一种单驱动式能量可调的弹跳腿机构

1.本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种单驱动式能量可调的弹跳腿机构。


背景技术：

2.科技的快速发展使机器人在人类的各类活动中承担着越来越重要的任务，同时，机器人面临的工作环境也越来越复杂，如太空探索、山地侦察、坍塌或爆炸后的救援等。为了使机器人可以适应各类复杂地理环境，人们正在开发各种各样运动模式的移动机器人。
3.对目前的地面移动机器人来说，弹跳机器人相对于轮式、履带式和足式机器人有更强的越障能力和环境适应力。由于弹跳运动的着地点离散，所以在非结构化地形上可以更好的适应复杂地貌，有效地规避规避风险及越障，故在废墟搜救、反恐作战、考古探测、战场侦察和星际探测等领域中有广阔的应用前景。特别是在星际探测领域，如火星和月球的低重力环境下，小型弹跳机器人运动所需能量较少，环境适应能力较强，可辅助星球车完成探测任务，有效的扩展探测范围，提高探测效率，相较于轮式和履带式等其他运动模式，弹跳运动能发挥更大的优势。
4.为了赋予机器人更强的越障能力和环境适应力，本发明从动物的弹跳运动中汲取灵感，设计一种单驱动式能量可调的弹跳腿。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种单驱动式能量可调的弹跳腿机构，该弹跳腿机构通过串联弹簧的方式提高弹跳腿的能量输出；通过零部件的安装布局，使弹跳腿的重心靠近髋关节转轴；通过设计相等的大腿仿件和小腿仿件的长度，使髋关节转轴与膝关节转轴之间的直线距离等于膝关节转轴与足部仿件中心处之间的直线距离，并且设计膝关节仿件的驱动方式，实现大腿仿件的旋转角度和小腿仿件的旋转角度呈线性关系，且弹跳腿足点的运动轨迹为一条垂直于机架的直线。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种单驱动式能量可调的弹跳腿机构，其特征在于，包括机架，所述机架下部通过髋关节仿件转动连接有大腿仿件，所述大腿仿件下部通过膝关节仿件转动连接有小腿仿件，所述小腿仿件底端设置有足部仿件。
7.所述机架上固定安装有电机，所述电机的输出轴末端固定安装有电机输出齿轮，所述机架上设置有电磁离合器，所述电机输出齿轮与电磁离合器传动齿轮啮合，所述机架上转动安装有髋关节转轴，所述髋关节转轴与电磁离合器传动轴固定连接，所述髋关节仿件固定安装在所述髋关节转轴上，所述髋关节转轴为d型轴，所述髋关节仿件设置有用于安装髋关节转轴的d型孔。
8.电机通过电机输出齿轮输出动力，带动电磁离合器传动齿轮旋转，电磁离合器传动齿轮的齿数大于电机输出齿轮的齿数，以增加电机的输出扭矩。当电磁离合器吸合时，即电磁离合器传动齿轮和电磁离合器传动轴同步转动，电机带动电磁离合器传动轴旋转，电磁离合器传动轴与髋关节旋转轴连接安装，可实现同步转动。到此，实现了电机带动髋关节
仿件的转动。
9.所述机架上转动安装有卷线轴，所述卷线轴上在所述机架外固定安装有卷线轴传动齿轮，所述髋关节转轴上在所述机架外固定安装有髋关节转轴传动齿轮，所述卷线轴传动齿轮与髋关节转轴传动齿轮啮合，所述卷线轴上在所述机架内固定安装有卷线筒，所述卷线轴为d型轴，所述卷线筒上设置有用于安装卷线轴的d型孔。
10.通过卷线轴传动齿轮和髋关节旋转轴传动齿轮的啮合传动，可实现髋关节旋转轴到卷线轴的等比例动力传动，所述卷线轴传动齿轮与髋关节转轴传动齿轮的传动比为2：1。
11.所述膝关节仿件分为上下两部，所述膝关节仿件上部与大腿仿件固定连接，所述膝关节仿件下部与小腿仿件固定连接，所述膝关节仿件上部转动安装有膝关节转轴，所述膝关节仿件下部与所述膝关节转轴固定连接，所述膝关节转轴上固定安装有膝关节卷线筒，所述膝关节转轴为d型轴，所述膝关节仿件下部和膝关节卷线筒上设置有用于安装膝关节转轴的d型孔，所述卷线筒与膝关节卷线筒通过牵引线传动连接。
12.优选地，所述髋关节转轴上设置有髋关节扭簧，所述膝关节转轴上设置有膝关节扭簧，髋关节扭簧与膝关节扭簧可随着髋关节转轴与膝关节转轴的旋转进行扭转并储能，以实现弹跳腿机构的起跳。
13.优选地，所述牵引线的一端直接或间接缠绕在膝关节卷线筒上，另一端直接或间接缠绕在卷线筒上，髋关节转轴作为一个定滑轮，卷线筒与膝关节卷线筒上缠绕牵引线处的轴径相同，以保证膝关节旋转轴和卷线轴同步转动，并且使得所述大腿仿件的旋转角度与小腿仿件的旋转角度呈线性关系。
14.优选地，机架上的零部件布置，应使得弹跳腿重心在髋关节转轴附近，所述髋关节转轴与膝关节转轴之间的距离等于膝关节转轴与足部仿件中心处之间的距离，以实现足部仿件中心点的运动轨迹为一条垂直于机架的直线。
15.本发明与现有技术相比具有以下优点：
16.本发明采用单电机驱动实现髋关节仿件和膝关节仿件的弯曲控制，减少了动力源，提高了能量效率，同时大大减小了弹跳腿的重量。并且，该弹跳腿机构的膝关节仿件采用牵引线直接驱动其关节旋转轴，使大腿仿件的旋转角度和小腿仿件的旋转角度呈线性关系。髋关节转轴与膝关节转轴之间的直线距离等于膝关节转轴与足部仿件中心处之间的直线距离，以实现弹跳腿足点的运动轨迹为一条垂直于机架的直线。同时，让弹跳腿的重心靠近髋关节转轴，使得弹跳腿的物理模型接近理想的倒立摆模型，以降低控制难度。该弹跳腿可根据髋关节仿件和膝关节仿件的弯曲角度大小来调节跳跃到指定高度所需能量，总体结构简单紧凑，可靠性更高。
17.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
18.图1是本发明的结构示意图。
19.图2是本发明的侧面结构示意图。
20.图3是本发明中髋关节的结构示意图。
21.图4是本发明的等轴测剖面视图。
22.附图标记说明：
23.1—机架； 2—电机； 3—电机输出齿轮；
24.4—电磁离合器传动齿轮； 5—电磁离合器传动轴； 6—髋关节仿件；
[0025][0026]
7—大腿仿件；
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8—膝关节仿件；
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9—小腿仿件；
[0027]
10—足部仿件；
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11—卷线轴传动齿轮； 12—髋关节转轴传动齿轮；
[0028][0029]
13—髋关节扭簧；
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14—髋关节转轴；
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15—卷线轴；
[0030]
16—卷线筒；
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17—牵引线；
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18—膝关节转轴；
[0031]
19—膝关节卷线筒；
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20—膝关节扭簧。
具体实施方式
[0032]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
[0033]
需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0034]
如图1～4所示，本发明提供一种单驱动式能量可调的弹跳腿机构，包括机架1，所述机架1下部通过髋关节仿件6转动连接有大腿仿件7，所述大腿仿件7下部通过膝关节仿件8转动连接有小腿仿件9，所述小腿仿件9底端设置有足部仿件10。
[0035]
所述机架1上固定安装有电机2，所述电机2的输出轴末端固定安装有电机输出齿轮3，所述机架1上设置有电磁离合器，所述电机输出齿轮3与电磁离合器传动齿轮4啮合，所述机架1上转动安装有髋关节转轴14，所述髋关节转轴14与电磁离合器传动轴5固定连接，所述髋关节仿件6固定安装在所述髋关节转轴14上，所述髋关节转轴14为d型轴，所述髋关节仿件6设置有用于安装髋关节转轴14的d型孔。
[0036]
电机2通过电机输出齿轮3输出动力，带动电磁离合器传动齿轮4旋转，电磁离合器传动齿轮4的齿数大于电机输出齿轮3的齿数，以增加电机2的输出扭矩。当电磁离合器吸合时，即电磁离合器传动齿轮4和电磁离合器传动轴5同步转动，电机2带动电磁离合器传动轴5旋转，电磁离合器传动轴5与髋关节旋转轴14连接安装，可实现同步转动。到此，实现了电机2带动髋关节仿件6的转动。
[0037]
所述机架1上转动安装有卷线轴15，所述卷线轴15上在所述机架1外固定安装有卷线轴传动齿轮11，所述髋关节转轴14上在所述机架1外固定安装有髋关节转轴传动齿轮12，所述卷线轴传动齿轮11与髋关节转轴传动齿轮12啮合，所述卷线轴15上在所述机架1内固定安装有卷线筒16，所述卷线轴15为d型轴，所述卷线筒16上设置有用于安装卷线轴15的d型孔。
[0038]
通过卷线轴传动齿轮11和髋关节旋转轴传动齿轮12的啮合传动，可实现髋关节旋转轴14到卷线轴15的等比例动力传动，所述卷线轴传动齿轮11与髋关节转轴传动齿轮12的
传动比为2：1。
[0039]
所述膝关节仿件8分为上下两部，所述膝关节仿件8上部与大腿仿件7固定连接，所述膝关节仿件8下部与小腿仿件9固定连接，所述膝关节仿件8上部转动安装有膝关节转轴18，所述膝关节仿件8下部与所述膝关节转轴18固定连接，所述膝关节转轴18上固定安装有膝关节卷线筒19，所述膝关节转轴18为d型轴，所述膝关节仿件8下部和膝关节卷线筒19上设置有用于安装膝关节转轴18的d型孔，所述卷线筒16与膝关节卷线筒19通过牵引线17传动连接。
[0040]
本实施例中，所述髋关节转轴14上设置有髋关节扭簧13，所述膝关节转轴18上设置有膝关节扭簧20，髋关节扭簧13与膝关节扭簧20可随着髋关节转轴14与膝关节转轴18的旋转进行扭转并储能，以实现弹跳腿机构的起跳。
[0041]
本实施例中，所述牵引线17的一端直接或间接缠绕在膝关节卷线筒19上，另一端直接或间接缠绕在卷线筒16上，髋关节转轴14作为一个定滑轮，卷线筒16与膝关节卷线筒19的缠绕牵引线17处的轴径相同，以保证膝关节旋转轴18和卷线轴15同步转动，并且使得所述大腿仿件7的旋转角度与小腿仿件9的旋转角度呈线性关系。
[0042]
本实施例中，机架1上的零部件布置，应使得弹跳腿重心在髋关节转轴14附近，所述髋关节转轴14与膝关节转轴18之间的直线距离等于膝关节转轴18与足部仿件10中心处之间的直线距离，以实现足部仿件10中心点的运动轨迹为一条垂直于机架1的直线。
[0043]
一种单驱动式能量可调的弹跳腿机构的工作过程如下：
[0044]
储能下蹲：电机2转动，同时电磁离合器吸合，使电机2的动力传输到髋关节转轴14和卷线轴15，卷线轴15上的卷线筒16通过牵引线17带动膝关节转轴18同步转动。髋关节转轴14和膝关节转轴18以1:2的转速分别带动髋关节仿件6和膝关节仿件8转动，弹跳腿下蹲，以压缩髋关节扭簧13和膝关节扭簧20进行储能。跳跃到指定高度所需能量可以根据髋关节仿件6和膝关节仿件8的弯曲角度来调节。
[0045]
释能起跳：电磁离合器断开，髋关节扭簧13和膝关节扭簧20释放能量，带动髋关节仿件6和膝关节仿件8展开，弹跳腿起跳。
[0046]
落地储能：落地时，弹跳腿受到地面的冲击力，使髋关节仿件6和膝关节仿件8的弯曲，弹跳腿下蹲，压缩髋关节扭簧13和膝关节扭簧20进行储能。当冲击力消失时，电磁离合器吸合，电机2通电，使髋关节转轴14和膝关节转轴18停止旋转，即髋关节仿件6和膝关节仿件8的弯曲角度固定，下蹲姿态锁定。冲击力消失时刻可安装传感器等设备来识别。
[0047]
以上工作过程中，足部仿件10中心点的运动轨迹始终为一条垂直于机架1的直线。
[0048]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：
1.一种单驱动式能量可调的弹跳腿机构，其特征在于，包括机架(1)，所述机架(1)下部通过髋关节仿件(6)转动连接有大腿仿件(7)，所述大腿仿件(7)下部通过膝关节仿件(8)转动连接有小腿仿件(9)，所述小腿仿件(9)底端设置有足部仿件(10)；所述机架(1)上固定安装有电机(2)，所述电机(2)的输出轴末端固定安装有电机输出齿轮(3)，所述机架(1)上设置有电磁离合器，所述电机输出齿轮(3)与电磁离合器传动齿轮(4)啮合，所述机架(1)上转动安装有髋关节转轴(14)，所述髋关节转轴(14)与电磁离合器传动轴(5)固定连接，所述髋关节仿件(6)固定安装在所述髋关节转轴(14)上；所述机架(1)上转动安装有卷线轴(15)，所述卷线轴(15)上在所述机架(1)外固定安装有卷线轴传动齿轮(11)，所述髋关节转轴(14)上在所述机架(1)外固定安装有髋关节转轴传动齿轮(12)，所述卷线轴传动齿轮(11)与髋关节转轴传动齿轮(12)啮合，所述卷线轴(15)上在所述机架(1)内固定安装有卷线筒(16)；所述膝关节仿件(8)分为上下两部，所述膝关节仿件(8)上部与大腿仿件(7)固定连接，所述膝关节仿件(8)下部与小腿仿件(9)固定连接，所述膝关节仿件(8)上部转动安装有膝关节转轴(18)，所述膝关节仿件(8)下部与所述膝关节转轴(18)固定连接，所述膝关节转轴(18)上固定安装有膝关节卷线筒(19)，所述卷线筒(16)与膝关节卷线筒(19)通过牵引线(17)传动连接。2.根据权利要求1所述的一种单驱动式能量可调的弹跳腿机构，其特征在于，所述髋关节转轴(14)上设置有髋关节扭簧(13)，所述膝关节转轴(18)上设置有膝关节扭簧(20)。3.根据权利要求2所述的一种单驱动式能量可调的弹跳腿机构，其特征在于，所述卷线轴传动齿轮(11)与髋关节转轴传动齿轮(12)的传动比为2：1。4.根据权利要求3所述的一种单驱动式能量可调的弹跳腿机构，其特征在于，所述膝关节卷线筒(19)与卷线筒(16)上缠绕牵引线(17)处的轴径相同，所述牵引线(17)的一端直接或间接缠绕在膝关节卷线筒(19)上，另一端直接或间接缠绕在卷线筒(16)上，所述大腿仿件(7)的旋转角度与小腿仿件(9)的旋转角度呈线性关系。5.根据权利要求4所述的一种单驱动式能量可调的弹跳腿机构，其特征在于，所述髋关节转轴(14)与膝关节转轴(18)之间的直线距离等于膝关节转轴(18)与足部仿件(10)中心处之间的直线距离。6.根据权利要求5所述的一种单驱动式能量可调的弹跳腿机构，其特征在于，所述髋关节转轴(14)为d型轴，所述髋关节仿件(6)设置有用于安装髋关节转轴(14)的d型孔。7.根据权利要求6所述的一种单驱动式能量可调的弹跳腿机构，其特征在于，所述卷线轴(15)为d型轴，所述卷线筒(16)上设置有用于安装卷线轴(15)的d型孔。8.根据权利要求7所述的一种单驱动式能量可调的弹跳腿机构，其特征在于，所述膝关节转轴(18)为d型轴，所述膝关节仿件(8)下部和膝关节卷线筒(19)上设置有用于安装膝关节转轴(18)的d型孔。

技术总结
本发明提供了一种单驱动式能量可调的弹跳腿机构，包括机架，机架下部通过髋关节仿件转动连接有大腿仿件，大腿仿件下部通过膝关节仿件转动连接有小腿仿件，小腿仿件底端设置有足部仿件。本发明采用单电机驱动实现髋关节仿件和膝关节仿件的弯曲控制，减少了动力源，同时大大减小了弹跳腿的重量，可根据髋关节仿件和膝关节仿件弯曲角度的大小来调节跳跃到指定高度所需的能量；本发明采用牵引线直接驱动膝关节仿件，使大腿仿件和小腿仿件的旋转角度呈线性关系；通过串联弹簧储能机制，提高了弹跳腿的灵活性；通过合理的重心设计、大腿仿件和小腿仿件的长度设计，使弹跳腿的物理模型接近理想的倒立摆模型，以降低控制难度。以降低控制难度。以降低控制难度。


技术研发人员：宋晓娟 尹宏飞 吕书锋 邹云鹤 范志文 时浩翔 任月颖
受保护的技术使用者：内蒙古工业大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/8/13