CN102358362B

CN102358362B - 基于转动盘圆柱销驱动机构的跳跃机器人

Info

Publication number: CN102358362B
Application number: CN201110220644A
Authority: CN
Inventors: 梅德庆; 甄永乾; 汪延成; 倪虹; 陈子辰
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-08-03
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2031-08-03
Also published as: CN102358362A

Abstract

本发明公开了一种基于转动盘圆柱销驱动机构的跳跃机器人。在二级轴上装有齿轮，在三级轴上装有齿轮，在机体两侧板外侧三级轴的两端分别安装转动盘，电机轴上齿轮经二级与三级轴上的齿轮啮合；在两个转动盘上对称安装圆柱销；机体两侧板上靠近电机轴处对称安装销钉，两个前腿固定块分别穿过该销钉与机体两侧板固定，两条前腿的一端与前腿固定块固定，机体两侧板上靠近三级轴的下部分别装有后腿固定块，两条后腿的一端与后腿固定块紧固；在电机轴处的销钉端部分别安装弹簧挡圈，机体两侧板上靠近后腿固定块处分别装有销钉安装跳跃腿，两个弹簧的两端分别勾住销钉和跳跃腿末端伸出杆。通过电机使转动盘转动，驱动弹跳腿拉伸弹簧存储或释放能量，实现弹跳。

Description

基于转动盘圆柱销驱动机构的跳跃机器人

技术领域

本发明涉及一种跳跃机器人，具体说是涉及一种基于转动盘圆柱销驱动机构的跳跃机器人。

背景技术

众所周知，随着科学技术的日新月异，机器人研究领域已经成为国际学术界的热点。随着机器人应用范围日益广泛，机器人面临的工作环境也越来越复杂，这就要求机器人具有较强的自主运动能力和环境适应能力。而目前的地面机器人(如轮式机器人、履带机器人)在非结构化的地面应用中具有很大的局限性，跳跃机器人具有越障能力强、反应速度快的特点，因此，在星际探索、军事侦察、救灾等领域有着广阔的应用前景，各国的相关科研机构在该方面取得了一些积极的研究进展。

美国国家宇航局(NASA)喷气动力实验室(JPL)与加利福尼亚技术学院联合研制了三代跳跃机器人，旨在解决星际探索中漫游车(Nanorover)在崎岖地形下活动范围有限的问题；日本东京大学科研人员研制了类似袋鼠的跳跃机器人Kenken，能够完成稳定的跳跃动作；国内的浙江大学研究人员根据叶蝉跳跃机理研制出的GRILLO Ⅱ步态规划与叶蝉跳跃步态相似，完成了叶蝉跳跃功能的仿生；西北工业大学研究人员根据袋鼠生物体运动结构和跳跃特点，提出了仿袋鼠柔性跳跃机器人伪刚体机构模型。

虽然国内外跳跃机器人的研究已取得了一些积极进展，但该方向在国际上仍处于初步研究阶段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于转动盘圆柱销驱动机构的跳跃机器人，旨在通过对跳跃机理研究基础上进行跳跃机器人的设计。利用杠杆原理配合螺旋弹簧结构实现跳跃腿的弹性储能；通过转动盘上的圆柱销及圆柱销端部的滚动轴承结构结合跳跃腿部转动杆件和螺旋弹簧达到跳跃目的。

本发明所采用的技术方案是：

在机体上安装有实现驱动功能的动力传输装置；在机体的两侧安装有储能装置和稳定支撑装置；其中：

1) 动力传输装置：

机体两侧板间安装有电机、二级齿轮轴、三级齿轮轴，在电机轴上装有第一小齿轮，在二级齿轮轴上装有第二小齿轮和第一大齿轮，在三级齿轮轴上装有第二大齿轮，在机体两侧板外侧三级齿轮轴的两端分别安装有第一、第二转动盘，电机轴上第一小齿轮与二级齿轮轴上的第一大齿轮啮合，二级齿轮轴上的第二小齿轮与三级齿轮轴上的第二大齿轮啮合；在第一、第二转动盘上对称安装有第一、第二圆柱销，在第一、第二圆柱销端部分别安装滚动轴承。

2)稳定支撑装置：

机体两侧板上靠近第一小齿轮处分别对称安装有第一、第二销钉，两个前腿固定块分别穿过第一、第二销钉与机体两侧板固定，两条前腿的一端分别与各自的前腿固定块固定，机体两侧板上靠近第二大齿轮下部分别安装有后腿固定块，两条后腿的一端分别与各自的后腿固定块紧固。

3)储能装置：

在第一、第二销钉分别安装第一、第二弹簧挡圈，机体两侧板上靠近后腿固定块处分别装有第三、第四销钉，在第三、第四销钉端部分别安装第三、第四滚动轴承，第三、第四滚动轴承上分别安装跳跃腿，两个弹簧的一端分别勾住第一、第二销钉，另一端分别勾住各自的跳跃腿末端伸出杆。

本发明具有的有益效果是：

(1) 本跳跃机器人前腿和后腿采用弹性模量较大的材料，不但可以保证在弹跳腿转动过程中前腿或后腿能够接触地面，使本跳跃机器人保持稳定，而且在本跳跃机器人落地时前后腿还具有缓冲吸振功能，减小了落地过程中的碰撞损坏率。

(2) 齿轮轴与齿轮采用过盈配合，齿轮的定位方式简单可靠。

(3) 触发装置中的转动盘上的圆柱销端部具有滚动轴承，与弹跳腿接触过程中采用滚动摩擦，减少了能量消耗，当转动盘上的圆柱销到达后腿端部时实现圆柱销与后腿分离，实现触发，从而完成跳跃功能，触发方式简单可靠。

(4) 本机构可以通过更换不同尺寸的转动盘来驱动跳跃腿，不但保证弹簧的储能量可调，而且还能实现跳跃角度的可调。

本发明可以作为探测仪器的运动载体，通过添加由PIC-18LF4520单片机为主控芯片配备超声波测距传感器、光电编码盘、红外接收器及直流电机控制芯片L298N等组成的控制电路板，可以实现该机构的无线控制，从而可将该机构应用于军事勘察、科学研究、太空探索等领域。

附图说明

图1是本发明跳跃机器人总体结构示意图。

图2是本发明跳跃机器人总体结构俯视图。

图3是本发明跳跃机器人前腿结构示意图。

图4是本发明跳跃机器人后腿结构示意图。

图5是本发明跳跃机器人动力传动机构示意图。

图6是本发明跳跃机器人转动盘和跳跃腿总成示意图。

图中：101.电机框架， 102.前腿固定块，103.前腿，104.后腿固定块，105.后腿，106.机体两侧板，201.电机，202.第一小齿轮，203.二级齿轮轴，204.第二小齿轮，205.第一大齿轮，206.三级齿轮轴，207.第二大齿轮，208. 转动盘，209.第一、第二圆柱销，210.第一、第二滚动轴承，301. 第一、第二销钉，302.弹簧挡圈，303.弹簧，304.跳跃腿，305.第三、第四销钉，306.第三、第四滚动轴承。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参照图1、图2、图3、图4、图5和图6，本发明在机体上安装有实现驱动功能的动力传输装置；在机体的两侧安装有稳定支撑装置和储能装置；其中：

1)动力传输装置：

机体两侧板106间安装有电机201、二级齿轮轴203、三级齿轮轴206，在电机轴上装有第一小齿轮202，在二级齿轮轴203上装有第二小齿轮204和第一大齿轮205，在三级齿轮轴206上装有第二大齿轮207，在机体两侧板外侧三级齿轮轴206的两端分别安装有第一、第二转动盘208，电机轴上第一小齿轮202与二级齿轮轴203上的第一大齿轮205啮合，二级齿轮轴203上的第二小齿轮204与三级齿轮轴206上的第二大齿轮207啮合；在第一、第二转动盘208上对称安装有第一、第二圆柱销209，在两个圆柱销209端部分别安装第一、第二滚动轴承210。

2)稳定支撑装置：

机体两侧板106上靠近第一小齿轮处分别对称安装有第一、第二销钉301，两个前腿固定块102分别穿过第一、第二销钉301与机体两侧板106固定，两条前腿103的一端分别与各自的前腿固定块102固定，机体两侧板106上靠近第二大齿轮207下部分别安装有后腿固定块104，两条后腿105的一端分别与各自的后腿固定块104紧固。电机框架101通过螺钉连接与侧板106固定，从而使电机固定。

3)储能装置：

在第一、第二销钉 301端部分别安装第一、第二弹簧挡圈302，机体两侧板上靠近后腿固定块处分别装有第三、第四销钉305，在第三、第四销钉端部分别安装第三、第四滚动轴承，两个滚动轴承上分别安装跳跃腿，两个弹簧的一端分别勾住第一、第二销钉，另一端分别勾住各自的跳跃腿304末端伸出杆。

所述的转动盘208在三级齿轮轴206的端部，机体两侧板106的外侧，并且与三级齿轮轴206采用过盈配合连接，既可以保证转动盘208的轴向定位和周向定位，又可以避免转动盘208在转动过程中其上的圆柱销209与机体侧板106发生干涉。

所述的转动盘208侧面开通孔，与转动盘上的圆柱销209过盈配合连接，从而使销轴穿过转动盘，利用圆柱销端部的滚动轴承210驱动跳跃腿304的转动实现能量存储和释放。

所述的转动盘208在三级齿轮轴206的端部，机体两侧板106的外侧，可以避免转动盘208在转动过程中其上的圆柱销209与机体侧板106发生干涉。

所述的跳跃机器人前腿103和后腿105采用弹性模量较大的材料，不但可以保证在弹跳腿转动过程中前腿103或后腿105能够接触地面，使本跳跃机器人保持稳定，而且在本跳跃机器人落地时还具有缓冲吸振功能。

本发明的具体实施例如下：

本发明在机体上安装有实现驱动功能的动力传输装置；在机体的两侧安装有稳定支撑装置和储能装置；如图1、图2、图3、图4、图5和图6所示，本跳跃机器人机体两侧板106钻有通孔，其上安装电机轴、二级齿轮轴203、三级齿轮轴206，并且在电机轴上通过过盈配合安装第一小齿轮202，在二级齿轮轴203上通过过盈配合安装第二小齿轮204和第一大齿轮205，在三级齿轮轴206上通过过盈配合安装第二大齿轮207和第一、第二转动盘208，在第一、第二转动盘208上钻有通孔，将第一、第二圆柱销209与各自的转动盘208上的孔过盈配合连接实现定位，在第一、第二圆柱销209端部安装第一、第二滚动轴承210，从而构成本跳跃机器人的动力传输装置。

机体两侧板106前部钻有通孔，第一、第二销钉301与各自的侧板上的此孔过盈配合连接，第一、第二销钉301端部用弹簧挡圈302通过螺纹连接实现紧固，防止弹簧滑出，机体两侧板106后部钻有通孔，第三、第四销钉305分别与各自的侧板上的此孔通过过盈配合连接实现紧固，在第三、第四销钉305端部分别安装第三、第四滚动轴承306，跳跃腿304中部的圆孔与滚动轴承306连接，实现定位，弹簧303的一端勾住销钉301，另一端勾住跳跃腿304末端伸出杆，构成本跳跃机器人的储能装置。

前腿固定块102钻有通孔分别与第一、第二销钉301销钉连接，并且通过螺栓连接使前腿固定块102与机体侧板106固定，前腿103通过过盈配合连接于前腿固定块102定位，后腿固定块104钻有通孔，与后腿105通过螺栓连接实现紧固，后腿固定块104与侧板106也用螺栓连接实现紧固，电机框架101通过螺钉连接与侧板106固定，从而使电机固定。

本发明中以PIC-LF4520单片机为主体，通过添加超声波测距传感器、光电编码盘、红外接收器及直流电机控制芯片L298N等组成的控制电路板及电池作为配重安装在机体后部，从而实现本跳跃机器人身体的静态平衡。

本发明的工作原理如下：

本实施例中，静止阶段，由前腿103和后腿105支撑身体，实现静态稳定。电机201正转带动第一小齿轮202转动，驱动与之啮合的第一大齿轮205转动，从而驱动二级齿轮轴203和第二小齿轮204转动，第二小齿轮204驱动与之啮合的第二大齿轮207转动，从而驱动三级齿轮轴206和第一、第二转动盘208转动，第一、第二转动盘208带动其上的第一、第二圆柱销209及圆柱销上的第一、第二滚动轴承210转动，第一、第二滚动轴承210分别与两条跳跃腿304接触，从而驱动两条跳跃腿304 绕第三、第四销钉305向身体后部方向转动，当第一、第二滚动轴承210滑到两条跳跃腿304的后部末端时，弹簧303的伸长量达到最大，此时，第一、第二转动盘208再转过一个很小的角度，第一、第二滚动轴承210与跳跃腿304脱离接触，两条跳跃腿304在弹簧303的作用下绕第三、第四销钉305反向转动，机器人的身体以两条跳跃腿304底部末端为支点，抛向空中，从而实现跳跃。

Claims

1.一种基于转动盘圆柱销驱动机构的跳跃机器人，其特征在于：在机体上安装有实现驱动功能的动力传输装置；在机体的两侧安装有稳定支撑装置和储能装置；其中：

1) 动力传输装置：

机体两侧板间安装有电机(201)、二级齿轮轴(203)、三级齿轮轴(206)，在电机轴上装有第一小齿轮(202)，在二级齿轮轴(203)上装有第二小齿轮(204)和第一大齿轮(205)，在三级齿轮轴(206)上装有第二大齿轮(207)，在机体两侧板外侧三级齿轮轴(206)的两端分别安装有第一、第二转动盘，电机轴上第一小齿轮(202)与二级齿轮轴(203)上的第一大齿轮(205)啮合，二级齿轮轴(203)上的第二小齿轮(204)与三级齿轮轴(206)上的第二大齿轮(207)啮合；在第一、第二转动盘上对称安装有第一、第二圆柱销，在第一、第二圆柱销端部分别安装第一、第二滚动轴承(210)；

2)稳定支撑装置：

机体两侧板(106)上靠近第一小齿轮处分别对称安装有第一、第二销钉，两个前腿固定块分别穿过第一、第二销钉与机体两侧板固定，两条前腿的一端分别与各自的前腿固定块固定，机体两侧板(106)上靠近第二大齿轮(207)下部分别安装有后腿固定块，两条后腿的一端分别与各自的后腿固定块紧固；

3)储能装置：

在第一、第二销钉端部分别安装第一、第二弹簧挡圈，机体两侧板上靠近后腿固定块处分别装有第三、第四销钉，在第三、第四销钉端部分别安装第三、第四滚动轴承，第三、第四滚动轴承上分别安装跳跃腿，两个弹簧的一端分别勾住第一、第二销钉，另一端分别勾住各自的跳跃腿(304)末端伸出杆。