CN106184461A - 一种仿鸵鸟后肢机械腿 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿鸵鸟后肢运动功能特性的仿生机械腿，包括机身、髋关节运动机构、膝关节运动机构和踝关节运动机构；髋关节运动机构由电机和曲柄摇杆机构组成，其中曲柄摇杆机构包括曲柄、股骨以及连杆；膝关节运动机构包括股骨、第一弹簧、胫骨、跖骨、闸线、下腓骨、第二弹簧、气压缸以及上腓骨；踝关节运动机构包括跖骨、第一趾节骨、第二趾节骨、第三趾节骨、第三扭簧、第二扭簧以及第一扭簧；本发明以能够高效运动的鸵鸟后肢为仿生原型，通过鸵鸟奔跑后肢运动参数测试，结合生物解剖学分析，并根据鸵鸟肌腱‑骨骼以及肌肉‑肌腱的相互作用机制，优化设计出结构简单、安全可靠、振动性小、高效节能的仿鸵鸟后肢机械腿。

Description

一种仿鸵鸟后肢机械腿

技术领域

本发明属于仿生机器人领域，更具体地，涉及一种仿鸵鸟后肢机械腿。

背景技术

鸵鸟的后肢强壮而有力，具有稳健、持久和高速奔跑的能力。鸵鸟持续奔跑速度约60km/h，冲刺速度超过70km/h，并可维持约30min而不感觉累，是陆地上跑得最快的两条腿动物。基于鸵鸟运动的节能和高速特征，鸵鸟在速度和节能方面比其他双足动物更加优越。机器人腿是机器人的重要组成部分,对足式机器人运动起着非常重要的作用。根据工程仿生学原理，可将鸵鸟的优越性能应用到双足机器人腿部结构的设计中。2000年以来，国内外涌现了大量的仿生足式机器人，包括BISAM，HyQ，KOLT，BigDog，Aibo，ScoutⅡ，TITAN，LittleDog，Tekken。其中最具有代表性的是波士顿动力公司开发的BigDog，他不仅可以实现多种运动步态，还具有很强的环境适应能力和抗干扰的能力。谷歌旗下的BostonDynamics公司最新研发的打不倒的ATRIAS机器人，是一个模仿动物腿部弹性筋腱结构的双足机器人，具有良好的稳定性。虽然国内外对仿生足式机器人的研究比较成熟，但是在仿生足式机器人腿部结构设计上还存在能源利用率低、结构复杂、控制困难、成本高等问题。另一方面,仿生足式机器人的足端结构单一，与地面产生较大冲击力，容易导致机器人产生振动，使其无法正常运作，严重时甚至损坏机器部件。

本发明以能够高效运动的鸵鸟后肢为仿生原型，通过鸵鸟奔跑后肢运动参数测试，结合生物解剖学分析，确定了鸵鸟后肢结构尺寸，并根据鸵鸟后肢肌腱-骨骼以及肌腱-肌肉的相互作用机制，优化设计出结构简单、安全可靠、振动性小、高效节能的仿生机械腿。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿鸵鸟后肢机械腿，本发明使仿生机械腿机构能够模仿鸵鸟的运动特征，并具有结构简单、减振以及高效节能的优点。本发明以能够高效运动的鸵鸟后肢为仿生原型，通过鸵鸟奔跑后肢运动参数测试，结合生物解剖学分析，确定了鸵鸟后肢结构尺寸，并根据鸵鸟后肢肌腱-骨骼以及肌腱-肌肉的相互作用机制，优化设计出结构简单、安全可靠、振动性小、高效节能的仿生机械腿。

本发明包括机身、髋关节运动机构、膝关节运动机构和踝关节运动机构。髋关节运动机构固定在机身上，髋关节运动机构带动膝关节运动机构运动，膝关节运动机构带动踝关节运动机构运动。髋关节运动机构由电机和曲柄摇杆机构组成，其中曲柄摇杆机构包括曲柄、股骨以及连杆。电机安装在机身上，电机驱动曲柄做顺时针转动，电机并通过曲柄摇杆机构将曲柄转动转换为股骨连续摆动。

所述膝关节运动机构包括股骨、第一弹簧、胫骨、跖骨、闸线(跟腱)、下腓骨、第二弹簧、气压缸以及上腓骨。第一弹簧一端固定在股骨上，第一弹簧另一端固定在胫骨上。气压缸固定在上腓骨，第二弹簧一端与气压缸作用端相连，第二弹簧另一端与下腓骨相连。气压缸工作时，先作用于第二弹簧，通过第二弹簧发生形变产生的弹力作用于下腓骨，以此完成抬腿和伸腿的动作。闸线一端固定在气压缸作用端，闸线另一端固定在第一趾节骨接近G点的位置。踝关节运动机构包括跖骨、第一趾节骨、第二趾节骨、第三趾节骨、第三扭簧、第二扭簧、以及第一扭簧。跖骨与第一趾节骨之间通过第一扭簧联接，第一趾节骨与第二趾节骨之间通过第二扭簧联接，第二趾节骨与第三趾节骨之间通过第三扭簧联接；且在不受外力作用下，第一趾节骨与跖骨的初始夹角∠DHG为150°，第一趾节骨与第二趾节骨初始夹角∠HGF为180°，第二趾节骨与第三趾节骨的初始夹角∠GFE为150°。仿生机械腿关键杆件的尺寸比例为AC:CD:DH:DI:BI＝71:110:95:20:113，且跖骨末端拐角∠HDI为150°。

本发明的有益效果：

1、整体采用连杆机构和系列弹性元件，电机布置在机身上，气压缸也布置在近身端，减少能量损耗。并且结构简单，节约制造成本，整体结构紧凑，有利于提高机构运行的可靠性。

2、利用曲柄摇杆机构的急回特性，有效减少空行程的时间，提高工作效率。电机连续转动，有利于提高机构运行的稳定性和能源利用率。

3、采用气压缸与弹簧串联进行肌肉-肌腱相互作用机制的仿生。第二弹簧(肌腱)具有缓冲减振储能的作用，有效降低地面反作用力对仿生机械腿机构的破坏作用，提高机构运行的稳定性，同时将部分重力势能转化为弹性势能储存在弹簧中，并在趾节骨即将离地期间释放，减少能量损失。另外，当趾节骨将要离地时，气压缸(肌肉)通过第二弹簧作用于下腓骨，由于第二弹簧的缓冲延迟作用，气压缸作用端首先通过闸线作用于第一趾节骨，实现鸵鸟“蹬地”动作的仿生，增大仿生机械腿的牵引力。

4、采用闸线和杆件配合进行肌腱-骨骼相互作用机制的仿生。仅通过一根闸线(跟腱)，一端连接第一趾节骨接近G点的位置，另一端连接在气压缸作用端，无需额外动力即可实现足部蹬地功能，从而减少腿部末端的质量，有效降低腿部的转动惯量，提高能量利用效率。由于闸线具有一定弹性，有利于进一步减少地面冲击破坏作用，具有缓冲减振的作用。

5、趾节骨以与地面呈一稳定角度逐节接触地面，有效缓解地面的冲击，并将部分重力势能转化为弹性势能储存在扭簧中，实现节能减振的作用。另外，由于扭簧的作用，第二趾节骨和第三趾节骨产生***地面的趋势，提高仿生机械腿的牵引性能。

6、跖骨H点的运动轨迹与鸵鸟跗跖关节的运动轨迹相似，有利于仿生机械腿实现稳定节能高效地运动。

附图说明

图1是本发明第三趾节骨即将触地时的立体示意图。

图2是本发明第三趾节骨触地过程中某一时刻的立体示意图。

图3是本发明第三趾节骨离地过程中某一时刻的立体示意图。

图4是本发明膝关节运动机构的立体示意图。

其中：1-机身；2-股骨；3-第一弹簧；4-胫骨；5-跖骨；6-第一趾节骨；7-第二趾节骨；8-第三趾节骨；9-第三扭簧；10-第二扭簧；11-第一扭簧；12-闸线；13-下腓骨；14-第二弹簧；15-气压缸；16-上腓骨；17-电机；18-曲柄；19-连杆。

具体实施方式

请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明包括机身1、髋关节运动机构、膝关节运动机构和踝关节运动机构；

所述髋关节运动机构固定在机身1上，髋关节运动机构带动膝关节运动机构运动，膝关节运动机构带动踝关节运动机构运动；髋关节运动机构由电机17和曲柄摇杆机构组成，其中曲柄摇杆机构包括曲柄18、股骨2以及连杆19；电机17安装在机身1上，电机17驱动曲柄18做顺时针转动，电机17并通过曲柄摇杆机构将曲柄18转动转换为股骨2连续摆动；

所述膝关节运动机构包括股骨2、第一弹簧3、胫骨4、跖骨5、闸线12、下腓骨13、第二弹簧14、气压缸15以及上腓骨16；第一弹簧3一端固定在股骨2上，第一弹簧3另一端固定在胫骨4上；气压缸15固定在上腓骨16，第二弹簧14一端与气压缸15作用端相连，第二弹簧14另一端与下腓骨13相连；气压缸15工作时，先作用于第二弹簧14，通过第二弹簧14发生形变产生的弹力作用于下腓骨13，以此完成抬腿和伸腿的动作；闸线12一端固定在气压缸15作用端，闸线12另一端固定在第一趾节骨6接近G点的位置。

所述踝关节运动机构包括跖骨5、第一趾节骨6、第二趾节骨7、第三趾节骨8、第三扭簧9、第二扭簧10以及第一扭簧11；跖骨5与第一趾节骨6之间通过第一扭簧11联接，第一趾节骨6与第二趾节骨7之间通过第二扭簧10联接，第二趾节骨7与第三趾节骨8之间通过第三扭簧9联接；且在不受外力作用下，第一趾节骨6与跖骨5的初始夹角∠DHG为150°，第一趾节骨6与第二趾节骨7初始夹角∠HGF为180°，第二趾节骨7与第三趾节骨8的初始夹角∠GFE为150°。

仿生机械腿关键杆件的尺寸比例为AC:CD:DH:DI:BI＝71:110:95:20:113，且跖骨5末端拐角∠HDI为150°。

闸线12相当于机械腿的跟腱；第二弹簧14相当于机械腿的肌腱；气压缸15相当于机械腿的肌肉。

本发明的工作过程：

以仿生机械腿完成行走一步动作为例：

以第三趾节骨8将要触地的位置为起点，电机17驱动曲柄18顺时针旋转。曲柄18通过连杆19带动股骨2作连续摆动运动，在重力作用下，第一趾节骨6、第二趾节骨7、第三趾节骨8先后与地面接触，第三扭簧9、第二扭簧10以及第一扭簧11起到减振储能的作用。第二趾节骨7和第三趾节骨8分别在第二扭簧10和第三扭簧9的作用力下，产生***地面的趋势，提高仿生机械腿的牵引性能。在第三趾节骨8触地过程中，第一弹簧3压缩和第二弹簧14伸长起到支撑和储能减振的作用；当气压缸15工作端压缩第二弹簧14时，由于第二弹簧14缓冲延迟的作用，气压缸15的作用端首先直接通过闸线12作用于第一趾节骨6，实现鸵鸟“蹬地”动作的仿生，增大仿生机械腿的牵引力。在第三趾节骨8离地过程中，随着气压缸15的作用力增大，第二弹簧14的形变量逐渐增大，因此作用于下腓骨13的力也逐渐增大，腿部弯曲，使仿生机械腿与地面的距离增大，实现跨障的功能。在第三趾节骨8再次触地前，气压缸15缓慢恢复至初始状态，闸线12逐渐松弛，第一趾节骨6在第一扭簧11的作用下，逐渐返回初始状态，完成伸腿动作，为下一次触地做准备。

Claims (2)

1.一种仿鸵鸟后肢机械腿，其特征在于：包括机身(1)、髋关节运动机构、膝关节运动机构和踝关节运动机构；

所述髋关节运动机构固定在机身(1)上，髋关节运动机构带动膝关节运动机构运动，膝关节运动机构带动踝关节运动机构运动；髋关节运动机构由电机(17)和曲柄摇杆机构组成，其中曲柄摇杆机构包括曲柄(18)、股骨(2)以及连杆(19)；电机(17)安装在机身(1)上，电机(17)驱动曲柄(18)做顺时针转动，电机(17)并通过曲柄摇杆机构将曲柄(18)转动转换为股骨(2)连续摆动；

所述膝关节运动机构包括股骨(2)、第一弹簧(3)、胫骨(4)、跖骨(5)、闸线(12)、下腓骨(13)、第二弹簧(14)、气压缸(15)以及上腓骨(16)；第一弹簧(3)一端固定在股骨(2)上，第一弹簧(3)另一端固定在胫骨(4)上；气压缸(15)固定在上腓骨(16)，第二弹簧(14)一端与气压缸(15)作用端相连，第二弹簧(14)另一端与下腓骨(13)相连；气压缸(15)工作时，先作用于第二弹簧(14)，通过第二弹簧(14)发生形变产生的弹力作用于下腓骨(13)，以此完成抬腿和伸腿的动作；闸线(12)一端固定在气压缸(15)作用端，闸线(12)另一端固定在第一趾节骨(6)接近G点的位置。

所述踝关节运动机构包括跖骨(5)、第一趾节骨(6)、第二趾节骨(7)、第三趾节骨(8)、第三扭簧(9)、第二扭簧(10)以及第一扭簧(11)；跖骨(5)与第一趾节骨(6)之间通过第一扭簧(11)联接，第一趾节骨(6)与第二趾节骨(7)之间通过第二扭簧(10)联接，第二趾节骨(7)与第三趾节骨(8)之间通过第三扭簧(9)联接；在不受外力作用下，第一趾节骨(6)与跖骨(5)的初始夹角∠DHG为150°，第一趾节骨(6)与第二趾节骨(7)初始夹角∠HGF为180°，第二趾节骨(7)与第三趾节骨(8)的初始夹角∠GFE为150°。

2.根据权利要求1所述的一种仿鸵鸟后肢机械腿，其特征在于：所述仿生机械腿关键杆件的尺寸比例为AC:CD:DH:DI:BI＝71:110:95:20:113，且跖骨(5)末端拐角∠HDI为150°。