一种仿鸵鸟后肢机械腿制造技术

本发明专利技术公开了一种仿鸵鸟后肢运动功能特性的仿生机械腿，包括机身、髋关节运动机构、膝关节运动机构和踝关节运动机构；髋关节运动机构由电机和曲柄摇杆机构组成，其中曲柄摇杆机构包括曲柄、股骨以及连杆；膝关节运动机构包括股骨、第一弹簧、胫骨、跖骨、闸线、下腓骨、第二弹簧、气压缸以及上腓骨；踝关节运动机构包括跖骨、第一趾节骨、第二趾节骨、第三趾节骨、第三扭簧、第二扭簧以及第一扭簧；本发明专利技术以能够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测试，结合生物解剖学分析，并根据鸵鸟肌腱‑骨骼以及肌肉‑肌腱的相互作用机制，优化设计出结构简单、安全可靠、振动性小、高效节能的仿鸵鸟后肢机械腿。

Ostrich hind limb mechanical leg

The invention discloses a bionic leg imitation ostrich hindlimb function characteristics, including body, hip and knee joint movement mechanism motion mechanism and ankle movement mechanism; hip joint movement mechanism comprises a motor and a crank rocker mechanism, the crank rocker mechanism comprises a crank, femur and knee joint movement mechanism comprises a connecting rod; femur first, spring, tibia, metatarsal, which, under the fibula, second springs, pneumatic cylinder and fibula; motion of ankle joint including metatarsal and first phalanx, second phalanx, third phalanx, third torsion spring, torsion spring second and the first torsion spring; the invention to efficient movement of ostrich hind as the bionic prototype, the ostrich run hindlimb movement parameter test, combined with biological anatomy analysis, and according to the ostrich bone and muscle tendon tendon The invention relates to a mechanism for optimizing the design of an ostrich rear limb mechanical leg which is simple in structure, safe and reliable, small in vibration, high efficiency and energy saving.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于仿生机器人领域，更具体地，涉及一种仿鸵鸟后肢机械腿。
技术介绍
鸵鸟的后肢强壮而有力，具有稳健、持久和高速奔跑的能力。鸵鸟持续奔跑速度约60km/h，冲刺速度超过70km/h，并可维持约30min而不感觉累，是陆地上跑得最快的两条腿动物。基于鸵鸟运动的节能和高速特征，鸵鸟在速度和节能方面比其他双足动物更加优越。机器人腿是机器人的重要组成部分,对足式机器人运动起着非常重要的作用。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腿部结构的设计中。2000年以来，国内外涌现了大量的仿生足式机器人，包括BISAM，HyQ，KOLT，BigDog，Aibo，ScoutⅡ，TITAN，LittleDog，Tekken。其中最具有代表性的是波士顿动力公司开发的BigDog，他不仅可以实现多种运动步态，还具有很强的环境适应能力和抗干扰的能力。谷歌旗下的Boston Dynamics公司最新研发的打不倒的ATRIAS机器人，是一个模仿动物腿部弹性筋腱结构的双足机器人，具有良好的稳定性。虽然国内外对仿生足式机器人的研究比较成熟，但是在仿生足式机器人腿部结构设计上还存在能源利用率低、结构复杂、控制困难、成本高等问题。另一方面,仿生足式机器人的足端结构单一，与地面产生较大冲击力，容易导致机器人产生振动，使其无法正常运作，严重时甚至损坏机器部件。本专利技术以能够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测试，结合生物解剖学分析，确定了鸵鸟后肢结构尺寸，并根据鸵鸟后肢肌腱-骨骼以及肌腱-肌肉的相互作用机制，优化设计出结构简单、安全可靠、振动性小、高效节能的仿生机械腿。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种仿鸵鸟后肢机械腿，本专利技术使仿生机械腿机构能够模仿鸵鸟的运动特征，并具有结构简单、减振以及高效节能的优点。本专利技术以能够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测试，结合生物解剖学分析，确定了鸵鸟后肢结构尺寸，并根据鸵鸟后肢肌腱-骨骼以及肌腱-肌肉的相互作用机制，优化设计出结构简单、安全可靠、振动性小、高效节能的仿生机械腿。本专利技术包括机身、髋关节运动机构、膝关节运动机构和踝关节运动机构。髋关节运动机构固定在机身上，髋关节运动机构带动膝关节运动机构运动，膝关节运动机构带动踝关节运动机构运动。髋关节运动机构由电机和曲柄摇杆机构组成，其中曲柄摇杆机构包括曲柄、股骨以及连杆。电机安装在机身上，电机驱动曲柄做顺时针转动，电机并通过曲柄摇杆机构将曲柄转动转换为股骨连续摆动。所述膝关节运动机构包括股骨、第一弹簧、胫骨、跖骨、闸线(跟腱)、下腓骨、第二弹簧、气压缸以及上腓骨。第一弹簧一端固定在股骨上，第一弹簧另一端固定在胫骨上。气压缸固定在上腓骨，第二弹簧一端与气压缸作用端相连，第二弹簧另一端与下腓骨相连。气压缸工作时，先作用于第二弹簧，通过第二弹簧发生形变产生的弹力作用于下腓骨，以此完成抬腿和伸腿的动作。闸线一端固定在气压缸作用端，闸线另一端固定在第一趾节骨接近G点的位置。踝关节运动机构包括跖骨、第一趾节骨、第二趾节骨、第三趾节骨、第三扭簧、第二扭簧、以及第一扭簧。跖骨与第一趾节骨之间通过第一扭簧联接，第一趾节骨与第二趾节骨之间通过第二扭簧联接，第二趾节骨与第三趾节骨之间通过第三扭簧联接；且在不受外力作用下，第一趾节骨与跖骨的初始夹角∠DHG为150°，第一趾节骨与第二趾节骨初始夹角∠HGF为180°，第二趾节骨与第三趾节骨的初始夹角∠GFE为150°。仿生机械腿关键杆件的尺寸比例为AC:CD:DH:DI:BI＝71:110:95:20:113，且跖骨末端拐角∠HDI为150°。本专利技术的有益效果：1、整体采用连杆机构和系列弹性元件，电机布置在机身上，气压缸也布置在近身端，减少能量损耗。并且结构简单，节约制造成本，整体结构紧凑，有利于提高机构运行的可靠性。2、利用曲柄摇杆机构的急回特性，有效减少空行程的时间，提高工作效率。电机连续转动，有利于提高机构运行的稳定性和能源利用率。3、采用气压缸与弹簧串联进行肌肉-肌腱相互作用机制的仿生。第二弹簧(肌腱)具有缓冲减振储能的作用，有效降低地面反作用力对仿生机械腿机构的破坏作用，提高机构运行的稳定性，同时将部分重力势能转化为弹性势能储存在弹簧中，并在趾节骨即将离地期间释放，减少能量损失。另外，当趾节骨将要离地时，气压缸(肌肉)通过第二弹簧作用于下腓骨，由于第二弹簧的缓冲延迟作用，气压缸作用端首先通过闸线作用于第一趾节骨，实现鸵鸟“蹬地”动作的仿生，增大仿生机械腿的牵引力。4、采用闸线和杆件配合进行肌腱-骨骼相互作用机制的仿生。仅通过一根闸线(跟腱)，一端连接第一趾节骨接近G点的位置，另一端连接在气压缸作用端，无需额外动力即可实现足部蹬地功能，从而减少腿部末端的质量，有效降低腿部的转动惯量，提高能量利用效率。由于闸线具有一定弹性，有利于进一步减少地面冲击破坏作用，具有缓冲减振的作用。5、趾节骨以与地面呈一稳定角度逐节接触地面，有效缓解地面的冲击，并将部分重力势能转化为弹性势能储存在扭簧中，实现节能减振的作用。另外，由于扭簧的作用，第二趾节骨和第三趾节骨产生插入地面的趋势，提高仿生机械腿的牵引性能。6、跖骨H点的运动轨迹与鸵鸟跗跖关节的运动轨迹相似，有利于仿生机械腿实现稳定节能高效地运动。附图说明图1是本专利技术第三趾节骨即将触地时的立体示意图。图2是本专利技术第三趾节骨触地过程中某一时刻的立体示意图。图3是本专利技术第三趾节骨离地过程中某一时刻的立体示意图。图4是本专利技术膝关节运动机构的立体示意图。其中：1-机身；2-股骨；3-第一弹簧；4-胫骨；5-跖骨；6-第一趾节骨；7-第二趾节骨；8-第三趾节骨；9-第三扭簧；10-第二扭簧；11-第一扭簧；12-闸线；13-下腓骨；14-第二弹簧；15-气压缸；16-上腓骨；17-电机；18-曲柄；19-连杆。具体实施方式请参阅图1、图2、图3和图4所示，本专利技术包括机身1、髋关节运动机构、膝关节运动机构和踝关节运动机构；所述髋关节运动机构固定在机身1上，髋关节运动机构带动膝关节运动机构运动，膝关节运动机构带动踝关节运动机构运动；髋关节运动机构由电机17和曲柄摇杆机构组成，其中曲柄摇杆机构包括曲柄18、股骨2以及连杆19；电机17安装在机身1上，电机17驱动曲柄18做顺时针转动，电机17并通过曲柄摇杆机构将曲柄18转动转换为股骨2连续摆动；所述膝关节运动机构包括股骨2、第一弹簧3、胫骨4、跖骨5、闸线12、下腓骨13、第二弹簧14、气压缸15以及上腓骨16；第一弹簧3一端固定在股骨2上，第一弹簧3另一端固定在胫骨4上；气压缸15固定在上腓骨16，第二弹簧14一端与气压缸15作用端相连，第二弹簧14另一端与下腓骨13相连；气压缸15工作时，先作用于第二弹簧14，通过第二弹簧14发生形变产生的弹力作用于下腓骨13，以此完成抬腿和伸腿的动作；闸线12一端固定在气压缸15作用端，闸线12另一端固定在第一趾节骨6接近G点的位置。所述踝关节运动机构包括跖骨5、第一趾节骨6、第二趾节骨7、第三趾节骨8、第三扭簧9、第二扭簧10以及第一扭簧11；跖骨5与第一趾节骨6之间通过第一扭簧11联接，第一趾节骨6与第二趾节骨7之间通过第二扭簧10联接，第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种仿鸵鸟后肢机械腿，其特征在于：包括机身(1)、髋关节运动机构、膝关节运动机构和踝关节运动机构；所述髋关节运动机构固定在机身(1)上，髋关节运动机构带动膝关节运动机构运动，膝关节运动机构带动踝关节运动机构运动；髋关节运动机构由电机(17)和曲柄摇杆机构组成，其中曲柄摇杆机构包括曲柄(18)、股骨(2)以及连杆(19)；电机(17)安装在机身(1)上，电机(17)驱动曲柄(18)做顺时针转动，电机(17)并通过曲柄摇杆机构将曲柄(18)转动转换为股骨(2)连续摆动；所述膝关节运动机构包括股骨(2)、第一弹簧(3)、胫骨(4)、跖骨(5)、闸线(12)、下腓骨(13)、第二弹簧(14)、气压缸(15)以及上腓骨(16)；第一弹簧(3)一端固定在股骨(2)上，第一弹簧(3)另一端固定在胫骨(4)上；气压缸(15)固定在上腓骨(16)，第二弹簧(14)一端与气压缸(15)作用端相连，第二弹簧(14)另一端与下腓骨(13)相连；气压缸(15)工作时，先作用于第二弹簧(14)，通过第二弹簧(14)发生形变产生的弹力作用于下腓骨(13)，以此完成抬腿和伸腿的动作；闸线(12)一端固定在气压缸(15)作用端，闸线(12)另一端固定在第一趾节骨(6)接近G点的位置。所述踝关节运动机构包括跖骨(5)、第一趾节骨(6)、第二趾节骨(7)、第三趾节骨(8)、第三扭簧(9)、第二扭簧(10)以及第一扭簧(11)；跖骨(5)与第一趾节骨(6)之间通过第一扭簧(11)联接，第一趾节骨(6)与第二趾节骨(7)之间通过第二扭簧(10)联接，第二趾节骨(7)与第三趾节骨(8)之间通过第三扭簧(9)联接；在不受外力作用下，第一趾节骨(6)与跖骨(5)的初始夹角∠DHG为150°，第一趾节骨(6)与第二趾节骨(7)初始夹角∠HGF为180°，第二趾节骨(7)与第三趾节骨(8)的初始夹角∠GFE为150°。...

【技术特征摘要】
1.一种仿鸵鸟后肢机械腿，其特征在于：包括机身(1)、髋关节运动机构、膝关节运动机构和踝关节运动机构；所述髋关节运动机构固定在机身(1)上，髋关节运动机构带动膝关节运动机构运动，膝关节运动机构带动踝关节运动机构运动；髋关节运动机构由电机(17)和曲柄摇杆机构组成，其中曲柄摇杆机构包括曲柄(18)、股骨(2)以及连杆(19)；电机(17)安装在机身(1)上，电机(17)驱动曲柄(18)做顺时针转动，电机(17)并通过曲柄摇杆机构将曲柄(18)转动转换为股骨(2)连续摆动；所述膝关节运动机构包括股骨(2)、第一弹簧(3)、胫骨(4)、跖骨(5)、闸线(12)、下腓骨(13)、第二弹簧(14)、气压缸(15)以及上腓骨(16)；第一弹簧(3)一端固定在股骨(2)上，第一弹簧(3)另一端固定在胫骨(4)上；气压缸(15)固定在上腓骨(16)，第二弹簧(14)一端与气压缸(15)作用端相连，第二弹簧(14)另一端与下腓骨(13)相连；气压缸(15)工作时，先作用于第二弹簧(14)，通过第二弹簧...

【专利技术属性】
技术研发人员：张锐，何远，韩佃雷，江磊，苏波，李建桥，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22