一种单腿跳跃机器人机构

摘要

本发明涉及一种单腿跳跃机器人机构，包括机器人躯干(6)和与其相连的机械腿；机器人躯干(6)上安装一俯仰惯量尾(8)、一偏航惯量尾(9)和一侧倾惯量尾(14)；俯仰惯量尾(8)、偏航惯量尾(9)和侧倾惯量尾(14)为有一定质量的长杆或者辐轮；俯仰惯量尾(8)位于机器人躯干(6)的后方，偏航惯量尾(9)位于机器人躯干(6)的下方，侧倾惯量尾(14)位于机器人躯干(6)的右侧；俯仰惯量尾(8)的后面平行于机器人躯干(6)后面安装；偏航惯量尾(9)底面平行于机器人躯干(6)底面安装；侧倾惯量尾(14)右侧面平行于机器人躯干(6)右侧面安装。本发明利用三个惯量尾控制单腿跳跃机器人机构的姿态，可以在真空环境下使用，实现全程姿态可控。

权利要求

1.一种单腿跳跃机器人机构，其特征在于：包括机器人躯干(6)和与其相连的机械腿；

机器人躯干(6)上安装一俯仰惯量尾(8)、一偏航惯量尾(9)和一侧倾惯量尾(14)；

俯仰惯量尾(8)、偏航惯量尾(9)和侧倾惯量尾(14)为有一定质量的长杆或者辐轮；

俯仰惯量尾(8)位于机器人躯干(6)的后方，偏航惯量尾(9)位于机器人躯干(6)的下方，侧倾惯量尾(14)位于机器人躯干(6)的右侧；俯仰惯量尾(8)的后面平行于机器人躯干(6)后面安装；偏航惯量尾(9)底面平行于机器人躯干(6)底面安装；侧倾惯量尾(14)右侧面平行于机器人躯干(6)右侧面安装；

机器人躯干(6)的后面安装俯仰惯量尾伺服电机(21)，俯仰惯量尾伺服电机(21)的输出轴与俯仰惯量尾(8)形心处相连；

机器人躯干(6)的底面安装偏航惯量尾伺服电机(19)，偏航惯量尾伺服电机(19)的输出轴与偏航惯量尾(9)形心处相连；

机器人躯干(6)的右面安装侧倾惯量尾伺服电机(20)，侧倾惯量尾伺服电机(20)的输出轴与侧倾惯量尾(14)形心处相连；

俯仰惯量尾(8)与机器人躯干(6)通过驱动铰链连接，俯仰惯量尾(8)由俯仰惯量尾伺服电机(21)驱动；偏航惯量尾(9)与机器人躯干(6)通过驱动铰链连接，偏航惯量尾(9)由偏航惯量尾伺服电机(19)驱动；侧倾惯量尾(14)与机器人躯干(6)通过驱动铰链连接，侧倾惯量尾(14)由侧倾惯量尾伺服电机(20)驱动；

偏航惯量尾伺服电机(19)的输出轴、侧倾惯量尾伺服电机(20)的输出轴和俯仰惯量尾伺服电机(21)的输出轴两两相互垂直；

机械腿由单自由度六杆机构组成，包括机械大腿构件(1)、第一辅助连杆(2)、第二辅助连杆(3)、第三辅助连杆(4)、机械小腿构件(5)和机器人足(7)；

机器人躯干(6)的后面左上方和机械大腿构件(1)的右端通过驱动铰链连接，机器人躯干(6)的前面左上方位置和第二辅助连杆(3)的右端通过铰链连接，机器人躯干(6)的前面左下方位置和第三辅助连杆(4)的右端通过铰链连接；第一辅助连杆(2)的左端和第二辅助连杆(3)的左端通过铰链连接，第一辅助连杆(2)的右端和第三辅助连杆(4)的左端通过铰链连接，第一辅助连杆(2)的中间和机械小腿构件(5)的左下端通过铰链连接，机械大腿构件(1)的左端与机械小腿构件(5)的左上端通过铰链连接，机械小腿构件(5)的右下端和机器人足(7)固接；

机械大腿构件(1)、第一辅助连杆(2)、第二辅助连杆(3)、第三辅助连杆(4)和机械小腿构件(5)的前面均平行于机器人躯干(6)的前面安装。

2.根据权利要求1所述的一种单腿跳跃机器人机构，其特征在于，机器人躯干(6)是一种由七个转动副构成的七副杆。

3.根据权利要求1所述的一种单腿跳跃机器人机构，其特征在于，机器人躯干(6)正面的左上方安装腿部伺服驱动器(15)，机械大腿构件(1)的右端和腿部伺服驱动器(15)的输出轴相连，机械大腿构件(1)由腿部伺服驱动器(15)驱动。

4.根据权利要求3所述的一种单腿跳跃机器人机构，其特征在于，设机器人躯干(6)与第三辅助连杆(4)连接的铰点为A，机器人躯干(6)与机械大腿构件(1)连接的铰点为B，机器人躯干(6)与第二辅助连杆(3)连接的铰点为C，第一辅助连杆(2)和第三辅助连杆(4)连接的铰点为D，机械大腿构件(1)与机械小腿构件(5)连接的铰点F，第一辅助连杆(2)和第二辅助连杆(3)连接的铰点为G，第一辅助连杆(2)和机械小腿构件(5)连接的铰点为H，机械小腿构件(5)和机器人足(7)连接的固接点为P，则AB、AC、AD、BC、CG、DG、DH、GH、FH、HP间的比例关系为：61.81:65.28:204.9:12.73:197.7:48.08:25.61:23.41:30.92:232.1。

5.根据权利要求1所述的一种单腿跳跃机器人机构，其特征在于，还包括机械臂；

机械臂为二自由度串联机械臂，由机械上臂构件(11)、机械下臂构件(13)、第一机械夹爪(10)和第二机械夹爪(12)构成；第一机械夹爪(10)和第二机械夹爪(12)关于机械下臂构件(13)顶端对称布置，第一机械夹爪(10)和第二机械夹爪(12)的前面平行于机器人躯干(6)的前面安装；第一机械夹爪(10)的底端为端面齿轮Ⅰ，第二机械夹爪(12)的底端为端面齿轮Ⅱ，端面齿轮Ⅰ和齿轮III(22)、齿轮IV(23)、齿轮V(24)互相啮合，端面齿轮Ⅱ和齿轮III(22)、齿轮IV(23)、齿轮V(24)互相啮合；齿轮III(22)和机械下臂构件(13)上端右方的固定轴相连，齿轮IV(23)和机械下臂构件(13)上端上方的固定轴相连，齿轮V(24)和机械下臂构件(13)上端左方的固定轴相连。

6.根据权利要求5所述的一种单腿跳跃机器人机构，其特征在于，机器人躯干(6)前面的右上方安装有上臂伺服电机(16)，机械上臂构件(11)的底端安装有下臂伺服电机(17)；

机械下臂构件(13)的顶端安装有夹爪伺服电机(18)；

机械上臂构件(11)的上端和上臂伺服电机(16)的输出轴相连，机械上臂构件(11)的前面平行于机器人躯干(6)的前面安装；机械上臂构件(11)的下端与机械下臂构件(13)的下端通过下臂伺服电机(17)的输出轴连接，机械下臂构件(13)的前面平行于机器人躯干(6)的前面安装；机械下臂构件(13)的上端与夹爪伺服电机(18)的输出轴相连；第一机械夹爪(10)的底端和夹爪伺服电机(18)的输出轴相连。

7.根据权利要求6所述的一种单腿跳跃机器人机构，其特征在于，第一机械夹爪(10)和第二机械夹爪(12)为勾形杆件。

8.根据权利要求5所述的一种单腿跳跃机器人机构，其特征在于，还包括控制器；

机器人躯干(6)的前面右方安装有惯性测量单元和全球定位系统集成模块，机器人躯干(6)的前面左方安装有无线通讯模块；无线通讯模块用于控制器与惯性测量单元和全球定位系统集成模块进行通讯。

9.根据权利要求8所述的一种单腿跳跃机器人机构，其特征在于，所述控制器为电脑。

说明书

一种单腿跳跃机器人机构

技术领域

[0001] 本发明属于机器人技术领域，涉及一种单腿跳跃机器人机构。

背景技术

[0002] 随着机器人市场的不断发展和逐步成熟，单纯的固定式机器人已经难以满足人们的生产生活需求，轮式机器人虽然满足了机器人可移动性的要求，但是其转弯半径大，对路
面要求高，难以在室内或者野外等非结构化、狭小或者离散的环境中灵活的移动；腿式机器
人则弥补了这一缺陷，腿式机器人可以按行走方式分为：步行、爬行和跳跃等；与步行和爬
行相比，跳跃具有能量密度大、越障效率高、地形转换快等优点，可以跳过障碍物、在离散的
地形上快速穿梭，在敏捷性和灵活性上达到新的高度。

[0003] 跳跃机器人不仅是目前研究的热点，更具有巨大的应用前景，机器人通过跳跃可以穿越不同的高度和不规则的地形，可以实现更为便捷的货运、设备检修、病人护送、抗灾
救援、环境侦查、星际探索等。本发明设计的是轻小型跳跃机器人机构，轻小型跳跃机器人
可以用于环境侦查、抗灾救援、设备检修、星际探索、轻小型物品货运等场景。

[0004] 目前跳跃机器人技术在欧美国家有所应用并出现了部分商业产品，主要代表是：美国宇航局(NASA)的六足轮腿式探月机器人Athlete；美国波士顿动力的轮腿式双臂机器
人Handle和美国加利福尼亚大学伯克利分校研究的仿生(仿夜猴)单腿跳跃机器人Salto。
其中Salto与本发明的技术方案最为接近，都能实现单腿机器人在三维空间内的可控跳跃，
但Salto所采用的为一个单自由度尾部机构加两个小螺旋桨推进器的姿态控制方案，在无
大气的星际探索过程中难以控制姿态，其腿部机构为末端轨迹为近似直线单自由度八杆机
构，杆件冗余。在国内跳跃机器人技术主要处于研究阶段，在部分高校和研究所内有所研
究，尚无商业化产品。

[0005] 相关国内外科研成果如下：目前跳跃机器人基本上能够实现平面内的跳跃，如申请号为CN201410763291.X的专利所公开的一种仿生跳跃机器人和申请号为
CN201711320994.5的专利所公开的一种仿袋鼠跳跃机器人。这些跳跃机器人只能在平面内
跳跃，只能微调飞行过程中的姿态，且因为其结构较为复杂、质量高导致其跳跃性能不佳，
而且不能控制落点和起跳速度，限制了跳跃机器人的进一步发展与应用。现有的跳跃机器
人实现姿态调节的方式，主要有：①采用单自由度尾部机构，如文献《MSU Tailbot:
Controlling Aerial Maneuver of a Miniature‑Tailed Jumping Robot》中采用的尾部
机构；②采用滑块机构，如文献《一种仿蝗虫跳跃机器人的研究》，利用滑块的移动实现机体
的平衡；③采用仿生翅膀机构，如文献《翅膀对仿蝗虫机器人空中姿态影响分析》中提出的
仿蝗虫翅膀机构；④采用摆杆机构，如《Robotic vertical jumping agility via series‑
elastic power modulation》中采用的惯量尾装置。上述几种常用的姿态调节装置均为单
自由度装置，只能实现一个方向的姿态调节，不能满足跳跃机器人腾空阶段复杂变化的需
求，且都没有机械臂等执行机构，难以很好的完成物品运输、侦查、检修等活动。

[0006] 因此，需要一种能让机器人在三维空间内实现调姿的机构，使机器人以合适的姿态实现落地和起跳，能以规定的速度跳跃至规定的落点，从而实现三维连续跳跃；且搭载机
械臂等执行机构，便于执行任务。

发明内容

[0007] 本发明的目的是解决现有技术中存在的上述问题，提供一种单腿跳跃机器人机构。所述的单腿跳跃机器人机构的姿态利用三个惯量尾控制，可以在真空环境下使用，实现
全程姿态可控；增加了机械臂，可以使用机械臂末端执行器夹持轻、小物品或者安装摄像机
等设备，通过动力学与控制算法实现了落点和起跳速度可控；小型化的设计提高了机器人
的结构紧凑性和稳定性及对非结构化复杂地形的适应能力，同时小型化和轻量化设计提高
了机器人的跳跃能力。该机器人搭载了二自由度机械臂，用于取样、侦查、拍摄、检修等功
能。本发明应用到侦查、检修、救援领域将有效地提高侦查、检修、救援的工作效率。

[0008] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

[0009] 一种单腿跳跃机器人机构，包括机器人躯干和与其相连的机械腿；

[0010] 机器人躯干上安装一俯仰惯量尾、一偏航惯量尾和一侧倾惯量尾；

[0011] 俯仰惯量尾、偏航惯量尾和侧倾惯量尾为有一定质量的长杆或者辐轮(惯量轮)；

[0012] 俯仰惯量尾位于机器人躯干的后方，偏航惯量尾位于机器人躯干的下方，侧倾惯量尾位于机器人躯干的右侧；俯仰惯量尾的后面平行于机器人躯干后面安装；偏航惯量尾
底面平行于机器人躯干底面安装；侧倾惯量尾右侧面平行于机器人躯干右侧面安装。

[0013] 作为优选的技术方案：

[0014] 如上所述的一种单腿跳跃机器人机构，机器人躯干的后面(优选为后面中间位置)安装俯仰惯量尾伺服电机，俯仰惯量尾伺服电机的输出轴与俯仰惯量尾形心处相连；

[0015] 机器人躯干的底面(优选为底面中间位置)安装偏航惯量尾伺服电机，偏航惯量尾伺服电机的输出轴与偏航惯量尾形心处相连；

[0016] 机器人躯干的右面(优选为右面中间位置)安装侧倾惯量尾伺服电机，侧倾惯量尾伺服电机的输出轴与侧倾惯量尾形心处相连；

[0017] 俯仰惯量尾与机器人躯干通过驱动铰链连接，俯仰惯量尾由俯仰惯量尾伺服电机驱动；偏航惯量尾与机器人躯干通过驱动铰链连接，偏航惯量尾由偏航惯量尾伺服电机驱
动；侧倾惯量尾与机器人躯干通过驱动铰链连接，侧倾惯量尾由侧倾惯量尾伺服电机驱动；

[0018] 偏航惯量尾伺服电机的输出轴、侧倾惯量尾伺服电机的输出轴和俯仰惯量尾伺服电机的输出轴两两相互垂直。

[0019] 如上所述的一种单腿跳跃机器人机构，机器人躯干是一种由七个转动副构成的七副杆。

[0020] 如上所述的一种单腿跳跃机器人机构，机械腿由单自由度六杆机构组成，包括机械大腿构件、第一辅助连杆、第二辅助连杆、第三辅助连杆、机械小腿构件和机器人足；

[0021] 机器人躯干的后面左上方和机械大腿构件的右端通过驱动铰链连接，机器人躯干的前面左上方和第二辅助连杆的右端通过铰链连接，机器人躯干的前面左下方和第三辅助
连杆的右端通过铰链连接；第一辅助连杆的左端和第二辅助连杆的左端通过铰链连接，第
一辅助连杆的右端和第三辅助连杆的左端通过铰链连接，第一辅助连杆的中间和机械小腿
构件的左下端通过铰链连接，机械大腿构件的左端与机械小腿构件的左上端通过铰链连
接，机械小腿构件的右下端和机器人足固接；

[0022] 机械大腿构件、第一辅助连杆、第二辅助连杆、第三辅助连杆和机械小腿构件的前面均平行于机器人躯干的前面安装。

[0023] 如上所述的一种单腿跳跃机器人机构，机器人躯干正面的左上方安装腿部伺服驱动器(腿部伺服驱动器包括腿部伺服电机、减速齿轮以及与腿部伺服电机串联的扭力杆或
者弹性体，是一种集成的驱动器)，机械大腿构件的右端和腿部伺服驱动器的输出轴相连，
机械大腿构件由腿部伺服驱动器驱动；所述腿部伺服驱动器为串联弹性驱动器。

[0024] 如上所述的一种单腿跳跃机器人机构，设机器人躯干与第三辅助连杆连接的铰点为A，机器人躯干与机械大腿构件连接的铰点为B，机器人躯干与第二辅助连杆连接的铰点
为C，第一辅助连杆和第三辅助连杆连接的铰点为D，机械大腿构件与机械小腿构件连接的
铰点F，第一辅助连杆和第二辅助连杆连接的铰点为G，第一辅助连杆和机械小腿构件连接
的铰点为H，机械小腿构件和机器人足连接的固接点为P，则AB、AC、AD、BC、CG、DG、DH、GH、FH、
HP间的比例关系为：61.81:65.28:204.9:12.73:197.7:48.08:25.61:23.41:30.92:232.1，
该比例关系为最佳取值，实际比例关系还可在±5％范围内波动。

[0025] 如上所述的一种单腿跳跃机器人机构，还包括机械臂；

[0026] 机械臂为二自由度串联机械臂，由机械上臂构件、机械下臂构件、第一机械夹爪和第二机械夹爪构成；第一机械夹爪和第二机械夹爪关于机械下臂顶端对称布置，第一机械
夹爪和第二机械夹爪的前面平行于机器人躯干的前面安装，第一机械夹爪的底端为端面齿
轮Ⅰ，第二机械夹爪的底端为端面齿轮Ⅱ，端面齿轮Ⅰ和齿轮III、齿轮IV、齿轮V互相啮合，端
面齿轮Ⅱ和齿轮III、齿轮IV、齿轮V互相啮合；齿轮III和机械下臂构件上端右方的固定轴
相连，齿轮IV和机械下臂构件上端上方的固定轴相连，齿轮V和机械下臂构件上端左方的固
定轴相连。

[0027] 如上所述的一种单腿跳跃机器人机构，机器人躯干前面的右上方安装有上臂伺服电机，机械上臂构件的底端安装有下臂伺服电机；机械下臂构件的顶端安装有夹爪伺服电
机；

[0028] 机械上臂构件的上端和上臂伺服电机的输出轴相连，机械上臂构件的前面平行于机器人躯干的前面安装；机械上臂构件的下端与机械下臂构件的下端通过下臂伺服电机的
输出轴连接，机械下臂构件的前面平行于机器人躯干的前面安装；第一机械夹爪的底端和
夹爪伺服电机的输出轴相连；

[0029] 机械上臂构件由上臂伺服电机驱动；机械下臂构件由下臂伺服电机驱动；第一机械夹爪由夹爪伺服电机驱动。

[0030] 如上所述的一种单腿跳跃机器人机构，第一机械夹爪和第二机械夹爪为勾形杆件。

[0031] 如上所述的一种单腿跳跃机器人机构，还包括控制器；

[0032] 机器人躯干的前面右方安装有惯性测量单元和全球定位系统集成模块，机器人躯干的前面左方安装有无线通讯模块；无线通讯模块用于控制器与惯性测量单元和全球定位
系统集成模块进行通讯，惯性测量单元和全球定位系统集成模块所测得的位置和角度变化
数据通过无线通讯模块传输给控制器，控制器计算后将控制信号通过无线通讯模块传输给
各个伺服电机。

[0033] 如上所述的一种单腿跳跃机器人机构，所述控制器为电脑。

[0034] 本发明的原理为：首先在控制端设定跳跃目标点、竖直方向起跳速度和抓取物点云坐标；随后机器人通过弹簧倒立摆(Spring Loaded Inverted Pendulum，SLIP)模型和比
例微分(Proportional derivative，PD)算法给出机器人腿部伺服驱动器所需的力矩和机
器人躯干所需的俯仰角。

[0035] 全球定位系统和惯性测量单元的数据经卡尔曼滤波后，通过无线网络将当前位置和姿态数据传给电脑，通过电脑实时解算后给出控制指令。当机器人躯干的俯仰角不在预
期范围内时，通过反作用惯量轮(Reaction Wheel Pendulum，RWP)模型和PD算法控制俯仰
惯量尾伺服电机的转矩，改变俯仰惯量尾的转速，从而利用角动量守恒实现机器人俯仰角
的调姿，例如：当机器人躯干相对期望俯仰角前倾时，俯仰惯量尾伺服电机带动俯仰惯量尾
顺时针旋转，根据角动量守恒定律，机器人会相对其质心逆时针旋转即机器人躯干后倾，俯
仰惯量尾伺服电机驱动力矩大小由RWP模型确定，由PD算法控制。同理控制偏航惯量尾力矩
电机和侧倾惯量尾力矩电机，调整机器人的偏航角和侧倾角至期望角度。在机器人足与地
面接触且机器人稳定站立后根据机器人当前位置通过偏航惯量尾调整偏航角，使得机器人
面向目标点。然后机器人跳跃至目标点，若抓取物在机械臂工作空间内则对其基于机械臂
逆动力学和PD算法进行抓取，否则机器人需要再次通过跳跃或者三个惯量尾调整位姿，直
至完成任务。

[0036] 本发明实现了单腿跳跃机器人在三维离散空间中可控、连续、高效的跳跃，可以在真空环境下使用；增加了机械臂，可以使用机械臂末端执行器夹持轻、小物品或者安装额外
的摄像机等设备；更有利于其实现未知环境侦查、设备检修、抗灾救援、星际探索等活动。

[0037] 区别于Salto，本文使用三个安装轴线互相垂直的单自由度惯量尾实现机器人的姿态控制，不使用螺旋桨，可在真空环境下使用；腿部机构使用末端轨迹为近似直线单自由
度六杆机构，保证设计要求的同时减少了冗余杆件，从而降低了腿部构件质量和不必要的
腿部构件惯量；增加了机械臂，可以使用机械臂末端执行器夹持轻、小物品或者安装额外的
摄像机等设备；更有利于其实现未知环境侦查、设备检修、抗灾救援、星际探索等活动。

[0038] 有益效果：

[0039] (1)利用俯仰惯量尾，偏航惯量尾和侧倾惯量尾实现了对跳跃机器人的主动的三维姿态控制，避免了跳跃机器人在跳跃过程中发生翻转，或者落地后发生倾倒，可以在真空
环境下使用；

[0040] (2)在跳跃机器人上增加了机械臂，实现了其三维空间内物品的抓取，或者对三维目标的拍摄，提高了跳跃机器人的实用性；

[0041] (3)基于SLIP和RWP模型配合PD等控制算法实现跳跃机器人在三维空间内起跳速度、落点可控的跳跃，令跳跃机器人在执行任务中的动作可控。

附图说明

[0042] 图1为本发明的三维立体结构示意图；

[0043] 图2为本发明的前视结构示意图；

[0044] 图3为本发明的后视结构示意图；

[0045] 图4为本发明伸展后的前视结构示意图；

[0046] 图5为本发明机械腿尺寸比例图；

[0047] 图6为本发明伺服驱动电机位置示意图1；

[0048] 图7为本发明伺服驱动电机位置示意图2；

[0049] 图8为本发明机械夹爪机构示意图1；

[0050] 图9为本发明机械夹爪机构示意图2；

[0051] 其中，1、机械大腿构件；2、第一辅助连杆；3、第二辅助连杆；4、第三辅助连杆；5、机械小腿构件；6、机器人躯干；7、机器人足；8、俯仰惯量尾；9、偏航惯量尾；10、第一机械夹爪；
11、机械上臂构件；12、第二机械夹爪；13、机械下臂构件；14、侧倾惯量尾；15、腿部伺服驱动
器；16、上臂伺服电机；17、下臂伺服电机；18、夹爪伺服电机；19、偏航惯量尾伺服电机；20、
侧倾惯量尾伺服电机；21、俯仰惯量尾伺服电机；22、齿轮III；23、齿轮IV；24、齿轮V。

具体实施方式

[0052] 下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术
人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限
定的范围。

[0053] 本发明中方位由三视图确定，其中，前视图内所见的面叫前面，上下左右是相对前视图内的方位。

[0054] 一种单腿跳跃机器人机构，如图1～7所示，包括机器人躯干6和与其相连的机械腿、机械臂、电脑；

[0055] 机器人躯干6是一种由七个转动副构成的七副杆。机器人躯干6上安装一俯仰惯量尾8、一偏航惯量尾9和一侧倾惯量尾14；

[0056] 俯仰惯量尾8、偏航惯量尾9和侧倾惯量尾14为有一定质量的长杆或者辐轮；俯仰惯量尾8位于机器人躯干6的后方，俯仰惯量尾8与机器人躯干6通过驱动铰链连接，俯仰惯
量尾8由俯仰惯量尾伺服电机21驱动；机器人躯干6的后面中间位置安装俯仰惯量尾伺服电
机21，俯仰惯量尾伺服电机21的输出轴与俯仰惯量尾8形心处相连。偏航惯量尾9位于机器
人躯干6的下方，机器人躯干6的底面中间位置安装偏航惯量尾伺服电机19，偏航惯量尾伺
服电机19的输出轴与偏航惯量尾9形心处相连；偏航惯量尾9与机器人躯干6通过驱动铰链
连接，偏航惯量尾9由偏航惯量尾伺服电机19驱动。侧倾惯量尾14位于机器人躯干6的右侧；
机器人躯干6的右面中间位置安装侧倾惯量尾伺服电机20，侧倾惯量尾伺服电机20的输出
轴与侧倾惯量尾14形心处相连；侧倾惯量尾14与机器人躯干6通过驱动铰链连接，侧倾惯量
尾14由侧倾惯量尾伺服电机20驱动。俯仰惯量尾8后面平行于机器人躯干6后面安装；偏航
惯量尾9底面平行于机器人躯干6底面安装；侧倾惯量尾14右侧面平行于机器人躯干6右侧
面安装。偏航惯量尾伺服电机19的输出轴、侧倾惯量尾伺服电机20的输出轴和俯仰惯量尾
伺服电机21的输出轴两两相互垂直。

[0057] 机械腿由单自由度六杆机构组成，包括机械大腿构件1、第一辅助连杆2、第二辅助连杆3、第三辅助连杆4、机械小腿构件5和机器人足7；机器人躯干6的后面左上方和机械大
腿构件1的右端通过驱动铰链连接，机器人躯干6的前面左上方和第二辅助连杆3的右端通
过铰链连接，机器人躯干6的前面左下方和第三辅助连杆4的右端通过铰链连接；第一辅助
连杆2的左端和第二辅助连杆3的左端通过铰链连接，第一辅助连杆2的右端和第三辅助连
杆4的左端通过铰链连接，第一辅助连杆2的中间和机械小腿构件5的左下端通过铰链连接，
机械大腿构件1的左端与机械小腿构件5的左上端通过铰链连接，机械小腿构件5的右下端
和机器人足7固接；机械大腿构件1、第一辅助连杆2、第二辅助连杆3、第三辅助连杆4和机械
小腿构件5的前面均平行于机器人躯干6的前面安装。机器人躯干6正面的左上方安装腿部
伺服驱动器15，机械大腿构件1的右端和腿部伺服驱动器15的输出轴相连，机械大腿构件1
由腿部伺服驱动器15驱动。

[0058] 设机器人躯干6与第三辅助连杆4连接的铰点为A，机器人躯干6与机械大腿构件1连接的铰点为B，机器人躯干6与第二辅助连杆3连接的铰点为C，第一辅助连杆2和第三辅助
连杆4连接的铰点为D，机械大腿构件1与机械小腿构件5连接的铰点F，第一辅助连杆2和第
二辅助连杆3连接的铰点为G，第一辅助连杆2和机械小腿构件5连接的铰点为H，机械小腿构
件5和机器人足7连接的固接点为P，则AB、AC、AD、BC、CG、DG、DH、GH、FH、HP间的比例关系为：
61.81:65.28:204.9:12.73:197.7:48.08:25.61:23.41:30.92:232.1，该比例关系为最佳
取值，实际比例关系还可在±5％范围内波动。

[0059] 机械臂为二自由度串联机械臂，由机械上臂构件11、机械下臂构件13、第一机械夹爪(勾形杆件)10和第二机械夹爪(勾形杆件)12构成；第一机械夹爪10和第二机械夹爪12关
于机械下臂构件13顶端对称布置，第一机械夹爪10和第二机械夹爪12的前面平行于机器人
躯干6的前面安装，如图8～9所示，第一机械夹爪10的底端为端面齿轮Ⅰ，第二机械夹爪12的
底端为端面齿轮Ⅱ，端面齿轮Ⅰ和齿轮III22、齿轮IV23、齿轮V24互相啮合，端面齿轮Ⅱ和齿
轮III22、齿轮IV23、齿轮V24互相啮合。齿轮III22和机械下臂构件13上端右方的固定轴相
连，齿轮IV23和机械下臂构件13上端上方的固定轴相连，齿轮V24和机械下臂构件13上端左
方的固定轴相连。

[0060] 机器人躯干6前面的左上方安装有上臂伺服电机16，机械上臂构件11的底端安装有下臂伺服电机17；机械下臂构件13的顶端安装有夹爪伺服电机18；机械上臂构件11的上
端和上臂伺服电机16的输出轴相连，机械上臂构件11的前面平行于机器人躯干6的前面安
装；机械上臂构件11的下端与机械下臂构件13的下端由下臂伺服电机17的输出轴连接，机
械下臂构件13的前面平行于机器人躯干6的前面安装；机械下臂构件13的上端与夹爪伺服
电机18的输出轴相连；第一机械夹爪10的底端和夹爪伺服电机18的输出轴相连。

[0061] 机器人躯干6的前面右方安装有惯性测量单元和全球定位系统集成模块，机器人躯干6的前面左方安装有无线通讯模块；无线通讯模块用于控制器与惯性测量单元和全球
定位系统集成模块进行通讯，性测量单元和全球定位系统集成模块所测得的位置和角度变
化数据通过无线通讯模块传输给电脑，电脑计算后将控制信号通过无线通讯模块传输给各
个伺服电机。

[0062] 将上述单腿跳跃机器人机构用于试验，具体过程为：

[0063] 本发明的单腿跳跃机器人机构进行定点跳跃时，首先建立世界和机器人坐标系，在计算机内给出机器人坐标系所需到达的世界坐标系下的三维位置点，期望起跳速度和抓
取目标物点云坐标。

[0064] 随后机器人通过弹簧倒立摆(Spring Loaded Inverted Pendulum，SLIP)和比例微分(Proportional derivative，PD)算法给出机器人腿部伺服驱动器15所需的力矩和机
器人躯干6所需俯仰角；全球定位系统和惯性测量单元的数据经卡尔曼滤波后，通过无线网
络将当前位置和姿态数据传给电脑，通过电脑实时解算后给出控制指令；在机器人足与地
面接触时根据机器人当前位置和算法调整偏航角，使得机器人面向目标点；机器人此时以
图1所示的蜷曲姿态站立于地面上，设定侧倾角始终为0rad，防止机器人侧倒；

[0065] 然后腿部伺服驱动器15带动腿部机构(为一种单自由度六杆机构，且机器人足7相对机器人躯干6的运动轨迹为近似直线，包括：机械大腿构件1、第一辅助连杆2、第二辅助连
杆3、第三辅助连杆4、机械小腿构件5和机器人足7)使机器人足7在计算所得俯仰角的姿态
下以计算力矩蹬地，直至机器人进入如图4所示的伸展状态，在地面反作用力下机器人离地
进入飞行相，与此同时三个惯量尾(俯仰惯量尾8、偏航惯量尾9、侧倾惯量尾14)在不断调整
机器人的姿态，腿部伺服驱动器15中的扭簧也同时释放出预先存储的能量(腿部伺服驱动
器15即串联弹性驱动器Series Elastic Actuator，SEA)中含有扭簧)，从而增大腿部伺服
驱动器的峰值功率。

[0066] 三个惯量尾调姿过程如下：当机器人躯干6的俯仰角不在预期范围内时，通过反作用惯量轮(Reaction Wheel Pendulum，RWP)模型和PD算法控制俯仰惯量尾伺服电机21的转
矩，改变俯仰惯量尾8的转速，从而利用角动量守恒实现机器人俯仰角的调姿，例如：当机器
人躯干6相对期望俯仰角前倾时，俯仰惯量尾伺服电机21带动俯仰惯量尾8顺时针旋转，根
据角动量守恒定律，机器人会相对其质心逆时针旋转即机器人躯干6后倾，俯仰惯量尾伺服
电机21驱动力矩大小由RWP模型确定，由PD算法控制，从而实现俯仰角的控制。同理控制偏
航惯量尾力矩电机19和侧倾惯量尾力矩电机20，调整机器人的偏航角和侧倾角至期望角
度。在机器人足7与地面接触且机器人稳定站立后根据机器人当前位置通过偏航惯量尾9调
整偏航角，使得机器人面向目标点。

[0067] 接着机器人跳跃至目标点，若抓取物在机械臂工作空间内则对其基于机械臂逆动力学和PD算法进行抓取，第一机械夹爪10和第二机械夹爪12打开，在机器人跳跃至目标点
的过程中机械上臂11和机械下臂13同时动作，直至抓取物在机械臂工作空间内，第一机械
夹爪10和第二机械夹爪12闭合，形成力封闭从而抓取目标，然后机械上臂11和机械下臂13
回转至如图1所示的初始位置；如果目标物不在工作空间内，则需要机器人通过三个惯量尾
调姿或者再次进行跳跃直至目标物进入机械臂工作空间，再实施抓取；最后机器人腿部伺
服驱动器15带动腿部机构蜷曲回到如图1所示的初始站立姿态。