仿鸵鸟后肢运动功能特性的节能步行腿机构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于机器人领域，涉及一种仿鸵鸟后肢运动功能特性的节能步行腿机构。
【背景技术】
[0002]鸵鸟是目前世界上奔跑最快的两足动物。研究显示，在鸵鸟腿从弯曲状态到伸张过程中，当小腿与跖骨的角度大于108°时，鸵鸟跖骨会自动伸张。这种被动的伸张过程，能够节约鸵鸟运动的能量消耗。同时，鸵鸟在沙漠中的奔跑速度能够达到50-60Km/h，并能够持续30分钟。由于鸵鸟运动具备节能和高速特征，鸵鸟在速度和节能方面比其他双足动物更加优越。根据工程仿生学原理，可将鸵鸟的优越性能应用到双足机器人的设计当中。美国国防研究高级计划局资助研制的“快跑者”鸵鸟形机器人能在15秒之内从静止加速到32千米/小时，最大时速43千米，并于2012年制造并测试。来自俄罗斯的四人团体，已经做出了一台造价仅1500美元的可载人鸵鸟机器人。尽管国外对鸵鸟机器人进行了初步研究，但是主要考虑运动速度和造价，目前尚未发现结构简单、低能耗的仿鸵鸟后肢节能步行腿机构相关研究报道。
[0003]本发明以高效运动的鸵鸟后肢为仿生原型，通过鸵鸟奔跑后肢运动参数分析，结合生物解剖学，确定了鸵鸟后肢结构尺寸，并根据鸵鸟跗骨间关节回弹特性，优化设计出结构简单、高效节能的步行腿机构。
【发明内容】
[0004]为解决上述技术问题，本发明提供一种仿鸵鸟后肢运动功能特性的节能步行腿机构。本发明使鸵鸟机器人能够模仿鸵鸟行走姿态，并具有结构简单、高效节能的优点。本发明以高效运动的鸵鸟后肢为仿生原型，通过鸵鸟奔跑后肢运动参数分析，结合生物解剖学，确定了鸵鸟后肢结构尺寸，并根据鸵鸟跗骨间关节回弹特性，优化设计出结构简单、高效节能的步行腿机构。
[0005]本发明包括机架、曲柄连杆机构、回弹机构和足趾；曲柄连杆机构包括曲柄、大腿以及摇杆；回弹机构包括定滑块、连杆、跖骨、闸线、小腿、挡块、弹簧、动滑块、棘爪、棘轮和角度限制器；足趾为柔性储能材料制作而成；回弹机构中的定滑块固定在机架上，小腿与定滑块组成滑动副；弹簧底端与挡块接触，挡块固定在小腿上，弹簧另一端与动滑块接触，动滑块可以在小腿上滑动；动滑块通过连杆与跖骨相连；跖骨与小腿通过角度限制器铰接，棘轮机构包括棘爪和棘轮，棘轮机构安装在跖骨与小腿的铰接处；闸线一端固定在棘爪上，闸线另一端与动滑块相连；跖骨底端通过扭转弹簧与足趾铰接，不受外力作用时，跖骨与足趾相夹的角度为120°。
[0006]所述的足趾触地期所对应的曲柄转角与足趾离地期所对应的曲柄转角比为5:19，并且足趾触地期与离地期时间相同。
[0007]本发明的有益效果:
[0008]1、整体采用连杆机构，并且只使用一台电动机进行动力输入，节约制造成本，整体结构紧凑，有利于减少能量传递损失以及提尚机构运彳丁的可靠性。
[0009]2、以高效运动的鸵鸟后肢为仿生原型，通过鸵鸟奔跑后肢运动参数分析，结合生物解剖学，确定了鸵鸟后肢结构尺寸，并根据鸵鸟跗骨间关节回弹特性，优化设计出结构简单、高效节能的步行腿机构。
【附图说明】
[0010]图1是本发明的节能步行腿机构立体示意图。
[0011]图2是本发明的侧视图。
[0012]图3是本发明棘轮机构和角度限制器的立体示意图。
[0013]图4是本发明棘轮机构的立体示意图。
[0014]其中:1-机架；2_摇杆；3_大腿；4_第一铰点；5_定滑块；6_连杆；7_第二铰点；8-妬骨；9-足祉；10_棘轮机构；11_兩线；12_小腿；13_挡块；14_弹黃；15_动滑块；16_曲柄；17_棘爪；18_棘轮；19-角度限制器。
【具体实施方式】
[0015]请参阅图1、图2、图3和图4所示，本发明包括机架1、曲柄连杆机构、回弹机构和足趾9 ;曲柄连杆机构包括曲柄16、大腿3以及摇杆2 ;回弹机构包括定滑块5、连杆6、跖骨8、闸线11、小腿12、挡块13、弹簧14、动滑块15、棘爪17、棘轮18和角度限制器19 ;足趾9为柔性储能材料制作而成。
[0016]如图2所示，回弹机构中的定滑块5固定在机架1上，小腿12与定滑块5组成滑动副；弹簧14底端与挡块13接触，挡块13固定在小腿12上，弹簧14另一端与动滑块15接触，动滑块15可以在小腿12上滑动；动滑块15通过连杆6与跖骨8相连；跖骨8与小腿12通过角度限制器19铰接，棘轮机构10包括棘爪17和棘轮18，棘轮机构10安装在跖骨8与小腿12的铰接处；闸线11 一端固定在棘爪17上，闸线11另一端与动滑块15相连；跖骨8底端通过扭转弹簧与足趾9铰接，不受外力作用时，跖骨8与足趾9相夹的角度为120°。
[0017]所述的足趾9触地期所对应的曲柄16转角与足趾9离地期所对应的曲柄16转角比为5:19，并且足趾9触地期与离地期时间相同。
[0018]本发明的工作过程:
[0019]以节能步行腿机构运动一个周期为例:
[0020]以足趾9将要离地的位置为起点，曲柄16逆时针旋转。曲柄16带动小腿12向上运动，小腿12的运动可以分解为绕第一铰点4的转动和相对定滑块5向上的运动。此时，挡块13固定在小腿12上，相对于小腿12静止，由于小腿12向上运动且定滑块5固定不动，动滑块15在定滑块5挤压下沿着小腿12向下运动，使弹簧14压缩，储存能量，并且动滑块15向下运动时拉动闸线11，使棘爪17抬起，自锁解除，跖骨8可以绕第二铰点7逆时针转动；同时，动滑块15通过连杆6作用于跖骨8顶端，使其绕第二铰点7做逆时针转动，完成抬腿的动作。
[0021]曲柄16转过最高点至与小腿12共线后，带动小腿12向下运动过程，其运动可以分解为绕第一铰点4的转动和相对定滑块5向下的运动。此时，挡块13随着小腿12向下运动，由于定滑块5固定不动，挡块13与定滑块5之间的间距逐渐增大，动滑块15在弹簧14的反弹作用下沿着小腿12向上运动，实现仿鸵鸟后肢的回弹特性，同时，松闸线11，棘爪17回落，棘爪17与棘轮18形成自锁机构，使跖骨8不能绕第二铰点7做逆时针转动；并且动滑块15通过连杆6作用于跖骨8顶端，使其绕第二铰点7做顺时针转动，在角度限制器19的作用下，使跖骨8与小腿12的最大夹角为168°，为足趾9触地做准备。
【主权项】
1.一种仿鸵鸟后肢运动功能特性的节能步行腿机构，其特征在于:包括机架(I)、曲柄连杆机构、回弹机构和足趾(9);曲柄连杆机构包括曲柄(16)、大腿(3)以及摇杆(2);回弹机构包括定滑块(15)、连杆(6)、跖骨(8)、闸线(11)、小腿(12)、挡块(13)、弹簧(14)、动滑块(15)、棘爪(17)、棘轮(18)和角度限制器(19); 回弹机构中的定滑块(5)固定在机架(I)上，小腿(12)与定滑块(5)组成滑动副；弹簧(14)底端与挡块(13)接触，挡块(13)固定在小腿(12)上，弹簧(14)另一端与动滑块(15)接触，动滑块(15)可以在小腿(12)上滑动；动滑块(15)通过连杆(6)与跖骨⑶相连；妬骨⑶与小腿(12)通过角度限制器(19)铰接，棘轮机构(10)包括棘爪(17)和棘轮(18)，棘轮机构(10)安装在跖骨⑶与小腿(12)的铰接处；闸线(11) 一端固定在棘爪(17)上，闸线(11)另一端与动滑块(15)相连；跖骨(8)底端通过扭转弹簧与足趾(9)铰接，不受外力作用时，跖骨⑶与足趾(9)相夹的角度为120°。2.根据权利要求1所述的一种仿鸵鸟后肢运动功能特性的节能步行腿机构，其特征在于:所述的足趾(9)触地期所对应的曲柄(16)转角与足趾(9)离地期所对应的曲柄(16)转角比为5:19，并且足趾(9)触地期与离地期时间相同。3.根据权利要求1所述的一种仿鸵鸟后肢运动功能特性的节能步行腿机构，其特征在于:所述的足趾(9)为柔性储能材料制作而成。
【专利摘要】本发明公开了一种仿鸵鸟后肢运动功能特性的节能步行腿机构，由机架、曲柄连杆机构、回弹机构和足趾组成，曲柄连杆机构包括曲柄、大腿以及摇杆，回弹机构包括定滑块、小腿、动滑块、连杆、弹簧、挡块、棘轮机构、闸线、角度限制器和跖骨；本发明设计基于鸵鸟后肢的尺寸参数以及鸵鸟跗骨间关节的回弹特性，通过模仿鸵鸟后肢运动设计一种节能、高效的步行腿。利用弹簧压缩时产生的回弹力，来实现跖骨的自动伸展，减少能量损耗。通过模仿鸵鸟后肢运动功能特性的节能步行腿能够实现节能、高效的目标。
【IPC分类】B62D57/032
【公开号】CN105346620
【申请号】CN201510917098
【发明人】张锐, 何远, 马松松, 韩佃雷, 江磊, 苏波, 李建桥
【申请人】吉林大学
【公开日】2016年2月24日
【申请日】2015年12月11日