CN102514643B - 基于双质量模型结构的跳跃机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于双质量模型结构的跳跃机器人。在机体的底部安装有实现支撑功能的底部机构；在机体的顶部安装有实现驱动压缩释放功能的顶部机构；完成能量存储和连接功能的中间腿连接机构。利用四级齿轮轴上的不完全齿轮与齿条啮合实现顶部机构沿导轨的运动，不完全齿轮与齿条脱离啮合实现顶部机构的弹射，驱动机构和能量释放机构简单可靠；采用六杆结构通过添加一个滑动副约束使顶部机构具有确定的弹射方向。本发明作为探测仪器的运动载体，通过添加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器等组成的控制电路板，实现该机构的无线控制，从而可将该机构应用于科学探险、军事侦察等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种跳跃机器人结构，具体说是涉及一种基于双质量模型的跳跃机器人结构。
背景技术
随着科学技术的发展和各种科学探险活动的增加，机器人作为科学探险的辅助装置，其工作环境也越来越复杂。由美国JPL研制的火星漫游车Athena于2003年发射，其具有较强的越障和爬坡能力，但是在地势更加复杂的情况下，比如遇到大的沟渠，其运动能力大受影响，因此对于具有越障能力更强、反应速度更快的跳跃机器人的研制迫在眉睫，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。
麻省理工学院研究人员研制的单腿跳跃机器人能够实现连续跳跃的稳定和跳跃姿态的调整；日本东京科技研究所Hideyuki教授设计出救援侦查轮动跳跃机器人，在平坦地面采用轮动，遇到障碍物时采用跳跃方式越障；Lambrecht教授设计出Mini-Whegs跳跃机器人，对于小型障碍物，利用喇叭状滚轮的长臂进行越障，遇到大的障碍物时利用双曲柄机构结合螺旋弹簧实现弹跳；Rhodri教授设计出jollbot跳跃机器人，利用压缩机构周围的弹性笼进行能量存储，瞬间释放能量实现跳跃；日本东京大学设计出一个控制过程复杂的多自由度跳跃机器人Mowgli，利用多个气缸控制多关节瞬时运动实现弹跳。
国内方面，哈尔滨工业大学的赵杰教授等人通过提取青蛙跳跃运动性能参数，应用于仿青蛙跳跃机器人动力学分析和后腿的设计；上海交通大学的杨煜普教授提出了一种单腿跳跃机器人机构，能实现周期性的翻转跳跃运动；西北工业大学葛文杰教授等人根据袋鼠生物体运动结构和跳跃特点，研制了仿袋鼠跳跃机器人。
虽然国内外跳跃机器人研究已取得了不少积极进展，但该方向在国际上仍处于起步研究阶段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双质量模型结构的跳跃机器人，利用顶部机构中四级齿轮轴上的不完全齿轮与底部机构的齿条啮合传动实现顶部机构的向下运动和中间腿连接机构的弹性储能；利用不完全齿轮与齿条脱离啮合和中间腿连接机构的能量瞬间释放实现顶部机构的弹射，从而带动底部机构一起实现跳跃运动。
本发明所采用的技术方案是：
在机体的底部安装有实现支撑功能的底部机构；在机体的顶部安装有实现驱动压缩释放功能的顶部机构；完成能量存储和连接功能的中间腿连接机构。其中：
1)底部机构：包括脚板、倾斜块、两根导轨轴、顶部块和齿条；机体底端的脚板上端依次装有倾斜块、两根导轨轴和顶部块，倾斜块和顶部块间装有齿条，齿条位于两根导轨轴的前面位置；
2)顶部机构：包括滑块，由齿轮箱两侧板、电机、电机轴上的小齿轮、一级齿轮轴、二级齿轮轴、三级齿轮轴，四级齿轮轴构成的齿轮箱；滑块与所述两根导轨轴滑动副连接，滑块位于所述顶部块的下方，滑块上的齿轮箱两侧板间安装一级齿轮轴、二级齿轮轴、三级齿轮轴，四级齿轮轴，电机装在齿轮箱侧板上，电机上的小齿轮与一级齿轮轴上的大齿轮啮合，经二级齿轮轴、三级齿轮轴将动力传到四级齿轮轴，四级齿轮轴上其中一个齿轮与三级齿轮轴上的齿轮啮合，另一个齿轮为不完全齿轮，并与所述齿条啮合；
3)中间腿连接机构：包括两根第一连杆、两枚第一销钉、两根第二连杆、两枚第二销钉、两枚第三销钉和螺旋弹簧；两根第一连杆的一端分别通过各自的第一销钉与所述倾斜块两侧铰接，两根第一连杆的另一端分别通过第三销钉与各自的第二连杆的一端铰接，两根第二连杆的另一端分别通过各自的第三销钉与所述滑块两侧铰接，两枚第三销钉之间装有螺旋弹簧；所述齿条位于两根第一连杆和两根第二连杆中间。
所述的减速箱中的四级齿轮轴上的双联齿轮的其中一个与三级齿轮轴上的齿轮啮合，另一个为不完全齿轮并且与齿条啮合，在电机驱动下，顶部机构沿着所述两根导轨轴向下运动一段距离后不完全齿轮与齿条脱离啮合，从而使顶部机构在弹簧的作用下弹射出去，带动底部机构实现跳跃。
所述的倾斜块具有70°～80°的弹射倾角。
本发明具有的有益效果是：
1)本跳跃机器人利用四级齿轮轴上的不完全齿轮与齿条啮合实现顶部机构沿导轨的运动，不完全齿轮与齿条脱离啮合实现顶部机构的弹射，驱动机构和能量释放机构简单可靠。
2)采用六杆结构通过添加一个滑动副约束使顶部机构具有确定的弹射方向。
本发明可以作为探测仪器的运动载体，通过添加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器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科学探险、军事侦察、反恐等领域。
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底部机构示意图。
图3是本发明跳跃机器人底部机构爆炸图。
图4是本发明跳跃机器人顶部机构示意图。
图5是本发明跳跃机器人不完全齿轮与齿条啮合示意图。
图6是本发明跳跃机器人中间腿连接机构示意图。
图7是本发明跳跃机器人主体骨架示意图。
图中：101、脚板，102、倾斜块，103、两根导轨轴，104、顶部块，105、齿条，201、滑块，202、齿轮箱两侧板，203、电机，204、电机轴上的小齿轮，205、一级齿轮轴，206、二级齿轮轴，207、三级齿轮轴，208、四级齿轮轴，301、两根第一连杆，302、两枚第一销钉，303、两根第二连杆，304、两枚第二销钉，305、两枚第三销钉，306、螺旋弹簧。
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。
如图1所示，本发明在机体的底部安装有实现支撑功能的底部机构；在机体的顶部安装有实现驱动压缩释放功能的顶部机构；完成能量存储和连接功能的中间腿连接机构。其中：
1) 如图1、图2、图3、图5所示，底部机构：包括脚板101、倾斜块102、两根导轨轴103、顶部块104和齿条105；机体底端的脚板101上端依次装有倾斜块102、两根导轨轴103和顶部块104，倾斜块102和顶部块104间装有齿条105，齿条105位于两根导轨轴103的前面位置；底部机构用聚甲醛等轻质材料加工，从而保证顶部机构弹出的过程中可以顺利带动底部机构实现跳跃。
2) 如图1、图4所示，顶部机构：包括滑块201，由齿轮箱两侧板202、电机203、电机轴上的小齿轮204、一级齿轮轴205、二级齿轮轴206、三级齿轮轴207，四级齿轮轴208构成的齿轮箱；滑块201与所述两根导轨轴103滑动副连接，滑块201位于所述顶部块104的下方，滑块201上的齿轮箱两侧板202间安装一级齿轮轴205、二级齿轮轴206、三级齿轮轴207，四级齿轮轴208，电机203装在齿轮箱侧板202上，电机203上的小齿轮与一级齿轮轴上的大齿轮啮合，经二级齿轮轴206、三级齿轮轴207将动力传到四级齿轮轴208，四级齿轮轴208上其中一个齿轮与三级齿轮轴207上的齿轮啮合，另一个齿轮为不完全齿轮，并与所述齿条105啮合。
3) 如图1、图6、图7所示，中间腿连接机构：包括两根第一连杆301、两枚第一销钉302、两根第二连杆303、两枚第二销钉304、两枚第三销钉305和螺旋弹簧306；两根第一连杆301的一端分别通过各自的第一销钉302与所述倾斜块102两侧铰接，两根第一连杆301的另一端分别通过第三销钉305与各自的第二连杆303的一端铰接，两根第二连杆303的另一端分别通过各自的第三销钉305与所述滑块201两侧铰接，两枚第三销钉305之间装有螺旋弹簧306；所述齿条105位于两根第一连杆301和两根第二连杆303中间。
如图1、图4所示，所述的减速箱中的四级齿轮轴208上的双联齿轮的其中一个与三级齿轮轴207上的齿轮啮合，另一个为不完全齿轮并且与齿条啮合，在电机驱动下，顶部机构沿着所述两根导轨轴103向下运动一段距离后不完全齿轮与齿条脱离啮合，从而使顶部机构在弹簧的作用下弹射出去，带动底部机构实现跳跃。
所述的倾斜块102具有70°～80°向前或向后倾斜的弹射倾角，从而保证机器人弹射具有一定的角度。
本发明的具体实施例如下：
本发明在机体的底部安装有实现支撑功能的底部机构；在机体的顶部安装有实现驱动功能的顶部机构；完成能量存储和释放功能的中间腿连接机构。
如图1、图2、图3和图5所示，本跳跃机器人脚板101上表面钻有4个通孔，倾斜块102下表面靠近中心位置处钻有通孔，用螺钉将脚板101上表面与倾斜块102下表面的孔连接，倾斜块102上表面靠近中心的位置对称开有两个孔，两根导轨轴103插入这个两个孔中，顶部块104侧面靠近中心处对称开有两个通孔，与两根导轨轴103配合，齿条的两端分别开有通孔，其中一端的孔与倾斜块和导轨轴103用螺栓连接，另一端的孔与顶部块104和导轨轴103用螺栓连接，构成本跳跃机器人的底部机构。
如图1、图4、图5和图6所示，在滑块正对着倾斜块102的那个表面对称开有两个通孔，两根导轨轴103贯穿两个通孔，在滑块201的上表面安装齿轮箱两侧板202，在齿轮箱两侧板202上靠近顶部块104的位置安装有电机203，电机轴上安装小齿轮204，齿轮箱上安装有4级齿轮轴，构成本跳跃机器人的顶部机构。
如图1、图6和图7所示，倾斜块中与脚板上表面成70°～80°倾角的面上开有两个通孔，与两个第一连杆用两个第一销钉分别铰接，滑块的上表面开有两个通孔，与两个第二连杆用两个第二销钉分别铰接，第一连杆和第二连杆的另一端用第三销钉305铰接，构成本跳跃机器人的中间腿连接机构。
本发明的工作原理如下：
本发明的实施例中，电机203正转，通过齿轮箱传动将动力传送到第四级齿轮轴上，其中第四级齿轮轴上有两个齿轮，其中一个齿轮与第三级齿轮轴上的齿轮啮合，另一个齿轮为不完全齿轮，并且与齿条啮合，开始阶段，不完全齿轮与齿条处于啮合状态，在电机的驱动下，整个顶部机构会沿着导轨轴向下运动，从而使中间腿连接机构中的第一连杆与第二连杆的铰接处的角慢慢变小，从而实现连接第一连杆与第二连杆上的螺旋弹簧的拉伸，顶部机构运动到底部时不完全齿轮与齿条脱离啮合，这时顶部机构会在中间腿连接机构的作用下迅速弹回，从而带动底部机构实现弹跳。
Claims (3)
1.一种基于双质量模型结构的跳跃机器人，其特征在于：在机体的底部安装有实现支撑功能的底部机构；在机体的顶部安装有实现驱动压缩释放功能的顶部机构；完成能量存储和连接功能的中间腿连接机构，其中：
1)底部机构：包括脚板(101)、倾斜块(102)、两根导轨轴(103)、顶部块(104)和齿条(105)；机体底端的脚板(101)上端依次装有倾斜块(102)、两根导轨轴(103)和顶部块(104)，倾斜块(102)和顶部块(104)间装有齿条(105)，齿条(105)位于两根导轨轴(103)的前面位置；
2)顶部机构：包括滑块(201)，由齿轮箱两侧板(202)、电机(203)、电机轴上的小齿轮(204)、一级齿轮轴(205)、二级齿轮轴(206)、三级齿轮轴(207)，四级齿轮轴(208)构成的齿轮箱；滑块(201)与所述两根导轨轴(103)滑动副连接，滑块(201)位于所述顶部块(104)的下方，滑块(201)上的齿轮箱两侧板(202)间安装一级齿轮轴(205)、二级齿轮轴(206)、三级齿轮轴(207)，四级齿轮轴(208)，电机(203)装在齿轮箱两侧板(202)上，电机(203)上的小齿轮与一级齿轮轴上的大齿轮啮合，经二级齿轮轴(206)、三级齿轮轴(207)将动力传到四级齿轮轴(208)，四级齿轮轴(208)上其中一个齿轮与三级齿轮轴(207)上的齿轮啮合，另一个齿轮为不完全齿轮，并与所述齿条(105)啮合；
3)中间腿连接机构：包括两根第一连杆、两枚第一销钉、两根第二连杆、两枚第二销钉、两枚第三销钉和螺旋弹簧(306)；两根第一连杆的一端分别通过各自的第一销钉与所述倾斜块(102)两侧铰接，两根第一连杆的另一端分别通过第三销钉与各自的第二连杆的一端铰接，两根第二连杆的另一端分别通过各自的第二销钉与所述滑块(201)两侧铰接，两枚第三销钉之间装有螺旋弹簧(306)；所述齿条(105)位于两根第一连杆和两根第二连杆中间。
2.根据权利要求1所述的一种基于双质量模型结构的跳跃机器人，其特征在于：所述的齿轮箱中的四级齿轮轴(208)上的双联齿轮的其中一个与三级齿轮轴(207)上的齿轮啮合，另一个为不完全齿轮并且与齿条啮合，在电机驱动下，顶部机构沿着所述两根导轨轴(103)向下运动一段距离后不完全齿轮与齿条脱离啮合，从而使顶部机构在螺旋弹簧(306)的作用下弹射出去，带动底部机构实现跳跃。
3. 根据权利要求1所述的一种基于双质量模型结构的跳跃机器人，其特征在于：所述的倾斜块(102)具有70°～80°的弹射倾角。
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