申请/专利权人：哈尔滨工业大学

申请日：2018-06-14

公开（公告）日：2021-04-09

公开（公告）号：CN108748128B

主分类号：B25J9/10(20060101)

分类号：B25J9/10(20060101);B25J17/00(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2021.04.09#授权;2018.11.30#实质审查的生效;2018.11.06#公开

摘要：仿青蛙机器人髋关节，它属于机器人技术领域，以解决现有的仿青蛙机器人的髋关节仅有水平面上的一个转动自由度，仅能进行水平方向的蹬腿与收腿运动，无法进行后退的姿态调整，运动方式有限，无法进行下潜与上浮等复杂动作的问题。它包括传动轴、第一动力机构、传动机构、传动杆、左腿连接模块、右腿连接模块、左腿连杆、右腿连杆、左腿合拢驱动机构、右腿合拢驱动机构、第二动力机构和机架；传动轴驱动安装在机架上的传动机构以及安装在传动机构输出端上的左腿连接模块同步旋转，右腿连接模块安装在机架上并能与左腿连接模块同步旋转作蜷缩运动；左腿连接模块和右腿连接模块能相向旋转作合拢运动。本发明用于仿青蛙机器人。

主权项：1.仿青蛙机器人髋关节，其特征在于：它包括传动轴4、第一动力机构A、传动机构B、传动杆7、左腿连接模块9、右腿连接模块10、左腿连杆20、右腿连杆21、左腿合拢驱动机构C、右腿合拢驱动机构D、第二动力机构F和机架24；机架24上安装有传动轴4，第一动力机构A驱动传动轴4相对机架24转动，传动轴4驱动安装在机架24上的传动机构B以及安装在传动机构B输出端上的左腿连接模块9同步旋转，左腿连接模块9和右腿连接模块10通过传动杆7连接，右腿连接模块10安装在机架24上并能与左腿连接模块9同步旋转作蜷缩运动；位于左腿连接模块9和右腿连接模块10之间的机架24上设有左腿合拢驱动机构C和右腿合拢驱动机构D，左腿连杆20的两端分别与左腿合拢驱动机构C的输出端及左腿连接模块9铰接，右腿连杆21的两端分别与右腿合拢驱动机构D的输出端及右腿连接模块10铰接，左腿连接模块9和右腿连接模块10能相向旋转作合拢运动；所述第二动力机构F包括舵机二2、连杆一11、连杆二12、连杆三13、外滑块一14、外滑块二15、滑轨一16和滑轨二17；滑轨一16和滑轨二17与传动轴4平行设置，滑轨一16和滑轨二17安装在机架24上，滑轨一16上滑动设置有外滑块一14，滑轨二17上滑动设置有外滑块二15，连杆一11的两端分别与连杆二12和连杆三13的一端铰接，连杆二12的另一端与外滑块一14铰接，连杆三13的另一端与外滑块二15铰接，外滑块一14上固接有左腿合拢驱动机构C，外滑块二15上固接有右腿合拢驱动机构D，舵机二2的外壳固定在机架24上，舵机二2的输出轴安装在连杆一11上。

全文数据：仿青蛙机器人髋关节技术领域[0001]本发明属于机器人技术领域。具体涉及仿青蛙机器人髋关节。背景技术[0002]全球有大约的面积被海洋覆盖，其中蕴藏着丰富的资源，随着人类经济与技术快速发展，陆地资源的快速消耗。海洋资源利用的重要性，被越来越多的人所关注，探索大海的计划，也被越来越多的国家提上日程。在未来，诸如深海资源勘探，海洋湖泊监控警报，水中生物研究与抢险救灾反恐爆破等科学研究和军事安全的需求将越来越多。然而，海洋，湖泊由于被水覆盖，内部情况复杂，不同于陆地的结构化已知环境。针对水体内部，非结构化未知的工作环境进行高难度的工作任务，这种特殊环境下作业的机器人，需要较常规机器人具有更高的精度，更高的灵活性和更高的可靠性。[0003]目前，有多种模仿海洋生物的水下机器人被研制出来，然而大多数水下机器人仍然依靠船舶等使用的螺旋桨推进方式，传统的螺旋桨推进方式推进效率低，噪声大，灵活性不高，同时适应环境的能力较差。而自然界中许多生物经历多年的进化和自然界的淘汰，其运动机理在推进方式，推进效率方面，有人类所设计的机械结构无法比拟的优势。因此，以生物为原型的仿生机器人便如雨后春笋般出现。[0004]水中的生物经过千百年的进化，具有各种各样的游动机理和推进方式，受此启发所形成的水下推进方式也数不胜数。蛙类是最先从水里进化到陆地上生活的脊椎两栖动物，兼具高效的游动和跳跃运动方式，它依靠其发达的后腿，在水陆都具备很强的运动能力。青蛙四肢较为强壮，腿长占总身长比例很大，脚趾间有蹼，增加推进时踩水面积，拥有略尖的头部，以及偏平的躯干，有利于在减小自身阻力的同时，有较大的推动力，使得青蛙在水里能通过腿部的往复伸展运动实现水中的快速游动和快速转向。[0005]面对人类无法轻易到达或较危险的地方，如果能有一种机器人可以应对复杂的外界环境的同时能够作为探测设备，操作设备，通讯设备以及武器系统的载体，则在能源探索、反恐救灾、科学研宄、气象探测等领域能起到重要作用。[0006]现有的仿青蛙跳跃机构以气动肌肉为驱动器，每个关节由一个气动肌肉和一个复位弹簧驱动，可完成青蛙的仿生蹬腿、收腿等动作。但是该机构的髋关节仅有水平面上的一个转动自由度，仅能进行水平方向的蹬腿与收腿运动，无法进行后退的姿态调整，运动方式有限，无法进行下潜与上浮等复杂动作。发明内容[0007]本发明是为解决现有的仿青蛙机器人的髋关节仅有水平面上的一个转动自由度，仅能进行水平方向的蹬腿与收腿运动，无法进行后退的姿态调整，运动方式有限，无法进行下潜与上浮等复杂动作的问题，进而提出一种仿青蛙机器人髋关节。该髋关节可以使仿青蛙机器人完成后腿的蜷缩运动与合拢运动。[0008]本发明的技术方案是：[0009]仿青蛙机器人髋关节，它包括传动轴、第一动力机构、传动机构、传动杆、左腿连接模块、右腿连接模块、左腿连杆、右腿连杆、左腿合拢驱动机构、右腿合拢驱动机构、第二动力机构和机架;机架上安装有传动轴，第一动力机构驱动传动轴相对机架转动，传动轴驱动安装在机架上的传动机构以及安装在传动机构输出端上的左腿连接模块同步旋转，左腿连接模块和右腿连接模块通过传动杆连接，右腿连接模块安装在机架上并能与左腿连接模块同步旋转作蜷缩运动；[0010]位于左腿连接模块和右腿连接模块之间的机架上设有左腿合拢驱动机构和右腿合拢驱动机构，左腿连杆的两端分别与左腿合拢驱动机构的输出端及左腿连接模块较接，右腿连杆的两端分别与右腿合拢驱动机构的输出端及右腿连接模块铰接，左腿连接模块和右腿连接模块能相向旋转作合拢运动。[0011]进一步地，所述第一动力机构包括舵机一和蜗轮蜗杆机构;舵机一的输出轴与蜗轮蜗杆机构的蜗杆连接，蜗轮蜗杆机构的蜗轮套装在传动轴上。[0012]进一步地，所述传动机构为齿轮副，齿轮副的小齿轮套装在传动轴的一端部，齿轮副的大齿轮转动安装在机架上，大齿轮与左旋转模块固接，右旋转模块转动安装在机架上，左旋转模块与右旋转模块通过传动杆连接，左腿连接模块铰接在左旋转模块上，右腿连接模块铰接在右旋转模块。[0013]进一步地，所述第二动力机构包括舵机二、连杆一、连杆二、连杆三、外滑块一、夕卜滑块二、滑轨一和滑轨二;滑轨一和滑轨二与传动轴平行设置，滑轨一和滑轨二安装在机架上，滑轨一上滑动设置有外滑块一，滑轨二上滑动设置有外滑块二，连杆一的两端分别与连杆二和连杆三的一端铰接，连杆二的另一端与外滑块一铰接，连杆三的另一端与外滑块二铰接，外滑块一上固接有左腿合拢驱动机构，外滑块二上固接有右腿合拢驱动机构，舵机二的外壳固定在机架上，航机二的输出轴安装在连杆一上。[0014]进一步地，左腿合拢驱动机构和右腿合拢驱动机构结构相同；包括外套、连接轴、连接模块、内套和挡板;外滑块一和外滑块二分别与外套连接，外套内布置有内套，内套内布置有连接轴，连接模块滑动设置在连接轴的一端，左腿合拢驱动机构上的连接模块与左腿连杆铰接，右腿合拢驱动机构上的连接模块与右腿连杆铰接。[0015]本发明相比现有技术的有益效果是：[0016]1.为仿青蛙机器人的髋关节增加两个自由度，使其能完成腿部蜷缩运动与合拢运动，姿态可调整，使青蛙后腿的运动由平面运动转换为三维空间的运动；，[0017]2.新增的两个方向的运动与原来的髋关节运动各自之间无耦合，控制简单、稳定性高；[0018]3.新增的两个髋关节自由度的运动范围大，蜷缩运动0-180°，合拢运动0_90°，可进行下潜与上浮等复杂动作。[0019]4.合拢运动具有一定的柔性，更加近似于生物青蛙的运动，仿生性能良好。附图说明[0020]图1为本发明仿青蛙机器人髋关节的立体图；[0021]图2为本发明去掉舵机二的立体图；[0022]图3为本发明仿青蛙机器人髋关节截面图；[0023]图4为本发明仿青蛙机器人髋关节在仿青蛙机器人中的安装位置图。[0024]图中所示标号:舵机一1，舵机二2，蜗轮蜗杆机构3，传动轴4，齿轮副5，左旋转模块6,传动杆7,右旋转模块8,左腿连接模块9,右腿连接模块10,连杆一11、连杆二12,连杆三13,外滑块一14,外滑块二15,滑轨一16,滑轨二17,外套18-1，连接轴18-2,连接模块18-3，内套18-4，挡板18-6，左腿连杆20，右腿连杆21，机架24,编码器25。具体实施方式[0025]下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明。[0026]参见图1-图3说明，仿青蛙机器人髋关节，它包括传动轴4、第一动力机构A、传动机构B、传动杆7、左腿连接模块9、右腿连接模块10、左腿连杆20、右腿连杆21、左腿合拢驱动机构C、右腿合拢驱动机构D、第二动力机构F和机架24;[0027]机架24上安装有传动轴4，第一动力机构A驱动传动轴4相对机架24转动，传动轴4驱动安装在机架24上的传动机构B以及安装在传动机构B输出端上的左腿连接模块9同步旋转，左腿连接模块9和右腿连接模块10通过传动杆7连接，右腿连接模块10安装在机架24上并能与左腿连接模块9同步旋转作蜷缩运动；[0028]位于左腿连接模块9和右腿连接模块10之间的机架24上设有左腿合拢驱动机构C和右腿合拢驱动机构D，左腿连杆20的两端分别与左腿合拢驱动机构C的输出端及左腿连接模块9铰接，右腿连杆21的两端分别与右腿合拢驱动机构D的输出端及右腿连接模块10铰接，左腿连接模块9和右腿连接模块1〇能相向旋转作合拢运动。[0029]本实施方式的左腿连接模块9和右腿连接模块10既能在传动机构B的带动下整体转动作蜷缩运动，又能在左腿连杆2〇和右腿连杆21的带动下独立旋转，实现左腿连杆2〇和右腿连杆21相向转动作合拢运动。[0030]参见图2和图3说明，作为一优选的方案，第一动力机构A包括舵机一1和蜗轮蜗杆机构3;舵机一1的输出轴与蜗轮蜗杆机构3的蜗杆连接，蜗轮蜗杆机构3的蜗轮套装在传动轴4上。蜗轮蜗杆机构传动可靠，可传递较大的动力。[0031]传动机构B为齿轮副，齿轮副的小齿轮套装在传动轴4的一端部，齿轮副的大齿轮转动安装在机架24上，大齿轮与左旋转模块6固接，右旋转模块8转动安装在机架24上，左旋转模块6与右旋转模块8通过传动杆7连接，左腿连接模块9铰接在左旋转模块6上，右腿连接模块10铰接在右旋转模块8。齿轮副传动效率高。[0032]作为一个优选的方案，第二动力机构F包括舵机二2、连杆一11、连杆二I2、连杆三13、外滑块一14、外滑块二15、滑轨一16和滑轨二17;[0033]滑轨一16和滑轨二17与传动轴4平行设置，滑轨一16和滑轨二17安装在机架24上，滑轨一16上滑动设置有外滑块一14，滑轨二17上滑动设置有外滑块二15，连杆一11的两端分别与连杆二12和连杆三13的一端铰接，连杆二12的另一端与外滑块一14铰接，连杆三13的另一端与外滑块二15较接，外滑块一14上固接有左腿合拢驱动机构C，外滑块二15上固接有右腿合拢驱动机构D，舵机二2的外壳固定在机架对上，舵机二2的输出轴安装在连杆一11上。连杆一11、连杆二12和左外滑块14构成连杆滑块机构，同样，连杆一11、连杆三13和右外滑块15构成连杆滑块机构。[0034]参见图3说明，左腿合拢驱动机构C和右腿合拢驱动机构D结构相同；包括外套18-1、连接轴18-2、连接模块18-3、内套18-4和挡板18-6;[0035]外滑块一14和外滑块二15分别与外套18-1连接，外套18-1内布置有内套18-4,内套18-4内布置有连接轴18-2,连接模块18-3滑动设置在连接轴18-2的一端，左腿合拢驱动机构C上的连接模块18-3与左腿连杆20铰接，右腿合拢驱动机构D上的连接模块18-3与右腿连杆21铰接。上述方案中，连接轴18-2通过压力轴承18-5安装在内套18-4内，外套18-1布置在机架24上，机架24插入齿轮副的大齿轮的孔和右旋转模块8空腔内，左腿连杆20伸入左旋转模块6的空腔内与布置在机架24内的左腿合拢驱动机构C上的连接模块18-3铰接，右腿连杆21伸入右旋转模块8的空腔内与布置在机架24内的右腿合拢驱动机构D上的连接模块18-3铰接，进而实现防青蛙合拢运动。[0036]参见图2说明，作为一种优选方案，机架24主要由依次固接为一起的左固定支架24-1、主框架24-3和右固定支架24-2和组成，传动轴4转动安装在左固定支架24-1和右固定支架24-2上，齿轮副3的大齿轮转动安装在左固定支架24-1上，左固定支架24-1和右固定支架24-2为带有安装支耳中空轮式结构，主框架24-3为与传动轴4平行布置的上部开口的筒形结构，主框架24-3两端插装在左固定支架24-1和右固定支架24-2上，左腿合拢驱动机构C和右腿合拢驱动机构D布置在主框架24-3槽内，在左侧，连接模块18-3延伸至左旋转模块6空腔内并与左腿连杆20铰接，在右侧，连接模块18-3延伸至右旋转模块8空腔内并与右腿连杆21铰接。[0037]参见图3所示，左腿合拢驱动机构C上的连接轴18-2或右腿合拢驱动机构D上的连接轴18-2的另一端还连接有编码器25，编码器25固定在外套18_1内。左腿连接模块9通过左腿连杆20将旋转运动传递给连接模块18_3,并带动连接轴18-2运动，与其相连的编码器25便可测量出后腿蜷缩运动的运动角度。在这里，作为一种优选方案，编码器25为绝对编码ag:vp〇[0038]参见图3所示，为了使机器人腿部的合拢运动具有一定的柔性，更加近似于生物青蛙的运动，仿生性能良好，连接模块18-3与内套18-4之间布置有与二者相抵的弹簧18-7,连接轴18-2的一端部还固装有挡板18-6,连接模块18-3与挡板18-6之间布置有与二者相抵的弹簧18-7。在左腿合拢驱动机构C或右腿合拢驱动机构D的结构中，由于与左腿连杆20相连的连接模块18-3左右两侧均有弹簧，其运动具有一定的弹性。[0039]工作过程[0040]参见图1-图4说明，该髋关节安装在仿青蛙机器人身体的尾部，并通过左腿连接模块9和右腿连接模块10分别与机器人的左右腿相连，如图4建立XYZ三轴坐标系。[0041]仿青蛙机器人的腿部的蜷缩运动和合拢运动可以理解为腿部安装模块分别沿如图X轴和Y轴的旋转运动。而该运动分别由舵机1和舵机2控制。[0042]首先分析腿部的蜷缩运动，该运动由舵机1控制，舵机1安装在青蛙机器人本体上，通过蜗轮蜗杆传动机构3带动传动轴4运动，再通过齿轮副5，将转动传递给左旋转模块6，带动左腿连接模块9转动，并通过传动杆7将旋转传递给右旋转模块8，带动右腿连接模块1〇转动，左右腿连接模块9、10各自带动机器人左右后腿运动，最终实现机器人后腿绕X轴转动，即仿青蛙机器人腿部的蜷缩运动。[0043]机器人后腿在蜷缩运动时，左腿连接模块9通过左腿连杆20将旋转运动传递给连接模块18-3,并带动连接轴18-2运动，或者右腿连接模块10通过右腿连杆21旋转运动传递给连接模块18-3,与连接轴18-2相连的编码器25便可测量出后腿蜷缩运动的运动角度。[0044]再分析腿部的合拢运动，该运动由舵机2控制，左右腿的合拢运动原理相同，传动结构相同，位置对称安装，以左腿的合拢运动为例，舵机2转动，带动连杆一11运动，连杆一11、连杆二12、外滑块一14构成连杆滑块机构，将舵机2的旋转运动转化为外滑块一14在滑轨一16上的平移运动，进而带动与其相连的外套18-1、内套18-4、连接轴18_2以及连接模块18-3在主架24内部的平移运动，再通过左腿连杆2〇带动左腿连接模块9绕轴转动，进而带动机器人左腿完成合拢运动，即绕Y轴方向的转动。右腿的合拢运动同理。[0045]左腿合拢驱动机构C和右腿合拢驱动机构D的结构中，由于与左腿连杆20相连的连接模块18-3左右两侧均有弹簧1S_7,其运动具有一定的弹性，因此机器人腿部的合拢运动具有一定的柔性，更加近似于生物青蛙的运动，仿生性能良好。[0046]本发明己以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施案例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案范围。

权利要求：1.仿青蛙机器人髋关节，其特征在于：它包括传动轴4、第一动力机构A、传动机构⑻、传动杆⑺、左腿连接模块⑼、右腿连接模块（1〇、左腿连杆20、右腿连杆21、左腿合拢驱动机构C、右腿合拢驱动机构D、第二动力机构F和机架24;机架24上安装有传动轴⑷，第一动力机构A驱动传动轴4相对机架24转动，传动轴⑷驱动安装在机架24上的传动机构⑻以及安装在传动机构⑻输出端上的左腿连接模块9同步旋转，左腿连接模块9和右腿连接模块1〇通过传动杆7连接，右腿连接模块10安装在机架24上并能与左腿连接模块9同步旋转作蜷缩运动；位于左腿连接模块9和右腿连接模块（10之间的机架24上设有左腿合拢驱动机构0和右腿合拢驱动机构D，左腿连杆20的两端分别与左腿合拢驱动机构0的输出端及左腿连接模块9铰接，右腿连杆21的两端分别与右腿合拢驱动机构0的输出端及右腿连接模块10铰接，左腿连接模块9和右腿连接模块1〇能相向旋转作合拢运动。2.根据权利要求1所述仿青蛙机器人髋关节，其特征在于:所述第一动力机构A包括舵机一（1和蜗轮蜗杆机构3;舵机一（1的输出轴与蜗轮蜗杆机构3的蜗杆连接，蜗轮蜗杆机构3的蜗轮套装在传动轴4上。3.根据权利要求2所述仿青蛙机器人髋关节，其特征在于:所述传动机构⑻为齿轮副，齿轮副的小齿轮套装在传动轴⑷的一端部，齿轮副的大齿轮转动安装在机架24上，大齿轮与左旋转模块¢3固接，右旋转模块8转动安装在机架24上，左旋转模块6与右旋转模块8通过传动杆7连接，左腿连接模块（9铰接在左旋转模块6上，右腿连接模块10铰接在右旋转模块8。4.根据权利要求3所述仿青蛙机器人髋关节，其特征在于:所述第二动力机构F包括舵机二（2、连杆一（11、连杆二（12、连杆三（13、外滑块一（14、外滑块二（15、滑轨一16和滑轨二（17;滑轨一（16和滑轨二（17与传动轴4平行设置，滑轨一（16和滑轨二（17安装在机架（24上，滑轨一（16上滑动设置有外滑块一（14，滑轨二（17上滑动设置有外滑块二15，连杆一（11的两端分别与连杆二（12和连杆三（13的一端铰接，连杆二（12的另一端与外滑块一（14铰接，连杆三（13的另一端与外滑块二（15铰接，外滑块一（14上固接有左腿合拢驱动机构C，外滑块二（15上固接有右腿合拢驱动机构⑼，舵机二⑵的外壳固定在机架24上，舵机二2的输出轴安装在连杆一11上。5.根据权利要求3或4所述仿青蛙机器人髋关节，其特征在于:左腿合拢驱动机构C和右腿合拢驱动机构D结构相同；包括外套（18-1、连接轴（18-2、连接模块（18-3、内套18-4和挡板18_6;外滑块一（14和外滑块二（15分别与外套（18-1连接，外套18-1内布置有内套（18-4，内套18-4内布置有连接轴（18-2，连接模块18-3滑动设置在连接轴（18-2的一端，左腿合拢驱动机构0上的连接模块18-3与左腿连杆20铰接，右腿合拢驱动机构〇上的连接模块18-3与右腿连杆21铰接。6.根据权利要求5所述仿青蛙机器人髋关节，其特征在于：左腿合拢驱动机构C上的连接轴（18-2或右腿合拢驱动机构0上的连接轴（18-2的另一端还连接有编码器25，编码器25固定在外套（1S-1内。7.根据权利要求6所述仿青蛙机器人髋关节，其特征在于:连接模块18-3与内套18-4之间布置有与二者相抵的弹簧（18-7，连接轴（18-2的一端部还固装有挡板（18-6，连接模块18-3与挡板18-6之间布置有与二者相抵的弹簧18-7。8.根据权利要求7所述仿青蛙机器人髋关节，其特征在于:所述编码器25为绝对编码器。

百度查询： 哈尔滨工业大学 仿青蛙机器人髋关节

免责声明
1、本报告根据公开、合法渠道获得相关数据和信息，力求客观、公正，但并不保证数据的最终完整性和准确性。
2、报告中的分析和结论仅反映本公司于发布本报告当日的职业理解，仅供参考使用，不能作为本公司承担任何法律责任的依据或者凭证。

阅读全文 双屏查看 官方信息 专利公告 收藏专利 下载PDF 下载WORD