CN102745274B - 一种机器人弹跳装置及其弹跳方法 - Google Patents

Abstract

一种机器人弹跳装置及其弹跳方法，包括弹跳驱动机构、弹跳机构和机身，所述的弹跳驱动机构包括微型减速电机、电机架、减速齿轮组及传动轴组、固定架组、小齿轮、传动轴及钢丝绳；所述的弹跳机构包括上对称齿轮及固定件、下对称齿轮及固定件、弹跳上杆、弹跳下杆、拉簧和/或扭簧，以及弹跳底板。本发明采用改进的六杆式机构加装拉簧和扭簧，通过调节拉簧和扭簧的数量可实现多个级别的储能，解决了传统的六杆弹跳结构中六杆弹簧储能机构单纯依靠拉伸弹簧需要较大空间的问题，便于机器人的小型化，在相同的机构纵向运动位移量下其储能更高，并且具有较高的能量利用率。

Description

一种机器人弹跳装置及其弹跳方法

技术领域

本发明属于机器人技术领域，涉及具有弹跳功能的机器人的弹跳结构，为一种机器人弹跳装置及其弹跳方法。

背景技术

目前，在传统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。上述的移动机器人，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。

翻滚弹跳复合式移动机器人采用翻滚和弹跳相结合的运动方式，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，并且有较好的越障能力，能够适应更为复杂的地形环境，有广阔的应用前景。目前，对翻滚弹跳复合式移动机器人的研究尚不多见，尤其是对适用于翻滚弹跳复合式移动机器人的弹跳装置的研究更少。

目前，机器人弹跳所使用的弹簧储能机构主要有单杆弹簧储能机构、蝶形弹簧片储能机构和六杆弹簧储能机构等。单杆弹簧储能机构使用压缩弹簧，其压缩长度有限且受制于自身体积，因而储能有限，并且容易出现颤振而提前起跳导致能量释放不完全；蝶形弹簧相对来说储存能量有限，也存在颤振问题；六杆弹簧储能机构降低了对单根弹簧的要求，力与变形非线性避免弹簧内部的颤振和非刚性地面的双重作用下发生提前起跳，同时降低了对锁定装置的要求，具有较高的能量利用率。

但是，六杆弹簧储能机构仅采用拉伸弹簧进行储能，储能元件种类单一，且机构横向伸缩和纵向运动占用空间较大。若置于机器人内部，受其内部空间的限制，弹簧的横向伸缩位移量和机构纵向运动位移量有限，储能有限，并且不便于机器人小型化。由于翻滚机器人本身要翻滚的结构，现有的机器人弹跳装置无法在体积、弹跳储能上满足翻滚机器人的结构要求。

发明内容

本发明要解决的问题是：现有机器人的弹跳机构存在储能有限、颤振、体积不利于小型化等问题，尤其是没有适用于翻滚机器人的弹跳机构。

本发明的技术方案为：一种机器人弹跳装置，包括弹跳驱动机构、弹跳机构，安装在机器人机身上，

所述的弹跳驱动机构包括微型减速电机、电机架、减速齿轮组、齿轮传动轴组、固定架组、储力传动齿轮、储力传动轴及钢丝绳，微型减速电机通过电机架固定在机器人的机身上，固定架组固定在机器人机身上，齿轮传动轴组和储力传动轴设置在固定架组上，减速齿轮组的齿轮套接在齿轮传动轴组的传动轴上，储力传动齿轮固定套接在储力传动轴上，减速齿轮组的末端齿轮与储力传动齿轮啮合，储力传动轴上设有绞盘，钢丝绳一端固定在绞盘上；微型减速电机带动减速齿轮组，通过减速齿轮组的末端齿轮带动储力传动齿轮，进而带动储力传动轴转动，储力传动轴转动带动钢丝绳缠绕在绞盘上；其中减速齿轮组的末端齿轮为缺齿齿轮；

所述弹跳机构为左右对称结构，包括一对弹跳上杆、一对弹跳下杆、一对上对称齿轮、一对下对称齿轮、至少一个拉簧和/或至少一对扭簧，以及弹跳底板，每个弹跳上杆一端与一个上对称齿轮固定，一端与一个弹跳下杆转动连接，两个上对称齿轮相互啮合，通过上固定件设置在机身上；弹跳下杆为“L”型，一端与弹跳上杆转动连接，一端与下对称齿轮固定连接，两个下对称齿轮相互啮合，通过下固定件设在弹跳底板的中间位置，所述弹跳下杆的“L”型的拐角相靠，“L”型的开口相背，弹跳底板作为弹跳装置的弹跳接触面，钢丝绳的一端固定在下固定件上；所述拉簧两端分别固定在弹跳上杆与弹跳下杆的连接点处，弹跳下杆向左右两侧张开时，拉簧被拉伸；对应扭簧设有扭簧杆及扭簧固定件，扭簧固定件与弹跳底板固定，所述成对的扭簧分别对称位于下对称齿轮的两侧，扭簧的圆柱螺旋套接在扭簧杆上，扭簧杆固定在扭簧固定件上，弹跳下杆的“L”型拐角处设有扭簧通孔，扭簧固定件上设有扭簧安装孔，扭簧的作用力臂分别插入所述扭簧通孔和扭簧安装孔，弹跳下杆向左右两侧张开时，扭簧被压缩。

所述弹跳驱动机构减速齿轮组的末端齿轮为设有两处缺齿的缺齿齿轮，两处缺齿分别位于以齿轮圆周上任一点为起点的1/2圆周位置和1/3圆周位置。

弹跳机构设有扭簧时，扭簧固定件与弹跳底板为一体结构。

本发明尤其适用于翻滚弹跳复合式移动机器人。

上述的一种机器人弹跳装置的弹跳方法为：微型减速电机通电工作，通过减速齿轮组及齿轮传动轴组带动储力传动齿轮和储力传动轴转动，钢丝绳一端不断缠绕于储力传动轴的绞盘上，另一端拉动下固定件及弹跳底板上移，上对称齿轮和下对称齿轮转动，弹跳上杆下端和弹跳下杆上端受力向左右两侧张开，同时拉伸拉簧和/或压缩扭簧，实现弹跳前的储能；当储力传动齿轮转动到减速齿轮组末端齿轮的缺齿处，钢丝绳不再受到弹跳驱动机构产生的拉力，拉簧和/或扭簧储存的弹簧势能瞬间释放，拉簧和/或扭簧的回复力带动弹跳装置复位，实现弹跳。

微型减速电机正转时，当减速齿轮组的末端齿轮转动于1/2圆周缺齿位置，将储存的弹簧势能瞬间释放实现弹跳；如果微型减速电机反转，则末端齿轮转动于1/3圆周缺齿位置，将储存的弹簧势能瞬间释放实现弹跳。

六杆式弹跳机构是一种经典的弹跳机构，在现有实际应用中，其较高的能量利用率得到了验证，本发明是针对现有技术的不足，在六杆式弹跳机构加以改进，增加扭簧，配合原有的拉簧，其能量利用率更高。本发明采用改进的六杆式机构，加装了拉簧和/或扭簧，“L”型的弹跳下杆有利于小型化，通过增加弹簧或扭簧的数量，或者同时使用两者，在相同的机构纵向运动位移量下，本发明的储能更高，便于实现机器人的小型化，并且具有较高的能量利用率。

采用本发明的技术方案，可以达到以下几点有益效果：

1、本发明的储能元件采用拉簧及扭簧，可以单独采用拉簧或扭簧来进行储能，也可同时设置拉簧与扭簧，配合使用，同时进行储能，增加储能的最大限度；还可通过调节拉簧和/或扭簧的数量来实现多个级别的储能，增加数量可以增加储能限度，具有较高的能量利用率，调节数量的同时弹跳装置的弹跳上杆、弹跳下杆、弹跳底板等结构不变，但是改变了储能的最大限度；

2、本发明解决了传统的六杆弹簧储能机构单纯依靠拉伸弹簧需要较大空间的问题，便于机器人的小型化；

3、本发明通过控制电机的正反转配合弹性元件，可实现不同级别的储能，微型减速电机可正转或反转，本发明利用这一点，在弹跳驱动机构减速齿轮组的末端齿轮上设置两处缺齿，通过控制电机的正反转，对于不同位置的缺齿，使得压缩弹跳机构的程度不同，故可实现不同级别的储能，结构简单易于控制；

4、本发明尤其适用于翻滚机器人，可通过配合机器人翻转臂的旋转实现对起跳角度的调节。

附图说明

图1是翻滚弹跳复合式移动机器人外形图。

图2是本发明弹跳装置的前视图。

图3是本发明弹跳装置的左视图。

图4是本发明弹跳装置的立体外形图。

图5是本发明弹跳装置在无储能元件情况下的立体外形图。

图6是本发明弹跳装置的弹跳驱动机构装配图。

图7是本发明弹跳装置的弹跳机构在无储能元件情况下的的装配图。

图8是本发明弹跳装置的弹跳机构的装配图。

图9是本发明弹跳装置处于储能状态的外形图。

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及5所示，本发明的弹跳装置，包括弹跳驱动机构和弹跳机构，安装在机器人机身上，图1是一种具体实施方式，与翻滚机构共同构成的翻滚弹跳复合式移动机器人。

参见图6所示，本发明的弹跳驱动机构包括微型减速电机1、电机架2、减速齿轮组3及齿轮传动轴组8、固定架组7、储力传动齿轮4、储力传动轴5及钢丝绳6。微型减速电机1通过电机架2固定在机器人机身上，齿轮传动轴组8和储力传动轴5设置在固定架组7上，减速齿轮组3的齿轮套接在齿轮传动轴组8的传动轴上，储力传动齿轮4固定套接在储力传动轴5上，储力传动轴5与储力传动齿轮4联动，减速齿轮组3的末端齿轮与储力传动齿轮4啮合，储力传动轴5上设有绞盘，钢丝绳6一端固定在绞盘上；微型减速电机1带动减速齿轮组3，通过减速齿轮组3的末端齿轮带动储力传动齿轮4，进而带动储力传动轴5转动，储力传动轴5转动带动钢丝绳6缠绕在绞盘上；其中减速齿轮组3的末端齿轮为缺齿齿轮，设有两处缺齿，两处缺齿分别位于以齿轮圆周上任一点为起点的1/2圆周位置和1/3圆周位置,所述起点设置为弹跳装置初始状态时末端齿轮与储力传动齿轮的啮合点。

参见图7及8所示，所述弹跳机构为左右对称结构，包括一对弹跳上杆11、一对弹跳下杆12、一对上对称齿轮10、一对下对称齿轮13、拉簧17、一对扭簧18、扭簧杆16及扭簧固定件15，扭簧固定件15下方为弹跳底板，这里弹跳底板与扭簧固定件15为一体式结构，弹跳底板既作为弹跳装置的弹跳接触面，也作为扭簧固定件15的下面板。每个弹跳上杆11一端与一个上对称齿轮10固定，一端与一个弹跳下杆12转动连接，两个上对称齿轮10相互啮合，通过上固定件9设置在机身上；弹跳下杆12为“L”型，一端与弹跳上杆11转动连接，一端与下对称齿轮13固定连接，两个下对称齿轮13相互啮合，通过下固定件14设在弹跳下板的中间位置，下固定件14与扭簧固定件15固定连接，所述弹跳下杆12的“L”型的拐角相靠，“L”型的开口相背；两个扭簧18位于下对称齿轮13的两侧，扭簧18的圆柱螺旋套接在扭簧杆16上，扭簧杆16固定在扭簧固定件15上，弹跳下杆12的“L”型拐角处设有扭簧通孔，扭簧固定件15的底板上设有扭簧安装孔，所述扭簧通孔和扭簧安装孔对应于两个扭簧18，扭簧18的作用力臂分别插入所对应的扭簧通孔和扭簧安装孔，弹跳下杆向左右两侧张开时，扭簧被压缩，实现储能；钢丝绳6的一端固定在下固定件14上，拉簧17两端分别固定在弹跳上杆11与弹跳下杆12的连接点处，弹跳下杆向左右两侧张开时，拉簧被拉伸，实现储能，非储能状态下，拉簧17为收缩状态。其中弹跳上杆11和弹跳下杆12可以通过螺丝转动连接，拉簧17的两端挂在两个螺丝上即可；弹跳上杆11与上对称齿轮10连接时，可在弹跳上杆11的连接处打两个通孔，上对称齿轮10对应设置两个通孔，通过所述通孔连接，可实现弹跳上杆11与上对称齿轮10的固定；弹跳下杆12与下对称齿轮13的连接也一样。

上面描述了同时使用拉簧与扭簧的情况，如需单独使用，只要不设置拉簧或扭簧即可；本领域技术人员根据上述描述，知道如何增加拉簧与扭簧的数量，也不再详述。

所述弹跳装置的工作过程为：微型减速电机1通电工作时，微型减速电机1正转，通过减速齿轮组3及齿轮传动轴组8带动储力传动齿轮4及储力传动轴5转动。钢丝绳6一端不断缠绕于储力传动轴5的绞盘上，另一端拉动下固定件14及扭簧固定件15上移，受到钢丝绳6的拉力，弹跳上杆11和弹跳下杆12随上对称齿轮10和下对称齿轮13的啮合转动而移动，弹跳上杆11下端和弹跳下杆12上端向两侧张开，同时拉伸拉簧17并压缩扭簧18，实现弹跳前的储能。当减速齿轮组的末端齿轮，也就是缺齿齿轮转动于1/2圆周缺齿位置，将储存的弹簧势能瞬间释放实现弹跳。微型减速电机1反转，同样可实现储能，则缺齿齿轮转动于1/3圆周缺齿位置，将储存的弹簧势能瞬间释放实现弹跳。对应不同的缺齿位置，可以获得不同大小的储能，本发明装置可以灵活适应各种弹跳储能需求。

Claims (6)

1.一种机器人弹跳装置，其特征是包括弹跳驱动机构、弹跳机构，安装在机器人机身上，

所述的弹跳驱动机构包括微型减速电机、电机架、减速齿轮组、齿轮传动轴组、固定架组、储力传动齿轮、储力传动轴及钢丝绳，微型减速电机通过电机架固定在机器人的机身上，固定架组固定在机器人机身上，齿轮传动轴组和储力传动轴设置在固定架组上，减速齿轮组的齿轮套接在齿轮传动轴组的传动轴上，储力传动齿轮固定套接在储力传动轴上，减速齿轮组的末端齿轮与储力传动齿轮啮合，储力传动轴上设有绞盘，钢丝绳一端固定在绞盘上；微型减速电机带动减速齿轮组，通过减速齿轮组的末端齿轮带动储力传动齿轮，进而带动储力传动轴转动，储力传动轴转动带动钢丝绳缠绕在绞盘上；其中减速齿轮组的末端齿轮为缺齿齿轮；

所述弹跳机构为左右对称结构，包括一对弹跳上杆、一对弹跳下杆、一对上对称齿轮、一对下对称齿轮、至少一个拉簧和/或至少一对扭簧，以及弹跳底板，每个弹跳上杆一端与一个上对称齿轮固定，一端与一个弹跳下杆转动连接，两个上对称齿轮相互啮合，通过上固定件设置在机身上；弹跳下杆为“L”型，一端与弹跳上杆转动连接，一端与下对称齿轮固定连接，两个下对称齿轮相互啮合，通过下固定件设在弹跳底板的中间位置，所述弹跳下杆的“L”型的拐角相靠，“L”型的开口相背，弹跳底板作为弹跳装置的弹跳接触面，钢丝绳的一端固定在下固定件上；所述拉簧两端分别固定在弹跳上杆与弹跳下杆的连接点处，弹跳下杆向左右两侧张开时，拉簧被拉伸；对应扭簧设有扭簧杆及扭簧固定件，扭簧固定件与弹跳底板固定，所述成对的扭簧分别对称位于下对称齿轮的两侧，扭簧的圆柱螺旋套接在扭簧杆上，扭簧杆固定在扭簧固定件上，弹跳下杆的“L”型拐角处设有扭簧通孔，扭簧固定件上设有扭簧安装孔，扭簧的作用力臂分别插入所述扭簧通孔和扭簧安装孔，弹跳下杆向左右两侧张开时，扭簧被压缩。

2.根据权利要求1所述的一种机器人弹跳装置，其特征是所述弹跳驱动机构减速齿轮组的末端齿轮为设有两处缺齿的缺齿齿轮，两处缺齿分别位于以齿轮圆周上任一点为起点的1/2圆周位置和1/3圆周位置。

3.根据权利要求1或2所述的一种机器人弹跳装置，其特征是弹跳机构设有扭簧时，扭簧固定件与弹跳底板为一体结构。

4.根据权利要求1或2所述的一种机器人弹跳装置，其特征是用于翻滚弹跳复合式移动机器人。

5.权利要求1-4任一项所述的一种机器人弹跳装置的弹跳方法，其特征是微型减速电机通电工作，通过减速齿轮组及齿轮传动轴组带动储力传动齿轮和储力传动轴转动，钢丝绳一端不断缠绕于储力传动轴的绞盘上，另一端拉动下固定件及弹跳底板上移，上对称齿轮和下对称齿轮转动，弹跳上杆下端和弹跳下杆上端受力向左右两侧张开，同时拉伸拉簧和/或压缩扭簧，实现弹跳前的储能；当储力传动齿轮转动到减速齿轮组末端齿轮的缺齿处，钢丝绳不再受到弹跳驱动机构产生的拉力，拉簧和/或扭簧储存的弹簧势能瞬间释放，拉簧和/或扭簧的回复力带动弹跳装置复位，实现弹跳。

6.根据权利要求5所述的一种机器人弹跳装置的弹跳方法，其特征是微型减速电机正转时，当减速齿轮组的末端齿轮转动于1/2圆周缺齿位置，将储存的弹簧势能瞬间释放实现弹跳；如果微型减速电机反转，则末端齿轮转动于1/3圆周缺齿位置，将储存的弹簧势能瞬间释放实现弹跳。 

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