仿鴕鳥后肢運動功能特性的節能步行腿機構制造技術

本實用新型專利技術公開了一種仿鴕鳥后肢運動功能特性的節能步行腿機構，由機架、曲柄連桿機構、回彈機構和足趾組成，曲柄連桿機構包括曲柄、大腿以及搖桿，回彈機構包括定滑塊、小腿、動滑塊、連桿、彈簧、擋塊、棘輪機構、閘線、角度限制器和跖骨；本實用新型專利技術設計基于鴕鳥后肢的尺寸參數以及鴕鳥跗骨間關節的回彈特性，通過模仿鴕鳥后肢運動設計一種節能、高效的步行腿。利用彈簧壓縮時產生的回彈力，來實現跖骨的自動伸展，減少能量損耗。通過模仿鴕鳥后肢運動功能特性的節能步行腿能夠實現節能、高效的目標。

【技術實現步驟摘要】

本技術屬于機器人領域，涉及一種仿鴕鳥后肢運動功能特性的節能步行腿機構。
技術介紹
鴕鳥是目前世界上奔跑最快的兩足動物。研究顯示，在鴕鳥腿從彎曲狀態到伸張過程中，當小腿與跖骨的角度大于108°時，鴕鳥跖骨會自動伸張。這種被動的伸張過程，能夠節約鴕鳥運動的能量消耗。同時，鴕鳥在沙漠中的奔跑速度能夠達到50-60Km/h，并能夠持續30分鐘。由于鴕鳥運動具備節能和高速特征，鴕鳥在速度和節能方面比其他雙足動物更加優越。根據工程仿生學原理，可將鴕鳥的優越性能應用到雙足機器人的設計當中。美國國防研究高級計劃局資助研制的“快跑者”鴕鳥形機器人能在15秒之內從靜止加速到32千米/小時，最大時速43千米，并于2012年制造并測試。來自俄羅斯的四人團體，已經做出了一臺造價僅1500美元的可載人鴕鳥機器人。盡管國外對鴕鳥機器人進行了初步研究，但是主要考慮運動速度和造價，目前尚未發現結構簡單、低能耗的仿鴕鳥后肢節能步行腿機構相關研究報道。本技術以高效運動的鴕鳥后肢為仿生原型，通過鴕鳥奔跑后肢運動參數分析，結合生物解剖學，確定了鴕鳥后肢結構尺寸，并根據鴕鳥跗骨間關節回彈特性，優化設計出結構簡單、高效節能的步行腿機構。
技術實現思路
為解決上述技術問題，本技術提供一種仿鴕鳥后肢運動功能特性的節能步行腿機構。本技術使鴕鳥機器人能夠模仿鴕鳥行走姿態，并具有結構簡單、高效節能的優點。本技術以高效運動的鴕鳥后肢為仿生原型，>通過鴕鳥奔跑后肢運動參數分析，結合生物解剖學，確定了鴕鳥后肢結構尺寸，并根據鴕鳥跗骨間關節回彈特性，優化設計出結構簡單、高效節能的步行腿機構。本技術包括機架、曲柄連桿機構、回彈機構和足趾；曲柄連桿機構包括曲柄、大腿以及搖桿；回彈機構包括定滑塊、連桿、跖骨、閘線、小腿、擋塊、彈簧、動滑塊、棘爪、棘輪和角度限制器；足趾為柔性儲能材料制作而成；回彈機構中的定滑塊固定在機架上，小腿與定滑塊組成滑動副；彈簧底端與擋塊接觸，擋塊固定在小腿上，彈簧另一端與動滑塊接觸，動滑塊可以在小腿上滑動；動滑塊通過連桿與跖骨相連；跖骨與小腿通過角度限制器鉸接，棘輪機構包括棘爪和棘輪，棘輪機構安裝在跖骨與小腿的鉸接處；閘線一端固定在棘爪上，閘線另一端與動滑塊相連；跖骨底端通過扭轉彈簧與足趾鉸接，不受外力作用時，跖骨與足趾相夾的角度為120°。所述的足趾觸地期所對應的曲柄轉角與足趾離地期所對應的曲柄轉角比為5:19，并且足趾觸地期與離地期時間相同。本技術的有益效果：1、整體采用連桿機構，并且只使用一臺電動機進行動力輸入，節約制造成本，整體結構緊湊，有利于減少能量傳遞損失以及提高機構運行的可靠性。2、以高效運動的鴕鳥后肢為仿生原型，通過鴕鳥奔跑后肢運動參數分析，結合生物解剖學，確定了鴕鳥后肢結構尺寸，并根據鴕鳥跗骨間關節回彈特性，優化設計出結構簡單、高效節能的步行腿機構。附圖說明圖1是本技術的節能步行腿機構立體示意圖。圖2是本技術的側視圖。圖3是本技術棘輪機構和角度限制器的立體示意圖。圖4是本技術棘輪機構的立體示意圖。其中：1-機架；2-搖桿；3-大腿；4-第一鉸點；5-定滑塊；6-連桿；7-第二鉸點；8-跖骨；9-足趾；10-棘輪機構；11-閘線；12-小腿；13-擋塊；14-彈簧；15-動滑塊；16-曲柄；17-棘爪；18-棘輪；19-角度限制器。具體實施方式請參閱圖1、圖2、圖3和圖4所示，本技術包括機架1、曲柄連桿機構、回彈機構和足趾9；曲柄連桿機構包括曲柄16、大腿3以及搖桿2；回彈機構包括定滑塊5、連桿6、跖骨8、閘線11、小腿12、擋塊13、彈簧14、動滑塊15、棘爪17、棘輪18和角度限制器19；足趾9為柔性儲能材料制作而成。如圖2所示，回彈機構中的定滑塊5固定在機架1上，小腿12與定滑塊5組成滑動副；彈簧14底端與擋塊13接觸，擋塊13固定在小腿12上，彈簧14另一端與動滑塊15接觸，動滑塊15可以在小腿12上滑動；動滑塊15通過連桿6與跖骨8相連；跖骨8與小腿12通過角度限制器19鉸接，棘輪機構10包括棘爪17和棘輪18，棘輪機構10安裝在跖骨8與小腿12的鉸接處；閘線11一端固定在棘爪17上，閘線11另一端與動滑塊15相連；跖骨8底端通過扭轉彈簧與足趾9鉸接，不受外力作用時，跖骨8與足趾9相夾的角度為120°。所述的足趾9觸地期所對應的曲柄16轉角與足趾9離地期所對應的曲柄16轉角比為5:19，并且足趾9觸地期與離地期時間相同。本技術的工作過程：以節能步行腿機構運動一個周期為例：以足趾9將要離地的位置為起點，曲柄16逆時針旋轉。曲柄16帶動小腿12向上運動，小腿12的運動可以分解為繞第一鉸點4的轉動和相對定滑塊5向上的運動。此時，擋塊13固定在小腿12上，相對于小腿12靜止，由于小腿12向上運動且定滑塊5固定不動，動滑塊15在定滑塊5擠壓下沿著小腿12向下運動，使彈簧14壓縮，儲存能量，并且動滑塊15向下運動時拉動閘線11，使棘爪17抬起，自鎖解除，跖骨8可以繞第二鉸點7逆時針轉動；同時，動滑塊15通過連桿6作用于跖骨8頂端，使其繞第二鉸點7做逆時針轉動，完成抬腿的動作。曲柄16轉過最高點至與小腿12共線后，帶動小腿12向下運動過程，其運動可以分解為繞第一鉸點4的轉動和相對定滑塊5向下的運動。此時，擋塊13隨著小腿12向下運動，由于定滑塊5固定不動，擋塊13與定滑塊5之間的間距逐漸增大，動滑塊15在彈簧14的反彈作用下沿著小腿12向上運動，實現仿鴕鳥后肢的回彈特性，同時，松閘線11，棘爪17回落，棘爪17與棘輪18形成自鎖機構，使跖骨8不能繞第二鉸點7做逆時針轉動；并且動滑塊15通過連桿6作用于跖骨8頂端，使其繞第二鉸點7做順時針轉動，在角度限制器19的作用下，使跖骨8與小腿12的最大夾角為168°，為足趾9觸地做準備。本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種仿鴕鳥后肢運動功能特性的節能步行腿機構，其特征在于：包括機架(1)、曲柄連桿機構、回彈機構和足趾(9)；曲柄連桿機構包括曲柄(16)、大腿(3)以及搖桿(2)；回彈機構包括定滑塊(15)、連桿(6)、跖骨(8)、閘線(11)、小腿(12)、擋塊(13)、彈簧(14)、動滑塊(15)、棘爪(17)、棘輪(18)和角度限制器(19)；回彈機構中的定滑塊(5)固定在機架(1)上，小腿(12)與定滑塊(5)組成滑動副；彈簧(14)底端與擋塊(13)接觸，擋塊(13)固定在小腿(12)上，彈簧(14)另一端與動滑塊(15)接觸，動滑塊(15)可以在小腿(12)上滑動；動滑塊(15)通過連桿(6)與跖骨(8)相連；跖骨(8)與小腿(12)通過角度限制器(19)鉸接，棘輪機構(10)包括棘爪(17)和棘輪(18)，棘輪機構(10)安裝在跖骨(8)與小腿(12)的鉸接處；閘線(11)一端固定在棘爪(17)上，閘線(11)另一端與動滑塊(15)相連；跖骨(8)底端通過扭轉彈簧與足趾(9)鉸接，不受外力作用時，跖骨(8)與足趾(9)相夾的角度為120°。

【技術特征摘要】
1.一種仿鴕鳥后肢運動功能特性的節能步行腿機構，其特征在于：包括
機架(1)、曲柄連桿機構、回彈機構和足趾(9)；曲柄連桿機構包括曲柄(16)、
大腿(3)以及搖桿(2)；回彈機構包括定滑塊(15)、連桿(6)、跖骨(8)、
閘線(11)、小腿(12)、擋塊(13)、彈簧(14)、動滑塊(15)、棘爪(17)、
棘輪(18)和角度限制器(19)；
回彈機構中的定滑塊(5)固定在機架(1)上，小腿(12)與定滑塊(5)
組成滑動副；彈簧(14)底端與擋塊(13)接觸，擋塊(13)固定在小腿(12)
上，彈簧(14)另一端與動滑塊(15)接觸，動滑塊(15)可以在小腿(12)
上滑動；動滑塊(15)通過連桿(6)與跖骨(8)相連；跖骨(8)與小腿(12)
通過角度限制器...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張銳，何遠，馬松松，韓佃雷，江磊，蘇波，李建橋，
申請(專利權)人：吉林大學，
類型：新型
國別省市：吉林;22