CN102092430A - 基于介电型eap驱动的机器人垂直弹跳机构 - Google Patents

Abstract

一种基于介电型EAP驱动的机器人垂直弹跳机构，属于弹跳机器人技术领域。包括底座（13）、上盖板（1）、EAP驱动器组件、中心导柱（14），中心圆柱凸轮（24），中心圆柱凸轮（24）上具有棘轮结构和凹槽结构。棘轮结构与EAP驱动器组件中的棘爪配合。还包括两个对称固定于相应侧导柱（15）上的与中心圆柱凸轮（24）的凹槽配合的凸起杆；还包括两个铰接于上盖板（1）和底座（13）之间的折杆机构。本发明利用介电型EAP驱动器通过棘爪棘轮机构带动中心圆柱凸轮单向旋转，中心圆柱凸轮转动时其外表面上的螺旋型凹槽受外力作用会同时向下移动，带动六杆机构发生变形，机构重心下移，同时拉伸弹簧产生内应力，使机器人产生跳跃，结构设计简洁，运动可靠性高。

Description

基于介电型EAP驱动的机器人垂直弹跳机构

技术领域

本发明涉及弹跳机器人，尤其涉及一种垂直弹跳机器人。

背景技术

当前，移动机器人应用十分广泛，特别是较为险恶或人们不易到达的环境，如考古中对墓室的探测、对外星球的探索、军事侦察以及反恐活动等。上述的这些场合一般地势较为复杂，可能存在各种障碍物，这就要求机器人具有很强的自主运动能力，越过这些障碍。而当前机器人的运动方式主要是多轮驱动和仿生的步行或爬行，对于一些较高大的障碍，上述机器人的的运动形式难以逾越或越障效率低。

介电型EAP是一种新型智能材料，较其它智能材料和传统的电磁技术相比有很多优点：可以直接对外做功、结构简单、体积小、质量轻；动作平滑、无相对磨擦运动部件、无热、无噪声；功率质量比大、能量转换效率高；变形大，可产生较大位移、响应速度快等优点，在驱动方面有着诱人的应用前景。

发明内容

本发明目的在于对于具有行走功能的机器人提供一种垂直弹跳机构，使其在遇有障碍物时，能够高效快速地逾越，其具体技术方案如下：

一种基于介电型EAP驱动的机器人垂直弹跳机构，其特征在于：包括底座、垂直固定于底座上的侧导柱、安装于侧导柱上可沿侧导柱上下自由移动的上盖板；还包括安装于上盖板的由左固定杆、右固定杆、上导向槽、下导向槽组成的EAP驱动器安装框；还包括通过第一小圆柱销固定于上盖板的支撑板，支撑板上安装有与中心圆柱凸轮的棘轮结构配合的止动棘爪；通过安装于止动棘爪背面的弹簧丝给止动棘爪提供预压力；还包括安装于上盖板的由支撑板、止动棘爪、弹簧丝、第一小圆柱销组成的反转止动棘爪组件；还包括安装于EAP驱动器安装框内的EAP驱动器组件，EAP驱动器组件包括滑动杆、两面涂有电极的EAP驱动器、棘爪安装杆、驱动棘爪；上述滑动杆安装于EAP驱动器安装框的上导向槽与下导向槽之间 ，EAP驱动器一端与滑动杆固连，另一端与右固定杆固连并安装于上导向槽与下导向槽之间，棘爪安装杆一端穿过右固定杆上的导向孔并与滑动杆固连；上述驱动棘爪通过第三小圆柱销安装于棘爪安装杆上，并且通过安装于棘爪背面的弹簧丝提供预压力，通过安装于棘爪正面的第二小圆柱销限位；还包括固定于底座上的中心导柱，还包括通过推力轴承安装于上盖板中心的通过中心盲孔与中心导柱配合的中心圆柱凸轮；中心圆柱凸轮上端外表面具有与上述驱动棘爪配合的棘轮结构；中心圆柱凸轮下部外表面具有螺旋形凹槽结构，螺旋形凹槽沿中心圆柱凸轮360度展开为两条斜凹槽和两条竖直凹槽，一条斜凹槽的末端与另一条斜凹槽的首端各通过一条竖直凹槽连接；该基于介电型EAP驱动的机器人垂直弹跳机构还包括两个对称固定于相应侧导柱上的与中心圆柱凸轮的凹槽配合的凸起杆；该基于介电型EAP驱动的机器人垂直弹跳机构还包括两个铰接于上盖板和底座之间的折杆机构，每个折杆机构包括一根一端与上盖板通过第一圆柱销铰接的上斜杆、一根一端与底座通过第二圆柱销铰接的下斜杆，且上斜杆与下斜杆之间通过第三圆柱销相互铰接；两个折杆机构之间的通过水平拉伸弹簧连接。

本发明的有益效果是 1.本发明利用介电型EAP驱动器通电时产生位移，不通电时恢复初始尺寸，再结合棘爪棘轮机构能带动中心圆柱凸轮实现单向旋转运动。2.本发明利用中心圆柱凸轮转动时其外表面上的螺旋槽受外力作用会同时向下移动，带动六杆机构发生变形，机构重心下移，同时拉伸弹簧产生内应力，使机器人产生跳跃，结构设计简洁，运动可靠性高。3. 本发明的机器人弹跳运动与移动运动方式相结合可以越过数倍于自身的高度，可以显著地提高机器人的越障能力和活动范围，在考古、反恐、地质勘探等领域有着广泛的应用前景。4. 本发明的机器人可作为对外星探测的一种较佳运动机构，因为一般外星球，例如月球与火星表面重力加速度明显低于地球，弹跳运动可以充分利用这一点，从而完成高效率的运动。

上述第一圆柱销、第二圆柱销、第三圆柱销上安装有用于轴向铰接定位的卡簧。

上述水平拉伸弹簧可以安装于第三圆柱销上。水平拉伸弹簧安装于该位置上，可使弹簧获得最大的变形量，提高机构弹跳能力。

附图说明

图1为本发明垂直弹跳机构主视图；

图2为图1所示垂直弹跳机构的俯视图；

图3为图1所示垂直弹跳机构的左视图；

图4为图1所示垂直弹跳机构中的上端加工有棘轮结构的圆柱凸轮图；

图5为图1所示垂直弹跳机构中的EAP驱动棘爪三维部件图；

图6为图1所示垂直弹跳机构中的EAP驱动棘爪部件图；

图7为图1所示垂直弹跳机构中的反转止动棘爪部件立体图；

图8为图1所示垂直弹跳机构中的反转止动棘爪部件平面图；

图9为图1所示垂直弹跳机构中的上盖板立体图；

图10为图1所示垂直弹跳机构中的圆柱凸轮上的螺旋形凹槽展开图；

图11为图1所示垂直弹跳机构三维图；

图中标号名称：1、上盖板、2、推力轴承、3、滑动杆、4、电极、5、上导向槽、6、下导向槽、7、EAP驱动器、8、右固定杆、9、棘爪安装杆、10、上斜杆、11、第三圆柱销、12、下斜杆、13、底座、14、中心导柱、15、侧导柱、16、左固定杆、17、止动棘爪、18、第一小圆柱销、19、支撑板、20、第三小圆柱销、21、第二小圆柱销、22、弹簧丝、23、驱动棘爪、24、中心圆柱凸轮、25、弹簧、26、卡簧、27、螺母、28、横杆、29、螺钉、30、第二圆柱销、31、第一圆柱销。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述：

一种机器人的垂直弹跳机构，包括介电型EAP驱动器7、中心圆柱凸轮24、棘爪棘轮机构、反转止动棘爪部件（包括止动棘爪17、两个第一小圆柱销18、支撑板19、弹簧丝22）、六杆机构（包括上盖板1、底座13、上斜杆10、下斜杆12）、中心导柱14、四个侧导柱15、横杆28、拉伸弹簧25。介电型EAP驱动器7的前后两面涂有电极4。中心圆柱凸轮24的上端做有棘轮结构。四个侧导柱15上固定安装横杆28，两个横杆28的中间分别加工有凸起杆，横杆28上的凸起杆与中心圆柱凸轮24的凹槽配合；

上导向槽5、下导向槽6与左固定杆16、右固定杆8组成EAP驱动器7的支撑框，在中心圆柱凸轮24的前后位置对称布置两个EAP驱动器7的支撑框。前面支撑框的左固定杆16、右固定杆8的上端分别与上盖板1固定安装，左固定杆16、右固定杆8的下端分别与下导向槽6固定安装。右固定杆8的中间位置开有导向孔，上导向槽5与上盖板1固定连接，介电型EAP驱动器7的左、右端部分别与滑动杆3、右固定杆8固定连接。滑动杆3的上、下端部可以分别沿着上导向槽5、下导向槽6滑动。棘爪安装杆9的前端与滑动杆3的中部固定连接，棘爪安装杆9的后部可以沿右固定杆8中间位置的导向孔左右运动，驱动棘爪23通过第三小圆柱销20安装在棘爪安装杆9的折板上，并且通过安装于驱动棘爪23背面的弹簧丝22提供预压力，通过安装于棘爪正面的第二小圆柱销21限位，使得驱动棘爪23前进时可以推动棘轮朝一个方向旋转，而驱动棘爪23后退时不带动棘轮旋转。

推力轴承2的内圈和中心圆柱凸轮24向上伸出来的凸轮轴过盈配合，凸轮轴的末端做有螺纹，用一个旋在凸轮轴螺纹上的螺母27压住推力轴承2的上端。 中心圆柱凸轮24的外表面上开有两个螺旋形凹槽与两个竖直形凹槽，凹槽沿圆柱360度展开为两条斜凹槽和两条竖直凹槽，一条斜凹槽的末端与另一条斜凹槽的首端各通过一条竖直凹槽连接；两个斜杆10分别通过第一圆柱销31连接在上盖板1上，两个斜杆12分别通过第二圆柱销30连接在底座13上，斜杆10与斜杆12连接处插入第三圆柱销11，并通过两片卡簧26使得上斜杆10与下斜杆12紧靠在一起。

反转止动棘爪部件由止动棘爪17、两个第一小圆柱销18、支撑板19、弹簧丝22组成，止动棘爪17与中心圆柱凸轮24上端的棘轮配合，使得棘轮只能单向旋转，阻止中心圆柱凸轮24反向旋转运动。

给EAP驱动器7的前后两面上的电极4逐渐施加高电压时，EAP驱动器7在上导向槽5、下导向槽6的导向作用下沿导向槽的方向逐渐伸展变长，同时带动棘爪安装杆9移动，棘爪安装杆9折板上安装的驱动棘爪23随着向前移动，EAP驱动器带动驱动棘爪23正向运动时，驱动棘爪23轮流推动棘轮，使得中心圆柱凸轮24旋转一定角度，中心圆柱凸轮24下端中心处开有一定深度的盲孔，中心圆柱凸轮24旋转时在横杆28上凸起杆的作用下会同时沿着中心导柱14向下移动，同时带动上盖板1、推力轴承2等零件向下移动，六杆机构发生变形，弹簧25逐渐被拉长，储存弹性势能。当横杆28上凸起杆沿着螺旋形凹槽相对运动到竖直凹槽上端时，弹簧25被拉伸到最长，中心圆柱凸轮24不再受横杆28上凸起杆竖直方向的作用力，此时弹簧25突然收缩，带动四个斜杆，使上盖板1等零件向上运动，带动整个机器人机构离地跳起，最终机构跳起。由于物体的惯性，垂直弹跳机器人会以一定的速度离开地面作上下弹跳运动。若机器人此前是以一定的速度做水平运动，向上弹跳运动与惯性的水平运动的结合就形成了逾越障碍的跳跃运动。当垂直弹跳机器人再次落地时，便可再次进入弹跳的开始阶段。

Claims (3)

1. 一种基于介电型EAP驱动的机器人垂直弹跳机构，其特征在于：

包括底座（13）、垂直固定于底座（13）上的侧导柱（15）、安装于侧导柱上可沿侧导柱上下自由移动的上盖板（1）；

还包括安装于上盖板（1）的由左固定杆（16）、右固定杆（8）、上导向槽（5）、下导向槽（6）组成的EAP驱动器安装框；

还包括安装于EAP驱动器安装框内的EAP驱动器组件，EAP驱动器组件包括滑动杆（3）、两面涂有电极（4）的EAP驱动器、棘爪安装杆（9）、驱动棘爪（23）；上述滑动杆（3）安装于EAP驱动器安装框的上导向槽（5）与下导向槽（6）之间 ，EAP驱动器一端与滑动杆（3）固连，另一端与右固定杆（8）固连并安装于上导向槽（5）与下导向槽（6）之间，棘爪安装杆（9）一端穿过右固定杆（8）上的导向孔并与滑动杆（3）固连；上述驱动棘爪（23）通过第三小圆柱销（20）安装于棘爪安装杆（9）上，并且通过安装于棘爪背面的弹簧丝（22）提供预压力，通过安装于棘爪正面的第二小圆柱销（21）限位；

还包括固定于底座（13 ）上的中心导柱（14），还包括通过推力轴承（2）安装于上盖板（1）中心的通过中心盲孔与中心导柱（14）配合的中心圆柱凸轮（24）；中心圆柱凸轮（24）上端外表面具有与上述驱动棘爪（23）配合的棘轮结构；中心圆柱凸轮（24）下部外表面具有螺旋形凹槽结构，螺旋形凹槽沿中心圆柱凸轮360度展开为两条斜凹槽和两条竖直凹槽，一条斜凹槽的末端与另一条斜凹槽的首端各通过一条竖直凹槽连接；

还包括通过第一小圆柱销（18）固定于上盖板（1）的支撑板（19），支撑板（19）上安装有与中心圆柱凸轮（24）的棘轮结构配合的止动棘爪（17）；通过安装于止动棘爪背面的弹簧丝给止动棘爪（17）提供预压力；

该基于介电型EAP驱动的机器人垂直弹跳机构还包括两个对称固定于相应侧导柱（15）上的与中心圆柱凸轮（24）的凹槽配合的凸起杆；

   该基于介电型EAP驱动的机器人垂直弹跳机构还包括两个铰接于上盖板（1）和底座（13）之间的折杆机构，每个折杆机构包括一根一端与上盖板（1）通过第一圆柱销（31）铰接的上斜杆（10）、一根一端与底座（13）通过第二圆柱销（30）铰接的下斜杆（12），且上斜杆（10）与下斜杆（12）之间通过第三圆柱销（11）相互铰接；两个折杆机构之间通过水平拉伸弹簧（25）连接。

2. 根据权利要求1所述的基于介电型EAP驱动的机器人垂直弹跳机构，其特征在于：上述第一圆柱销（31）、第二圆柱销（30）、第三圆柱销（11）上安装有用于铰接定位的卡簧（26）。

3. 根据权利要求1所述的基于介电型EAP驱动的机器人垂直弹跳机构，其特征在于：上述水平拉伸弹簧（25）安装于第三圆柱销（11）上。

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