CN102050156A - 两自由度仿生弹跳机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种两自由度仿生弹跳机器人，它包括机身装置、腿部装置和脚底装置。机身装置是利用机身调姿机构通过调节机身装置与大腿杆的夹角实现机身在整个跳跃过程中保持水平状态。腿部装置根据结构变形构造原理，在姿态调整过程中采用丝杠螺母机构，将带轴螺母移动使弹簧伸长缩短，用腿部调姿电机作为驱动来完成丝杠螺母机构与大腿杆跳跃准备姿态；在储能过程中，利用丝杠螺母机构具有较大的传动比，采用较小功率的丝杠驱动电机来完成弹簧的拉伸以实现能量存储，通过储能过程完成时螺母停止在丝杠上的不同位置来调整腿部装置在起跳前的不同准备姿势，以实现弹跳机器人起跳角度的调节。本发明结构简单可靠，适用于行星探测等多种用途的弹跳机器人。

Description

两自由度仿生弹跳机器人

技术领域

本发明涉及一种适用于行星探测的微小型弹跳机器人，具体地说，涉及一种两自由度仿生弹跳机器人。

背景技术

美国麻省理工学院公开了一种用于小行星表面探测的微型弹跳机器人“MICROBOTS”，其弹跳机构是由绝缘人造橡胶“肌肉”驱动的对称四连杆机构。由于对称四连杆机构只有一个自由度，该弹跳机器人也仅为一个简单的弹射装置，弹跳过程中机器人无法保持稳定。

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的弹跳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，由水平方向上加装的弹簧驱动。该弹跳机器人虽然外形仿生，形似青蛙，却只有一个自由度，只具有单一的运动模式，不能调节起跳的角度，且在跳跃过程中无法维持机身稳定。

在中国专利200710072236.6中公开了一种仿生蝗虫跳跃机器人。所涉及的跳跃机器人的起跳机构为四根连杆与弹簧组成的四连杆机构。该跳跃机器人在跳跃过程中机身稳定性亦不理想。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的弹跳机器人无法调整起跳角度和在跳跃过程中维持机身稳定性不理想等问题，提供了一种两自由度仿生弹跳机器人。这种机器人是一种模拟袋鼠肢体结构的仿生弹跳机器人，其包括机身装置、腿部装置和脚底装置。机身装置相当于袋鼠的身体，由机身、机身支架和机身调姿机构组成；腿部装置相当于袋鼠的腿，由丝杠螺母、腿部调姿机构、杆件和弹簧搭接而成，其顶端与机身装置相连，底端与脚底装置相连；脚底装置相当于袋鼠的脚，由脚底板及固定在脚底板后端部的脚底板支架组成。

所述的腿部装置采用杆长可变的齿轮五杆结构，它包括大腿杆、小腿杆、辅助杆、丝杠螺母、腿部调姿机构、弹簧和五根关节轴。丝杠螺母机构包括螺母、丝杠、联轴器、丝杠驱动电机和电机支架。螺母是正面有螺纹通孔和侧面有光滑通孔的“∏”形方块。电机支架是“T”形薄板，较窄的一端有一个通孔。螺母、丝杠、联轴器和丝杠驱动电机呈“一”字分布。丝杠一端穿过螺母的螺纹通孔与螺母组成螺旋副，另一端与联轴器的一端固定。联轴器的另一端与丝杠驱动电机的输出轴固定。丝杠驱动电机固定在电机支架的中部。大腿杆是“H”形的杆构件，其一端是位置对称的两片直杆，直杆端各有一通孔，另一端是位置对称的两片不完全齿轮，亦各有一通孔。大腿杆和丝杠螺母装置呈“人”字形分布，其中电机支架窄的一端伸进大腿杆的两个不完全齿轮之间，电机支架的通孔和大腿杆不完全齿轮端的通孔对齐。一根关节轴穿过电机支架的通孔和大腿杆不完全齿轮端的通孔，其作为铰链轴使电机支架和大腿杆铰链连接，该铰链相当于袋鼠的髋关节。腿部调姿机构包括腿部调姿电机、离合器、腿部调姿齿轮和腿部调姿电机固定板，其中腿部调姿电机固定板位于丝杠驱动电机旁边，与丝杠驱动电机垂直分布固定在电机支架上表面。腿部调姿电机固定在腿部调姿电机固定板上表面的一侧，其输出轴与离合器的一端固定。离合器的另一端与腿部调姿齿轮固定。腿部调姿齿轮与大腿杆的一片不完全齿轮啮合。小腿杆和辅助杆是顶端为直杆、底端为不完全齿轮且在两端各有一个通孔的杆构件，两者呈“V”字形分布在丝杠螺母机构和大腿杆的下方，其中小腿杆底端的不完全齿轮和辅助杆底端的不完全齿轮啮合；小腿杆顶端位于大腿杆底端的两片直杆之间且其顶端的通孔与大腿杆底端的通孔对齐，一根关节轴穿过该两通孔使大腿杆和小腿杆铰链连接，该铰链相当于袋鼠的膝关节；辅助杆顶端位于螺母的“∏”形槽内且其顶端的通孔与螺母侧面的通孔对齐，一根关节轴穿过该两通孔使辅助杆和螺母铰链连接，该铰链相当于辅助膝关节。弹簧是两根参数相同的拉簧，其两端分别固定在膝关节轴和辅助膝关节轴处的两端。

所述机身装置包括机身、机身支架和机身调姿机构。其中机身支架是一端开有“U”形槽，且在“U”形槽端各有一通孔的板构件。机身支架位于丝杠的上方，其“U”形槽端的两侧靠拢大腿杆的不完全齿轮外侧，“U”形槽端的通孔与大腿杆不完全齿轮端的通孔对齐。穿过大腿杆不完全齿轮端通孔和电机支架通孔的关节轴同时也穿过机身支架通孔，使机身支架和大腿杆形成铰链连接。机身为一方形壳体，相当于袋鼠身体，固定在机身支架的上表面。机身调姿机构包括机身调姿电机、机身调姿齿轮和机身调姿电机固定板。其中机身调姿电机固定板相对于腿部调姿电机固定板位于丝杠螺母机构的另一侧，靠近大腿杆的不完全齿轮，固定在机身支架“U”形槽的一侧。机身调姿电机固定在机身调姿电机固定板的上表面。机身调姿齿轮与机身调姿电机的输出轴固定且与大腿杆的不完全齿轮啮合。

所述脚底装置包括脚底板和脚底板支架。脚底板是一块前端宽后端窄且带圆倒角的四边形薄板件，相当于袋鼠的脚掌。脚底板支架是侧面有两个通孔的“U”形槽板件，焊接固定在脚底板的后端中间部位。脚底板装置位于腿部装置的下方，其中小腿杆和辅助杆底端的不完全齿轮伸入脚底板支架的“U”形槽内，且两杆底端的通孔分别与脚底板支架侧面的前后两个通孔对齐。一根关节轴穿过脚底板支架侧面前端的通孔和小腿杆底端的通孔使得小腿杆与脚底板支架铰链连接，该铰链相当于袋鼠的踝关节；一根关节轴穿过脚底板支架侧面后端的通孔和辅助杆底端的通孔使得辅助杆与脚底板支架铰链连接，该铰链相当于辅助踝关节。

本发明是腿部装置和机身装置各含一个自由度的两自由度仿生弹跳机器人。机身装置利用机身调姿机构通过调节机身装置与大腿杆的夹角可实现机身在整个跳跃运动过程中保持水平状态，如果在机身中装载探测仪器，可满足弹跳机器人的科学探测要求。腿部装置根据结构变形构造原理，在姿态调整过程中，采用丝杠螺母机构，将带轴螺母移动到丝杠顶端，使弹簧长度缩短，而弹簧的弹性力很小，因此可采用较小功率的腿部调姿电机作为驱动来完成丝杠螺母机构与大腿杆跳跃准备姿态；在储能过程中，利用丝杠螺母机构具有较大的传动比，可采用较小功率的丝杠驱动电机作为驱动完成弹簧的拉伸以实现能量存储，且可通过储能过程完成时螺母停止在丝杠上的不同位置来调整腿部机构在起跳前的不同准备姿势，以实现弹跳机器人起跳角度的调节。本发明结构简单可靠，可在跳跃过程中保持机身稳定，可实现起跳角度的调节，且只需要小功率的电机驱动即可完成弹跳机器人的能量存储与释放，适用于行星探测等多种用途的弹跳机器人。

附图说明

下面结合附图对本发明两自由度仿生弹跳机器人的实施方式作进一步详细描述。

图1是本发明两自由度仿生弹跳机器人的结构示意图。

图2是本发明两自由度仿生弹跳机器人的腿部装置示意图。

图3是本发明两自由度仿生弹跳机器人的大腿杆示意图。

图4是本发明两自由度仿生弹跳机器人的小腿杆示意图。

图5是本发明两自由度仿生弹跳机器人的辅助杆示意图。

图6是本发明两自由度仿生弹跳机器人的丝杠螺母机构示意图。

图7是本发明两自由度仿生弹跳机器人的螺母示意图。

图8是本发明两自由度仿生弹跳机器人的电机支架示意图。

图9是本发明两自由度仿生弹跳机器人的腿部调姿机构示意图。

图10是本发明两自由度仿生弹跳机器人的腿部调姿机构俯视图。

图11是本发明两自由度仿生弹跳机器人的机身装置示意图。

图12是本发明两自由度仿生弹跳机器人的机身支架示意图。

图13是本发明两自由度仿生弹跳机器人的脚底装置示意图。

图14是本发明两自由度仿生弹跳机器人的能量存储过程示意图。

图15是本发明两自由度仿生弹跳机器人的弹跳过程示意图。

具体实施方式

图1示出了本发明两自由度仿生弹跳机器人的结构，它包括由机身装置、腿部装置和脚底装置组成。

所述的机身装置由机身6、机身支架37和机身调姿机构组成；腿部装置由丝杠螺母机构、腿部调姿机构、杆件和弹簧14搭接而成，其顶端与机身装置相连接，底端与脚底装置相连接；脚底装置由脚底板1及固定在脚底板1后端的脚底板支架2组成。

如图2所示，所述的腿部装置采用杆长可变的齿轮五杆结构，包括大腿杆9、小腿杆10、辅助杆3、丝杠螺母机构、腿部调姿机构、弹簧14和五根细长光滑的关节轴，其中五根关节轴分别是髋关节轴15、膝关节轴19、踝关节轴11、辅助踝关节轴12和辅助膝关节轴13。如图6、图7和图8所示，丝杠螺母机构包括螺母4、丝杠5、联轴器29、丝杠驱动电机8和电机支架18，其中螺母4是正面有一个螺纹通孔和侧面有一个光滑通孔的“∏”形方块；丝杠5是普通尖牙螺纹丝杠，其外螺纹和螺母正面螺纹通孔31的内螺纹参数一致可相互配合；丝杠驱动电机8是直流减速电机；电机支架18是“T”形薄板，其较窄的一端有一个通孔。螺母4、丝杠5、联轴器29和丝杠驱动电机8呈“一”字分布。丝杠5一端穿过螺母正面螺纹通孔31与螺母4螺旋副连接，另一端与联轴器29的一端固定。联轴器29的另一端与丝杠驱动电机8的输出轴固定。丝杠驱动电机8固定在电机支架18的上表面中部。如图3所示，大腿杆9是“H”形的杆构件，其下端是位置对称的两片直杆，上端是位置对称的两片模数为1的渐开线不完全标准直齿轮，且在两端各有一个通孔。如图2所示，大腿杆9和丝杠螺母装置呈“人”字形分布，其中电机支架18窄的一端伸进大腿杆不完全齿轮21之间，电机支架通孔32和大腿杆不完全齿轮端通孔20对齐。髋关节轴15穿过大腿杆不完全齿轮端通孔20和电机支架通孔32，其作为铰链轴使电机支架18和大腿杆9形成铰链连接，丝杠螺母机构和大腿杆9可绕髋关节轴15相对转动。如图9和图10所示，腿部调姿机构包括腿部调姿电机16、离合器33、腿部调姿齿轮34和腿部调姿电机固定板17，其中腿部调姿电机16为直流减速电机，离合器33是响应灵敏的大扭矩微型离合器，腿部调姿齿轮34是模数为1的渐开线标准直齿轮，腿部调姿电机固定板17是长方形板。如图2所示，腿部调姿电机固定板17位于丝杠驱动电机8旁边，与丝杠驱动电机8垂直排列固定在电机支架18的上表面。腿部调姿电机16固定在腿部调姿电机固定板17上表面的一侧，其输出轴与离合器33的一端固定。离合器33的另一端与腿部调姿齿轮34固定。腿部调姿齿轮34与图2所示的大腿杆不完全齿轮21的外侧那片不完全齿轮啮合，该齿轮副的传动比为0.4，即腿部调姿齿轮34的分度圆直径与大腿杆不完全齿轮21的分度圆直径之比为0.4。如图4和图5所示，小腿杆10和辅助杆3是上端为直杆、下端为不完全齿轮且在两端各有一个通孔的杆构件，其中小腿杆10和辅助杆3的不完全齿轮是模数为1的渐开线标准直齿轮；小腿杆10两端通孔间长度与辅助杆3两端通孔间长度之比为20∶11；辅助杆3的两端通孔间长度与大腿杆9的两端通孔间长度相等。如图2所示，小腿杆10和辅助杆3呈“V”字形分布在丝杠螺母装置和大腿杆9的下方，两者底端的小腿杆不完全齿轮23与辅助杆不完全齿轮28啮合且传动比为2.46，即小腿杆不完全齿轮23的分度圆直径与辅助杆不完全齿轮28的分度圆直径之比为2.46。小腿杆10的直杆端伸入大腿杆9的两片直杆之间，且小腿杆直杆端通孔25与大腿杆直杆端通孔22对齐。膝关节轴19穿过小腿杆直杆端通孔25与大腿杆直杆端通孔22，作为铰链轴使大腿杆9和小腿杆10铰链连接，该铰链相当于膝关节。辅助杆3的直杆端伸入螺母4的“∏”形槽内，且辅助杆直杆端通孔26与螺母侧面通孔30对齐。辅助膝关节轴13穿过辅助杆直杆端通孔26与螺母侧面通孔30，作为铰链轴使辅助杆3和螺母4铰链连接，该铰链相当于辅助的膝关节。弹簧14是两根参数相同的拉簧，其两端分别固定在膝关节轴19和辅助膝关节轴13的两端。

如图11、图12和图1所示，机身装置包括机身6、机身支架37和机身调姿机构。其中机身支架37是含“U”形槽并且在该“U”形槽端有一个通孔的板构件。机身支架37位于丝杠5的上方，其“U”形槽端的两侧靠拢大腿杆不完全齿轮21外侧，且“U”形槽端的机身支架通孔38与大腿杆不完全齿轮端通孔20对齐。穿过大腿杆不完全齿轮端通孔20和电机支架通孔32的髋关节轴15同时穿过机身支架通孔38，使机身支架37和大腿杆9铰链连接。机身6是一个方形壳体，固定在机身支架37的上表面。机身调姿机构包括机身调姿电机7、机身调姿齿轮35和机身调姿电机固定板36，其中机身调姿电机固定板36是长方形板，相对于腿部调姿电机固定板17位于丝杠螺母机构的另一侧，靠近大腿杆不完全齿轮21，固定在机身支架37“U”形槽的一侧。机身调姿电机7是响应灵敏且高转速大转矩的步进电机，固定在机身调姿电机固定板36的上表面。机身调姿齿轮35是模数为1的渐开线标准直齿轮，与机身调姿电机7的输出轴固定，并与大腿杆不完全齿轮21啮合，该齿轮副的传动比为0.5，即机身调姿齿轮35的分度圆直径与大腿杆不完全齿轮21的分度圆直径之比为0.5。机身调姿电机7驱动机身调姿齿轮35转动，带动大腿杆不完全齿轮21相反方向转动，这样可以调节机身装置与大腿杆9之间的夹角，从而实现机身6的水平位置调节。

如图13所示，脚底装置包括脚底板1和脚底板支架2。脚底板1是前端宽后端窄且带圆倒角的四边形薄板构件，类似于脚掌。脚底板支架2固定焊接在脚底板1的后端中部，其是侧面有两个通孔的“U”形槽板构件，该侧面两通孔分别为辅助踝关节轴安装孔39和踝关节轴安装孔40。如图1所示，脚底板装置位于腿部装置的下方，其中小腿杆10和辅助杆3底端的不完全齿轮伸入脚底板支架2的“U”形槽内，小腿杆不完全齿轮端通孔24与踝关节安装孔40对齐，辅助杆不完全齿轮端通孔27与辅助踝关节轴安装孔39对齐。踝关节轴11穿过小腿杆不完全齿轮端通孔24与踝关节安装孔40，作为铰链轴使小腿杆10与脚底板支架2铰链连接，该铰链相当于踝关节。辅助踝关节轴12穿过辅助杆不完全齿轮端通孔27与辅助踝关节轴安装孔39，作为铰链轴使辅助杆3和脚底板支架2铰链连接，该铰链相当于辅助的踝关节。

图14和图15为本发明两自由度仿生弹跳机器人的能量存储与弹跳工作过程的两个阶段。如图14所示，当弹跳机器人完成前一次弹跳过程后蹲立在地面41上，机身6处于水平状态，腿部装置处于伸展状态，腿部调姿机构的离合器33处于脱开状态。当弹跳机器人准备储能时，丝杠驱动电机8启动，丝杠驱动电机8的输出轴旋转，通过联轴器29带动丝杠5转动。由于螺母4与辅助杆3铰链连接无法跟随丝杠5一起转动，因此丝杠5与螺母4相对转动，使得螺母4沿着丝杠5向丝杠驱动电机8靠近。螺母4的移动带动小腿杆10和辅助杆3分别绕踝关节轴11和辅助踝关节轴12相向转动，小腿杆10与辅助杆3之间的夹角变小，这使固定在辅助膝关节轴13和膝关节轴19上的弹簧14长度缩短。当螺母4沿着丝杠5移动到一定位置时，丝杠驱动电机8停止运转。此时，腿部调姿机构的离合器33由脱开状态转为啮合状态，腿部调姿电机16启动，腿部调姿电机16的输出轴开始运转。腿部调姿电机16输出轴的动力通过离合器33传递给腿部调姿齿轮34，腿部调姿齿轮34开始转动。由于腿部调姿齿轮34与大腿杆不完全齿轮21啮合，因此腿部调姿齿轮34和大腿杆不完全齿轮21分别朝相反方向转动，这使得丝杠螺母机构与大腿杆9绕髋关节轴15朝相反方向摆动，丝杠螺母机构与大腿杆9之间的夹角增大。当丝杠螺母机构与大腿杆9摆动到一定位置时，腿部调姿电机16停止转动。由于腿部调姿电机16是直流减速电机，具有自锁功能，因此当其停止转动时能锁定腿部调姿齿轮34，从而使得丝杠螺母机构和大腿杆9之间保持一定的夹角大小不变。腿部调姿电机16停止运转后，丝杠驱动电机8反向启动，丝杠驱动电机8的输出轴通过联轴器29驱动丝杠5反向转动，螺母4沿着丝杠5向远离丝杠驱动电机8的方向移动，小腿杆10与辅助杆3之间的夹角逐渐增大，使得弹簧14被拉伸而存储弹性能。当螺母4移动到丝杠5末端的一定位置时，丝杠驱动电机8停止，弹簧14被拉伸到一定长度，弹跳机器人的储能阶段完成。在弹跳机器人的储能过程中，机身调姿电机7根据机身6的位置正向或反向运转，通过调节机身装置与大腿杆9之间的夹角大小以保持机身6随时处于水平位置状态。

如图15所示，弹跳机器人储能过程完成后，腿部调姿机构的离合器33由啮合状态转为脱开状态，使丝杠螺母机构和大腿杆9可以绕髋关节轴15相对摆动。弹簧14开始释放弹性能，拉动其两端所固定的辅助膝关节轴13和膝关节轴19，使得大腿杆9与丝杠螺母机构之间的夹角以及小腿杆10与辅助杆3之间的夹角迅速变小，同时机身调姿电机7运转，调节机身装置与大腿杆9之间的夹角，使得机身6保持水平姿态向前上方加速运动。当弹簧14的弹性能释放完全后，机身6的速度达到最大值，拉动脚底装置脱离地面41，实现其弹跳运动。在跳跃腾空过程中，机身调姿电机7继续运转，通过调节机身装置与大腿杆9之间的夹角大小使得机身6保持水平姿态，而整个弹跳机器人的质心在跳跃腾空过程中以抛物线曲线运动，下落时，弹跳机器人的脚底板1先着地，然后整个弹跳机器人停落在地面。

本发明两自由度仿生弹跳机器人其结构简单，工作可靠，可以在跳跃腾空过程中保持机身的稳定，可以实现起跳角度的调节，而且只需要小功率的电机驱动即可完成弹跳机器人的能量存储与释放，适用于行星探测等多种用途的弹跳机器人。

Claims (5)

1.一种两自由度仿生弹跳机器人，它包括机身装置、腿部装置和脚底装置，其腿部装置顶端与机身装置、底端与脚底装置均采用连接轴铰链连接，其特征在于：所述腿部装置采用杆长可变的齿轮五杆结构，其螺母(4)为正面有一螺纹通孔和侧面有一光滑通孔的“∏”形方块；丝杠(5)的一端穿过螺母正面螺纹通孔(31)与螺母(4)螺旋副连接，另一端与联轴器(29)的一端固定，联轴器(29)的另一端与丝杠驱动电机(8)的输出轴固定。

2.根据权利要求1所述的两自由度仿生弹跳机器人，其特征在于：腿部装置的大腿杆(9)为“H”形的杆构件，其下端是位置对称的两片直杆，上端是位置对称的两片模数为1的渐开线不完全标准直齿轮，且在两端各有一通孔，大腿杆(9)与丝杠螺母机构呈“人”字形分布。

3.根据权利要求1所述的两自由度仿生弹跳机器人，其特征在于：小腿杆(10)两端通孔间长度与辅助杆(3)两端通孔间长度之比为20∶11，辅助杆(3)两端通孔间长度与大腿杆(9)两端通孔间长度相等，腿部调姿齿轮(34)的分度圆直径与大腿杆不完全齿轮(21)的分度圆直径之比为0.4；小腿杆不完全齿轮(23)的分度圆直径与辅助杆不完全齿轮(28)的分度圆直径之比为2.46。

4.根据权利要求1所述的两自由度仿生弹跳机器人，其特征在于：所述机身装置的机身支架(37)是含“U”形槽并且在该“U”形槽端有一通孔的板构件，机身为一方形壳体固定在机身支架(37)上表面，机身调姿机构安装在机身支架“U”形槽的一侧，其机身调姿电机固定板(36)固定在机身支架“U”形槽的一侧上表面，机身调姿电机(7)固定在机身调姿电机固定板(36)的上表面，机身调姿齿轮(35)与机身调姿电机(7)的输出轴固定且与大腿杆不完全齿轮(21)啮合；机身调姿齿轮(35)是模数为1的渐开线标准直齿轮，其分度圆直径与大腿杆不完全齿轮(21)的分度圆直径之比为0.5。

5.根据权利要求1所述的两自由度仿生弹跳机器人，其特征在于：所述脚底装置的脚底板(1)为前端宽后端窄且带圆倒角的四边形薄板构件，脚底板支架(2)固定焊接在脚底板(1)的后端中部、其侧面有两个通孔的“U”形槽板构件，其中小腿杆(10)和辅助杆(3)底端的不完全齿轮伸入脚底板支架(2)的“U”形槽内，踝关节轴(11)穿过小腿杆不完全齿轮端通孔(24)与踝关节安装孔(40)，作为铰链轴使小腿杆(10)与脚底板支架(2)铰链连接，辅助踝关节轴(12)穿过辅助杆不完全齿轮端通孔(27)与辅助踝关节轴安装孔(39)，作为铰链轴使辅助杆(3)和脚底板支架(2)铰链连接。

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