[发明专利]一种多功能仿生弹跳及行走机器人

说明书

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及一种仿生机器人，具体涉及一种可实现多种弹跳轨迹，具有原地转向和行走功能的仿生机器人，主要用于在复杂环境或外太空执行侦察、探测、攻击和干扰等行动。

背景技术

弹跳是自然界中一种很常见的运动方式，像青蛙、袋鼠和螳螂等，相比于行走，弹跳具有活动范围广、移动效率高、爆发力强等特点。弹跳机器人作为一种移动平台，灵活性好，不仅可以适应崎岖不平的地形，遇到障碍或沟壑时能够轻松越过，尤其是在外太空低重力环境下，其空间移动范围远远大于轮式或足式机器人。

国外，NASA历时五年，先后研制了三代弹跳式机器人，第三代为轮式弹跳机器人，结构上保留了第二代中的六杆齿轮弹跳机构，通过钢绳缠绕滚轮的动作来实现弹簧的伸缩。Stoeter等人研制的一种小型弹跳机器人Scout，采用单绞绳拉动蝶形弹簧片的方式储能，释放弹性腿实现跳跃。卡耐基梅隆大学的Garth Zeglin博士提出并研制了一种三维Bow Leg机器人，能够在三维空间做弹跳步伐式的移动，原理是电机通过滑轮装置拉紧和瞬间释放绳索，使弓形弹性腿绷紧和瞬间伸张，从而实现整个弹跳运动。Raibert教授等人研制了髋关节具有两个自由度的3D Biped三维跳跃机器人，可以实现跑、跳、甚至空翻转等动作，具有很好的平衡性和稳定性。日本东京大学Niiyama等人研制了一种新颖的双足弹跳机器人Mowgli，在髋关节、膝关节和踝关节处各有一个自由度，采用气动人工肌肉驱动，能够完成和真实青蛙几乎一样的跳跃动作。国内，哈尔滨工业大学研制了一种仿青蛙弹跳机器人，后肢采用五杆齿轮弹跳机构，前肢有两个自由度，能够调整起跳角度和弹跳高度，弹跳后能自动复位。哈尔滨工业大学根据蝗虫起跳的运动机理设计了两套分别基于电机和电磁铁驱动的四足弹跳机器人样机。上海交通大学提出了仅有三个旋转关节构成的翻转跳跃单腿机器人。然而，上述机器人都只能实现单一的弹跳轨迹和弹跳动作，目前只能在很平坦的地形上运动，还远远不能适应自然界中复杂的地形环境。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种多功能仿生弹跳及行走机器人，除了具有一般弹跳机器人的起跳角度调整、弹跳高度调整、连续弹跳和自动复位的基本功能外，还能实现仿青蛙弹跳、仿袋鼠弹跳两种弹跳轨迹，并具有原地转向和行走的功能，以适应更加复杂的环境。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括机器人躯干、保护盖、前肢仿生机构、弹簧锁解机构和后肢弹跳机构。所述的保护盖与机器人躯干固定；两个前肢仿生机构对称设置在机器人躯干前部；两个后肢弹跳机构对称设置在机器人躯干后部，且分别通过一个弹簧锁解机构驱动。

所述的后肢弹跳机构包括齿轮箱壳体、齿轮箱上盖、齿轮箱下盖、髋关节电机、曲柄一、连杆一、同步齿轮、大腿杆、小腿杆一、小腿杆二、拉簧一、拉簧二、输出轴、滚筒和钢绳；所述齿轮箱壳体的两端分别与齿轮箱上盖和齿轮箱下盖固定；齿轮箱壳体通过轴承支承在机器人躯干上，形成髋关节；所述髋关节电机的底座固定在机器人躯干上，曲柄一固定在髋关节电机的输出轴上，连杆一的两端分别铰接于曲柄一的一端和齿轮箱上盖的边缘；两根齿轮轴对称铰接于齿轮箱上盖上，固定在两根齿轮轴上的两个同步齿轮相啮合；两个同步齿轮均固连有大腿杆，所述小腿杆一的一端与前部的大腿杆通过销轴连接，形成膝关节一；小腿杆一的另一端与小腿杆二的中部用销轴连接，形成踝关节；所述小腿杆二的两端分别与后部的大腿杆和脚掌板用销轴连接，形成膝关节二和跗跖关节；所述拉簧一的两端分别固定在膝关节一和膝关节二处的销轴上；拉簧二的一端固定在踝关节处的销轴上，另一端固定在跗跖关节处的销轴上；所述的输出轴铰接在齿轮箱上盖上，滚筒与输出轴固连；所述钢绳的一端缠绕在滚筒上，另一端固连在踝关节处的销轴上。

所述的前肢仿生机构包括肩关节电机、直齿轮一、肩关节轴、前肢大臂、肘关节轴、直齿轮二、肘关节电机、锥齿轮二、锥齿轮一、前肢小臂和前肢脚趾；所述肩关节电机的底座固定在机器人躯干上，直齿轮一与肩关节电机的输出轴固连；所述的肩关节轴通过轴承支承在机器人躯干上；所述前肢大臂的顶端固定在肩关节轴上，底端通过轴承支承有肘关节轴；直齿轮二固连在肩关节轴上，并与直齿轮一啮合；所述肘关节电机的底座固定在前肢大臂的底部，锥齿轮一固连在肘关节电机的输出轴上；锥齿轮二固连在肘关节轴上，并与锥齿轮一啮合；所述前肢小臂的顶端与肘关节轴固定；所述前肢脚趾的顶部与前肢小臂底部的沉头孔通过滑动副连接；缓冲弹簧的一端套在前肢脚趾的顶部，另一端压紧前肢小臂的沉头孔孔底。