一种仿生关节式气动弹跳腿的制作方法

本发明涉及仿生跳跃机器人技术领域，具体的说是使用伺服气缸模仿动物腿部肌肉和韧带的矢平面跳跃仿生关节式气动弹跳腿。

背景技术：

跳跃运动着地点的离散性和发力的爆发性使其具有很强的越障和地形适应能力，能够满足诸如星际探索、军事侦察、灾害救援等必须到达恶劣地形区域的需要。模仿自然界动物利用跳跃运动逃避敌害和高效捕食，仿生跳跃机器人成为到达恶劣地形区域的理想运载工具。借助生物学家在跳蚤的跳跃机理和在脊椎动物弹跳机构研究中所得到的灵感，将动物跳跃运动模式与机器人学结合起来的仿生跳跃机器人成为近年机器人领域的研究热点。跳跃动力的首要特性是具有强大的爆发力，同时具有良好的可控性。鉴于气动系统不可克服的动态参数可控性差，目前已有的单一动力源关节式弹跳腿均使用电机或液压借助多种弹性元件提高跳跃爆发力，但都因可控爆发力不足而未能实现大型动物水平的跳跃运动。气动系统使用高压气体传递动力，高压气体所具有的低刚度物理属性使其具备了天然的强大爆发力和自缓冲性。借助本发明人提出的可以实现伺服气缸活塞精确定位的可用能控制方法，使气压动力成为集爆发力、可控性、自缓冲性和高能量效率于一身的跳跃机器人理想动力源。因此，本发明开发的跳跃能力更强的仿生关节式气动弹跳腿将填补仿生跳跃机器人技术领域的空白。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是克服一种仿生关节式气动弹跳腿的结构设计问题，提供一种使用伺服气缸调节踝关节和膝关节弯曲角度控制弹跳腿跳跃方向和姿态，通过气动小腿驱动踝关节和膝关节一同向上运动作为跳跃动力，模仿动物矢平面跳跃运动的仿生关节式气动弹跳腿。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种仿生关节式气动弹跳腿，包括踝关节、膝关节和气动小腿。其特征在于，所述踝关节包括作为各零部件安装基准且与地面接触的脚掌，在其后部和中部分别设有模仿动物踝关节的后踝铰链支座和前踝铰链支座，绕前踝铰链支座相对脚掌转动的小腿胫骨，固连在小腿胫骨上的踝缸铰链支座，绕踝缸铰链支座相对小腿胫骨转动的踝关节伺服气缸缸体，借助气压动力沿踝关节伺服气缸缸体滑动且绕后踝铰链支座转动的踝关节伺服气缸活塞杆；所述膝关节包括与小腿胫骨上端固连的模仿动物膝关节的后膝铰链支座和前膝铰链支座，绕后膝铰链支座相对小腿胫骨转动的大腿股骨，固连在大腿股骨上的膝缸铰链支座，绕膝缸铰链支座相对大腿股骨转动的膝关节伺服气缸缸体，借助气压动力沿膝关节伺服气缸缸体滑动且绕前膝铰链支座转动的膝关节伺服气缸活塞杆；所述气动小腿包括与小腿胫骨固连的跳跃伺服气缸缸体，借助气压动力沿跳跃伺服气缸缸体滑动的跳跃伺服气缸活塞杆，固连在跳跃伺服气缸活塞杆端部的弹力球。

所述踝关节与气动小腿在铅垂面内并联后再与膝关节成串联布局，处于初始位置的弹跳腿零位为大腿股骨与小腿胫骨共线且与脚掌的底面垂直，气动小腿跳跃伺服气缸活塞杆处于缩回状态；小腿胫骨相对脚掌转动的踝关节弯曲角度在逆时针45°至顺时针45°范围内连续可调，大腿股骨相对小腿胫骨转动的膝关节弯曲角度在逆时针45°至顺时针45°范围内连续可调。

所述踝关节和膝关节为结构相似的四杆机构，包括三根长度固定的杆件和一根由关节伺服气缸组成的长度可调的杆件，每个关节的四根杆件通过三个铰链和一个固定连接形成封闭的梯形；当关节伺服气缸活塞杆伸出长度为定值时，踝关节和膝关节具有确定的弯曲角度；通过精确控制关节伺服气缸活塞杆的伸出长度，实现踝关节和膝关节弯曲角度的精确调整。

所述气动小腿其弹力球与地面接触并以此接触点作为弹跳腿起跳过程和落地时刻的支承点，起跳过程跳跃伺服气缸驱动跳跃伺服气缸缸体、踝关节和膝关节一起向上运动，三者较大的质量提供了更大的起跳动力；落地时刻跳跃伺服气缸活塞杆和弹力球的速度瞬间减小到零，两者较小的质量对弹跳腿的落地过程产生轻微的碰撞冲击。

本发明使用伺服气缸模仿动物肌肉和韧带精确调整踝关节和膝关节弯曲角度，使用高压气体为气动小腿提供可控的强大爆发力和缓冲能力，占弹跳腿总质量90%以上的跳跃动力质量提高了弹跳腿的跳跃能力并避免了弹跳腿离地时刻的较大冲击，可以模仿动物较高水平的跳跃运动。对照现有技术，其结构合理、跳跃能力强、可控性好，是一种高效可靠的关节式气动弹跳腿。

附图说明

图1是本发明仿生关节式气动弹跳腿的整体结构示意图。

图2是图1的左视图。

图中：11.脚掌，12.后踝铰链支座，13.前踝铰链支座，14.小腿胫骨，15.踝缸铰链支座，16.踝关节伺服气缸缸体，17.踝关节伺服气缸活塞杆；21.后膝铰链支座，22.前膝铰链支座，23.大腿股骨，24.膝缸铰链支座，25.膝关节伺服气缸缸体，26.膝关节伺服气缸活塞杆；31.跳跃伺服气缸缸体，32.跳跃伺服气缸活塞杆，33.弹力球。

具体实施方式

由图1可以看出，一种仿生关节式气动弹跳腿，包括踝关节、膝关节和气动小腿。其特征在于，所述踝关节包括作为各零部件安装基准且与地面接触的脚掌11，在其后部和中部分别设有模仿动物踝关节的后踝铰链支座12和前踝铰链支座13，绕前踝铰链支座13相对脚掌11转动的小腿胫骨14，固连在小腿胫骨14上的踝缸铰链支座15，绕踝缸铰链支座15相对小腿胫骨14转动的踝关节伺服气缸缸体16，借助气压动力沿踝关节伺服气缸缸体16滑动且绕后踝铰链支座12转动的踝关节伺服气缸活塞杆17；所述膝关节包括与小腿胫骨14上端固连的模仿动物膝关节的后膝铰链支座21和前膝铰链支座22，绕后膝铰链支座21相对小腿胫骨14转动的大腿股骨23，固连在大腿股骨23上的膝缸铰链支座24，绕膝缸铰链支座24相对大腿股骨23转动的膝关节伺服气缸缸体25，借助气压动力沿膝关节伺服气缸缸体25滑动且绕前膝铰链支座22转动的膝关节伺服气缸活塞杆26；所述气动小腿包括与小腿胫骨14固连的跳跃伺服气缸缸体31，借助气压动力沿跳跃伺服气缸缸体31滑动的跳跃伺服气缸活塞杆32，固连在跳跃伺服气缸活塞杆32端部的弹力球33。

前述的仿生关节式气动弹跳腿，所述踝关节与气动小腿在铅垂面内并联后再与膝关节成串联布局，处于初始位置的弹跳腿零位为大腿股骨23与小腿胫骨14共线且与脚掌11的底面垂直，气动小腿跳跃伺服气缸活塞杆32处于缩回状态；小腿胫骨14相对脚掌11转动的踝关节弯曲角度在逆时针45°至顺时针45°范围内连续可调，大腿股骨23相对小腿胫骨14转动的膝关节弯曲角度在逆时针45°至顺时针45°范围内连续可调。

前述的仿生关节式气动弹跳腿，所述踝关节和膝关节为结构相似的四杆机构，包括三根长度固定的杆件和一根由关节伺服气缸组成的长度可调的杆件，每个关节的四根杆件通过三个铰链和一个固定连接形成封闭的梯形；当关节伺服气缸活塞杆伸出长度为定值时，踝关节和膝关节具有确定的弯曲角度；通过精确控制关节伺服气缸活塞杆的伸出长度，实现踝关节和膝关节弯曲角度的精确调整。

前述的仿生关节式气动弹跳腿，所述气动小腿其弹力球33与地面接触并以此接触点作为弹跳腿起跳过程和落地时刻的支承点，起跳过程跳跃伺服气缸驱动跳跃伺服气缸缸体31、踝关节和膝关节一起向上运动，三者较大的质量提供了更大的起跳动力；落地时刻跳跃伺服气缸活塞杆32和弹力球33的速度瞬间减小到零，两者较小的质量对弹跳腿的落地过程产生轻微的碰撞冲击。

本发明使用伺服气缸模仿动物肌肉和韧带精确调整踝关节和膝关节弯曲角度，使用高压气体为气动小腿提供可控的强大爆发力和缓冲能力，占弹跳腿总质量90%以上的跳跃动力质量提高了弹跳腿的跳跃能力并避免了弹跳腿离地时刻的较大冲击，可以模仿动物较高水平的跳跃运动。对照现有技术，其结构合理、跳跃能力强、可控性好，是一种高效可靠的关节式气动弹跳腿。

本发明实现跳跃运动的过程为：跳跃准备、起跳、腾空、落地缓冲、恢复零位，每次可完成一个周期的跳跃运动。该弹跳腿跳跃准备过程为操作者将处于零位的弹跳腿直立于地面上，控制系统根据预设的跳跃高度和距离，计算弹跳腿起跳过程踝关节和膝关节弯曲角度、跳跃伺服气缸上腔充气时间；计算落地时刻踝关节和膝关节弯曲角度及跳跃伺服气缸活塞位置；计算触地缓冲过程踝关节、膝关节和跳跃伺服气缸伺服阀开度及其变化规律，按下启动按钮。开始起跳过程，起跳过程为：调整、加速、离地，调整过程为通过伺服阀控制踝关节伺服气缸活塞杆17的伸出长度，使小腿胫骨14连同动力小腿相对脚掌11转动的踝关节弯曲角度到达起跳过程计算值，同时通过伺服阀控制膝关节伺服气缸活塞杆26的伸出长度，使大腿股骨23相对小腿胫骨14转动的膝关节弯曲角度到达起跳过程计算值；加速过程为通过开启大开口电磁阀使跳跃伺服气缸的上下腔分别连通高压气源和大气，进入跳跃伺服气缸上腔的大流量高压气体驱动由跳跃气伺服缸缸体31、踝关节和膝关节组成的跳跃动力质量沿跳跃伺服气缸活塞杆32的轴线方向以大于5g的加速度向上运动，充气时间到达起跳过程计算值时刻关闭电磁阀；离地过程为封闭的跳跃伺服气缸上下腔内气体分别快速膨胀和压缩，当下腔与上腔气压差推力大于跳跃伺服气缸活塞杆32向上运动的阻力时，高速向上运动的跳跃动力质量带动弹力球33脱离地面支承，起跳过程结束。开始腾空过程，同时控制三个伺服阀分别使踝关节和膝关节弯曲角度以及跳跃伺服气缸活塞杆32伸出长度到达落地时刻计算值，保证弹跳腿所具有的踝关节后仰和膝关节前倾姿态刚好使跳跃动力质量质心位于跳跃伺服气缸活塞杆32的轴线上，同时跳跃伺服气缸活塞杆32的轴线与铅垂方向的夹角略小于弹跳腿落地速度方向与铅垂方向的夹角，弹力球33触地，腾空过程结束。开始落地缓冲过程，弹力球33触地使跳跃伺服气缸活塞杆32和弹力球33的速度瞬间减小到零，两者的较小质量对弹跳腿产生很小的碰撞冲击；跳跃动力质量运动速度分解为沿跳跃伺服气缸活塞杆32的轴向速度和向前的切线速度，弹跳腿沿跳跃伺服气缸活塞杆32向下运动的同时绕弹力球33与地面的接触点向直立姿态转动；控制踝关节、膝关节和跳跃伺服气缸伺服阀开度按计算的规律变化调整三个伺服气缸上下腔的充排气流量，在保证脚掌11以平行于地面的姿态触地的同时，跳跃伺服气缸上腔气体内能增量等于跳跃动力质量在弹力球33触地时刻轴向运动的动能，弹跳腿停止转动且质心在地面的投影位于脚掌11与地面接触的矩形面积内，落地缓冲过程结束。开始恢复零位过程，控制踝关节、膝关节和跳跃伺服气缸三个伺服阀开度调整其上下腔的充排气流量，使跳跃伺服气缸活塞杆32处于稳定的缩回状态，大腿股骨23与小腿胫骨14共线且垂直于地面，弹跳腿以静态稳定的零位姿态直立于地面上，完成仿生关节式气动弹跳腿本周期的跳跃运动。

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