CN101941476B - 非对称齿轮六杆仿生弹跳机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非对称齿轮六杆仿生弹跳机构。该机构根据仿生学原理，采用连杆长度不相等及齿轮参数各不相同的非对称齿轮六杆机构，其结构包括脚底板、腿部机构、机身和能量存储与释放装置，腿部机构各连杆长度符合袋鼠合理的跳跃肢体结构比例，两对齿轮的参数根据袋鼠跳跃运动姿态及跳跃力机理而选取，且整个机构为闭环的并联机构，仅一个自由度，能够很好的实现了仿袋鼠双腿并拢的平稳起跳过程，结构和控制简单，运动灵活能适应复杂的地形地貌，尤其适用于行星特别是小行星表面微小重力环境中的巡游探测。

Description

非对称齿轮六杆仿生弹跳机构

技术领域

本发明涉及用于深空探测中行星表面巡游探测的微小型弹跳机器人领域，具体地说，涉及一种采用非对称齿轮六杆机构的可提供间歇式跳跃运动的弹跳机构。

背景技术

美国专利说明书US 7 168 513 B2公开了一种用于行星表面探测的弹跳机器人。所涉及的弹跳机器人机构是由四根长度相等的连杆加上两对齿轮相互连接而组成的对称齿轮六杆弹跳机构，并在机构的水平方向上加装了拉伸弹簧作为储能元件，其通过竖直方向上的电机与丝杠传动机构压缩跳跃机构使弹簧被拉伸以积蓄弹性能，而通过锁定/释放装置瞬间触发释放弹性能使机器人产生跳跃运动。该弹跳机构虽然外形仿生，形似青蛙，却依然只是单一运动模式的简单弹射机构，并不具有生物合理的跳跃肢体结构及跳跃力机理特性，弹跳的高度、距离以及仿生技术的潜力远未挖掘出来，该弹跳机构不能调节起跳的角度且起跳动作不够稳定。

以跳跃作为运动方式的弹跳机器人可以越过数倍甚至数十倍于自身尺寸的障碍或沟壕，且落地面积小，落脚点离散，能适应复杂的地形地貌，尤其在行星特别是小行星表面微小重力环境中具有明显的优势。然而在具有非结构化地形地貌的行星表面探索，对跳跃机器人机动性、可靠性及自主与自适应能力要求也非常高。

发明内容

为克服现有技术中存在的弹跳机构结构及力特性不够合理，且起跳动作不够稳定等不足，本发明提出了一种连杆长度不相等及齿轮参数各不相同的非对称齿轮六杆仿生弹跳机构。

为解决上述技术问题，本发明模拟袋鼠肢体结构其包括脚底板、腿部机构、机身及能量存储与释放装置。机身相当于袋鼠的身体，是由五块薄板组成的没有下底盖的长方体形壳体；腿部机构相当于袋鼠的腿，用杆件和弹簧搭接而成，位于机身下方，其顶端与机身相连，底端与脚底板的支架相连接；脚底板为脚掌形的薄板件，相当于袋鼠的脚掌，在脚底板的后端固定有一对L形的支架。能量存储与释放装置是由电机驱动的链轮链条装置，位于机身内。

所述的腿部机构采用了非对称齿轮六杆双腿并拢结构，包括大腿杆、小腿杆、长辅助杆、短辅助杆、两根弹簧和六根连接轴。大腿杆、小腿杆、长辅助杆和短辅助杆分别由形状完全相同且安装位置对称的两个薄板状杆件组成，每个薄板状杆件的一端是直杆，该端边缘是以直杆宽度为直径的半圆弧形，并在半圆弧的圆心处有一个通孔，另一端是不完全齿轮，且在不完全齿轮的中心亦有一通孔。长辅助杆和大腿杆呈“∧”型分布，两者上端是不完全齿轮且相互啮合，通过两根连接轴分别穿过不完全齿轮中心的通孔及机身侧壁上相应位置的两个通孔而与机身铰接；短辅助杆和小腿杆呈“V”型位于大腿杆和长辅助杆的下方，两者上端为直杆端，分别与长辅助杆和大腿杆的直杆端内侧贴合，且对应的直杆端通孔相互重合，并通过两根连接轴分别穿过相应的通孔形成铰接，弹簧的两端分别固定在该两根连接轴上；短辅助杆和小腿杆的下端是不完全齿轮且相互啮合，通过两根连接轴分别穿过不完全齿轮中心的通孔及脚底板支架上相应位置的两个通孔而与脚底板铰接。

所述的能量存储与释放装置位于机身内，包括电机、电机固定板、离合器、链轮、链轮轴和链条。其中电机、离合器和链轮呈水平“一”字分布；电机固定在机身内侧壁上的电机固定板上；链轮套在链轮轴上，链轮轴的一端穿过机身侧壁上的链轮轴安装孔固接。电机的输出轴和链轮分别与离合器的两端连接；链条的一端套在链轮上与链轮啮合，另一端与穿过小腿杆不完全齿轮端通孔的连接轴固连。当弹跳机构准备跳跃时，脚底板与地面贴合，腿部机构处于伸展状态，弹簧处于收拢状态。离合器由脱开状态转为啮合状态，电机启动，输出轴开始运转并通过离合器驱动链轮转动，进而使与链轮啮合的链条移动，而链条的另一端与穿过小腿杆不完全齿轮端通孔的连接轴固连，从而链条拉动机身向脚底板运动。同时，机身与脚底板之间距离的减小使得“∧”型安装的大腿杆与长辅助杆和“V”型安装的小腿杆与短辅助杆分别被撑开，使得弹簧被拉伸而存储弹性能。当弹簧被拉伸到一定长度时，电机停止运转，弹跳机构的储能过程完成。

弹跳机构储能过程完成后，离合器脱开，使链轮处于可自由转动状态。弹簧开始释放弹性能，拉动其两端所固连的连接轴，使得大腿杆与长辅助杆之间的夹角以及小腿杆与短辅助杆之间的夹角迅速变小，推动机身向前上方加速运动。当弹簧弹性能释放完全后，机身的速度达到最大值，拉动脚底板脱离地面，实现跳跃运动。在腾空过程中，整个机构的质心以抛物线曲线运动，下落时脚底板先着地，然后整个机构停落在地面。

本发明根据仿生学原理，采用连杆长度不相等及齿轮参数各不相同的非对称齿轮六杆仿生弹跳机构，其腿部机构各连杆长度模拟袋鼠跳跃肢体结构比例，两对齿轮的参数根据袋鼠跳跃运动姿态及跳跃力机理而选取，且整个机构为闭环的并联机构，仅一个自由度，能够很好的实现了仿袋鼠双腿并拢的平稳起跳过程，结构和控制简单，运动灵活能适应复杂的地形地貌，尤其适用于行星特别是小行星表面微小重力环境中的巡游探测。

附图说明

下面结合附图对本发明非对称齿轮六杆仿生弹跳机构的实施方式作进一步说明。

图1是本发明非对称齿轮六杆仿生弹跳机构的结构示意图。

图2是本发明非对称齿轮六杆仿生弹跳机构的腿部机构示意图。

图3是本发明非对称齿轮六杆仿生弹跳机构腿部机构的各杆件示意图：(a)是长辅助杆，(b)是大腿杆，(c)是短辅助杆，(d)是小腿杆。

图4是本发明非对称齿轮六杆仿生弹跳机构的脚底板示意图。

图5是本发明非对称齿轮六杆仿生弹跳机构的机身示意图。

图6是本发明非对称齿轮六杆仿生弹跳机构的能量存储与释放装置示意图：(a)是离合器啮合状态，(b)是离合器脱开状态。

图7是本发明能量存储的过程示意图：(a)是起跳前姿态，(b)是弹簧被拉伸以存储能量时姿态，(c)是储能完成时姿态。

图8是本发明跳跃过程示意图：(a)是能量存储完成后，起跳前准备状态，(b)是起跳离地后向上跳跃时，(c)是跳跃到达最高点时，(d)是下落过程时，(e)是着地后姿态。

图9是公有技术的弹跳机器人机构原理示意图。

图10是公有技术的弹跳机器人机构的跳跃过程示意图。

1.脚底板    2.链条    3.短辅助杆    4.长辅助杆    5.机身    6.链轮

7.离合器    8.电机    9.电机固定板  10.大腿杆  11.小腿杆    12.踝关节连接轴

13.辅助踝关节连接轴    14.辅助膝关节连接轴    15.弹簧    16.辅助髋关节连接轴

17.髋关节连接轴    18.膝关节连接轴    19.长辅助杆直杆端通孔

20.长辅助杆不完全齿轮端通孔    21.大腿杆不完全齿轮端通孔

22.大腿杆直杆端通孔    23.短辅助杆不完全齿轮端通孔    24.短辅助杆直杆端通孔

25.小腿杆不完全齿轮端通孔    26.小腿杆直杆端通孔    27.脚底板支架

28.踝关节连接轴安装孔    29.辅助踝关节连接轴安装孔    30.链轮轴安装孔

31.辅助髋关节连接轴安装孔  32.髋关节连接轴安装孔  33.链轮轴  34.地面

具体实施方式

所述非对称齿轮六杆仿生弹跳机构，包括机身5、腿部机构、脚底板1和能量存储与释放装置。

如图1所示，机身5相当于袋鼠的身体，是由五块薄板件组成的没有下底盖的长方体形壳体；腿部机构相当于袋鼠的腿，用薄板状杆件和弹簧15搭接而成，位于机身下方，其顶端与机身相连接，底端与脚底板支架27相连接；脚底板1为薄板件，相当于袋鼠的脚掌；能量存储与释放装置位于机身5内，通过链轮链条驱动腿部机构。

如图2和图3所示，腿部机构包括大腿杆10、小腿杆11、长辅助杆4、短辅助杆3、弹簧15和关节连接轴。其中大腿杆10、小腿杆11、长辅助杆4和短辅助杆3是腿部机构中的连杆。所述的连杆特征为：各杆件分别由形状完全相同且平行对称安装的两个薄板杆组成，每个薄板杆的一端是直杆，该端头部形状是以直杆宽度为直径的半圆弧形，并在半圆弧的圆心处有一通孔，另一端是不完全齿轮，且在不完全齿轮的中心有一通孔；各杆件厚度相同，直杆端的宽度相同；各杆件两端的通孔大小相同，且各杆件两端通孔的距离之比为大腿杆∶小腿杆∶长辅助杆∶短辅助杆＝26∶52∶47∶28；各杆件的不完全齿轮为渐开线齿轮，其中大腿杆10和长辅助杆4的不完全齿轮的模数为1，且两者的不完全齿轮分度圆直径之比为1∶3.6，小腿杆11和短辅助杆3的不完全齿轮的模数为0.8，且两者的不完全齿轮分度圆直径之比为5∶2。关节连接轴为光滑的细直杆，横截面尺寸与各杆件两端的通孔尺寸相同，是腿部机构中用来连接各杆件的铰链轴，其包括辅助踝关节连接轴13、辅助膝关节连接轴14、辅助髋关节连接轴16、髋关节连接轴17、膝关节连接轴18、踝关节连接轴12。弹簧15为结构相同的两根拉簧。

图4为本发明非对称齿轮六杆仿生弹跳机构的脚底板示意图。所述的脚底板1是外形类似脚掌的薄板，前端宽后端窄，且在脚底板1的后端部焊接有一对脚底板支架27。脚底板支架27是两个对称分布的“L”形薄板件，在“L”形薄板件的竖直部分有踝关节连接轴安装孔28和辅助踝关节连接轴安装孔29，该两孔水平分布且两者的距离等于小腿杆11的不完全齿轮分度圆半径与短辅助杆3的不完全齿轮分度圆半径之和。

如图5所示，机身5由五块薄板件组成的没有下底盖的长方体形壳体，在侧板中部偏下方有两个平行的通孔，分别为辅助髋关节连接轴安装孔31和髋关节连接轴安装孔32，两通孔之间的距离等于大腿杆10的不完全齿轮分度圆半径与长辅助杆4的不完全齿轮分度圆半径之和，且在两通孔上方有一个链轮轴安装孔33。

如图1和图2所示，本发明采用非对称齿轮六杆双腿并拢结构。大腿杆10和长辅助杆4呈“∧”型分布，“∧”型的上端是两杆件的不完全齿轮，所述的两不完全齿轮相互啮合且贴近机身5的侧板，大腿杆不完全齿轮端通孔21和长辅助杆不完全齿轮端通孔20分别与机身5侧板上的髋关节连接轴安装孔32和辅助髋关节连接轴安装孔3 1对齐。髋关节连接轴17穿过大腿杆不完全齿轮端通孔21和髋关节连接轴安装孔32，使得机身5和大腿杆10形成铰链连接，该铰链类似于袋鼠的髋关节；辅助髋关节连接轴16穿过长辅助杆不完全齿轮端通孔20和辅助髋关节连接轴安装孔31，使得机身5和长辅助杆4形成铰链连接。小腿杆11和短辅助杆3呈“V”型位于大腿杆10和长辅助杆4的下方，“V”型的上端是小腿杆11和短辅助杆3的直杆端，分别与大腿杆10和长辅助杆4的直杆端内侧贴合，且小腿杆直杆端通孔26和短辅助杆直杆端通孔24分别与大腿杆直杆端通孔22和长辅助杆直杆端通孔19对齐。膝关节连接轴18穿过大腿杆直杆端通孔22和小腿杆直杆端通孔26，使得大腿杆10和小腿杆11铰链连接，该铰链类似于袋鼠的膝关节；辅助膝关节连接轴14穿过长辅助杆直杆端通孔19和短辅助杆直杆端通孔24，使得长辅助杆4和短辅助杆3铰链连接。小腿杆11和短辅助杆3的下端是不完全齿轮，所述的两不完全齿轮相互啮合且贴合脚底板支架27的内侧，小腿杆不完全齿轮端通孔25和短辅助杆不完全齿轮端通孔23分别与脚底板支架27上的踝关节连接轴安装孔28和辅助踝关节连接轴安装孔29对齐。踝关节连接轴12穿过小腿杆不完全齿轮端通孔25和踝关节连接轴安装孔28，使得小腿杆11和脚底板支架27铰链连接，该铰链类似于袋鼠的踝关节；辅助踝关节连接轴13穿过短辅助杆不完全齿轮端通孔23和辅助踝关节连接轴安装孔29，使得短辅助杆3和脚底板支架27铰链连接。弹簧15的两端分别固定在膝关节连接轴18和辅助膝关节连接轴14上。

如图6所示，能量存储与释放装置包括电机8、电机固定板9、离合器7、链轮6、链轮轴33和链条2。电机固定板9为“L”形的薄板件。链轮6套在链轮轴33上，可以链轮轴33为中心轴旋转或沿着链轮轴33移动。电机8、离合器7和链轮6呈水平“一”字分布。电机8的输出轴和链轮6的端面分别与离合器7的两端连接。电机8的机身固定在电机固定板9的水平部位上。电机固定板9的竖直部分和链轮轴33分别固定在机身5的两个侧板上，其中链轮轴33是通过其末端穿过机身5侧板上的链轮轴安装孔30而固定的。链条2一端套在链轮6上与链轮6啮合，另一端与踝关节连接轴12绕转动。

图7和图8所示为本发明非对称齿轮六杆仿生弹跳机构的储能和跳跃两个阶段过程：当弹跳机构完成上一次跳跃过程后，停落在地面34上，脚底板1与地面34贴合，弹跳机构处于伸展状态，大腿杆10和长辅助杆4之间的夹角以及小腿杆11和短辅助杆3之间的夹角都较小，作为储能元件的弹簧15处于收拢状态，离合器7处于脱开状态。当弹跳机构准备跳跃时，离合器7转为啮合状态，电机8启动，电机8的输出轴开始运转，通过离合器7驱动链轮6旋转，与链轮6啮合的链条2被卷绕，拉动机身5向脚底板1运动。由于腿部机构为齿轮六杆机构，只有一个自由度，所以机身5与脚底板1的相对运动轨迹是固定的。机身5与脚底板1之间距离的减小使得“∧”型安装的大腿杆10与长辅助杆4以及“V”型安装的小腿杆11与短辅助杆3分别被撑开，使得弹簧15被拉伸而存储弹性能。当弹簧15被拉伸到一定长度时，电机8停止运转，弹跳机构的储能过程完成。

弹跳机构储能过程完成后，离合器7脱开，使链轮6处于可自由旋转状态。弹簧15开始释放弹性能，拉拢膝关节连接轴18和辅助膝关节连接轴14，使得大腿杆10与长辅助杆4之间的夹角以及小腿杆11与短辅助杆3之间的夹角迅速变小，推动机身5向前上方加速运动。当弹簧15的弹性能释放完全后，机身5的速度达到最大值，拉动脚底板1脱离地面，实现跳跃运动。在腾空过程中，整个机构的质心以抛物线曲线运动，下落时，脚底板1先着地，然后整个机构停落在地面。

图9和图10为公有技术的弹跳机器人机构原理和跳跃过程示意图。

毫无疑问，本发明的机身和脚底板部分还可具有多种变换及改型，并不仅限于上述实施方式的具体结构，如所述脚底板可采用其他的几何形状的方式。本发明的保护范围应包括那些对于本领域技术人员来说显而易见的变换或替代以及改变其形状。

Claims (5)

1.一种采用非对称齿轮六杆仿生弹跳机构，其特征在于：机身(5)为没有下底盖的长方形壳体；腿部机构为双腿并拢结构；脚底板(1)为前端宽后端窄的脚掌形薄板；机身(5)与腿部机构之间、腿部机构与脚底板(1)之间均采用连接轴铰连接，腿部机构顶端与机身(5)相连接，底端与脚底板(1)相连接；腿部机构的长辅助杆(4)和大腿杆(10)呈“∧”型位于机身下方，短辅助杆(3)和小腿杆(11)呈“V”型位于大腿杆(10)和长辅助杆(4)的下方。

2.根据权利要求1所述的非对称齿轮六杆仿生弹跳机构，其特征在于：腿部机构中的大腿杆(10)、小腿杆(11)、长辅助杆(4)和短辅助杆(3)分别由形状完全相同且平行对称安装的两两薄板杆件组成，每一薄板杆的一端是以其杆宽度为直径的半圆弧形，半圆弧的圆心处有一通孔，另一端是不完全齿轮，且在不完全齿轮的中心亦有一通孔；各杆件尺寸厚度、宽度均相同。

3.根据权利要求2所述的非对称齿轮六杆仿生弹跳机构，其特征在于：所述各杆件两端的通孔大小相同，且两端通孔的距离之比大腿杆(10)∶小腿杆(11)∶长辅助杆(4)∶短辅助杆(3)为26∶52∶47∶28；各杆件的不完全齿轮为渐开线齿轮，大腿杆(10)和长辅助杆(4)的不完全齿轮的模数为1，且两者的不完全齿轮分度圆直径之比为1∶3.6，小腿杆(11)和短辅助杆(3)的不完全齿轮的模数为0.8，且两者的不完全齿轮分度圆直径之比为5∶2。

4.根据权利要求1所述的非对称齿轮六杆仿生弹跳机构，其特征在于：脚底板(1)的后端部焊接有一对L形的脚底板支架(27)，两对称分布的L形的脚底板支架(27)的竖直部分有踝关节连接轴安装孔(28)和辅助踝关节连接轴安装孔(29)，两孔呈水平分布且之间距离等于小腿杆(11)的不完全齿轮分度圆半径与短辅助杆(3)的不完全齿轮分度圆半径之和。

5.根据权利要求1所述的非对称齿轮六杆仿生弹跳机构，其特征在于：所述机身(5)的侧板中部偏下方设有辅助髋关节连接轴安装孔(31)和髋关节连接轴安装孔(32)，辅助髋关节连接轴安装孔(31)和髋关节连接轴安装孔(32)之间的距离等于大腿杆(10)的不完全齿轮分度圆半径与长辅助杆(4)的不完全齿轮分度圆半径之和，且在两通孔上方设有一链轮轴安装孔(30)固定连接链轮轴(33)。

Images