CN102431603A - 一种可移动跳跃的机器人 - Google Patents

Abstract

一种可移动跳跃的机器人，包括有运动系统、传感器系统，机器人整体构造为对称结构，其重心处于机构的对称线上，位于中心位置的检测系统的正下方；机器人控制为手动与自动两种控制模式；自动控制经超声波传感器设置在传感器系统内与控制执行机构相连，机器人携带有获取现场信息并远程传送给操作者的摄像头；超声波传感器安装在舵机旋转轴上，旋转轴联动传感器控制机器人；手动控制方式，设有控制机器人的游戏杆，机器人搭载的摄像头与上位机相连；运动系统的运动机构，为轮式运动和弹跳运动机构。它可以根据现场环境的不同，选择不同的运动策略，进行移动。由于它的运动方式多样可用于行星探索、军事侦察、灾后救援等场合。

Description

一种可移动跳跃的机器人

技术领域

 本发明涉及一种机器人，具体涉及一种可以将轮式移动和跳跃运动相结合的机器人。

背景技术

在机器人技术领域中，可移动式跳跃机器人是一个新兴的发展分支，它将跳跃机器人的弹跳能力与移动机器人的快速移动能力相结合，有效的解决了这两种机器人自身的不足之处。随着对此类可移动跳跃机器人研究的深入，它的作用彰显在科技生活的各个方面，从而推动整个国家的科技进步。

目前，可移动机器人的活动方式主要有两种：平面移动式（轮式/履带式或步行/爬行式）和弹跳式。轮式/履带式移动机器人机构简单，运动时消耗能量不多，但是很难越过高度超过限制的障碍物。步行/爬行机器人虽然具有翻越障碍物的能力，但是机构复杂，自由度、关节、驱动部件较多，实际应用受到限制。弹跳机器人可以轻而易举地跃过与自身尺寸大小相当的障碍物或沟渠，甚至可以跃过数倍于自身尺寸的障碍物，但移动能力又不强。因此，在机器人的研制过程中，把多种运动方式集成到一种机器人身上，是扩展机器人运动范围、提高机器人适应能力的主要途径。所以说如果可以将上述两种运动方式完美的结合起来，则设计出的机器人将更适合工作在复杂和不可预测的环境中。以此种思想设计出的机器人一方面可以用于学术研究，另一方面，它的主要设计目的是应用于现实工作中，如考古探索，灾后救援等。但目前还未见这方面的报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种可移动跳跃的机器人，该机器人结构紧凑、小巧，具有轮式移动和跳跃运动两种运动方式，可以适应在多种环境下工作。

本发明技术方案为：

一种可移动跳跃的机器人，包括有运动系统、传感器系统，机器人整体构造为对称结构，其重心处于机构的对称线上，位于中心位置的检测系统的正下方，距离地面高度为车轮直径的1/3，重心位置居中偏下；机器人控制为手动与自动两种控制模式；自动控制经超声波传感器设置在传感器系统内与控制执行机构相连，机器人携带有获取现场信息并远程传送给操作者的摄像头；超声波传感器安装在舵机旋转轴上，旋转轴联动传感器控制机器人；手动控制方式，设有控制机器人的游戏杆，机器人搭载的摄像头与上位机相连；运动系统的运动机构，为轮式运动和弹跳运动机构。

所述的一种可移动跳跃的机器人，所述轮式运动和弹跳运动机构，包括储能机构和触发机构，储能机构采用非线性弹簧机构，触发机构由不完整齿轮与完整齿轮组成，并用钢丝与储能机构连接，齿轮转动经舵机转动带动，采用PWM控制。

所述的一种可移动跳跃的机器人，不完整齿轮与舵机的转轴相连，舵机旋转0°-180°角度设置。

本发明具有如下优点：

本发明在完成对环境信息的检测后，可以根据障碍物的高度值选择轮式运动策略或者跳跃运动策略，实现运动过程的高效化。设计的对称的、低重心的本体结构，提高了机器人运动的稳定性。这种设计思想对于机器人运动的研究，机器人应用和机器人技术发展具有意义。

本发明设计的机器人将用于实验室研究的机器人应用到实际工作中，有效地扩展了机器人的使用范围，由于它的运动方式的多样化，适应性也更强，在行星探索，军事侦察、灾后救援以及考古探险的过程中，具有实用价值。

附图说明

图1为触发机构示意图；

图2为储能机构示意图；

图3为可移动跳跃机器人侧面透视结构示意图；

图4为本发明的跳跃机构示意图。

具体实施方式

本发明机器人结构设计采用对称思想，重心位置居中偏下；机器人控制分为手动与自动两种控制模式；机器人运动过程中，通过传感器系统中的超声波传感器检测前方信息，控制器根据检测信息，生成相应的运动策略，控制执行机构动作，机器人携带的摄像头获取现场信息并远程传送给操作者。整体构造采用对称结构，两侧的直径大于主体结构高度的车轮使机器人跳跃运动更加稳定，其中的巨大车轮让机器人落地过程更加平稳，减小了侧翻的概率。设计的机器人的重心处于机构的对称线上，在位于中心位置的检测系统的正下方，距离地面高度为车轮直径的1/3。如此的设计可以使机器人的重心处于正下方，在跳跃运动落地或轮式移动停止时，机器人实现自动恢复到平衡状态，即车载摄像头保持拍摄正前方。机器人的控制方式有自动控制和手动控制方式。当机器人处于自动控制状态时，它可以在复杂环境自主运动。超声波传感器安装在舵机旋转轴上，旋转轴带动传感器一起转动，分别测量水平距离和倾斜距离，然后根据勾股定理计算出前方障碍物高度，控制器根据信息选择策略，控制机器人运动。在手动控制方式下，使用游戏杆对机器人的运动进行控制，机器人搭载的摄像头将前方信息传送给上位机，操作者可以人为的判断环境，控制机器人到达目标点，完成任务。运动系统设计：运动方式分为轮式运动和弹跳运动。跳跃机构的主要组成部分是储能机构和触发机构。如图1所示的弹跳装置，图2所示的储能机构是其核心部分，其性能直接影响跳跃运动的效果。在存储能量过程中，将机构中的线性弹簧沿X轴方向拉伸；在释放能量过中，弹簧收缩，在Y轴方向产生纵向推力，使机器人完成跳跃运动。其采用非线性弹簧机构代替线性弹簧，有效的解决了原有结构提前起跳现象，能量利用率明显提高。跳跃运动的触发机构由不完整齿轮与完整齿轮组成，并将其用钢丝与储能机构连接。齿轮转动的动力来源于舵机的转动，舵机可以旋转0°-180°，采用PWM（定脉宽调制）控制。将不完整齿轮与舵机的转轴相连，当不完整齿轮与完整齿轮啮合时，储能机构开始储能；当完整齿轮的齿与不完整齿轮脱离时，储能机构释放能量，机器人完成跳跃。

本发明机器人开始运动时，通过由传感器系统中的超声波传感器和舵机组成的检测系统获取前方道路信息，中央控制器根据检测信息，生成相应的运动策略，运动机构根据命令，完成动作；与上位机的实时通信实现操作者对现场信息的及时获取。

一般的机器人在运动时，只使用一种单一的运动方式，限制了机器人的使用范围。本发明设计的机器人，运动方式多样，解决了应用范围有限的问题。因为对环境信息的检测，控制策略的生成等任务对控制器的实时性要求较高，所以选用DSP芯片作为控制核心。机器人拥有两种运动方式：轮式运动和跳跃运动。轮式运动中加入PID控制方法，控制器根据光电编码器输出的轮速信息进行PID运算，得出控制量，使轮速快速达到理想值。跳跃运动中使用四杆非线性弹簧机构作为储能机构，使用不完整齿轮机构作为触发结构，将弹性能量高效地转换为动能。

实施例1

如图3所示，本发明提供一种针对不同环境采取不同运动方式的可移动跳跃机器人的设计。机器人的整体结构设计成扁平状，而且两侧的结构对称，从而保持了飞跃过程中的平衡姿态，减小了机器人落地时发生侧翻的可能。机器人运行状态分为手动控制和自动控制两种状态。手动控制模式下，机器人通过无线通信模块可以实现同上位机的实时通信，操作者通过操作摇杆来控制机器人的运动。置于主体正前方的摄像头可以获取周围环境信息，机器人将信息传回到上位机，为操作者的具体操作提供参考。在自动控制模式下，机器人通过置于上方的超声波传感器测量与障碍物的水平距离以及与障碍物顶部的倾斜距离，经过计算得到前方障碍物高度，控制器对获得数据进行处理，选择运动策略，控制机器人运动。

跳跃运动的实现：

如图3所示的机器人的一种主要运动方式是跳跃运动，此种运动是通过触发装置和储能装置的配合工作来实现的。如图4所示，触发装置由不完整齿轮，即齿轮1和完整齿轮，即齿轮2组成，齿轮1固定在舵机转动轴上。工作时，舵机带动齿轮1转动，当齿轮1与齿轮2啮合时，齿轮1带动齿轮2转动，齿轮2的转动带动传动轮3转动，传动轮3开始缠绕钢丝。钢丝拉动储能机构运动，使弹簧沿横向拉伸，产生收缩力，存储弹性能量，为起跳做准备。当准备起跳时，齿轮1继续转动，在齿轮2旋转到齿轮1的无齿部分时，齿轮2脱离齿轮1的束缚，齿轮2反转，传动轮缠绕的钢丝被释放，纵向拉力消失，弹簧收缩，储能机构通过弹簧的回缩，在纵向产生推力，使机器人完成跳跃运动。

本发明设计出一种具有两种运动能力的机器人。机器人可以利用检测系统分析前方环境信息，依据获得的数据信息制定相应的运动策略，运动机构根据控制器的命令进行运动。本发明最大的优点在于运动方式多样化，机器人拥有轮式移动和跳跃运动两种运动方式。轮式移动在平坦陆地有移动快速、灵活的优点；跳跃运动在有障碍的复杂环境中有运动能力强的特点。将两种运动方式结合到同一机器人机构上，增强了它的环境适应能力，从而更扩展了机器人的实际应用范围。本发明通过扩展机器人的运动方式，为日后人类在行星探索，考古探险，极地科考以及灾后救援等工作提供了新的助手。

Claims (3)

1.一种可移动跳跃的机器人，包括有运动系统、传感器系统，其特征在于：机器人整体构造为对称结构，其重心处于机构的对称线上、位于中心位置的检测系统的正下方，距离地面高度为车轮直径的1/3，即，重心位置居中偏下；机器人为手动与自动两种控制模式；自动控制为超声波传感器设置在传感器系统内与控制执行机构相连，机器人携带有获取现场信息并远程传送给操作者的摄像头；超声波传感器安装在舵机旋转轴上，旋转轴联动传感器联控机器人；手动控制方式设有控制机器人的游戏杆，机器人搭载的摄像头与上位机相连；运动系统的运动机构为轮式运动和弹跳运动机构。

2.按照权利要求1所述的一种可移动跳跃的机器人，其特征在于：所述轮式运动和弹跳运动机构包括储能机构和触发机构，储能机构为非线性弹簧机构，触发机构由不完整齿轮与完整齿轮组成，并经钢丝与储能机构连接，齿轮转动经舵机连接带动，采用PWM控制。

3.按照权利要求2所述的一种可移动跳跃的机器人，其特征在于：不完整齿轮与舵机的转轴相连，舵机旋转0°-180°角度设置。

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