一種仿生彈跳及行走機構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機器人技術領域，涉及仿生機器人，具體涉及一種仿生彈跳及行走機構，可用作仿生機器人的腿部機構。
【背景技術】
[0002]彈跳是自然界中一種很常見的運動方式，像青蛙、袋鼠和螳螂等，相比于行走，彈跳具有活動范圍廣、移動效率高、爆發力強等特點。彈跳機器人作為一種移動平臺，靈活性好，不僅可以適應崎嶇不平的地形，遇到障礙或溝壑時能夠輕松越過，尤其是在外太空低重力環境下，其移動的空間范圍遠遠大于輪式或足式機器人。
[0003]國外，美國Raibert教授設計了世界上以彈跳方式運動的單腿機器人，它的腿部裝一個相當于彈簧的氣缸，只能在一個平面內運動。美國HRL實驗室制作了一種利用電機和氣缸并行驅動的機器人腿部結構，該機構腿部有三個關節，而每一個關節使用能夠準確控制關節角度的舵機和提供瞬間爆發力的氣缸并行拉伸彈性材料來驅動，使關節迅速擺動，但只能實現單腿原地的彈跳運動。NASA先后研制了三代彈跳式機器人，第三代為輪式彈跳機器人，結構上保留了第二代的六桿齒輪彈跳機構，通過鋼繩纏繞滾輪的動作來實現彈簧的伸縮。卡耐基梅隆大學的Garth Zeglin研制了一種三維Bow Leg機器人，能在三維空間做彈跳步伐式的移動，原理是電機通過滑輪裝置拉緊和瞬間釋放繩索，使弓形彈性腿繃緊和瞬間伸張，從而實現整個彈跳運動。Case Western Reserve University研制出人工筋驅動的蟋蟀，其腿部是由微控制器控制腿部微型閥門及空氣壓縮機，使人工筋作出繃緊與收縮動作，來實現機械蟋蟀的行走及彈跳動作。麻省理工學院研制的三維單腿彈跳機構可以在水平面上自主跳動，受到干擾后能自動穩定，但是需要從外部連接電源、氣管以及控制線等。美國Jean-christophe Zuffercy等人研制的弓形彈跳機構，利用上一次彈跳的能量，簡化了多數機構中復雜的鎖定與觸發機制，但是其能量存儲時間有限且不能循環積累，彈跳高度有限。日本Toshiki MaSuda等人研制了四足機器人Rush，每條腿有膝、髖兩個關節，都為俯仰自由度，其膝關節為彈簧約束的被動轉動副，該機器人能實現穩定的跳躍步態。日本東京大學Niiyama等人研制了一種新穎的雙足彈跳機器人Mowgli，在髖關節、膝關節和踝關節處各有一個自由度，采用氣動人工肌肉驅動，能夠完成和真實青蛙幾乎一樣的跳躍動作。
[0004]國內，哈爾濱工業大學研制了一種仿青蛙彈跳機器人，后肢采用五桿齒輪彈跳機構，前肢有兩個自由度，能夠調整起跳角度和彈跳高度，彈跳后能自動復位。華中科技大學研制的“4+2”仿生多足步行機器人，其腿部自由度是由三個主動自由度和一個被動自由度組成，采用分層控制的思想，具有一定的全方位步行能力。北京理工大學研制的兩棲仿生機器蟹，其腿部有三個自由度，通過直流無刷電機驅動關節運動，可實現全方位的移動。哈爾濱工業大學研制了一種每條腿只有一個驅動的四足機器人，每條腿的髖關節由一個直流電機驅動其轉動，腿部由彈簧和直線移動導軌構成被動的移動副；該機器人能夠實現前后腿交替支撐的Bounding步態，而且機器人從靜止到勾速跑動的加速過程很快。
[0005]然而，上述機器人都只能實現單一的移動或者彈跳動作，目前只能在很平坦的地形上運動或者彈跳，還遠遠不能適應自然界中復雜的地形環境。

【發明內容】

[0006]本發明的目的是針對現有技術的不足，提供一種仿生彈跳及行走機構，具有起跳角度調整、彈跳高度調整、連續彈跳、自動復位和行走的功能，以適應復雜的環境。
[0007]本發明采用的技術方案是:
本發明包括彈跳機構和彈簧鎖解機構；所述的彈跳機構包括齒輪箱、髖關節電機、曲柄一、連桿一、同步齒輪、大腿桿、小腿桿一、小腿桿二、拉簧一、拉簧二、輸出軸、滾筒和鋼繩；圓柱形的齒輪箱通過軸承支承在機器人軀干上，形成髖關節；所述髖關節電機的底座固定在機器人軀干上，曲柄一固定在髖關節電機的輸出軸上，連桿一的兩端分別鉸接于曲柄一的一端和齒輪箱的端面邊緣；兩根齒輪軸對稱鉸接于齒輪箱上，固定在兩根齒輪軸上的兩個同步齒輪相嚙合；兩個同步齒輪均固連有大腿桿，小腿桿一的一端與前部的大腿桿通過銷軸連接，形成膝關節一；所述小腿桿一的另一端與小腿桿二的中部用銷軸連接，形成踝關節；所述小腿桿二的兩端分別與后部的大腿桿和腳掌板用銷軸連接，形成膝關節二和跗跖關節；拉簧一的兩端分別固定在膝關節一和膝關節二處的銷軸上，拉簧二的一端固定在踝關節處的銷軸上，另一端固定在跗跖關節處的銷軸上；輸出軸與齒輪箱鉸接，滾筒與輸出軸固連；鋼繩的一端纏繞在滾筒上，另一端固連在踝關節處的銷軸上。
[0008]所述的彈簧鎖解機構包括主電機、直齒輪三、輸入軸、直齒輪四、棘爪、離合器動塊、離合器定塊、撥叉驅動電機、曲柄二、連桿二和撥叉；所述主電機的底座固定在齒輪箱上，直齒輪三與主電機的輸出軸固連；所述的輸入軸通過軸承支承在齒輪箱上，直齒輪四、棘輪和離合器定塊均固定在輸入軸上；直齒輪四與直齒輪三嚙合；棘爪軸通過軸承支承在齒輪箱上；所述的棘爪固定在棘爪軸上，并與棘爪嚙合；棘爪復位彈簧的一端與棘爪固定，另一端與齒輪箱固定；所述的離合器動塊與彈跳機構的輸出軸通過花鍵連接，并與離合器定塊嵌合；離合器復位彈簧套在輸出軸上，且設置在離合器動塊和齒輪箱的內端面之間；所述撥叉驅動電機的底座通過電機支撐架與齒輪箱固定，曲柄二固連在撥叉驅動電機的輸出軸上；所述連桿二的兩端分別鉸接于曲柄二和撥叉的端部上；撥叉的中部與電機支撐架的支承軸鉸接，撥叉的U型叉嵌入離合器動塊的環形槽內。
[0009]齒輪箱包括齒輪箱殼體、齒輪箱上蓋和齒輪箱下蓋；所述齒輪箱殼體的兩端分別與齒輪箱上蓋和齒輪箱下蓋固定；所述電機支撐架的兩端分別固定在齒輪箱上蓋和齒輪箱下蓋上。
[0010]直齒輪四與直齒輪三的齒數比為2:1。
[0011]本發明的有益效果是:
本發明可用作仿生機器人的腿部機構，具有起跳角度調整、彈跳高度調整、連續彈跳、自動復位和行走的功能；通用性強、可編程性好，通過控制各關節電機的轉速，可以實現復雜的運動軌跡。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明的整體結構立體圖； 圖2是本發明中彈簧鎖解機構與彈跳機構的裝配立體圖；
圖3是本發明中彈簧鎖解機構與齒輪箱上蓋及齒輪箱下蓋的裝配立體圖；
圖4是本發明中彈簧鎖解機構與齒輪箱上蓋的裝配立體圖；
圖5是本發明中彈簧鎖解機構的結構立體圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，但本發明并不局限于以下實施例。
[0014]如圖1、2和3所示，一種仿生彈跳及行走機構，包括彈跳機構和彈簧鎖解機構。
[0015]彈跳機構包括齒輪箱殼體1、齒輪箱上蓋19、齒輪箱下蓋13、髖關節電機、曲柄一、連桿一、同步齒輪8、大腿桿2、小腿桿一 3、小腿桿二 6、拉簧一 7、拉簧二 5、輸出軸27、滾筒29和鋼繩15 ;齒輪箱殼體I的兩端分別與齒輪箱上蓋19和齒輪箱下蓋13固定；齒輪箱殼體I通過軸承支承在機器人軀干上，形成髖關節；髖關節電機的底座固定在機器人軀干上，曲柄