CN102602467B

CN102602467B - 步长可变的连续跳跃及转向运动机构

Info

Publication number: CN102602467B
Application number: CN 201210086988
Authority: CN
Inventors: 柯显信; 刘杨; 冒小萍; 杨晓晨
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2012-05-03
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2032-05-03
Also published as: CN102602467A

Abstract

本发明涉及一种步长可变的连续跳跃及转向运动机构。它包括一个机体和四个支撑足，所述机体顶端有一短凸轴与支撑足顶部中心的小孔为转动副连接。有一个凸轮轴安装于一个滑箱中，而该滑箱安装于机体的滑槽内，一个凸轮安装在所述凸轮轴上而构成凸轮机构，一个凸轮电机安装在所述机体滑槽底部的一个电机座板上，该电机上的转轴与凸轮轴通过同步带传动；一个舵机直立固定在所述支撑足上面的一个舵机座板上，该舵机的转轴向下穿过一个舵机座板小孔，与一联轴器连接，该联轴器的另一端穿过所述支撑足顶部中心小孔与所述机体的短轴连接。本发明运动机构简单，跳跃效率高，可实现连续跳跃，并易于改变跳跃步长和跳跃方向。

Description

步长可变的连续跳跃及转向运动机构

技术领域

本发明涉及一种四足支撑机器人运动机构，特别是一种步长可变的连续跳跃及转向运动机构。

技术背景

在非结构化或准结构化环境下运动时，轮履及爬行式机器人遇到大于其自身尺寸的障碍物时，一般只能避让，在很多场合的应用受到限制。具有弹跳性能的机器人由于可以跨越障碍，墙体和沟渠，具有广泛的应用前景，近年来受各国研究机构的高度关注。跳跃机器人要求落脚面积小，适应复杂的地形和环境；可跳跃其自身高的数倍甚至数十倍的高度，越障能力和活动范围大；弹跳运动的突然性与爆发性还有助于机器人快速躲避危险；而其结构自由度可很少，但其运动自由度并不少，因而其运动灵活性高，结构与控制简单，易微小化。跳跃机器人在运动过程中，也存在难以实现连续跳跃，难以控制跳跃步长和跳跃方向的缺点。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷，提供一种连续跳跃及转向运动机构，该机构可以实现改变跳跃步长和跳跃方向，结构简单，易于操作。

为达到上述的目的，本发明的构思是：通过周期地改变机构中的可动机构的质心高度，使弹簧周期地储存和释放弹性势能，与此同时势能与动能发生相互转化，并利用惯性使机构实现连续跳跃。通过改变弹簧的压缩量大小，改变弹簧势能，从而改变每次跳跃的步长。通过改变机构的质心相对于四支撑足形成的支撑四边形的形心的偏移位置来实现跳跃方向的改变。

根据上述发明构思，本发明通过以下技术方案实现:一种步长可变的连续跳跃及转向运动机构，包括一个机体和四个支撑足，其特征在于：所述机体，顶端有一短凸轴与支撑足顶部中心的小孔为转动副连接。有一个凸轮轴安装于一个滑箱中，而该滑箱安装于机体的滑槽内，一个凸轮安装在所述凸轮轴上而构成凸轮机构，一个凸轮电机安装在所述机体滑槽底部的一个电机座板上，该电机上的转轴与凸轮轴通过同步带传动;一个舵机直立固定在所述支撑足上面的一个舵机座板上，该舵机的转轴向下穿过一块舵机座板小孔，与一联轴器连接，该联轴器的另一端穿过所述支撑足顶部中心小孔与所述机体的短轴连接；一个压缩弹簧的顶靠在所述滑箱底部电机座板上，由一个丝杠电机驱动一个齿轮转动，再由该齿轮带动一个传动齿轮转动，该传动齿轮带动一根丝杠旋转，该丝杠与一个滑块旋配而驱动滑块向前运动从而达到控制顶靠在滑块另一侧的所述弹簧。所述机体的结构包括四根方杆平行排列而一端焊接一个外端为斜面的端块，在该端块的斜面中心有所述的短凸轴，而四根方杆的另一端焊接一个端板，在该端板上安装所述丝杠电机和丝杠；所述滑箱与四根方杆构成滑槽相滑配，所述滑块与四根方杆滑配。所述支撑足的结构包括所述支撑足的结构：所述舵机座板的下端面四角处分别固定连接四根支撑足，该四根支撑足以支撑所述机体悬空。

与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：此运动机构结构简单，跳跃效率高，可实现连续跳跃，并易于改变跳跃步长和跳跃方向。

附图说明

图1,图2是本发明的步长可变的连续跳跃及转向运动机构三维立体图。

图3是图1的辅助视图。

图4是凸轮滑块装置。

图5是图1示例的机体部分的俯视图。

图6是图2示例的机体部分的俯视图。

图7是凸轮的主视图。

图8是图1示例的方向控制机构的主视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例作详细说明：

实施例一：参见图1-8，本连接跳跃及转向运动机构包括一个机体（1）和支撑足（2），其特征在于：所述机体（1），顶端有一短凸轴（21）与支撑足（2）顶部中心的小孔为转动副连接。有一个凸轮轴（6）安装于一个滑箱（20）中，而该滑箱（20）安装于机体（1）的滑槽内，一个凸轮（5）安装在所述凸轮轴（6）上而构成凸轮机构，一个凸轮电机（4）安装在所述机体（1）滑槽底部的一个电机座板（8）上，该电机（4）上的转轴与凸轮轴（6）通过同步带（7）传动;一个舵机（16）直立固定在所述支撑足（2）上面的一个舵机座板（17）上，该舵机（16）的转轴向下穿过一块舵机座板（19）小孔，与一联轴器（18）连接，该联轴器（18）的另一端穿过所述支撑足（2）顶部中心小孔与所述机体的短轴（21）连接；一个压缩弹簧（9）的顶靠在所述滑箱（20）底部电机座板（8）上，由一个丝杠电机（15）驱动一个齿轮（12）转动，再由该齿轮（12）带动一个传动齿轮（13）转动，该传动齿轮（13）带动一根丝杠（10）旋转，该丝杠（10）与一个滑块（11）旋配而驱动滑块（11）向前运动从而控制顶靠在滑块（11）另一侧的所述弹簧（9）。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述机体一的结构其特征在于：所述机体（1）的结构：四根方杆平行排列而一端焊接一个外端为斜面的端块（22），在该端块的斜面中心有所述的短凸轴（21），而四根方杆的另一端焊接一个端板（23），在该端板（23）上安装所述丝杠电机（15）和丝杠（10）；所述滑箱（20）与四根方杆构成滑槽相滑配，所述滑块（11）与丝杆（10）旋配。

实施例三：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述支撑足（2）的结构，其特征在于：所述支撑足（2）的结构：所述舵机座板（19）的下端面四角处分别固定连接四根支脚（24），该四根支脚（24）足以支撑所述机体（1）悬空。

实施例四：如图1-8所示，本机器人连续跳跃及转向运动机构，包括一个机体（1），其顶端有一轴与支撑足（2）顶部中心的小孔为转动副连接。凸轮轴（6）固定在滑箱（20）内，凸轮（5）与凸轮轴（6）构成凸轮机构，凸轮电机（4）安装在底部的电机座板（8）上。电机轴与从动轴（6）通过同步带（7）传动。丝杠电机（15）与滑块（11）通过丝杠（10）传动，丝杠通过齿轮（13）带动旋转。丝杠有轴承来支撑。丝杠电机（15）安装在丝杠电机座板（14）上。舵机（1）直立固定在支撑足（2）上方的舵机座板上，它的轴向下穿过电机座板小孔，与一联轴器（18）连接，联轴器（18）的另一端与穿过支撑足顶部中心小孔的机体的轴连接。

所述的凸轮（5）有如图（7）所示的外轮廓形状，该凸轮有利于弹性势能完全快速的释放，提高能量转换效率。

工作原理：

一种情况是当丝杠电机（15）使齿轮（12）带动传动齿轮（13）转动，接着使传动齿轮（13）带动丝杠（10）旋转使滑块（11）向前运动，使弹簧（9）压缩预先设定值时，这时丝杠电机（15）停止工作。接着凸轮电机（4）工作，带动同步带（7）传动，同步带使凸轮轴（6）转动从而带动凸轮（5）旋转。一般情况下凸轮旋转，从动件运动，而在本发明中，从动件保持静止不动，凸轮（形状如图（7）所示）一边旋转一边使凸轮滑块装置（包括：凸轮（5），凸轮电机（4），同步带（7），凸轮轴（6），滑箱（20），机座（8））沿导轨向下整体移动。凸轮滑块装置从图（1）所示位置开始压缩弹簧储存弹性势能，到图（2）位置时弹簧压缩量达到最大储存的弹性势能最大，接着凸轮滑块装置从图（2）所示位置继续移动，凸轮进入悬空区不与机体（1）接触，凸轮滑块装置到图（1）所示位置的这段时间内弹簧释放弹性势能，驱动整个凸轮滑块装置沿导轨迅速向上滑动，整个机构的质心也迅速上升；这种情况弹性势能的改变一直保持不变，故其跳跃步长保持不变。

另一种情况，凸轮电机（4）与丝杠电机（15）同时开始工作。凸轮电机（4）工作，带动同步带（7）传动，同步带使凸轮轴（6）转动从而带动凸轮（5）旋转，使凸轮滑块装置（包括：凸轮（5），凸轮电机（4），同步带（7），凸轮轴（6），滑块（20），机座（8））从图（1）所示位置旋转到图（2）位置（凸轮轴移动的距离为a）；丝杠电机（15）驱动滑块（11）向前运动从而压缩弹簧（9），机构设定的跳跃步长决定弹簧的压缩量b。当凸轮滑块装置移动到图（2）位置时，接着凸轮滑块装置从图（2）所示位置继续移动，凸轮进入悬空区后不与机体（1）接触。凸轮滑块装置从图（2）所示位置移动到图（1）所示位置的这段时间内弹簧释放弹性势能使该机构跳跃，其弹性势能由（a+b）所决定。在这段跳跃时间内，丝杠电机（15）反转，使滑块（11）回到刚开始运动的地方，凸轮电机（4）与丝杠电机（15）回复到最开始的状态，进入下一个循环动作。这种情况可以改变跳跃步长。

根据达朗贝尔原理，这时整个机构除了受到一个向下的重力G=M×g外，还受到一个向上的虚拟的惯性力F=m×a1作用（其中M为整个机构的质量，g为重力加速度，m为可动机构的质量，a1为可动机构的加速度）。由于压缩弹簧是突然释放弹性势能，滑块机构的加速度a1会很大。如果F > G,则整个机构就会脱离地面，实现弹跳动作。此时整个机构的向上加速度为: a2=(F-G)/M。由于机构的质心位置偏置，不在四个支撑点所形成支撑面积的形心处，四个支撑点受力不同，机构在弹跳过程中，由于惯性还会有水平方向的位移。在凸轮再次与机体接触时，又受到凸轮外轮廓线的约束，进入下一个循环动作。此运动机构结构简单，可以实现连续跳跃运动。

当需要改变跳跃运动的方向，此时，机器人平稳的停留在地面，凸轮电机(4)停转，舵机（16）顺时针转过90°、180°、270°或某指定角度后停止，改变了弹性势能释放时质心相对于四支撑足形成的支撑四边形的形心的偏移位置，即可改变机器人的跳跃方向。

Claims

1.一种步长可变的连续跳跃及转向运动机构，包括一个机体（1）和支撑足（2），其特征在于：所述机体（1），顶端有一短凸轴（21）与支撑足（2）顶部中心的小孔为转动副连接；

有一个凸轮轴（6）安装于一个滑箱（20）中，而该滑箱（20）安装于机体（1）的滑槽内，一个凸轮（5）安装在所述凸轮轴（6）上而构成凸轮机构，一个凸轮电机（4）安装在所述机体（1）滑槽底部的一个电机座板（8）上，该电机（4）上的转轴与凸轮轴（6）通过同步带（7）传动；一个舵机（16）直立固定在所述支撑足（2）上面的一个舵机座板（17）上，该舵机（16）的转轴向下穿过一个舵机座板（19）小孔，与一联轴器（18）连接，该联轴器（18）的另一端穿过所述支撑足（2）顶部中心小孔与所述机体的短轴（21）连接；一个压缩弹簧（9）的顶靠在所述滑箱（20）底部电机座板（8）上，由一个丝杠电机（15）驱动一个齿轮（12）转动，再由该齿轮（12）带动一个传动齿轮（13）转动，该传动齿轮（13）带动一根丝杠（10）旋转，该丝杠（10）与一个滑块（11）旋配而驱动滑块（11）向前运动从而控制顶靠在滑块（11）另一侧的所述弹簧（9）。

2.根据权利要求1所述的步长可变的连续跳跃及转向运动机构，其特征在于：所述机体（1）的结构：四根方杆平行排列而一端焊接一个外端为斜面的端块（22），在该端块的斜面中心有所述的短凸轴（21），而四根方杆的另一端焊接一个端板（23），在该端板（23）上安装所述丝杠电机（15）和丝杠（10）；所述滑箱（20）与四根方杆构成滑槽相滑配，所述滑块（11）与丝杆(10)旋配。

3.根据权利要求1所述的连续跳跃及转向运动机构，其特征在于：所述支撑足（2）的结构：所述舵机座板（19）的下端面四角处分别固定连接四根支脚（24），该四根支脚（24）足以支撑所述机体（1）悬空。