)軸23上。動(dòng)力桿組包括第一蓄能桿27、第二蓄能桿28、第三蓄能桿29、第四蓄能桿30、前腿傳動(dòng)桿31、后腿傳動(dòng)桿32、后腿搖桿33和前腿搖桿34。第三蓄能桿29、第四蓄能桿30、前腿傳動(dòng)桿31及后腿傳動(dòng)桿32的一端通過(guò)蓄能鉸接軸鉸接。第三蓄能桿29遠(yuǎn)離蓄能鉸接軸的那端與第一蓄能桿27的一端通過(guò)第一鉸接軸鉸接。第一蓄能桿27的另一端與第一固定軸26構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副。第四蓄能桿30遠(yuǎn)離蓄能鉸接軸的那端與第二蓄能桿28的一端通過(guò)第二鉸接軸鉸接。第二蓄能桿28的另一端與第二固定軸25構(gòu)成轉(zhuǎn)動(dòng)副。第一鉸接軸與第二鉸接軸通過(guò)蓄能彈簧16連接。前腿傳動(dòng)桿31遠(yuǎn)離蓄能鉸接軸的那端與前腿搖桿34的一端鉸接。前腿搖桿34的另一端與前腿軸1固定。后腿傳動(dòng)桿32遠(yuǎn)離蓄能鉸接軸的那端與后腿搖桿33的一端鉸接。后腿搖桿33的另一端與后腿軸7固定。鋼索36的一端與拉卷輪15固定,另一端與蓄能鉸接軸固定。定滑輪17支承在機(jī)架上;鋼索36繞過(guò)定滑輪17。
本發(fā)明的工作原理如下:
步驟一、電機(jī)14轉(zhuǎn)動(dòng),第一缺齒齒輪18的有齒部分帶動(dòng)第一全齒齒輪19轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí),第三缺齒齒輪35與第三全齒齒輪21嚙合,故第三全齒齒輪21帶動(dòng)第二從動(dòng)軸23轉(zhuǎn)動(dòng)。第二從動(dòng)軸23上的拉卷輪15在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中拉動(dòng)鋼索36,蓄能鉸接軸在鋼索36的拉動(dòng)下向定滑輪17運(yùn)動(dòng),進(jìn)而使得蓄能彈簧變形。在蓄能鉸接軸的拉動(dòng)下,前腿搖桿34帶動(dòng)前腿軸1轉(zhuǎn)動(dòng),后腿搖桿33帶動(dòng)后腿軸7轉(zhuǎn)動(dòng),使得前腿動(dòng)力桿2及后腿動(dòng)力桿8均向上翻轉(zhuǎn)。第三缺齒齒輪35的有齒部分與第三全齒齒輪21嚙合完畢后,第二缺齒齒輪22的有齒部分與第二全齒齒輪20開(kāi)始嚙合。由于第三全齒齒輪21與第三缺齒齒輪35的傳動(dòng)比小于第二全齒齒輪20與第二缺齒齒輪22的傳動(dòng)比,故第二從動(dòng)軸23的轉(zhuǎn)速降低。隨著蓄能彈簧變形長(zhǎng)度的增大,鋼索36傳遞的拉力增大,在第二從動(dòng)軸23轉(zhuǎn)速不變的情況下,電機(jī)所需輸出的功率也隨之增大;此時(shí)降低第二從動(dòng)軸23的轉(zhuǎn)速,能夠減慢鋼索36的移動(dòng)速度,從而降低電機(jī)所需輸出的功率,進(jìn)而保證電機(jī)所需輸出功率的相對(duì)穩(wěn)定。
步驟二、第一缺齒齒輪18的有齒部分與第一全齒齒輪19嚙合完畢后,前腿動(dòng)力桿2及后腿動(dòng)力桿8均在蓄能彈簧的作用下快速向下翻轉(zhuǎn),前腿腳掌桿6及后腿腳掌桿12撞擊地面,為機(jī)架提供彈跳力,機(jī)架向前跳躍。第二從動(dòng)軸23也在蓄能彈簧的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)至初始狀態(tài)。
步驟三、機(jī)架落地,第一缺齒齒輪18的有齒部分與第一全齒齒輪19重新開(kāi)始嚙合后,重復(fù)步驟一和二。