一種可實現跳躍功能的四足仿生機器人單腿的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于機器人技術領域，具體涉及一種可實現跳躍功能的四足仿生機器人單腿結構。
【背景技術】
[0002]與輪式、履帶式移動機器人相比，仿生足式機器人以其獨特的運動形式和控制方法，在崎嶇不平的路面運動具有較好的地面適應性，以及野外復雜環境下的應用潛力而成為機器人研究領域的熱點。
[0003]但目前的多足仿生步行機器人，其機動性不好，對環境的適應性不夠，越障能力較弱，運動步態的模式較有限。比較典型的，仿生步行機器人實現對溝壑、障礙的跳躍就比較困難。為提高仿生步行機器人的運動性能，國內外學者開展了具有彈跳性能的仿生機器人研究。對有彈跳性能的仿生機器人研究多從單腿系統開始。單腿系統不僅是決定機器人運動能力的關鍵因素，也是整機開發過程中重要的前期研究平臺，國內外學者開展了較多的機器人單腿的結構設計和控制方法方面的研究工作。麻省理工學院Raibert等人在20世紀80年代研制了單腿跳躍機器人，其中的腿部氣缸為彈性阻尼元件。C.Jean和GarthZeglin等人于2001年研制出3D leg機器人，利用彈性弓形腿，通過拉伸繩索機構使弓形腿彎曲并驅動鋼板彈簧變形存儲能量，當弓形腿彎曲到一定程度時會自動釋放繩索，釋放能量的同時，弓形腿彈回原來的形狀，在地面反彈力的作用下實現跳躍。所開發的控制系統，使其在跳躍運動過程中弓形腿能夠始終與地面保持垂直，從而使其在跳躍過程中能夠保證身體動態平衡。但該機構具有一定的缺陷，即只能在二維平面內運動。
[0004]加拿大McGill大學Martin Buehler教授的團隊研制了 S0UT、K0LT等以行走步態為主要運動形式的四足機器人。為了追求更高的動態性能，很多學者從帶有彈性元件的單腿系統入手開展四足機器人研究。Kim和Lewis則仿照獵豹運動特點，開發了兩款針對高速奔跑運動的單腿系統和單足彈跳機器人，并開展了相關研究。美國波士頓動力公司(BostonDynamics)研發的一套運輸機器人“BigDog”，其依靠安裝有液壓驅動器的腿部可以完成跳躍運動。
[0005]國內研究方面，西北工業大學的葛文杰課題組研制袋鼠仿生機器人，浙江大學付新課題組李霏等人研究了葉蟬仿生機器人、哈工大趙杰課題組的王猛等人研究具有跳躍運動的青蛙仿生機器人。東南大學的宋光明教授等人研制了具有滾動和跳躍能力的室內偵察機器人。哈爾濱工程大學的陳東良等人研制了仿生蝗蟲跳躍機器人等。
[0006]近兩年，國內外申請了較多的有關跳躍機器人的專利。哈爾濱工程大學的胡勝海等，申請了雙關節跳躍機器人(公開號，CN204488997U)，采用雙關節，用兩個電機驅動；哈爾濱工程大學的胡勝海等申請了一種蓄能型仿蛙跳躍機器人(公開號，CN104709375A)，提供一種蓄能型仿蛙跳躍機器人，包括前肢、軀干、后肢，伺服電機帶動回轉曲柄轉動，回轉曲柄通過拉索拉動后腿前擺蓄能。北京工業大學的左國玉等，申請了一種仿生袋鼠機器人(公開號，CN104548608A)，公開了一種仿生袋鼠機器人，包括機身、動力傳輸裝置、兩腿部機構、尾部平衡機構及控制系統。重慶大學的柏龍等，申請了仿生跳躍機器人(公開號，CN104627263A)，公開了一種仿生跳躍機器人，包括機身、彈跳機構和平衡機構；北京理工大學的馬樹元等，申請了一種活塞驅動式跳躍機器人(公開號，CN103895727A)，公開了一種活塞驅動式跳躍機器人結構，跳躍驅動機構采用氣缸活塞機構。北京工業大學的左國玉等，申請了一種仿生昆蟲跳躍機器人結構(公開號，CN103963864A)，將氣缸固定在后腳掌上，與現有技術相比加大了活塞桿運動行程，增強了跳躍驅動力。桂林電子科技大學的莊未等，申請了空中姿態可調單腿連續跳躍機器人(公開號，CN203651955U)，該可調單腿連續跳躍機器人，包括上身部、腰部和腿部，腰部的上基板和下基板之間均勻支撐有彈性元件。浙江大學的趙逸棟等，申請了一種連桿傳動的單腿機器人跳躍機構(公開號，CN103879470A)，該跳躍機構，包括依次鉸接的機身、大腿和小腿等。其跳躍驅動裝置和方向驅動裝置靠近機身。桂林電子科技大學的莊未等，申請了跳躍機器人的能量存儲與釋放裝置(公開號，CN204137152U)，該跳躍機器人的能量存儲與釋放裝置，包括齒輪、齒條、電磁離合器以及帶棘輪電磁鐵的棘輪機構。哈爾濱工程大學的胡勝海等，申請了五關節仿蛙跳躍機器人(公開號，CN103569235A)，五關節仿蛙跳躍機器人由軀干機構、前肢機構和后肢機構組成。采用了同步帶傳動機構、復位彈簧、小腿驅動繩等。浙江大學的朱秋國等，申請了一種動力儲能的單腿機器人原地跳躍機構，機器人由身體、髖關節、膝關節、足底和大小腿五部分組成，身體與大腿、大腿與小腿之間分別通過髖關節和膝關節連接；髖關節由電機、諧波減速器、編碼器和髖彈簧等元件組成，具有主動輸出關節力矩的功能，通過同步帶為膝關節提供主動的力矩輸出；西北工業大學的葛文杰等，申請了一種基于液壓驅動的機器人彈跳機構(公開號，CN103287522A)，機器人彈跳機構，通過液壓缸推動雙邊齒條，驅使帶齒連桿、第二連桿、第三連桿組成的五桿機構重心下移，同時拉伸彈簧儲存彈性勢能。
[0007]就現有的國內外相關文獻來看，目前設計的仿生跳躍機器人的跳躍主要由腿部的彈跳來實現，其腿部彈跳主要依靠液壓驅動器或者彈簧來完成。液壓驅動器的結構與控制復雜，體積較大，在步行機器人上使用有很多不足。

【發明內容】

[0008]本發明要解決的技術問題是針對上述現有技術的不足，設計一種模塊化結構的可實現跳躍功能的四足仿生機器人單腿。
[0009]本發明一種可實現跳躍功能的四足仿生機器人單腿所采用的技術方案如下:一種可實現跳躍功能的四足仿生機器人單腿，包括機身、大腿模塊、小腿模塊、腳踝和儲能單元，機身通過髖關節連接件與大腿模塊鉸接，在機身和大腿模塊之間設置有髖關節儲能單元；小腿模塊通過膝關節連接件與大腿模塊鉸接，小腿模塊和膝關節之間設置有膝關節儲能單元；腳踝通過踝關節連接件與小腿模塊鉸接，腳踝與小腿模塊之間設置有踝關節儲能單元，在機身上設置運動控制的單元。
[0010]所述的髖關節儲能單元包括儲能單元導向套，在儲能單元導向套的兩側分別設置有左端蓋和右端蓋，左端蓋通過左端蓋鎖緊螺釘與儲能單元導向套固定，右端蓋通過右端蓋鎖緊螺釘與儲能單元導向套固定；在左端蓋外側固定連接有儲能單元左連接桿，儲能單元左連接桿與髖關節儲能單元連接上軸銷進行聯接；在儲能單元導向套內設置有儲能彈簧，在儲能彈簧的一端設置有活塞，活塞與位于活塞中心線位置的滑動導桿固定連接；在滑動導桿上固定設置有齒條，齒條與位于右端蓋內側的齒輪軸嚙合連接；儲能單元導向套內還設置有緩沖墊，緩沖墊固定在儲能單元導向套內壁設置的凸緣上；在髖關節儲能單元右端設置有蝸輪蝸桿減速器安裝座，蝸輪蝸桿減速器通過連接法蘭與蝸輪蝸桿減速器安裝座固定連接；蝸輪蝸桿減速器的輸入端與伺服電機上的行星齒輪減速器的輸出軸連接，蝸輪蝸桿減速器輸出軸連接有電磁離合器，電磁離合器的輸入端與蝸輪蝸桿減速器輸出軸連接，電磁離合器輸出端與齒輪軸的右端連接；齒輪軸的兩側分別設置有一個軸承，軸承兩端分別設置一個彈簧擋圈，彈簧擋圈安裝在蝸輪蝸桿減