基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人及其控制方法

本发明涉及机器人，具体为基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人及其控制方法。

背景技术：

1、学者们通过对青蛙游动和跳跃时四肢的周期性运动进行仔细观察，深入分析运动过程中骨骼角度等关键运动学信息，进而设计出了更为简洁和紧凑的仿青蛙模型。这些设计已在实际应用中发挥作用。

2、例如中国专利公布号cn114889719a公开了一种基于凸轮突变的仿生青蛙弹跳机器人，包括壳体、安装在壳体内的跳跃装置、以及用于控制跳跃装置跳跃的控制装置；壳体包括外壳、设于外壳下方的下底板、以及用于连接外壳和下底板的两个侧边挡板；所述外壳通过螺栓与两个侧边挡板固定连接，两个侧边挡板通过螺栓与下底板固定连接。利用凸轮机构转动时将自身行程量转化为弹簧压缩量使其储能，凸轮在回程时突变，瞬间释放弹簧能量，作用于后肢形成蹬地动作进行跳跃；利用摄像头通过分析捕捉到的颜色信号判断跳跃方向，舵机转动控制舵机臂带动前肢摆动，从而实现转向功能。本发明结构合理，性能优越，成本低，迎合市场需求，可用来满足人们的娱乐需求。

3、上述的技术方案采用凸轮机构和弹簧进行蓄能，该种蓄能方式能够释放的势能是较为有限的，面对高跳跃的实验，往往无法完成，且难以调整跳跃前后的姿态。

4、基于此，本发明设计了基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人及其控制方法，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人，基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人及其控制方法，包括躯干部、前腿部和后腿部，所述后腿部采用叠放式双层结构，增加结构强度，所述躯干部内设置动力部件，动力部件独立给前腿部和后腿部提供动力，所述后腿部采用多连杆后腿结构，多连杆后腿结构为由连杆结构组成的大腿杆、小腿杆以及脚蹼杆；

3、所述多连杆后腿结构上设置有储能组件，所述储能组件包括设置在大腿杆上的大腿储能弹簧组以及设置在小腿杆上的小腿储能弹簧组，大腿储能弹簧组和小腿储能弹簧组均可为弹跳提供弹性蓄能；

4、所述多连杆后腿结构上设置传动部件，所述传动部件包括齿轮传动件、卷筒以及拉绳，动力部件对齿轮传动件进行驱动，齿轮传动件在转动时带动卷筒进行同步旋转，对拉绳进行收卷，拉绳的末端安装在小腿杆上；

5、齿轮传动件在转动完一个周期前，卷筒收卷过程中，储能组件进行弹性蓄能，齿轮传动件在转动完一个周期后，储能组件释放势能，势能驱动脚蹼杆弹跳带动机器人向前跳跃；

6、前腿部在后腿部弹跳前，转动至利于起跳的最高姿态位，前腿部在后腿部弹跳后未落地前，转动至利于落地缓冲的最低姿态位。

7、在进一步的方案中，所述躯干部外部采用铝合金外壳，动力部件以及其控制电路板安装在铝合金外壳内部。

8、在进一步的方案中，所述多连杆后腿结构为四连杆结构，该四连杆结构为平行四边形；

9、其中，大腿杆为平行设置的杆一和杆二，小腿杆为平行设置的杆三和杆四，杆一、杆二的首端铰接在躯干部上，杆一的尾端与杆三的首端铰接，杆二的尾端与杆三的中部铰接，杆二的中部与杆四的首端铰接，脚蹼杆的首端与杆四的尾端铰接，脚蹼杆的中部与杆三的尾端铰接。

10、在进一步的方案中，所述杆一、杆二、杆四以及脚蹼杆均设计为叠放式且中间留有间隙的双层结构，用于增加结构强度，双层结构之间通过轴进行连接；

11、所述杆三为单层结构，且杆三连接在杆一以及脚蹼杆的双层结构间隙中间。

12、在进一步的方案中，所述大腿储能弹簧组为双大腿杆弹簧，双大腿杆弹簧的两端分别连接在杆一的尾端以及杆二的首端；小腿储能弹簧组为双小腿杆弹簧，双小腿杆弹簧的两端分别连接在杆二的尾端以及脚蹼杆的首端。

13、在进一步的方案中，所述齿轮传动件包括主动不完全齿轮和从动齿轮，所述动力部件驱动主动不完全齿轮，主动不完全齿轮可与从动齿轮部分啮合，从动齿轮与杆一同轴连接。

14、在进一步的方案中，所述卷筒与从动齿轮同轴连接，拉绳的末端安装在杆四的首端上。

15、在进一步的方案中，所述前腿部包括转轮和前腿弹片，前腿弹片为具有弹性的钢片，其端部安装在转轮的轴心位置。

16、在进一步的方案中，所述动力部件包括电机一以及电机二，所述电机一驱动前腿部，所述电机二驱动后腿部。

17、在进一步的方案中，所述动力部件的通过内设的蓄电池供电或外接电源供电。

18、本发明还提出基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人的控制方法：

19、电机二的输出轴顺时针转动，通过主动不完全齿轮、从动齿轮带动卷筒转动，卷筒带动拉绳使其缠绕在卷筒上，拉绳缩短带动多连杆后腿结构变形，大腿储能弹簧组和小腿储能弹簧组不断被拉长，直至达到最大值，机器人呈深蹲姿态；

20、电机二继续转动，此时主动不完全齿轮的无齿部分转动到和从动齿轮啮合的位置，主动不完全齿轮无法继续带动从动齿轮旋转，电机二停止转动，从动齿轮在大腿储能弹簧组和小腿储能弹簧组的拉力间接作用下反转，拉绳伸长、弹簧缩短，脚蹼杆瞬间向后下方的运动趋势使机器人向前跳跃；

21、此时电机一输出轴顺时针转动，带动前腿弹片向前伸出，做出落地准备姿态；

22、机器人落地后，电机一和电机二反向旋转，使前腿部和后腿部分别恢复至起跳前的位置，从而可以使机器人连续跳跃。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

24、(1)本发明通过将后腿部设计为多连杆后腿结构，且在多连杆后腿结构中间设置大腿储能弹簧组和小腿储能弹簧组均可为弹跳提供弹性蓄能，可以实现单边四组弹簧作为蓄能，使得在进行蓄能后能够爆发出更大的跳跃弹性势能，基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人及其控制方法能够完成更高高度的实验；

25、(2)本发明通过将后腿部采用叠放式双层结构，增加结构强度，且可以在蓄能时完成平趴的动作，便于保持起跳前的动作姿态；

26、(3)本发明通过动力部件带动卷筒和拉绳对后腿部进行蓄能拉动，其行程可以比一般的动作机构更长，使得卷筒和拉绳配合多连杆后腿结构可以完成更大的蓄能；

27、(4)本发明通过将动力部件独立给前腿部和后腿部提供动力，使得前腿部在后腿部弹跳前，转动至利于起跳的最高姿态位，前腿部在后腿部弹跳后未落地前，转动至利于落地缓冲的最低姿态位，这种姿态调整方式可以保持跳跃的稳定，以及在跳跃后可以实现缓冲保护。

技术特征：

1.基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人，包括躯干部(1)、前腿部(2)和后腿部(3)，其特征在于：所述后腿部(3)采用叠放式双层结构，增加结构强度，所述躯干部(1)内设置动力部件(4)，动力部件(4)独立给前腿部(2)和后腿部(3)提供动力，所述后腿部(3)采用多连杆后腿结构，多连杆后腿结构为由连杆结构组成的大腿杆(301)、小腿杆(302)以及脚蹼杆(303)；

2.根据权利要求1所述的基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人，其特征在于：所述躯干部(1)外部采用铝合金外壳，动力部件(4)以及其控制电路板安装在铝合金外壳内部。

3.根据权利要求1所述的基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人，其特征在于：所述多连杆后腿结构为四连杆结构，该四连杆结构为平行四边形；

4.根据权利要求3所述的基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人，其特征在于：所述杆一(301a)、杆二(301b)、杆四(302b)以及脚蹼杆(303)均设计为叠放式且中间留有间隙的双层结构，用于增加结构强度，双层结构之间通过轴进行连接；

5.根据权利要求3所述的基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人，其特征在于：所述大腿储能弹簧组为双大腿杆弹簧(501)，双大腿杆弹簧(501)的两端分别连接在杆一(301a)的尾端以及杆二(301b)的首端；小腿储能弹簧组为双小腿杆弹簧(502)，双小腿杆弹簧(502)的两端分别连接在杆二(301b)的尾端以及脚蹼杆(303)的首端。

6.根据权利要求3所述的基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人，其特征在于：所述齿轮传动件(601)包括主动不完全齿轮(6011)和从动齿轮(6012)，所述动力部件(4)驱动主动不完全齿轮(6011)，主动不完全齿轮(6011)可与从动齿轮(6012)部分啮合，从动齿轮(6012)与杆一(301a)同轴连接。

7.根据权利要求6所述的基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人，其特征在于：所述卷筒(602)与从动齿轮(6012)同轴连接，拉绳(603)的末端安装在杆四(302b)的首端上。

8.根据权利要求1所述的基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人，其特征在于：所述前腿部(2)包括转轮(201)和前腿弹片(202)，前腿弹片(202)为具有弹性的钢片，其端部安装在转轮(201)的轴心位置。

9.根据权利要求1所述的基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人，其特征在于：所述动力部件(4)包括电机一(401)以及电机二(402)，所述电机一(401)驱动前腿部(2)，所述电机二(402)驱动后腿部(3)。

10.根据权利要求1-9任意一个所述的基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人的控制方法，其特征在于：

技术总结本发明公开了机器人技术领域的基于连杆机构的仿青蛙连续跳跃机器人及其控制方法，包括躯干部、前腿部和后腿部，所述躯干部内设置动力部件，动力部件独立给前腿部和后腿部提供动力，所述后腿部采用多连杆后腿结构，多连杆后腿结构为由连杆结构组成的大腿杆、小腿杆以及脚蹼杆；所述多连杆后腿结构上设置有储能组件，所述多连杆后腿结构上设置传动部件，齿轮传动件在转动完一个周期前，卷筒收卷过程中，储能组件进行弹性蓄能，齿轮传动件在转动完一个周期后，储能组件释放势能，势能驱动脚蹼杆弹跳带动机器人向前跳跃；前腿部在后腿部弹跳前，转动至利于起跳的最高姿态位，前腿部在后腿部弹跳后未落地前，转动至利于落地缓冲的最低姿态位。技术研发人员：曹洁洁,满增光,聂家安,张哲元,华岩,魏家可,杜逸博受保护的技术使用者：常熟理工学院技术研发日：技术公布日：2024/6/20