(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号CN101767615A (43)申请公布日2010.07.07 (21)申请号201010122585.6 (22)申请日2010.03.12 (71)申请人北京工业大学 地址100124北京市朝阳区平乐园100号 (72)发明人左国玉孙荣毅王冠龚道雄 阮晓钢 (74)专利代理机构北京思海天达知识产权代理 有限公司11203 代理人张慧 (51)Int.CI. B62057032(2006.01) 权利要求书1页说明书4页附图3页 (54)发明名称 蛙式机器人腿部弹跳机构 (57)摘要 本发明公开了一种蛙式机器人腿部弹跳结 构，在导杆上套有拉力弹簧，弹簧末端和髋关节相 51/ 27 72 连，弹簧上端和滑块相连，导杆、滑块、斜撑杆、大 6 11 23 腿和关节共同构成曲柄滑块结构。腿部结构由大 1 13 腿、小腿、连杆和关节组成，在腿部结构中含有两 10/102/104/ 131 132 个四杆机构的组合。通过控制滑块在导杆上的滑 动，可以调节腿部机构的伸展和收缩。机器人脚掌 33 形状呈弧形，在足底装有足垫。本发明机械结构模 拟青蛙骨骼，优化了腿部结构，提高了动力元件的 能量利用率，增加了机械结构的柔性，提高了机器 人的跳跃能力
CN101767615A 权利要求书 1/1页 1.一种蛙式机器人腿部弹跳结构，其特征在于，包括： 一曲柄滑块机构，由导杆(1)、滑块(2)、髋关节(4)、关节(5)、斜撑杆(6)、中间关节 (7)和大腿（⑧）组成，在导杆上装有拉力弹簧(3)，拉力弹簧(3)两端分别与滑块(2)和髋关 节(4)相连，滑块(2)下方与关节（⑤）螺栓固接，关节（⑤）与中间关节(7)通过斜撑杆(6) 连接，中间关节(7)周向固定于大腿(8)中部： 一腿部机构总成，由大腿(8)、大腿连杆(9)、膝关节(10)、小腿连杆(11)、小腿(12)和 踝关节(13)组成，大腿(8)上端和髋关节(4)相连，下端与膝关节(10)相连，小腿(12）上 端与膝关节(10)相连，下端与踝关节(13)相连，大腿连杆(9)两端分别铰接于中间关节 (7)和膝关节(10)，小腿连杆(11)两端分别铰接于膝关节(10)和踝关节(13)；一脚部机 构，包括一脚部(14)，采用弧形结构，上端与踝关节(13)相连，下端底部粘贴有足垫(15)。 2.根据权利要求1所述的蛙式机器人腿部弹跳结构，其特征在于：所述拉力弹簧(3) 套于导杆(1)上，可在滑块(2)的作用下形变。 3.根据权利要求1所述的蛙式机器人腿部弹跳结构，其特征在于：所述中间关节(7)、 大腿(8)、大腿连杆(9)和膝关节(10)组成四杆机构；所述膝关节(10)、小腿连杆(11)、小 腿(12)、踝关节(13)组成四杆机构。 4.根据权利要求1所述的蛙式机器人腿部弹跳结构，其特征在于：所述导杆(1)、大腿 (8)、小腿(12)、脚部(14)的长度均近似相等。 5.根据权利要求1所述的蛙式机器人腿部弹跳结构，其特征在于：所述脚部(14)由弹 性材料制成
CN101767615A 说明书 1/4页 蛙式机器人腿部弹跳机构 技术领域 [0001]本发明涉及一种机器人结构，具体地说是一种蛙式机器人腿部弹跳机构。 背景技术 [0002]随着机器人技术的不断发展，在面对恶劣的环境和复杂的地形时，运用机器人的 弹跳功能来增强其地形适应和自主运动的能力，是近年来发展较快的一种机器人技术。具 有弹跳性能的机器人目前在国际尚处于研究阶段，在国内也仅有个别院校进行相关研究。 由于此类机器人研制难度很大，涉及的很多关键技术保密性很强，故公开资料很少。 [oo03]国际上，最早的弹跳机器人由Raibert于1980年在麻省理工学院机器人实验室研 制成功，该机器人属于连续性跳跃机构，Raibert分析了单足跳跃机器人的起跳姿态控制以 及落地时的组空定位算法问题，目前己取得了一些理论研究成果，在实验室中己实现自主 稳定跳跃、越障等功能。 [0004]在国内，2003年初，南京航空航天大学朱剑英教授率先带领其工作团队进行跳跃 机器人的相关研究，并获得了国家自然科学基金项目和国防科工委的立项资助，其主要对 国际上现已公布的跳跃机器人方案进行系统的研究，并根据部分理论做出了几个跳跃机器 人的样机。 [0005]专利申请号为200810017793.2名称为“仿袋鼠腿型跳跃机器人结构”的专利申 请，公开了一种仿袋鼠腿型跳跃机器人结构，在机体上安装负载，机体下侧通过支撑架连接 机器人膝关节，机器人膝关节通过腿部轴与机器人小腿连接，小腿的下端为机器人踝关节， 脚掌与小腿在踝关节处通过脚掌轴连接，踝关节同时位于脚掌的1/3处，脚掌与脚趾通过 脚趾轴连接，脚趾轴位于脚掌前端，下置弹簧一端安装与脚掌后端，一端安装于小腿的2/5 处，上置弹簧一端安装于小腿上端，一端安装于机体的1/2处：动力机构通过上耳环和下耳 环分别与小腿和脚掌连接。 [0006] 该方案存在以下缺点： [0007]1、所设计腿部结构中，只包括小腿和脚掌，没有对大腿进行相关研究与设计，忽略 了腿部结构的完整性，不符合仿生学原理。 [0008]2、驱动元件安装于脚掌和小腿前方，驱动元件的收缩/释放运动与腿部的机械运 动在结构上相互制约，不仅降低了机器人的弹跳能力，而且破坏了腿部的仿生结构。 [0009]3、整个腿部结构在弹跳时的伸展幅度较小，限制了弹跳的高度与距离。 [0010]4、脚部与地面的接触面积较小，在起跳时不能获得足够大的静磨擦力，在着陆时 不能保持机器人身体的稳定。 [0011]5、在跳跃过程的落地瞬间通过脚趾的关节来减震，不能良好地缓解刚性冲击。 发明内容 [0012]为了解决弹跳机构复杂、弹跳效率不高、落地稳定性以及缓解着陆瞬间刚性冲击 等问题，本发明提供了一种结构简单、仿生程度高、着陆稳定好、弹跳效率高并且具有一定
CN101767615A 说明书 2/4页 柔性的蛙式机器人腿部弹跳机构。 [0013] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是： [0014] 一种蛙式机器人腿部弹跳结构，其特征在于，包括： [0015] 一曲柄滑块机构，由导杆、滑块、髋关节、关节、斜撑杆、中间关节和大腿组成，在导 杆上装有拉力弹簧，拉力弹簧两端分别与滑块和髋关节相连，滑块下方与关节螺栓固接，关 节与中间关节通过斜撑杆连接，中间关节周向固定于大腿中部； [0016]一腿部机构总成，由大腿、大腿连杆、膝关节、小腿连杆、小腿和踝关节组成，大腿 上端和髋关节相连，下端与膝关节相连，小腿上端与膝关节相连，下端与踝关节相连，大腿 连杆两端分别铰接于中间关节和膝关节，小腿连杆两端分别铰接于膝关节和踝关节； [0017]一脚部机构，包括一脚部，采用弧形结构，上端与踝关节相连，下端底部粘贴有足 垫。 [0018]作为本发明的优选方案，所述机器人腿部结构的拉力弹簧套于导杆上，可在滑块 的作用下形变。其有益效果是扩大了动力元件的机械运动范围，提高了动力元件的利用率， 同时解放了腿部机械结构。 [0019]作为本发明的优选方案，所述机器人的导杆、滑块、髋关节、关节、斜撑杆、中间关 节和大腿共同组成曲柄滑块机构。其有益效果是模拟了青蛙的腰部与腿部的连接关系，提 高了传动效率，同时增加了机械结构的仿生效果。 [0020]作为本发明的优选方案，所述机器人腿部采用连杆机构，中间关节、大腿连杆、膝 关节和大腿共同组成四杆机构。小腿连杆、膝关节、小腿和踝关节共同组成四杆机构。其有 益效果是模拟了青蛙腿部的骨骼与肌肉结构，增加了机械结构的仿生效果、提高了机械结 构的稳定性。 [0021]作为本发明的优选方案，所述机器人腿部结构中导杆、大腿、小腿以及脚部的长度 均近似相等。其有益效果是模拟了青蛙腿部骨骼间的长度比例关系，增加了机械结构的仿 生效果。 [0022]作为本发明的优选方案，所述机器人腿部结构的脚部采用弧形结构，由弹性材料 制成。其有益效果是模拟青蛙脚部的骨骼结构，提高了机械结构的仿生效果，增加了机械结 构的柔性，降低了机器人在着陆时受到了刚性冲击。 [0023]作为本发明的优选方案，所述机器人腿部结构的脚部14在底部装有足垫15。其有 益效果是增加了脚掌与地面的摩擦系数，降低机器人在着陆时受到的刚性冲击。 [0024]本发明工作时，具体过程如下： [0025]1、腿部收缩：滑块在外力的作用下沿导杆向远离髋关节方向滑动，拉力弹簧在滑 块带动下产生形变，同时大腿在斜撑杆的牵引下以髋关节为圆心顺时针摆动，髋关节的张 角逐渐减小。小腿在膝关节的作用下以膝关节为圆心逆时针摆动，膝关节在大腿连杆的牵 引下逆时针转动，同时膝关节的张角逐渐减小。脚部在踝关节作用下以踝关节为圆心顺时 针摆动，踝关节在小腿连杆的牵引下顺时针转动，同时踝关节的张角逐渐减小。当滑块运动 到最远端时，腿部已完全收缩，完成起跳准备动作。 [0026]2、腿部伸展：当作用在滑块上的外力消失时，拉力弹簧开始恢复形变，滑块迅速向 髋关节方向滑动。大腿在斜撑杆与中间关节的牵引下以髋关节为圆心逆时针摆动，髋关节 的张角迅速增大。小腿在膝关节的作用下以膝关节为圆心顺时针摆动，膝关节在大腿连杆
CN101767615A 说明书 3/4页 的牵引下顺时针转动，同时膝关节的张角迅速增大。足部在踝关节作用下以踝关节为圆心 逆时针摆动，踝关节在小腿连杆的牵引下逆时针转动，同时踝关节的张角迅速增大。当滑块 运动到与髋关节的最近距离时，腿部已完全释放，完成跳跃动作。 [0027]本发明的整体有益效果是： [0028] 一、将动力元件与腿部结构分离，扩大了动力元件的机械运动范围，同时解放了腿 部机械结构。 [0029] 二、根据仿生设计原理，对青蛙的骨骼结构进行模拟，因此腿部在完全伸展条件下 的长度占总机体长度的3/4，其中脚部的有效行程是弹簧形变量的3.5倍，大幅提高了驱动 元件的能量利用率和腿部利用率。 [0030]三、对腿部结构进行柔性设计，使机器人在着陆时受到的刚性冲击大幅减小，提高 了机器人在着陆时的姿态稳定性，并对机械结构起到了良好的保护作用。 [0031]综上，本发明提高了机器人驱动元件的利用率，优化了腿部机械结构：提高了机器 人的仿生程度，增强了机器人的跳跃能力：提高了机器人机械机构的柔性，增强了跳跃过程 的姿态稳定性。 附图说明 [0032]图1为蛙式机器人腿部结构示意图； [0033] 图2为蛙式机器人腿部结构完全收缩图： [0034] 图3为蛙式机器人腿部结构完全伸展图： 「00351 图4为蛙式机器人腿部结构的脚掌结构示意图。 [0036] 图中，1-导杆；2-滑块；3-拉力弹簧；4-髋关节，5-关节：6-斜撑杆；7-中间关节； 8-大腿：9-大腿连杆；10-膝关节；11-小腿连杆：12小腿：13-踝关节；14-脚部：15-足 垫：41、42、52、71、102、103、132-套简：51、72、73、101、104、131、133-铰链座。 具体实施方式 [0037]下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。 [0038] 装置实施例：参照图1，本发明的一种蛙式机器人腿部弹跳结构，包括：一曲柄滑 块机构，由导杆1、滑块2、髋关节4、关节5、斜撑杆6、中间关节7和大腿8组成，在导杆上 装有拉力弹簧3，拉力弹簧3两端分别与滑块2和髋关节4相连，滑块2下方与关节5螺栓 固接，关节5与中间关节7通过斜撑杆6连接，中间关节7周向固定于大腿8中部；一腿部 机构总成，由大腿8、大腿连杆9、膝关节10、小腿连杆11、小腿12和踝关节13组成，大腿8 上端和髋关节4相连，下端与膝关节10相连，小腿12上端与膝关节10相连，下端与踝关节 13相连，大腿连杆9两端分别铰接于中间关节7和膝关节10，小腿连杆11两端分别铰接于 膝关节10和踝关节13；一脚部机构，包括一脚部14，采用弧形结构，上端与踝关节13相连， 下端底部粘贴有足垫15。其中，导杆1末端周向固定于套筒41，套筒42与套筒41铰接组 成髋关节4。铰链座51螺栓固接于滑块2，同时与套筒52铰接组成关节5。斜撑杆6上端 周向固定于套筒52，下端固定于套筒71，套筒71与铰链座73铰接组成中间关节7，中间关 节7周向固定于大腿8中部，大腿8上端周向固定于套筒42，下端周向固定于套筒103，套 简103与套简102铰接组成膝关节10，其上部铰链座101与中间关节7的铰链座72通过
CN101767615A 说明书 4/4页 连杆9铰接。小腿12上端周向固定于套筒102，下端周向固定于套简132，套筒132与铰链 座133铰接组成踝关节13，其上部铰链座131与膝关节10的铰链座104通过连杆11铰接。 脚部14上端与铰链座133下端铆接，足垫15粘贴于脚部14底侧，脚部14采用弧形结构， 弹性材料制成。 [0o39]参照图2，为蛙式机器人腿部完全收缩姿态，机体竖直高度为480mm。滑块2在外 力的作用下沿导杆1已运动至距离髋关节4最远端，拉力弹簧3在滑块2带动下已产生最 大形变，髋关节4的张角为15°、膝关节10的张角为9°，踝关节13的张角为75°。此时 脚掌与地面完全接触，机器人重心已降至最低，能量储备工作己经结束，蓄势待发。 [0040] 参照图3，为蛙式机器人腿部完全伸展姿态，机体竖直高度为1350mm。滑块2在拉 力弹簧3的作用下沿导杆1已运动至距离髋关节4最近端，拉力弹簧3此时已完全恢复形 变，髋关节4的张角为95°、膝关节10的张角为134°、踝关节13的张角为180°。此时脚 掌己完全脱离地面，机器人重心己升至最高，能量释放工作己经结束，腾空而起。 [0041]参照图4，为脚部结构示意图，在其中上部采用弧形结构，增加了腿部的柔性，在脚 部底侧粘贴有足垫，增大了脚掌与地面的静摩擦力，同时还可减小机器人在着陆时脚部受 到的刚性冲击。 6
CN101767615A 说明 书附图 1/3页 2 1 3 51 41 5 52 咖咖以20220咖020妙虹边 72 6 71 7 9 13 101 103 1 131 10 102 104 12 132 13 133 14 15 图1 2 51 3 5/ 52 6 101103 9 121y 10 7 102 ys1111611111111111141161111111111111111111111 8 4 104 3 12 11 42 131 132 13 133 4 15 图2
CN101767615A 说明书附图 2/3页 1 2 3 51 52 41 4 6 41 72 71 9 8 973 101 104 10 103 102 11 12 131 1328 13 133 14 15 图3 8
CN101767615A 说明书附图 3/3页 12入 d131 1322 八13 133 14 15 图4 9
