專(zhuān)利名稱(chēng)：一種機(jī)器人的助跳裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)器人領(lǐng)域，具體是一種機(jī)器人的助跳裝置。
背景技術(shù)：
以跳躍方式運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人由于可以越過(guò)數(shù)倍甚至數(shù)十倍于自身尺寸的障礙物，特 別適合于地形勘測(cè)，救援，反恐等有障礙物的復(fù)雜環(huán)境，已成為當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱
點(diǎn)ο最早的跳躍機(jī)器人以倒立擺作為原理模型，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)單彈跳功能，如麻省理工的 單自由度平面內(nèi)連續(xù)跳躍機(jī)器人。后來(lái)人們從仿生學(xué)中得到啟示，根據(jù)動(dòng)物運(yùn)動(dòng)機(jī)理和結(jié) 構(gòu)特點(diǎn)，研制了具有仿生功能的跳躍機(jī)器人，如美國(guó)國(guó)家航空宇航局與加利福尼亞技術(shù)學(xué) 院聯(lián)合研制的仿蛙形間歇跳躍機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了起跳過(guò)程中質(zhì)心受到地面非線性作用力的仿 生功能，改善了機(jī)器人的跳躍性能，該機(jī)器人的腳部為一剛性圓盤(pán)；日本東京大學(xué)通過(guò)研究 生物腿部的跳躍機(jī)理，設(shè)計(jì)了一種仿生雙足跳躍機(jī)器人，該機(jī)器人采用人工氣動(dòng)肌肉作為 驅(qū)動(dòng)，腳部為一剛性桿件，控制較為復(fù)雜。國(guó)內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)發(fā)明了一種仿蝗蟲(chóng)跳躍機(jī)器 人，已獲國(guó)家專(zhuān)利(CN 101058036A)，該機(jī)器人的腳部為面積較小的爪片。上述設(shè)計(jì)或發(fā)明的跳躍機(jī)器人，基本實(shí)現(xiàn)了仿生的跳躍性能。但由于對(duì)腳部進(jìn)行 了簡(jiǎn)化和剛性處理，并未發(fā)揮腳部的仿生功能。腳部在動(dòng)物起跳過(guò)程中，腳掌繞腳趾轉(zhuǎn)動(dòng)， 腳掌主要起到支撐身體的作用，而腳趾的作用是延長(zhǎng)地面對(duì)腳部施加作用力的時(shí)間，進(jìn)而 延長(zhǎng)加速過(guò)程，使質(zhì)心在腳部離地瞬間獲得最大的速度，實(shí)現(xiàn)較大的跳遠(yuǎn)距離。從仿生的角 度出發(fā)，利用腳掌和腳趾在起跳過(guò)程中的功能，可進(jìn)一步發(fā)揮跳躍機(jī)器人的越障優(yōu)勢(shì)。
發(fā)明內(nèi)容為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的對(duì)腳部進(jìn)行了簡(jiǎn)化和剛性處理，不發(fā)揮腳部的仿生功能 的不足，本發(fā)明提出了一種機(jī)器人的助跳裝置。本發(fā)明包括腿部連接桿、搖桿、連桿、支座、腳趾板和電磁鐵控制機(jī)構(gòu)，其特征在 于，腿部連接桿、搖桿、連桿和支座組成平行四邊形的連桿機(jī)構(gòu)，該連桿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)邊與短邊的 比例為4 3。在所述的連桿機(jī)構(gòu)中，搖桿的一端通過(guò)搖桿轉(zhuǎn)軸與連桿絞接，另一端通過(guò)踝 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與支座絞接；腿部連接桿的一端通過(guò)支座轉(zhuǎn)軸與支座絞接，腿部連接桿的中部通 過(guò)連桿轉(zhuǎn)軸與連桿絞接。在支座一側(cè)有與之平行的腳掌連桿，并且腳掌連桿的一端亦與踝 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸絞接。在支座安裝踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的鉸接孔下方有用于對(duì)腳掌連桿限位的擋軸。電磁 鐵控制機(jī)構(gòu)由電磁鐵、擋塊、電磁鐵支座和連接體組成，位于搖桿與支座絞接處，并通過(guò)電 磁鐵支座固定在搖桿的側(cè)邊上。腳趾板通過(guò)腳趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與腳掌連桿的一端絞接。在腳趾 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸上套裝有扭簧。所述的連接體固定在電磁鐵的伸縮軸的軸端；連接體的一個(gè)表面 與擋塊的外弧面配合。所述的腿部連接桿兩端端部分別有支座轉(zhuǎn)軸的鉸接孔和與跳躍機(jī)器人固連的安 裝孔。[0008]所述的搖桿兩端均有連接孔。在與兩端連接孔垂直的側(cè)邊的一端有凸出的楔形夾 塊，并且楔形夾塊的角度與高度與擋塊的截面配合。在楔形夾塊下方有電磁鐵支座的安裝 孔，并且該安裝孔的中心線與搖桿兩端平面上的連接孔平行。支座表面有兩個(gè)凸臺(tái)，并在兩個(gè)凸臺(tái)上分別有踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸和支座轉(zhuǎn)軸的鉸接孔； 兩個(gè)絞接孔之間的距離應(yīng)滿足平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)邊與短邊的比例要求。兩個(gè)絞接孔的 孔心均與支座的表面平行。所述的腳趾轉(zhuǎn)軸、扭簧固定銷(xiāo)和踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的安裝孔分別在腳 掌連桿表面的凸臺(tái)上。所述的腳掌連桿一端有腳趾轉(zhuǎn)軸和扭簧固定銷(xiāo)的安裝孔；在腳掌連桿另一端有踝 關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的安裝孔；腳趾轉(zhuǎn)軸、扭簧固定銷(xiāo)和踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的安裝孔的軸線相互平行。在踝關(guān) 節(jié)轉(zhuǎn)軸安裝孔內(nèi)側(cè)的腳掌連桿上有扇形缺口，扇形缺口 18的兩個(gè)圓弧面的中心線與踝關(guān) 節(jié)轉(zhuǎn)軸20的軸線重合；在扇形缺口同一位置的腳掌連桿側(cè)表面有凸出的連接塊。所述的腳 趾轉(zhuǎn)軸、扭簧固定銷(xiāo)和踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的安裝孔分別在腳掌連桿表面的凸臺(tái)上。所述的腳趾板的中部表面有一對(duì)凸出的扭簧固定支座，在該扭簧固定支座上有扭 簧插孔。在腳趾板一端的兩側(cè)邊處有對(duì)稱(chēng)凸塊，該凸塊上有腳趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的安裝孔。所述的電磁鐵控制機(jī)構(gòu)中的電磁鐵支座一端端頭有用于安裝電磁鐵的圓環(huán)；電磁 鐵支座的中部，有用于與搖桿固定連接的安裝孔；該安裝孔的中心線與薄壁圓環(huán)的圓心平 行。所述的擋塊為弧形，弧面的半徑大于腳掌連桿一端轉(zhuǎn)軸絞接孔的外徑；擋塊外弧 面與位于電磁鐵軸端的連接體的弧面配合；擋塊兩端端面的角度與形狀分別同楔形夾塊和 連接塊的角度與形狀。擋塊內(nèi)弧面的圓心與踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸的中心同心。本發(fā)明的工作過(guò)程為起跳前，電磁鐵動(dòng)作，伸縮軸縮回，并帶動(dòng)擋塊沿其軸線從扇形缺口的上方運(yùn)動(dòng)至 楔形夾塊工作面和連接塊工作面圍成的區(qū)域內(nèi)。這時(shí)，楔形夾塊的工作面同擋塊工作面重 合，擋塊和連接塊并未接觸。接著，跳躍機(jī)器人開(kāi)始起跳，帶動(dòng)腿部連接桿繞支座上的支座 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，支座，腳掌連桿和腳趾板均與地面接觸，腿部連接桿，連桿，搖桿和支座組 成平面四桿機(jī)構(gòu)。腿部連接桿繞支座轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，固連在搖桿上的電磁鐵和擋塊將繞支座 上的踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)擋塊工作面和腳掌連桿上的連接塊工作面重合時(shí)，搖桿和腳掌連 桿變?yōu)橥粯?gòu)件。腳趾板同上述平面四桿機(jī)構(gòu)以及腳掌連桿組成串并聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)。隨著腿 部連接桿繞支座的轉(zhuǎn)動(dòng)以及跳躍機(jī)器人質(zhì)心的移動(dòng)，支座逐漸脫離地面，同地面接觸的桿 件變?yōu)槟_掌連桿和腳趾板，并且隨機(jī)器人質(zhì)心的進(jìn)一步前移，腳掌連桿同地面的接觸點(diǎn)不 斷向腳趾板移動(dòng)。在起跳最后階段，本發(fā)名所述的助跳裝置將以腳趾板為支撐，繞腳趾關(guān)節(jié) 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，直至腳趾板與地面脫離接觸。起跳過(guò)程中，由于腳趾板和腳掌連桿之間的相對(duì)運(yùn) 動(dòng)，扭簧中儲(chǔ)存了一定的能量，這些能量將在腳恥板離地的過(guò)程中予以釋放。腳趾板離地后該助跳裝置將處于騰空狀態(tài)，由于腳掌連桿和腳趾板的重力作用， 腳掌連桿上的連接塊將同擋塊脫離接觸，搖桿和腳掌連桿脫離接觸，使電磁鐵斷電，伸縮軸 外伸，擋塊工作面同搖桿上的楔形夾塊工作面脫離接觸。由于支座上擋軸的作用，騰空狀態(tài) 下腳掌連桿和腳趾板沿各自的長(zhǎng)度方向并未垂直于地面，這樣，助跳裝置在著地時(shí)，作為獨(dú) 立構(gòu)件的腳掌連桿和腳趾板將繞踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)到同地面接觸時(shí)的起跳初始位置；腿部連接 桿，連桿，搖桿和支座則可按預(yù)定姿態(tài)平穩(wěn)著地，并回到下次起跳前的初始狀態(tài)。[0017]本發(fā)明中通過(guò)電磁鐵控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)助跳裝置結(jié)構(gòu)上的改變搖桿和腳掌連桿在電 磁鐵通電后，電磁鐵控制機(jī)構(gòu)中的擋塊與腳掌連桿上的連接塊接觸時(shí)，搖桿和腳掌連桿相 互連接為一體；助跳裝置在起跳后處于騰空狀態(tài)下，電磁鐵斷電，搖桿和腳掌連桿分離，成 為不接觸的兩個(gè)獨(dú)立構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)了助跳裝置結(jié)構(gòu)上的改變。這種變結(jié)構(gòu)具有一定的仿生功 能電磁鐵通電狀態(tài)下，當(dāng)擋塊工作面同連接塊接觸后，腿部連接桿，連桿，搖桿，支座，腳掌 連桿和腳趾板組成串并聯(lián)連桿機(jī)構(gòu)。連桿類(lèi)似動(dòng)物小腿和腳之間的肌腱，將腿部連桿的力 和運(yùn)動(dòng)傳遞到搖桿和腳掌連桿上；支座類(lèi)似動(dòng)物的腳跟；腳掌連桿類(lèi)似動(dòng)物的腳掌；而腳 趾板類(lèi)似動(dòng)物的腳趾；空套在腳趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸上的扭簧類(lèi)似韌帶，扭簧變形產(chǎn)生的能量在腳 趾板離地時(shí)釋放，進(jìn)一步起到助跳的作用。電磁鐵斷電后，擋塊脫離同楔形夾塊和連接塊的 接觸，腳掌連桿和搖桿變?yōu)閮蓚€(gè)互不耦合的獨(dú)立構(gòu)件。著地時(shí)，腳趾板首先觸地，扭簧可起 到緩沖減震的作用。接著，腳掌連桿觸地并繞踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)至與地面完全接觸，在轉(zhuǎn) 動(dòng)過(guò)程中，腳掌連桿上的扇形缺口可保證腳掌連桿不與搖桿干涉。腿部連接桿，連桿，搖桿 和支座則可通過(guò)跳躍機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整平穩(wěn)著地，并返回到下次起跳前的初始狀態(tài)。起跳過(guò) 程中，支座，腳掌連桿和腳趾板相繼離地，延長(zhǎng)了離地前腳與地面的作用時(shí)間，進(jìn)而提高質(zhì) 心的離地速度，起到助跳的功能。而著地過(guò)程則相反。這與動(dòng)物腳跟，腳掌和腳趾在起跳離 地以及觸地的動(dòng)作過(guò)程相同。本發(fā)明所涉及的仿生助跳裝置通過(guò)模仿動(dòng)物起跳過(guò)程中肌腱 和腳的功能，能夠提高與該裝置固連的跳躍機(jī)器人的跳躍性能。
圖1是起跳前初始狀態(tài)時(shí)的主視圖；圖2是起跳前初始狀態(tài)時(shí)的三維視圖；圖3(a)是起跳前電磁鐵斷電時(shí)的示意圖，(b)是電磁鐵通電時(shí)的示意圖；圖4是中腿部連接桿的示意圖；圖5是搖桿示意圖；圖6是連桿示意圖；圖7是電磁鐵支座的示意圖；圖8是扇形擋塊的示意圖；圖9是腳掌連桿的示意圖；圖10是腳趾板的示意圖；圖11是支座的示意圖；圖12是起跳后騰空階段踝關(guān)節(jié)的局部放大示意圖；圖13(a)是起跳階段腳趾板與地面接觸時(shí)的示意圖，(b)是起跳后騰空階段的示 意圖，(c)是著地階段腳趾板觸地時(shí)的示意圖。圖中1.腿部連接桿2.搖桿3.連桿4.楔形夾塊5.連接體6.電磁鐵支座7.電磁鐵8.擋塊9.擋軸10.連接塊11.腳掌連桿12.扭簧固定銷(xiāo)13.扭簧固定支座14.腳趾板15.扭簧16.腳趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸17.支座轉(zhuǎn)軸18.扇形缺口 19.支座20.踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸21.連桿轉(zhuǎn)軸22.搖桿轉(zhuǎn)軸23.電磁鐵伸縮軸
具體實(shí)施方式
本實(shí)施例是一種機(jī)器人助跳裝置，主要由一變結(jié)構(gòu)平面連桿機(jī)構(gòu)組成，以延長(zhǎng)起 跳過(guò)程中腳部與地面的接觸時(shí)間，獲得較大的離地速度，提高跳躍性能的仿生作用。如圖1 圖2所示，本實(shí)施例包括由腿部連接桿1、搖桿2、連桿3和支座19組成 的平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)，并且該平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)邊與短邊的比例為4 3;在所述的 連桿機(jī)構(gòu)中，搖桿2的一端通過(guò)搖桿轉(zhuǎn)軸22與連桿3絞接，另一端通過(guò)踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸20與支 座19絞接；腿部連接桿1的一端通過(guò)支座轉(zhuǎn)軸17與支座19絞接，腿部連接桿1的中部通 過(guò)連桿轉(zhuǎn)軸21與連桿3絞接。在支座19 一側(cè)有與之平行的腳掌連桿11，并且腳掌連桿11 的一端亦與踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸20絞接。電磁鐵控制機(jī)構(gòu)由電磁鐵7、扇形的擋塊8、電磁鐵支座6 和連接體5組成，位于搖桿2與支座19絞接處，并通過(guò)電磁鐵支座6固定在搖桿2的側(cè)邊 上；擋塊8的扇形與踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸同心。腳趾板14通過(guò)腳趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸16與腳掌連桿11的一 端絞接；在腳趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸16上套裝有扭簧15。如圖2和圖4所示，腿部連接桿1為條形板件。在腿部連接桿1兩端端部各有一 個(gè)小孔，其中一個(gè)為安裝支座轉(zhuǎn)軸17的鉸接孔，腿部連接桿1通過(guò)支座轉(zhuǎn)軸17與支座19 鉸接；另一個(gè)為該仿生助跳裝置與跳躍機(jī)器人固連的安裝孔。腿部連接桿1的中部，靠近支 座轉(zhuǎn)軸17鉸接孔的一側(cè)，加工有安裝連桿轉(zhuǎn)軸21的鉸接孔，腿部連接桿1通過(guò)連桿轉(zhuǎn)軸21 與連桿3鉸接。腿部連接桿1上還排列有多個(gè)通孔，用于該腿部連接桿與跳躍機(jī)器人固連 的安裝孔，同時(shí)減輕了腿部連接桿的重量。如圖5所示，搖桿2為桿件，兩端平面上均有連接孔。在與兩端連接孔垂直的側(cè)邊 的一端有凸出的楔形夾塊4，并且楔形夾塊4的角度與高度與擋塊8的截面配合，楔形夾塊 4靠近擋塊8的矩形平面為楔形夾塊的工作面。在楔形夾塊4下方有固定安裝孔，并且該 固定安裝孔的中心線與搖桿兩端平面上的連接孔平行，電磁鐵支座6通過(guò)該安裝孔與搖桿 2固連。如圖11所示，支座19亦為板件。在支座19的表面有兩個(gè)凸臺(tái)，并在兩個(gè)凸臺(tái)上 分別有踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸20和支座轉(zhuǎn)軸17的鉸接孔；兩個(gè)絞接孔之間的距離應(yīng)滿足平行四邊形 連桿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)邊與短邊的比例要求；兩個(gè)絞接孔的孔心均與支座19的表面平行。在支座19 安裝踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸20的鉸接孔下方有擋軸9，當(dāng)助跳裝置離地后通過(guò)擋軸9對(duì)腳掌連桿11限 位。如圖9所示，腳掌連桿11為條形桿件。在腳掌連桿11 一端表面有凸臺(tái)，在該凸臺(tái) 側(cè)面有腳趾轉(zhuǎn)軸和扭簧固定銷(xiāo)的安裝孔；在腳掌連桿11另一端表面亦有凸臺(tái)，該凸臺(tái)側(cè)面 有踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸20的安裝孔；腳趾轉(zhuǎn)軸、扭簧固定銷(xiāo)和踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸20的安裝孔的軸線相互平 行。在踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸20安裝孔內(nèi)側(cè)的腳掌連桿11上有扇形缺口 18，扇形缺口 18的兩個(gè)圓弧 面的中心線與踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸20的軸線重合；在扇形缺口 18同一位置的腳掌連桿11側(cè)表面有 凸出的連接塊10。連接塊10靠近電磁鐵7的表面為連接塊10的工作面，起跳過(guò)程中該工 作面與擋塊8貼合。如圖10所示，腳趾板14為“U”形板。在腳趾板14的中部表面有一對(duì)凸出的扭簧 固定支座，在該扭簧固定支座上有扭簧插孔。在腳趾板14 一端的兩側(cè)邊處有對(duì)稱(chēng)凸塊，該 凸塊上有腳趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸16的安裝孔。腳趾板14的另一端端部的下表面呈圓弧狀，以提高 起跳過(guò)程中腳趾板適應(yīng)地形的能力。[0043]如圖7所示，電磁鐵控制機(jī)構(gòu)中的電磁鐵支座6為條形桿，在條形桿的一端端頭上 有一薄壁圓環(huán)，該薄壁圓環(huán)用于安裝電磁鐵7。在電磁鐵支座6的條形桿中部，有用于與搖 桿2固定連接的安裝孔；該安裝孔的中心線與薄壁圓環(huán)的圓心平行。電磁鐵7為伸縮式電磁鐵，并且該電磁鐵7的外徑同電磁鐵支座6薄壁圓環(huán)的內(nèi) 徑。電磁鐵7裝入并固定在電磁鐵支座6的薄壁圓環(huán)內(nèi)。電磁鐵7在未通電狀態(tài)下，其伸 縮軸23伸出殼體的長(zhǎng)度等于搖桿2的厚度。如圖8所示，擋塊8為弧形條，其內(nèi)弧面的半徑大于腳掌連桿11 一端轉(zhuǎn)軸20絞接 孔的外徑；擋塊8外弧面與位于電磁鐵7軸端的連接體的弧面配合。擋塊8一端端面的角 度與形狀同楔形夾塊4的角度與形狀，另一端端面的角度與形狀同腳掌連桿11 一端的連接 塊10的角度與形狀。擋塊8內(nèi)弧面的圓心與踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸20的中心同心。連接體5為塊狀，焊接在電磁鐵的伸縮軸23的軸端。連接體5的一個(gè)表面為弧面， 用于與擋塊8的外弧面配合。如圖12 圖13所示，電磁鐵支座6通過(guò)其條形桿中部的安裝孔與搖桿2固定連 接。電磁鐵7位于搖桿2 —側(cè)，被套裝并固定在電磁鐵支座6的圓環(huán)內(nèi)，并使電磁鐵7伸縮 軸軸端的連接體5位于擋塊8外弧面的上方；擋塊8外弧面與連接體5的弧面固定連接。 當(dāng)電磁鐵7通電后，助跳裝置開(kāi)始起跳。在起跳過(guò)程中電磁鐵伸縮軸23縮回，擋塊8的一 個(gè)端面與楔形夾塊4的工作面貼合，另一個(gè)端面與腳掌連桿11上的連接塊10的工作面貼 合，使搖桿2與腳掌連桿11通過(guò)磁力連接，并通過(guò)腳掌連桿11將搖桿2運(yùn)動(dòng)的力傳至腳趾 板14，延長(zhǎng)了助跳裝置的觸地時(shí)間，從而獲得了較大的離地速度。起跳后電磁鐵斷電，電磁 鐵7的伸縮軸23外伸，使擋塊8與楔形夾塊4脫離，并且擋塊8移動(dòng)至腳掌連桿11上的扇 形缺口 18上方；此時(shí)，搖桿2與腳掌連桿11的連接斷開(kāi)，使助跳裝置落地時(shí)所產(chǎn)生的沖擊 力對(duì)裝置的影響最小。該助跳裝置的工作過(guò)程為助跳裝置通過(guò)腿部連接桿1與進(jìn)行跳躍運(yùn)動(dòng)的跳躍機(jī) 器人固連在一起。機(jī)器人在起跳前，電磁鐵7通電，電磁鐵伸縮軸23縮回(如圖3(b)所 示)，伸縮軸的伸縮行程等于搖桿2的厚度，電磁鐵伸縮軸23縮回的同時(shí)將帶動(dòng)擋塊8沿伸 縮軸軸線從扇形缺口 18的上方運(yùn)動(dòng)至楔形夾塊4工作面和連接塊10工作面之間。當(dāng)電磁 鐵伸縮軸23縮回到終止位置時(shí)，楔形夾塊4的工作面同擋塊8的工作面重合，擋塊8的另 一個(gè)工作面和連接塊10的工作面并未接觸。接著，跳躍機(jī)器人開(kāi)始起跳，帶動(dòng)腿部連接桿 1以支座轉(zhuǎn)軸17為轉(zhuǎn)動(dòng)中心繞支座19轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，支座19，腳掌連桿11和腳趾板14均與 地面接觸，腿部連接桿1，連桿3，搖桿2和支座19組成平面四桿機(jī)構(gòu)。腿部連接桿1繞支 座19相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，固定在搖桿2上的電磁鐵控制機(jī)構(gòu)一同繞支座19上的踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸 20轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)擋塊8和腳掌連桿11上的連接塊10接觸時(shí)，搖桿2和腳掌連桿11相互連接為 一體。腿部連接桿1，連桿3，支座19，腳趾板14，搖桿2和腳掌連桿11組成串并聯(lián)機(jī)構(gòu)，其 中，腿部連接桿1，連桿3，支座19，搖桿2和腳掌連桿11組成平面并聯(lián)四桿機(jī)構(gòu)，腳趾板14 又與該四桿機(jī)構(gòu)組成串聯(lián)機(jī)構(gòu)。隨著腿部連接桿1繞支座19的轉(zhuǎn)動(dòng)以及跳躍機(jī)器人質(zhì)心 的前移，支座19逐漸脫離地面，同地面接觸的桿件變?yōu)槟_掌連桿11和腳趾板14，并且隨機(jī) 器人質(zhì)心的進(jìn)一步前移，腳掌連桿11同地面的接觸點(diǎn)不斷向腳趾板14移動(dòng)。在起跳的最 后階段，只有腳趾板14與地面保持接觸(如圖13(a)所示)，跳躍機(jī)器人及其本發(fā)名所述的 助跳裝置將以腳趾板14為支撐，繞腳趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸16轉(zhuǎn)動(dòng)，直至腳趾板14與地面脫離接觸。起跳過(guò)程中，由于腳掌連桿11和腳趾板14相繼與地面脫離接觸，腳掌連桿11相對(duì)腳趾板 14存在轉(zhuǎn)動(dòng)，扭簧中儲(chǔ)存了一定的能量，這些能量將在腳趾板離地的過(guò)程中予以釋放。腳趾板14離地后該助跳裝置將處于騰空狀態(tài)(如圖13 (b)所示)，由于腳掌連桿 11和腳趾板14的重力作用，腳掌連桿11上的連接塊10將同擋塊8脫離接觸，搖桿2和腳 掌連桿11分離。此時(shí)，電磁鐵7斷電，電磁鐵伸縮軸23從電磁鐵7的殼體內(nèi)伸出，其伸出 的行程等于通電狀態(tài)下縮回的行程。擋塊8的工作面同搖桿上的楔形夾塊4的工作面脫離 接觸，擋塊8返回到電磁鐵7斷電時(shí)的位置，即擋塊8位于楔形夾塊4和連接塊10圍成的 區(qū)域之外，扇形缺口之上。由于支座19上擋軸9的作用(如圖12所示)，騰空狀態(tài)下腳掌 連桿11和腳趾板14沿各自的長(zhǎng)度方向并未垂直于地面，這樣，助跳裝置在著地時(shí)(如圖 13 (c)所示)，作為獨(dú)立構(gòu)件的腳掌連桿11將繞踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸20轉(zhuǎn)到同地面接觸時(shí)的起跳前 的位置；跳躍機(jī)器人可通過(guò)調(diào)整腿部的位姿改變腿部連接桿1的位姿，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整個(gè)助跳 裝置按預(yù)定姿態(tài)平穩(wěn)著地，并回到下次起跳前的初始狀態(tài)。本發(fā)明所涉及的助跳裝置中，搖桿2和腳掌連桿11在電磁鐵7通電后的一段時(shí)間 內(nèi)相互連接為一體，在起跳后的騰空狀態(tài)下分離，體現(xiàn)了該跳躍裝置結(jié)構(gòu)上的改變。這種變 結(jié)構(gòu)具有一定的仿生功能電磁鐵7通電狀態(tài)下，當(dāng)擋塊8同連接塊10接觸后，腿部連接桿 1，連桿3，搖桿2支座19，腳掌連桿11和腳趾板14組成串并聯(lián)機(jī)構(gòu)。連桿3類(lèi)似動(dòng)物的肌 腱，將腿部連接桿1的力和運(yùn)動(dòng)傳遞到搖桿2和腳掌連桿11上；支座19，腳掌連桿11和腳 趾板14類(lèi)似動(dòng)物的柔性腳，其中，支座19類(lèi)似動(dòng)物的腳跟，腳掌連桿11類(lèi)似動(dòng)物的腳掌， 而腳趾板14類(lèi)似動(dòng)物的腳趾；空套在腳趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸16上的扭簧15類(lèi)似韌帶，扭簧15變形 產(chǎn)生的能量在腳趾離地時(shí)釋放，進(jìn)一步起到助跳的作用。腳趾板14離地后，電磁鐵7斷電， 腳掌連桿11和搖桿2變?yōu)閮蓚€(gè)獨(dú)立構(gòu)件。著地時(shí)，腳趾板14首先觸地，扭簧15可起到緩 沖剛性沖擊，減小震動(dòng)的作用。接著，腳掌連桿11觸地并繞踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸20自由轉(zhuǎn)動(dòng)至與地 面完全接觸，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，腳掌連桿11上的扇形缺口 18可保證腳掌連桿11不與搖桿2 干涉。腿部連接桿1，連桿3，搖桿2和支座19則可通過(guò)跳躍機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整平穩(wěn)著地，并 返回到下次起跳前的初始狀態(tài)。離地起跳的過(guò)程中，支座19，腳掌連桿11和腳趾板14相繼 離地，延長(zhǎng)了離地前腳與地面的作用時(shí)間，進(jìn)而提高質(zhì)心的離地速度。而著地過(guò)程則相反。 這與動(dòng)物腳跟，腳掌和腳趾在起跳離地以及落地的動(dòng)作過(guò)程完全相同。根據(jù)仿生學(xué)原理，本發(fā)明所涉及的仿生助跳裝置通過(guò)模仿動(dòng)物起跳過(guò)程中肌腱和 腳的功能，控制簡(jiǎn)單，可提高與該裝置固連的跳躍機(jī)器人的跳躍性能。
權(quán)利要求一種機(jī)器人的助跳裝置，包括腿部連接桿(1)、搖桿(2)、連桿(3)、支座(19)、腳掌連桿(11)、腳趾板(14)和電磁鐵控制機(jī)構(gòu)，其特征在于a.腿部連接桿(1)、搖桿(2)、連桿(3)和支座(19)組成平行四邊形的連桿機(jī)構(gòu)，該連桿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)邊與短邊的比例為4∶3；在所述的連桿機(jī)構(gòu)中，搖桿(2)的一端通過(guò)搖桿轉(zhuǎn)軸(22)與連桿(3)絞接，另一端通過(guò)踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(20)與支座(19)絞接；腿部連接桿(1)的一端通過(guò)支座轉(zhuǎn)軸(17)與支座(19)絞接，腿部連接桿(1)的中部通過(guò)連桿轉(zhuǎn)軸(21)與連桿(3)絞接；在支座(19)一側(cè)有與之平行的腳掌連桿(11)，并且腳掌連桿(11)的一端亦與踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(20)絞接；在支座(19)安裝踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(20)的鉸接孔下方有用于對(duì)腳掌連桿(11)限位的擋軸(9)；b.電磁鐵控制機(jī)構(gòu)由電磁鐵(7)、擋塊(8)、電磁鐵支座(6)和連接體(5)組成，位于搖桿(2)與支座(19)絞接處，并通過(guò)電磁鐵支座(6)固定在搖桿(2)的側(cè)邊上；腳趾板(14)通過(guò)腳趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(16)與腳掌連桿(11)的一端絞接；在腳趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(16)上套裝有扭簧(15)。
2.如權(quán)利要求1所述一種機(jī)器人的助跳裝置，其特征在于，所述的腿部連接桿(1)兩端 端部分別有支座轉(zhuǎn)軸(17)的鉸接孔和與跳躍機(jī)器人固連的安裝孔。
3.如權(quán)利要求1所述一種機(jī)器人的助跳裝置，其特征在于，所述的搖桿(2)兩端均有連 接孔；在與兩端連接孔垂直的側(cè)邊的一端有凸出的楔形夾塊(4)，并且楔形夾塊(4)的角度 與高度與擋塊(8)的截面配合；在楔形夾塊(4)下方有電磁鐵支座(6)的安裝孔，并且該安 裝孔的中心線與搖桿兩端平面上的連接孔中心線平行。
4.如權(quán)利要求1所述一種機(jī)器人的助跳裝置，其特征在于，所述的支座(19)表面有兩 個(gè)凸臺(tái)，并在兩個(gè)凸臺(tái)上分別有踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(20)和支座轉(zhuǎn)軸(17)的鉸接孔；兩個(gè)絞接孔之 間的距離應(yīng)滿足平行四邊形連桿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)邊與短邊的比例要求；兩個(gè)絞接孔的孔心均與支座 (19)的表面平行。
5.如權(quán)利要求1所述一種機(jī)器人的助跳裝置，其特征在于，所述的腳掌連桿(11)一端 有腳趾轉(zhuǎn)軸和扭簧固定銷(xiāo)的安裝孔；在腳掌連桿(11)另一端有踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(20)的安裝孔； 腳趾轉(zhuǎn)軸、扭簧固定銷(xiāo)和踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(20)的安裝孔的軸線相互平行；在踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(20) 安裝孔內(nèi)側(cè)的腳掌連桿(11)上有缺口(18)，扇形缺口(18)的兩個(gè)圓弧面的中心線與踝關(guān) 節(jié)轉(zhuǎn)軸(20)的軸線重合；在缺口(18)同一位置的腳掌連桿(11)側(cè)表面有凸出的連接塊 (10)。
6.如權(quán)利要求1所述一種機(jī)器人的助跳裝置，其特征在于，所述的腳趾板(14)的中部 表面有一對(duì)凸出的扭簧固定支座，在該扭簧固定支座上有扭簧插孔；在腳趾板(14) 一端的 兩側(cè)邊處有對(duì)稱(chēng)凸塊，該凸塊上有腳趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(16)的安裝孔。
7.如權(quán)利要求1所述一種機(jī)器人的助跳裝置，其特征在于，所述的電磁鐵控制機(jī)構(gòu)中 的電磁鐵支座(6) —端端頭有用于安裝電磁鐵(7)的圓環(huán)；電磁鐵支座(6)的中部，有用于 與搖桿(2)固定連接的安裝孔；該安裝孔的中心線與薄壁圓環(huán)的圓心平行。
8.如權(quán)利要求1所述一種機(jī)器人的助跳裝置，其特征在于，所述的擋塊(8)為弧形，其 內(nèi)弧面的半徑大于腳掌連桿(11) 一端轉(zhuǎn)軸(20)絞接孔的外徑；擋塊(8)外弧面與位于電 磁鐵(7)軸端的連接體的弧面配合；擋塊(8)兩端端面的角度與形狀分別同楔形夾塊(4) 和連接塊(10)的角度與形狀；擋塊(8)內(nèi)弧面的圓心與踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(20)的中心同心。
9.如權(quán)利要求1所述一種機(jī)器人的助跳裝置，其特征在于，所述的連接體(5)固定在電 磁鐵的伸縮軸(23)的軸端；連接體(5)的一個(gè)表面與擋塊(8)的外弧面配合。
10.如權(quán)利要求4所述一種機(jī)器人的助跳裝置，其特征在于，所述的腳趾轉(zhuǎn)軸、扭簧固 定銷(xiāo)和踝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(20)的安裝孔分別在腳掌連桿(11)表面的凸臺(tái)上。
專(zhuān)利摘要一種機(jī)器人的助跳裝置，搖桿的兩端分別與連桿和支座絞接；腿部連接桿分別與支座和連桿絞接，組成平行四邊形的連桿機(jī)構(gòu)；該連桿機(jī)構(gòu)長(zhǎng)邊與短邊的比例為4∶3。支座一側(cè)有與之平行的腳掌連桿。電磁鐵控制機(jī)構(gòu)固定在搖桿與支座絞接處。腳趾板通過(guò)腳趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸與腳掌連桿的一端絞接。在腳趾關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸上套裝有扭簧。連接體固定在電磁鐵的伸縮軸的軸端；連接體的一個(gè)表面與擋塊的外弧面配合。本實(shí)用新型在起跳過(guò)程中，支座、腳掌連桿和腳趾板相繼離地，延長(zhǎng)了腳與地面的作用時(shí)間，提高質(zhì)心的離地速度，起到助跳的功能。而著地過(guò)程則相反，通過(guò)模仿動(dòng)物起跳過(guò)程中肌腱和腳的功能，能夠提高與該裝置固連的跳躍機(jī)器人的跳躍性能。
文檔編號(hào)A63H3/46GK201710957SQ20102020650
公開(kāi)日2011年1月19日 申請(qǐng)日期2010年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月27日
發(fā)明者吳金香, 柴輝, 樊重慶, 葛文杰, 陳鵬威, 魏敦文 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)