[發明專利]一種采用氣動串聯彈性關節的仿生跳躍腿

有效

• 申請號: 202011550122.X
• 申請日: 2020-12-24
• 公開（公告）號: CN112590961B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發明（設計）人: 雷靜桃;沈雙;張悅文;蘇紅升
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: B62D57/02
• 分類號: B62D57/02
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

本發明公開了一種采用氣動串聯彈性關節的仿生跳躍腿，由髖關節模塊、膝關節模塊、氣動串聯彈性踝關節模塊組成，自上而下依次相連，由4條氣動人工肌肉驅動3個主動關節；其中：所述髖關節模塊采用2條氣動人工肌肉組成拮抗式驅動，通過髖關節肌肉力臂調整機構調整驅動力臂長度和關節旋轉范圍；所述膝關節模塊由1條氣動人工肌肉和1根回復彈簧組成；所述踝關節模塊，采用1條氣動人工肌肉與高剛度彈性元件串聯，構成氣動串聯彈性關節。本發明采用輕質空心桿件作為仿生跳躍腿的骨架，具有結構緊湊、抗沖擊、彈性蓄能、輕量化、小型化等優點，能有效提高仿生腿的跳躍性能。

技術領域

本發明屬于仿生機器人領域，具體涉及一種采用氣動串聯彈性關節的仿生跳躍腿。

背景技術

仿生機器人的研究從低速向高速方向發展，其中仿生跳躍機器人憑借其優越的復雜地形適應能力獲得眾多學者的關注，仿生跳躍機器人逐漸向著輕量化、小型化的方向發展，以獲得更佳的跳躍性能。

目前，國內外研發的仿生腿式機器人多采用電機、液壓缸、氣缸、氣動人工肌肉等驅動方式。電機、液壓等驅動方式因其體積與重量的劣勢，難以應用到輕量化、小型化的仿生跳躍機器人，而氣動人工肌肉因其柔順性、功率密度大等優勢逐漸被應用于仿生跳躍機器人。

腿式仿生跳躍機器人的跳躍運動屬于離散的單點路面支撐，具有仿生離散運動特征。為提高機器人離散運動的機動性和靈活性，要求機器人關節具有高驅動力矩、高驅動速度等特性。現有仿生腿式跳躍機器人運動關節難以輸出較大的峰值功率，并缺乏有效的落地蓄能結構，難以獲得良好的跳躍性能。

在仿生腿的關節和驅動元件之間設計彈性機構，能有效提高運動關節的輸出特性，并提高能量利用效率。本發明將驅動元件與彈性元件進行串聯，構成串聯彈性驅動關節，能有效儲能并放大驅動器的峰值輸出能力，提高跳躍機器人的性能。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明涉及一種采用氣動串聯彈性關節的仿生跳躍腿，具有結構緊湊、抗沖擊、彈性蓄能、輕量化小型化等優點。

本發明采取的技術方案如下：

一種采用氣動串聯彈性關節的仿生跳躍腿，由髖關節模塊、膝關節模塊、氣動串聯彈性踝關節模塊組成，所述髖關節模塊、膝關節模塊、氣動串聯彈性踝關節模塊自上而下依次鉸接，由4條氣動人工肌肉驅動3個主動關節旋轉，分別在3個主動關節處設置有角位移傳感器。

優選地，所述髖關節模塊由軀體下支架、股骨上支架、髖關節伸張肌肉、髖關節收縮肌肉、髖關節角位移傳感器組成；其中的髖關節伸張肌肉、髖關節收縮肌肉組成拮抗式驅動，二者的力臂長度可通過髖關節肌肉力臂調整機構進行調整，進而帶動髖關節旋轉運動。

優選地，所述膝關節模塊由股骨下支架、脛骨上支架、膝關節伸張肌肉、膝關節回復彈簧、膝關節滑輪、膝關節角位移傳感器組成，由1條氣動人工肌肉驅動，1根回復彈簧復位。

優選地，所述氣動串聯彈性踝關節模塊由脛骨下支架、跖骨上支架、足端支架、踝關節SEA(Series Elastic Actuator)肌肉、踝關節彈簧、踝關節回復彈簧、踝關節滑輪、踝關節角位移傳感器、踝關節滑輪角位移傳感器和仿生跳躍腿小腿碳管組成，踝關節氣動人工肌肉通過鋼絲繩索繞過踝關節滑輪連接踝關節彈簧，組成串聯彈性驅動器，帶動踝關節伸展運動；腳掌由足端支架、跖骨上支架和兩個腳掌碳管組成，兩個腳掌碳管平行排列構成腳掌，在腳掌一側裝有踝關節彈簧；串聯彈性踝關節中踝關節彈簧的收縮量與輸出力能夠通過踝關節滑輪角位移傳感器間接得到；所述踝關節氣動人工肌肉通過一個肌肉滑塊與仿生跳躍腿小腿碳管型面連接，以保證氣動人工肌肉充氣收縮時僅受軸向力而不受彎矩作用，肌肉滑塊接觸面涂有潤滑鍍層。