CN106428289A - 仿生被动回弹机械腿 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种仿生被动回弹机械腿，包括机身、曲柄连杆机构、被动回弹机构和足端；曲柄连杆机构包括曲柄、股骨以及摇杆；被动回弹机构包括定滑块、胫骨、上外弹簧、滑轮、动滑块、腓骨、下外弹簧、挡块、跖骨、销轴和内弹簧机构，其中内弹簧机构包括底座、内轴、压簧板、压簧板基座、挡板、小弹簧、小弹簧导杆、闸线；足端包括扭簧和足趾，足趾由柔性储能材料制作而成；本发明基于鸵鸟后肢的尺寸参数以及鸵鸟跗骨间关节的被动回弹特性，利用被动回弹机构实现仿生鸵鸟后肢跗骨间关节的被动回弹功能，既能降低能耗，又能在触地期利用弹性元件吸收地面的冲击力，达到缓冲减振的效果。
Description
技术领域
本发明属于机器人领域，涉及一种仿生被动回弹机械腿。
背景技术
鸵鸟的后肢强壮而有力，具有稳健、持久和高速的奔跑能力。鸵鸟奔跑速度可达50-60Km/h，并持续奔跑30分钟，是陆地上跑得最快的双足动物。研究表明，在鸵鸟后肢从弯曲到伸张过程中，当跗骨间关节夹角大于125°时释放跖骨，跖骨在不受外力的作用下迅速摆到168°的位置。这种被动的伸张过程，能够降低鸵鸟运动的能量消耗。根据鸵鸟运动的节能和高速特性，基于工程仿生学原理，可将鸵鸟后肢的优越性能应用到腿-足式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等。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的问题。且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。
本发明以高效、节能的鸵鸟后肢为仿生原型，通过鸵鸟奔跑后肢运动参数分析，结合生物解剖学，确定了鸵鸟后肢结构尺寸，并根据鸵鸟跗骨间关节被动回弹特性，优化设计出节能、减振的仿生机械腿。
发明内容
本发明公开一种仿生被动回弹机械腿。本发明仿鸵鸟后肢跗骨间关节的被动回弹功能，采用被动回弹机构，实现仿生机械腿在离地期能够自动完成“伸腿”动作。内弹簧的劲度系数大于下外弹簧，在触地期，内弹簧、下外弹簧同时工作，起到支撑、节能和减振的作用。在离地期，内弹簧不工作，依靠下外弹簧的反弹实现跗骨间关节被动回弹功能。本发明以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分析，结合生物解剖学，确定了鸵鸟后肢结构尺寸，并根据鸵鸟跗骨间关节被动回弹特性，优化设计出节能、减振的仿生机械腿。
本发明包括机身、曲柄连杆机构、被动回弹机构和足端；曲柄连杆机构包括曲柄、股骨以及摇杆；被动回弹机构包括定滑块、胫骨、上外弹簧、滑轮、动滑块、腓骨、下外弹簧、挡块、跖骨、销轴和内弹簧机构，其中内弹簧机构包括底座、内轴、压簧板、压簧板基座、挡板、小弹簧、小弹簧导杆、闸线；足端包括扭簧和足趾，足趾由柔性储能材料制作而成。
如图1至图4所示，被动回弹机构中的定滑块固定在机身上，胫骨与定滑块组成滑动副；滑轮固定在胫骨上；上、下外弹簧固定在胫骨上，上外弹簧位于动滑块上方，受压时，上外弹簧上端与定滑块接触，上外弹簧下端与动滑块接触。下外弹簧位于动滑块下端，下外弹簧底端与挡块接触，挡块固定在胫骨上，受压时，下外弹簧上端与动滑块接触，动滑块可以在胫骨上滑动；动滑块通过腓骨与跖骨相连；跖骨与胫骨通过销轴相互铰接；内弹簧机构安装在胫骨内部，其中底座与挡块固定在胫骨上；内轴固定在底座上，内弹簧套在内轴上，内弹簧一端与底座接触，内弹簧另一端与压簧板基座接触；压簧板能够沿着压簧板基座和小弹簧导杆滑出或滑进胫骨，当压簧板滑出胫骨时，与动滑块接触；压簧板之间通过小弹簧相连，小弹簧套在小弹簧导杆上，安装时，压簧板位于滑出胫骨的最大位移处，小弹簧有一定预压力；当压簧板在小弹簧反弹作用下滑出胫骨至最大位移处时，挡板与压簧板接触，挡板阻挡压簧板继续向胫骨外滑出；闸线一端通过胫骨顶端滑轮连接到定滑块上，闸线另一端连接两个压簧板；跖骨底端通过扭簧与足趾铰接，不受外力作用时，跖骨与足趾相夹的角度为120°；股骨与胫骨铰接于第一铰接点，定滑块与机身铰接于第二铰接点；摇杆与股骨铰接。
本发明的有益效果：
1、整体机构只采用一个动力源，并利用曲柄连杆机构将腿部的摆动转化为电机的连续转动，有利于提高工作效率，减少能量损耗。
2、整体采用杆件结构，承载能力大、工作稳定，便于加工制造，且成本低。
3、内弹簧和下外弹簧在离地期前半段受压缩存储弹性性能，在离地期后半段释放弹性势能，使跖骨自动伸展，完成“伸腿”动作，实现鸵鸟后肢跗骨间关节被动回弹功能的仿生，无需额外作用力，有利于减少能量损耗。
4、在触地期，内弹簧、下外弹簧同时工作。触地期前半段，足端与地面产生较大冲力，内弹簧、下外弹簧有效吸收地面的冲击力，并将其转化为弹性势能；在触地期后半段，内弹簧、下外弹簧释放弹性势能，转化为机械腿的动能。在触地期，内弹簧、下外弹簧有效起到了缓冲减振，减少能耗的作用。
5、内弹簧的劲度系数大于下外弹簧，在离地期时内弹簧不工作，在离地期前半段动滑块只需压缩下外弹簧，减少电机的转矩，有利于节约能量。
附图说明
图1是本发明触地期某一时刻的立体示意图。
图2是本发明离地期某一时刻的立体示意图。
图3是本发明内弹簧机构的立体示意图。
图4是本发明内弹簧机构的侧视图。
其中：1-机身；2-曲柄；3-定滑块；4-上外弹簧；5-动滑块；6-内弹簧机构；7-下外弹簧；8-挡块；9-跖骨；10-足趾；11-销轴；12-腓骨；13-第二铰接点；14-胫骨；15-第一铰接点；16-股骨；17-摇杆；18-内轴；19-压簧板基座；20-闸线；21-压簧板；22-小弹簧导杆；23-小弹簧；24-内弹簧；25-底座；26-滑轮；27-挡板；28-扭簧。
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、曲柄连杆机构、被动回弹机构和足端；曲柄连杆机构包括曲柄2、股骨16以及摇杆17；被动回弹机构包括定滑块3、胫骨14、上外弹簧4、滑轮26、动滑块5、腓骨12、下外弹簧7、挡块8、跖骨9、销轴11和内弹簧机构6，其中内弹簧机构6包括底座25、内轴18、压簧板21、压簧板基座19、挡板27、小弹簧23、小弹簧导杆22、闸线20；足端包括扭簧28和足趾10，足趾10由柔性储能材料制成。
被动回弹机构中的定滑块3固定在机身1上，胫骨14与定滑块3组成滑动副；滑轮26固定在胫骨14上；上外弹簧4、下外弹簧7固定在胫骨14上，上外弹簧4位于动滑块5上方，受压时，上外弹簧4上端与定滑块3接触，上外弹簧4下端与动滑块5接触；下外弹簧7位于动滑块5下端，下外弹簧7底端与挡块8接触，挡块8固定在胫骨14上，受压时，下外弹簧7顶端与动滑块5接触，动滑块5能在胫骨上滑动；动滑块5通过腓骨12与跖骨9相连；跖骨9与胫骨14通过销轴11相互铰接；内弹簧机构6安装在胫骨14内部，其中底座25与挡块8固定在胫骨14上；内轴18固定在底座25上，内弹簧24套在内轴18上，内弹簧24一端与底座25接触，内弹簧24另一端与压簧板基座19接触；压簧板21能够沿着压簧板基座19和小弹簧导杆22滑出或滑进胫骨14，当压簧板21滑出胫骨14时，与动滑块5接触；压簧板21之间通过小弹簧23相连，小弹簧23套在小弹簧导杆22上，安装时，压簧板21位于滑出胫骨14的最大位移处，小弹簧23有一定预压力；当压簧板21在小弹簧23反弹作用下滑出胫骨14至最大位移处时，挡板27与压簧板21接触，挡板27阻挡压簧板21继续向胫骨14外滑出；闸线20一端通过胫骨14顶端滑轮26连接到定滑块3上，闸线20另一端连接两个压簧板21；跖骨9底端通过扭簧28与足趾10铰接，不受外力作用时，跖骨9与足趾10相夹的角度为120°；股骨16与胫骨14铰接于第一铰接点15，定滑块3与机身1铰接于第二铰接点13。摇杆17与股骨16铰接。
本发明的工作过程：
以仿生机械腿运动一个周期为例：
以足趾10将要离地的位置为起点，曲柄2逆时针旋转。在离地期前半段，曲柄2带动股骨16运动，股骨16与胫骨14铰接于第一铰接点15。定滑块3与机身1铰接于第二铰接点13，此时第一铰接点15带动胫骨14相对于定滑块3向上运动，胫骨14的运动可以分解为绕第一铰接点15的转动和相对定滑块3向上的运动。闸线20一端通过胫骨14顶端滑轮26连接到定滑块3上，闸线20另一端连接两个压簧板21。此时由于胫骨14相对于定滑块3向上运动，从定滑块3到滑轮26之间的闸线20距离变长，从滑轮26到两个压簧板21之间的闸线20距离变短，从而拉动两个压簧板21向着内轴18运动，同时压缩小弹簧23。在整个离地期，由于压簧板21缩进胫骨14内，不与动滑块5接触，内弹簧24不工作。随着胫骨14相对于定滑块3向上运动，定滑块3压缩上外弹簧4，动滑块5在上外弹簧4反弹作用下压缩下外弹簧7，同时通过腓骨12作用跖骨9，使跖骨9绕着销轴11转动，完成“抬腿”动作；在离地期后半段，随着曲柄2继续转动，第一铰接点15带动胫骨14向下运动，其运动可以分解为绕第一铰接点15的转动和相对定滑块3向下的运动。此时动滑块5在下外弹簧7反弹作用下相对于胫骨14向上运动，同时通过腓骨12作用于跖骨9，使其伸展，完成“伸腿”动作。随着胫骨14向下运动，定滑块3到滑轮26之间的闸线20距离逐渐变短，压簧板21在小弹簧23反弹作用下做背向运动，在触地期压簧板21作用端弹出胫骨14，为足趾10触地期工作做准备。
在触地期前半段，曲柄2继续转动，足趾10先接触地面，受到地面的冲击较大，一部分能量由于碰撞损失，剩下的能量一部分被足趾10自身材料和扭簧28吸收，并转化为弹性势能，另一部分能量通过跖骨9和腓骨12作用于动滑块5，动滑块5通过压缩内弹簧24、下外弹簧7进行缓冲，并将一部分能量转化为弹性势能储存在内弹簧24、下外弹簧7中；在触地期后半段，内弹簧24和下外弹簧7释放弹性势能，反弹作用于动滑块5，并通过腓骨12作用于跖骨9，最终转化为仿生机械腿运动的机械能，同时，扭簧28和足趾10释放弹性势能，进一步降低仿生机械腿的能耗。
Claims (2)
1.一种仿生被动回弹机械腿，其特征在于：包括机身(1)、曲柄连杆机构、被动回弹机构和足端；曲柄连杆机构包括曲柄(2)、股骨(16)以及摇杆(17)；被动回弹机构包括定滑块(3)、胫骨(14)、上外弹簧(4)、滑轮(26)、动滑块(5)、腓骨(12)、下外弹簧(7)、挡块(8)、跖骨(9)、销轴(11)和内弹簧机构6，其中内弹簧机构6包括底座(25)、内轴(18)、压簧板(21)、压簧板基座(19)、挡板(27)、小弹簧(23)、小弹簧导杆(22)、闸线(20)；足端包括扭簧(28)和足趾(10)；
被动回弹机构中的定滑块(3)固定在机身(1)上，胫骨(14)与定滑块(3)组成滑动副；滑轮(26)固定在胫骨(14)上；上外弹簧(4)、下外弹簧(7)固定在胫骨(14)上，上外弹簧(4)位于动滑块(5)上方，受压时，上外弹簧(4)上端与定滑块(3)接触，上外弹簧(4)下端与动滑块(5)接触；下外弹簧(7)位于动滑块(5)下端，下外弹簧(7)底端与挡块(8)接触，挡块(8)固定在胫骨(14)上，受压时，下外弹簧(7)顶端与动滑块(5)接触，动滑块(5)能在胫骨上滑动；动滑块(5)通过腓骨(12)与跖骨(9)相连；跖骨(9)与胫骨(14)通过销轴(11)相互铰接；内弹簧机构6安装在胫骨(14)内部，底座(25)与挡块(8)固定在胫骨(14)上；内轴(18)固定在底座(25)上，内弹簧(24)套在内轴(18)上，内弹簧(24)一端与底座(25)接触，内弹簧(24)另一端与压簧板基座(19)接触；压簧板(21)能够沿着压簧板基座(19)和小弹簧导杆(22)滑出或滑进胫骨(14)，当压簧板(21)滑出胫骨(14)时，与动滑块(5)接触；压簧板(21)之间通过小弹簧(23)相连，小弹簧(23)套在小弹簧导杆(22)上，压簧板(21)位于滑出胫骨(14)的最大位移处，小弹簧(23)有预压力；当压簧板(21)在小弹簧(23)反弹作用下滑出胫骨(14)至最大位移处时，挡板(27)与压簧板(21)接触，挡板(27)阻挡压簧板(21)继续向胫骨(14)外滑出；闸线(20)一端通过胫骨(14)顶端滑轮(26)连接到定滑块(3)上，闸线(20)另一端连接两个压簧板(21)；跖骨(9)底端通过扭簧(28)与足趾(10)铰接，不受外力作用时，跖骨(9)与足趾(10)相夹的角度为120°；股骨(16)与胫骨(14)铰接于第一铰接点(15)，定滑块(3)与机身(1)铰接于第二铰接点(13)；摇杆(17)与股骨(16)铰接。
2.根据权利要求1所述的一种仿生被动回弹机械腿，其特征在于：所述的足趾(10)由柔性储能材料制成。
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