CN102642575B - 一种具有翻滚和弹跳功能的机器人 - Google Patents

Abstract

一种具有翻滚和弹跳功能的机器人，包括机架、翻滚机构、弹跳机构、传感模块、通信控制模块以及电源模块，机架为左右对称结构，翻转机构设置在机架左右两侧，弹跳机构设置在机架中部，传感单元、通信控制单元和电源模块设置在机身内，传感单元连接通信控制单元，通信控制单元的输出连接至翻转机构和弹跳机构，电源模块向传感单元、通信控制单元和翻转机构供电。本发明提供一种具有翻滚和弹跳功能的机器人，该机器人既具有翻滚式机器人较好的适应不平整地形的性能，又具有弹跳机器人较高的翻越沟壑或障碍的性能。

Description

一种具有翻滚和弹跳功能的机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及移动机器人，为一种具有翻滚和弹跳功能的机器人。

背景技术

目前，在移动机器人的运动机构中，普遍采用轮式、履带式和腿式机构。轮式移动机器人具有高速高效、结构简单的优点，缺点是越障能力差，不能适应复杂地形环境；履带式机器人有较好的环境适应能力，设计紧凑，但存在重量大、能耗高、摩擦阻力大的缺点；腿式机器人机动性能好，较好的环境适应能力，但是，需要依靠腿交替支撑实现行走以及保持平衡，运动控制复杂并且难以越过比自身高度更高的障碍或者比自身长度更长的沟壑。相对于采用以上三种运动机构的移动机器人，弹跳机器人可以轻松跃过数倍于自身尺寸的障碍或沟壑，具有较强的越障能力，但是机动性不强。上述传统的移动机器人，运动形式单一，在运动过程中可能会因遇到不可预知障碍而发生倾覆，使机器人丧失移动能力。

翻滚式机器人是一种具有新颖运动形式的移动机器人，通过自身重心调整以实现翻滚运动，不存在传统的移动机器人难以解决的倾覆问题，有广阔的应用前景，但是，翻滚式机器人的越障能力有限。目前，对翻滚式移动机器人的研究尚不多见，还没有一种以翻滚移动为主，以弹跳运动为辅的环境适应能力强、机动性能高的复合式移动机器人。

发明内容

针对现有技术的不足与长处，本发明的目的在于提供一种具有翻滚和弹跳功能的机器人，该机器人既具有翻滚式机器人较好的适应不平整地形的性能，又具有弹跳机器人较高的翻越沟壑或障碍的性能。

本发明的技术方案为：一种具有翻滚和弹跳功能的机器人，包括机架、翻滚机构、弹跳机构、传感模块、通信控制模块以及电源模块，机架为左右对称结构，翻转机构设置在机架左右两侧，弹跳机构设置在机架中部，传感单元、通信控制单元和电源模块设置在机身内，传感单元连接通信控制单元，通信控制单元的输出连接至翻转机构和弹跳机构，电源模块向传感单元、通信控制单元和翻转机构供电，

所述机架包括底板、双通隔离柱及顶板，底板和顶板通过双通隔离柱固定连接；

所述翻滚机构包括结构相同的两部分，对称固定在底板两侧，每部分包括：翻滚直流电机、翻滚电机架、翻滚传动齿轮、翻转臂固定架和翻转臂，翻滚直流电机通过翻滚电机架固定在底板上，翻转臂固定架固定在顶板或底板上，用于翻滚传动齿轮和翻转臂的位置固定，翻转臂一端固定连接翻滚传动齿轮，翻滚直流电机的输出轴带动翻滚传动齿轮转动，翻滚传动齿轮带动翻转臂转动；

所述弹跳机构包括弹跳直流电机、弹跳电机架、减速齿轮组、传动齿轮、传动轴、至少一个拉簧、拉簧挂杆、一对弹跳上杆、一对弹跳过渡杆、过渡杆连接轴、一对弹跳下杆、下杆连接轴、拉簧架、固定架组和钢丝绳；弹跳直流电机通过弹跳电机架固定在机架内，固定架组包括两个结构相同的固定架，分别对称固定在顶板与底板之间，所述一对弹跳上杆分别对称铰接在两个固定架上，铰接点位于弹跳上杆的中部，两个弹跳上杆一端分别与拉簧挂杆的两端固定连接，另一端分别与所述一对弹跳过渡杆的一端转动连接，两个弹跳过渡杆另一端分别套接在过渡杆连接轴两端，所述一对弹跳下杆一端分别对称铰接在两个固定架上，另一端分别套接在过渡杆连接轴两端，下杆连接轴连接在两个弹跳下杆与固定架的铰接端之间，弹跳过渡杆、弹跳下杆与过渡杆连接轴的套接通过螺母轴向固定；弹跳直流电机通过减速齿轮组带动传动齿轮和传动轴转动，减速齿轮组的末端齿轮为缺齿齿轮，传动轴架设在顶板和底板之间，钢丝绳一端连接传动轴并缠绕在传动轴上，另一端固接于拉簧挂杆上，拉簧两端分别连接在拉簧挂杆和拉簧架上，拉簧架固定在机架内，拉簧初始状态为收缩状态。

翻滚机构中，所述翻滚传动齿轮包括第一直齿圆柱齿轮和第二直齿圆柱齿轮，翻滚直流电机输出轴上套接第一直齿圆柱齿轮，翻转臂固定架设有定位凸台，翻转臂一端设有安装孔，第二直齿圆柱齿轮和翻转臂的安装孔套接在翻转臂固定架的定位凸台上，第一直齿圆柱齿轮与第二直齿圆柱齿轮相啮合，以定位凸台为轴，翻转臂随第二直齿圆柱齿轮的转动而转动，对应第二直齿圆柱齿轮和翻转臂与定位凸台的套接设有固定环及圆轴芯，通过螺丝将固定环轴向固定于翻转臂固定架上，限制翻转臂和第二直齿圆柱齿轮的轴向移动；翻转臂固定架的定位凸台和固定环分别设有至少两个半通孔，所述半通孔在定位凸台和固定环上的位置对称，所述圆轴芯一头插在固定环的半通孔，另一头插在定位凸台的半通孔中，以限制固定环的轴向转动。

机架为上窄下宽的仿生结构，翻滚机构设置在宽的一端。

所述缺齿齿轮为缺少六分之一齿的齿轮。

弹跳直流电机通电工作时，弹跳直流电机通过减速齿轮组带动传动齿轮及传动轴转动，钢丝绳不断缠绕于传动轴上，同时拉动拉簧挂杆和拉簧，实现弹跳前的弹簧储能。当缺齿齿轮转动到缺齿位置，传动轴上的钢丝绳失去缠绕的拉力，将拉簧储存的弹簧势能瞬间释放实现弹跳。机器人可紧贴地面时弹跳，也可通过机体两侧的翻转臂适当调节起跳角度。

现有的技术中还没有直杆式翻滚机器人这一技术，现有技术虽然已经有四杆式弹跳机构，但是本发明采用的是拉动弹跳上杆的拉簧挂杆，拉动的力臂长，现有技术是拉动弹跳上杆中部设置的连接轴，拉动力臂短，效果不佳。本发明对弹跳机构进行了改进，使得效果更好，本发明结合了弹跳和翻滚两个功能，有益效果为：

1)、采用翻滚结构，具有翻滚式机器人较强的适应不平整地形的能力，翻滚行进的方式不存在传统爬行或轮式移动机器人难以解决的倾覆或倾侧问题；

2)、采用弹跳结构，具有弹跳机器人较好的越障能力；

3)、在复杂地形下采用翻滚弹跳复合式运动方式，有较好的移动性能，提高运动效率；

4)、所用的拉簧条数和刚度可以灵活选择，通过分析机器人面对的环境，适当选取拉簧条数和刚度，从而更有效的节省电能；经过实验测试，在弹跳机构设置两个拉簧的情况下可以弹跳20cm，一个可以弹跳10cm，如果前方障碍是10cm，那我们就只需加一个拉簧，这样相对加两个拉簧可以节省电池储存的电能，对于不同的需求可以进行灵活设置；

5)、采用钢丝绳拉动弹跳机构上杆和拉簧的方式，有效地提高了电机的工作效率。现有的四杆式弹跳结构是拉动弹跳上杆中部设置的连接轴，拉动力臂短，效果不佳，本发明采用拉动弹跳上杆的拉簧挂杆，拉动的力臂长，同样的拉力可以拉伸拉簧更长的长度，储存弹性势能更高，弹跳效果更好。

附图说明

图1是本发明的机器人立体外形图。

图2是本发明的机器人正视图。

图3是本发明的机器人左视图。

图4是本发明的机器人后视图。

图5是本发明的机器人前视图。

图6是本发明的机器人机构装配图。

图7是本发明的机器人翻滚机构装配图。

图8是本发明的机器人弹跳机构装配图一。

图9是本发明的机器人弹跳机构装配图二。

图10是本发明的机器人系统结构图。

图11是本发明的机器人复合式运动的一个示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1、2、3、4、5及10所示，本发明的一种具有翻滚和弹跳功能的机器人，包括机架、翻滚机构、弹跳机构、传感模块、通信控制模块以及电源模块，机架为左右对称结构，翻转机构设置在机架左右两侧，弹跳机构设置在机架中部，传感单元、通信控制单元和电源模块设置在机身内，传感单元连接通信控制单元，通信控制单元的输出连接至翻转机构和弹跳机构，电源模块向传感单元、通信控制单元和翻转机构供电，

参见图1所示，所述的机架包括：顶板1、双通隔离柱2及底板3。顶板1和底板3通过双通隔离柱2固定连接。机架的形状没有特别的要求，是仿生的，所以图中的设计为上窄下宽，机器人的形状可以是梯形、不规则多边形，但是不建议采用三角形，机器人形状之所是图示的上窄下宽，一是采用仿生结构，比如仿照青蛙；二是，不建议采用三角形是因为这种形状不利于机器人直线行走的，三角形也可以运行，只是效果会稍有影响。

参见图6所示，所述翻滚机构包括结构相同的两部分，对称固定在底板3宽的一端两侧。翻滚机构每部分包括：翻滚直流电机4、翻滚电机架5、翻滚传动齿轮、翻转臂固定架11和翻转臂7，翻滚直流电机4通过翻滚电机架5固定在底板3上，翻转臂固定架11固定在顶板或底板上，用于翻滚传动齿轮和翻转臂7的位置固定，翻转臂7一端固定连接翻滚传动齿轮，翻滚直流电机4的输出轴带动翻滚传动齿轮转动，翻滚传动齿轮带动翻转臂7转动；具体实施例如图7，所述翻滚传动齿轮包括第一直齿圆柱齿轮6和第二直齿圆柱齿轮9，翻滚直流电机4输出轴上套接第一直齿圆柱齿轮6，翻转臂固定架11设有定位凸台，翻转臂7一端设有安装孔，第二直齿圆柱齿轮9和翻转臂7的安装孔套接在翻转臂固定架11的定位凸台上，第一直齿圆柱齿轮6与第二直齿圆柱齿轮9相啮合，以定位凸台为轴，翻转臂7随第二直齿圆柱齿轮9的转动而转动，旋转臂7可以360°旋转，对应第二直齿圆柱齿轮9和翻转臂7与定位凸台的套接设有固定环8及圆轴芯10，通过螺丝将固定环8轴向固定于翻转臂固定架11上，限制翻转臂7和第二直齿圆柱齿轮9的轴向移动；翻转臂固定架11的定位凸台和固定环8分别设有至少两个半通孔，所述半通孔在定位凸台和固定环8上的位置对称，上下或是左右皆可，满足固定环8和翻转臂固定架11定位凸台的半通孔的位置是对应的即可，所述圆轴芯10一头插在固定环的半通孔，另一头插在定位凸台的半通孔中，以限制固定环的轴向转动。对称两部分的翻滚直流电机独立驱动各自对应的翻转臂。

参见图6、8及9所示，所述弹跳机构包括弹跳直流电机17、弹跳电机架16、减速齿轮组18、传动齿轮19、传动轴27、至少一个拉簧13、拉簧挂杆20、一对弹跳上杆21、一对弹跳过渡杆23、过渡杆连接轴22、一对弹跳下杆24、下杆连接轴26、拉簧架14、固定架组12和钢丝绳；弹跳直流电机17通过弹跳电机架16固定在机架内，固定架组12包括两个结构相同的固定架，分别对称固定在顶板1与底板3之间，所述一对弹跳上杆21分别对称铰接在两个固定架上，铰接点位于弹跳上杆21的中部，两个弹跳上杆21一端分别与拉簧挂杆20的两端固定连接，另一端分别与所述一对弹跳过渡杆23的一端转动连接，两个弹跳过渡杆23另一端分别套接在过渡杆连接轴22两端，所述一对弹跳下杆24一端分别铰接在两个固定架上，铰接位置对称，另一端分别套接在过渡杆连接轴22两端，下杆连接轴26连接在两个弹跳下杆24与固定架的铰接端之间，通过套筒25将弹跳下杆24的一端轴向固定在下杆连接轴26上，弹跳过渡杆23、弹跳下杆24与过渡杆连接轴22的套接通过螺母轴向固定，限制弹跳过渡杆23、弹跳下杆24沿过渡杆连接轴22轴向移动；弹跳直流电机通16过减速齿轮组18带动传动齿轮19和传动轴27转动，减速齿轮组18的末端齿轮为缺齿齿轮，即正常的正齿轮缺少一部分齿，此处我们常用的是缺少六分之一的齿，传动轴27架设在顶板1和底板3之间，钢丝绳一端连接传动轴27并缠绕在传动轴27上，另一端固接于拉簧挂杆20上，拉簧13两端分别连接在拉簧挂杆20和拉簧架14上，拉簧架14一端通过螺钉15固定，拉簧架14固定在机架内，拉簧13初始状态为收缩状态。

其中，弹跳上杆21、弹跳过渡杆23、弹跳下杆24、拉簧挂杆20以及固定架共同构成四杆弹跳机构，所述弹跳上杆21、弹跳下杆24设置一对，弹跳上杆21和弹跳下杆24之间由弹跳过渡杆23连接，弹跳上杆、弹跳下杆和弹跳过渡杆都是成对的，在两边固定架的安装是一致对应的，保证弹跳结构的稳定性，过渡杆连接轴是为了更好的保证两侧的弹跳杆运动是一致的，也是必要的。

所述弹跳机构的工作原理为：弹跳直流电机17通电工作时，弹跳直流电机17通过减速齿轮组18带动传动齿轮19及传动轴27转动。钢丝绳不断缠绕于传动轴27上，同时拉动拉簧挂杆20，拉簧13一端固定，另一端随拉簧挂杆20拉伸，实现弹跳前的弹簧储能。当缺齿齿轮转动到缺齿位置，传动轴27不再受到转动力，拉簧13将储存的弹簧势能瞬间释放，拉簧13拉动拉簧挂杆20连同弹跳上杆21、弹跳过渡杆23、弹跳下杆24转动，弹跳过渡杆23下端与地面接触，依靠地面的反作用力，使得机器人离开地面，所述四杆弹跳机构实现弹跳。机器人可紧贴地面时弹跳，也可通过机体两侧的翻转臂7适当调节起跳角度。

参见图10示，所述的传感模块用于收集环境信息，并发送该环境信息给通信控制模块，传感模块包括光电传感器、超声波传感器、三轴加速度传感器，超声波是测距的，三轴加速度是测知机器人倾倒状态的，光电传感器是寻光的。通信控制模块用于接收来自传感模块发送的环境信息和上位机发送的控制命令，控制机器人动作；电源模块为机器人各单元提供所需要的电能。

参见图11示，①为原始状态，指机器人竖直立在地面上，未储能，②的状态为收缩弹跳机构，储存弹性势能，③的状态是转动翻转臂接触地面准备开始翻转，④的状态是开始翻转，⑤的状态是若干翻转之后，机器人准备弹跳，⑥是机器人弹跳瞬间，⑦是机器人弹跳结束，静止在地面上，之后是机器人转动翻转臂，立在地面上，回到①的原始状态。机器人复合式运动的一个具体过程如下：机器人接受到控制指令前处于原始状态，接受到控制指令后，通信控制模块控制弹跳机构拉伸拉簧，实现弹跳前的弹簧储能。机器人储能后通过翻转臂的翻转实现自主翻滚移动。在运动过程中，传感模块检测到障碍物后将信息发送到通信控制模块，通信控制模块控制弹跳机构将储存的弹簧势能瞬间释放实现弹跳。落地后，机器人通过旋转臂调整姿态，恢复到原始状态。

由于本发明的机器人是依靠自己的不断翻滚实现运动的，不存在正反面的要求，因此不存在倾覆问题，对应行进要求，本发明机器人可通过翻滚和弹跳灵活应对，例如在平地上翻滚，对于凹坑或突起障碍物弹跳越过等，翻滚和弹跳也可结合用于机器人姿势位置的调整。

Claims (4)

1.一种具有翻滚和弹跳功能的机器人，其特征是包括机架、翻滚机构、弹跳机构、传感模块、通信控制模块以及电源模块，机架为左右对称结构，翻转机构设置在机架左右两侧，弹跳机构设置在机架中部，传感单元、通信控制单元和电源模块设置在机身内，传感单元连接通信控制单元，通信控制单元的输出连接至翻转机构和弹跳机构，电源模块向传感单元、通信控制单元和翻转机构供电，

所述机架包括底板、双通隔离柱及顶板，底板和顶板通过双通隔离柱固定连接；

所述翻滚机构包括结构相同的两部分，对称固定在底板两侧，每部分包括：翻滚直流电机、翻滚电机架、翻滚传动齿轮、翻转臂固定架和翻转臂，翻滚直流电机通过翻滚电机架固定在底板上，翻转臂固定架固定在顶板或底板上，用于翻滚传动齿轮和翻转臂的位置固定，翻转臂一端固定连接翻滚传动齿轮，翻滚直流电机的输出轴带动翻滚传动齿轮转动，翻滚传动齿轮带动翻转臂转动；

所述弹跳机构包括弹跳直流电机、弹跳电机架、减速齿轮组、传动齿轮、传动轴、至少一个拉簧、拉簧挂杆、一对弹跳上杆、一对弹跳过渡杆、过渡杆连接轴、一对弹跳下杆、下杆连接轴、拉簧架、固定架组和钢丝绳；弹跳直流电机通过弹跳电机架固定在机架内，固定架组包括两个结构相同的固定架，分别对称固定在顶板与底板之间，所述一对弹跳上杆分别对称铰接在两个固定架上，铰接点位于弹跳上杆的中部，两个弹跳上杆一端分别与拉簧挂杆的两端固定连接，另一端分别与所述一对弹跳过渡杆的一端转动连接，两个弹跳过渡杆另一端分别套接在过渡杆连接轴两端，所述一对弹跳下杆一端分别对称铰接在两个固定架上，另一端分别套接在过渡杆连接轴两端，下杆连接轴连接在两个弹跳下杆与固定架的铰接端之间，弹跳过渡杆、弹跳下杆与过渡杆连接轴的套接通过螺母轴向固定；弹跳直流电机通过减速齿轮组带动传动齿轮和传动轴转动，减速齿轮组的末端齿轮为缺齿齿轮，传动轴架设在顶板和底板之间，钢丝绳一端连接传动轴并缠绕在传动轴上，另一端固接于拉簧挂杆上，拉簧两端分别连接在拉簧挂杆和拉簧架上，拉簧架固定在机架内，拉簧初始状态为收缩状态。

2.根据权利要求1所述的一种具有翻滚和弹跳功能的机器人，其特征是翻滚机构中，所述翻滚传动齿轮包括第一直齿圆柱齿轮和第二直齿圆柱齿轮，翻滚直流电机输出轴上套接第一直齿圆柱齿轮，翻转臂固定架设有定位凸台，翻转臂一端设有安装孔，第二直齿圆柱齿轮和翻转臂的安装孔套接在翻转臂固定架的定位凸台上，第一直齿圆柱齿轮与第二直齿圆柱齿轮相啮合，以定位凸台为轴，翻转臂随第二直齿圆柱齿轮的转动而转动，对应第二直齿圆柱齿轮和翻转臂与定位凸台的套接设有固定环及圆轴芯，通过螺丝将固定环轴向固定于翻转臂固定架上，限制翻转臂和第二直齿圆柱齿轮的轴向移动；翻转臂固定架的定位凸台和固定环分别设有至少两个半通孔，所述半通孔在定位凸台和固定环上的位置对称，所述圆轴芯一头插在固定环的半通孔，另一头插在定位凸台的半通孔中，以限制固定环的轴向转动。

3.根据权利要求1或2所述的一种具有翻滚和弹跳功能的机器人，其特征是机架为上窄下宽的仿生结构，翻滚机构设置在宽的一端。

4.根据权利要求1或2所述的一种具有翻滚和弹跳功能的机器人，其特征是所述缺齿齿轮为缺少六分之一齿的齿轮。

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