CN103171641B - 具备轮动功能的弹跳机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备轮动功能的弹跳机器人。包括水平放置的机体、轮动机构和弹跳机构；机体内装有轮动机构，机体开口端装有弹跳机构。采用正反对称结构设计，有利于落地后不管正反两面着地均能再次起跳，降低了落地翻转对再次起跳的影响；机体横边上含弧形支撑孔的凸起中，通过弧形通孔结构的设计，实现单个电机驱动下两滚动轮的同步运动和异步运动；采用轮式移动与跳跃功能使机器人具备多种运动形式；采用缺齿齿轮与齿轮啮合的结构，实现储能构件的瞬间无约束释放，有利于提高机构的弹跳性能。本发明作为机载仪器的运动载体，通过添加机载传感器后可应用于环境监测、城市反恐、军事侦察、地震救灾、科学探险等领域。

Description

具备轮动功能的弹跳机器人

技术领域

本发明涉及一种弹跳机器人，尤其是能实现轮动、跳跃运动功能且正反面着地后均能继续运动的一种具备轮动功能的弹跳机器人。

技术背景

随着星际探索活动的增加，传统的机器人及其运动形式，已经不能适应星际探索中日益复杂的工作环境。由于星球探索中很多星球具有低重力加速度的特性，采用跳跃运动形式有利提高越障能力。因此，跳跃机器人作为非结构环境下运动装置已成为广泛关注的研究热点。此外，跳跃机器人在环境监测、城市反恐、地震救灾等方面也有广泛的实用意义。

国外在跳跃机器人方面已有一些研究成果。如：由Carnegie-Mellon University的Raibert等人研制的单腿跳跃机器人，由两汽缸驱动，通过汽缸控制腿部伸缩实现三维的跳跃运动；Fredkin发明的“Hinge”，由关节驱动，可进行姿态控制和调整；美国Carmegie Mellon University研制的bow leg hopping robot利用电机拉动绳索驱动弓形弹性腿储能实现跳跃；在实验室中已实现跳跃功能，但该类设计中机器人存在静态不稳定、外接大量设备等问题而难以实际应用；NASA已研制出三代跳跃机器人，其中第一代能为球形机器人，能实现跳跃功能，但其起跳方向调整系统鲁棒性不够，起跳角不可调；第二代蛙形跳跃机人，在跳跃功能的基础上添加了落地后姿态调整功能，但其能量利用率不够高，且运动形式单一；第三代轮式跳跃机器人可以实现轮动和跳跃两种运动形式，但是落地后减振和翻转等存在问题。日本针对MUSES-C计划研制的Minerva、意大利研制的Grillo系列机器人等均存在运动形式单一、落地翻转后不能继续运动等问题。

国内有部分院校展开了跳跃机器人的相关项目。如：西北工业大学葛文杰等对袋鼠跳跃运动及其仿生机器人进行了研究、哈尔滨工业大学从理论上对连续弹跳机器人进行了研究、同时提出了仿青蛙跳跃机器人和仿蝗虫跳跃机器人、上海交通大学提出了一种单腿跳跃机器人，南京航空航天大学针对弹跳式机器人及其落地冲击进行了研究，浙江大学研制了仿叶蝉的小型跳跃机器人。跳跃机器人的研究已成为解决机器人在非结构环境下运动的一个广泛关注的研究热点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具备轮动功能的弹跳机器人，利用轮动驱动电机和齿轮传动实现轮式运动；利用跳跃驱动电机和缺齿齿轮与齿轮啮合阶段储存弹性能；利用缺齿齿轮与齿轮脱离啮合时，释放储存的弹性能实现跳跃运动。

本发明所采用的技术方案是：

本发明在机体上安装有轮动机构和弹跳机构。其中：

1）所述的机体：机体为U形框架结构，两竖边上前后两端分别对称开有两个圆形通孔，两竖边上中间分别对称开有两个螺纹孔，横边内沿两竖边方向依次有三根横梁，第一根横梁上开有与第一根横梁平行的矩形通孔、远离横边的一端开有圆形通孔，第二根横梁上开有弧形通孔，第三根横梁上开有圆形通孔；

2）所述的轮动机构：包括第一驱动电机、第一齿轮、第二齿轮、第一转轴、第一转轴齿轮、第一滚动轮、第二转轴、第二转轴齿轮、第二滚动轮、从动轮、第一驱动电机轴；在机体U形框架一竖边内侧中间装有第一驱动电机，第一驱动电机轴上依次装有第一齿轮和第二齿轮，第一驱动电机轴支承在第一根横梁的圆形通孔内，第一驱动电机轴与机体横边间的一竖边内侧装有第一转轴，第一转轴的两端分别支承在机体一竖边圆形通孔和第三根横梁上圆形通孔内，伸出机体一竖边外的第一转轴上装有第一滚动轮，位于机体内的第一转轴上装有第一转轴齿轮，第一转轴齿轮和第一齿轮啮合，第一根横梁与机体的另一竖边内侧装有第二转轴，第二转轴的一端支承在机体另一竖边圆形通孔内，第二转轴的另一端穿过与第一根横梁平行的矩形通孔支承在第二根横梁的弧形通孔内，在第二根横梁和第一根横梁间的第二转轴上装有第二转轴齿轮，第二转轴齿轮和第二齿轮啮合，第一齿轮和第二齿轮大小相同，第一转轴齿轮和第二转轴齿轮大小相同；

3）所述的弹跳机构：包括第二驱动电机、第二驱动电机轴、缺齿齿轮、第三转轴、第三转轴齿轮、第二扭转弹簧、第二拨杆、第二弹跳腿、第二钢丝绳、滑动杆、第一扭转弹簧、第一拨杆、第一弹跳腿、第一钢丝绳、第二弹跳腿弹簧、第一弹跳腿弹簧；机体另一竖边内侧中间装有第二驱动电机，第二驱动电机轴上装有缺齿齿轮并支承在第一根横梁的圆形通孔内，在机体远离横边的两竖边圆形通孔内安装第三转轴，从靠近第二滚动轮到靠近第一滚动轮的第三转轴上依次安装有第二扭转弹簧、第二弹跳腿、第二拨杆、第三转轴齿轮、第一拨杆、第一弹跳腿、第一扭转弹簧；第一扭转弹簧一端与第一弹跳腿固连，另一端与机体上靠近第一滚动轮的竖边固连，第二扭转弹簧一端与第二弹跳腿固连，另一端与机体上靠近第二滚动轮的竖边固连，缺齿齿轮与第三转轴齿轮啮合，滑动杆的一端穿过第一弹跳腿侧面的矩形槽，该矩形槽内靠近机体的一端和滑动杆之间安装有第一弹跳腿弹簧，滑动杆的另一端穿过第二弹跳腿侧面的矩形槽，该矩形槽内靠近机体的一端和滑动杆之间安装有第二弹跳腿弹簧，第一钢丝绳的两端分别固定于第一驱动电机和滑动杆上，第二钢丝绳的两端分别固定第二驱动电机和滑动杆上，从动轮安装于第一钢丝绳和第二钢丝绳之间的滑动杆上。

本发明具有的有益效果是：

(1)通过机体上弧形支撑孔结构和轮动机构第一转轴与第二转轴的两段式结构设计，实现了在单个电机驱动下的单侧轮动和双侧同步轮动功能，有利于减轻机体重量、增加运动灵活性和精确调整弹跳方向。

(2)通过缺齿齿轮结构设计，实现了啮合角度的精确控制，有利于精确控制弹跳腿转动角度；并实现了储能构件瞬间爆发性释放，有利于提高机构的弹跳性能。

(3)采用钢丝绳、拨杆和弹跳腿弹簧的结构设计，通过滑动杆和从动轮的滑移，满足了轮式运动时，从动轮实现支撑功能，同时有利于避免起跳阶段从动轮与地面的干涉。

(4)采用轮动与弹跳两种运动功能的综合设计，实现了多种运动形式的复合，有利于根据路面情况选择运动形式，并有利于提高定位精度和能量利用率。

(5)采用正反面对称结构设计，当正反面着地时，无需复位均能再次起跳，避免了过多的冗余复位机构的添加，同时有利于节省复位调整时间，和提高运动效率。

本发明适用于环境监测、城市反恐、军事侦察、地震救灾、科学探险等领域。

附图说明

图1是本发明的机器人总体机构示意图。

图2是本发明的机体结构示意图。

图3是图2中A的含圆形支撑孔的横梁结构放大图。

图4是图2中B的含弧形支撑孔的横梁结构放大图。

图5是本发明的弹跳腿机构示意图。

图6是本发明的轮动机构示意图。

图7是本发明的拨杆机构示意图。

图8是本发明的弹跳机构缺齿齿轮与弹跳机构第三转轴齿轮啮合示意图。

图中：101、第一驱动电机，102、第一齿轮，103、第二齿轮，104，第一转轴，105、第一转轴齿轮，106、第一滚动轮，107、第二转轴，108、第二转轴齿轮，109、第二滚动轮，110、从动轮，111、第一驱动电机轴，201、第二驱动电机，202、第二驱动电机轴，203、缺齿齿轮，204、第三转轴，205、第三转轴齿轮，206、第二扭转弹簧，207、第二拨杆，208、第二弹跳腿，209、第二钢丝绳，210、滑动杆，211、第一扭转弹簧，212、第一拨杆，213、第一弹跳腿，214、第一钢丝绳，215、第二弹跳腿弹簧，216、第一弹跳腿弹簧，301、机体。

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301上安装有轮动机构和弹跳机构。其中：

1）如图1、图2、图3和图4所示，机体301为U形框架结构，两竖边上前后两端分别对称开有两个圆形通孔，两竖边上中间分别对称开有两个螺纹孔，横边内沿两竖边方向依次有三根横梁，第一根横梁上开有与第一根横梁平行的矩形通孔、远离横边的一端开有圆形通孔，第二根横梁上开有弧形通孔，弧形通孔的中心线与第一根横梁上圆形通孔的中心线重合，弧形孔在机体竖边上的投影的一端为半圆，且与机体前端圆形通孔的弧线重合，第三根横梁上开有圆形通孔，该圆形通孔在机体竖边上的投影，与机体前端圆形通孔的弧线重合。

2) 如图1和图6所示，轮动机构：包括第一驱动电机101、第一齿轮102、第二齿轮103、第一转轴104、第一转轴齿轮105、第一滚动轮106、第二转轴107、第二转轴齿轮108、第二滚动轮109、从动轮110、第一驱动电机轴111；在机体301U形框架一竖边内侧中间螺纹孔处，通过螺钉固定安装第一驱动电机101，第一驱动电机轴111上依次装有第一齿轮102和第二齿轮103，第一驱动电机轴111支承在第一根横梁的圆形通孔内，第一驱动电机轴111与机体301横边间的一竖边内侧装有第一转轴104，第一转轴104的两端分别支承在机体301一竖边圆形通孔和第三根横梁上圆形通孔内，伸出机体301一竖边外的第一转轴104上装有第一滚动轮106，位于机体301内的第一转轴104上装有第一转轴齿轮105，第一转轴齿轮105和第一齿轮102啮合，第一根横梁与机体301的另一竖边内侧装有第二转轴107，第二转轴107的一端支承在机体301另一竖边圆形通孔内，第二转轴107的另一端穿过与第一根横梁平行的矩形通孔支承在第二根横梁的弧形通孔内，在第二根横梁和第一根横梁间的第二转轴107上装有第二转轴齿轮108，第二转轴齿轮108和第二齿轮103啮合，第一齿轮102和第二齿轮103大小相同，第一转轴齿轮105和第二转轴齿轮108大小相同。

3) 如图1、图5、图7和图8所示，弹跳机构：包括第二驱动电机201、第二驱动电机轴202、缺齿齿轮203、第三转轴204、第三转轴齿轮205、第二扭转弹簧206、第二拨杆207、第二弹跳腿208、第二钢丝绳209、滑动杆210、第一扭转弹簧211、第一拨杆212、第一弹跳腿213、第一钢丝绳214、第二弹跳腿弹簧215、第一弹跳腿弹簧216；机体301U形框架另一竖边内侧中间螺纹孔处，通过螺钉固定安装第二驱动电机201，第二驱动电机轴202上装有缺齿齿轮203并支承在第一根横梁的圆形通孔内，在机体301远离横边的两竖边圆形通孔内安装第三转轴204，从靠近第二滚动轮109到靠近第一滚动轮106的第三转轴204上依次安装有第二扭转弹簧206、第二弹跳腿208、第二拨杆207、第三转轴齿轮205、第一拨杆212、第一弹跳腿213、第一扭转弹簧211；第一扭转弹簧211一端与第一弹跳腿213固连，另一端与机体301上靠近第一滚动轮106的竖边固连，第二扭转弹簧206一端与第二弹跳腿208固连，另一端与机体301上靠近第二滚动轮109的竖边固连，缺齿齿轮203与第三转轴齿轮205啮合，滑动杆210的一端穿过第一弹跳腿213侧面的矩形槽，该矩形槽内靠近机体301的一端和滑动杆210之间安装有第一弹跳腿弹簧216，滑动杆210的另一端穿过第二弹跳腿208侧面的矩形槽，该矩形槽内靠近机体301的一端和滑动杆210之间安装有第二弹跳腿弹簧215，第一钢丝绳214的两端分别固定于第一驱动电机101和滑动杆210上，第二钢丝绳209的两端分别固定第二驱动电机201和滑动杆210上，从动轮110安装于第一钢丝绳214和第二钢丝绳209之间的滑动杆210上。

本发明的工作原理如下：

在本实施例中，可以通过第一滚动轮106的单独运动实现运动方向的调整，如图1所示状态，当第一驱动电机101逆时针转动时，通过第一驱动电机轴111，使第一齿轮102和第二齿轮103同步转动，该状态下第一齿轮102与第一转轴齿轮105啮合，该状态下，由于第二齿轮103作用，使第二转轴107位于含弧形支撑孔凸起的轴端，沿机体301上含弧形支撑孔凸起上的弧形槽向下滑动，从而使第二齿轮103与第二转轴齿轮108脱离啮合，因而，只有第一转轴齿轮105通过第一转轴104，带动第一滚动轮106滚动，进而实现第一滚动轮106的单独运动。

在本实施例中，可以通过第一滚动轮106与第二滚动轮109的同步运动实现轮式移动，如图1所示状态，当第一驱动电机101顺时针转动时，通过第一驱动电机轴111，使第一齿轮102和第二齿轮103同步转动，又由于该状态下第一齿轮102与第一转轴齿轮105啮合，第二齿轮103与第二转轴齿轮108啮合，因而，第一转轴齿轮105通过第一转轴104，带动第一滚动轮106滚动，同时，第二转轴齿轮108通过第二转轴107，带动第二滚动轮109滚动，进而实现第一与第二滚动轮的同步运动。

在本实施例中，可以实现跳跃运动，如图1所示，第二驱动电机201逆时针转动，带动第二驱动电机轴202及固连在上面的缺齿齿轮203转动，当缺齿齿轮203与第三转轴齿轮205开始啮合时，第一弹跳腿213与第二弹跳腿208均位于机体正后方，此时，第三转轴204及固连在上面的第二弹跳腿208、第二拨杆207、第一拨杆212、第一弹跳腿213转动并靠近机体正下方，第一弹跳腿213和第二弹跳腿208相对机体屈曲，使第一扭转弹簧211和第二扭转弹簧206变形储存弹性能，第一拨杆212和第二拨杆207的转动，使第一钢丝绳214和第二钢丝绳209逐渐拉紧，在钢丝绳的作用下，滑动杆210的两端分别沿第一弹跳腿213和第二弹跳腿208上的矩形槽向靠近第三转轴204的方向滑动，并分别压缩第一弹跳腿弹簧216和第二弹跳腿弹簧215，有利于避免起跳阶段从动轮与地的干涉，当缺齿齿轮203与第三转轴齿轮205即将解除啮合时，所有扭转弹簧均处于最大扭转状态，所有线性弹簧均处于最大压缩状态，缺齿齿轮203的进一步微小转动，即与第三转轴齿轮205解除啮合，瞬间释放第一扭转弹簧211和第二扭转弹簧206储能，使机器人实现跳跃，跳跃过程中，第三转轴204带动第一拨杆212和第二拨杆207转动，使第一钢丝绳214和第二钢丝绳209放松，第三转轴204在扭转弹簧作用下恢复起跳前状态，有利于保证轮动时从动轮110与地面接触。

在本实施例中，该结构设计有利于在大多数条件下实现落地后的再次跳跃，当如上所述机器人落地时，处于正面或反面着地状态，均可以实现再次起跳或轮式运动。

Claims (1)

1.一种具备轮动功能的弹跳机器人，其特征在于：包括水平放置的机体（301）、轮动机构和弹跳机构；其中：

1）水平放置的机体（301）：机体（301）为U形框架结构，两竖边上前后两端对称开有两个圆形通孔，两竖边上中间对称开有两个螺纹孔，横边内沿两竖边方向依次有三根横梁，第一根横梁上开有与第一根横梁平行的矩形通孔、远离横边的一端开有圆形通孔，第二根横梁上开有弧形通孔，第三根横梁上开有圆形通孔；

2）轮动机构：包括第一驱动电机（101）、第一齿轮（102）、第二齿轮（103）、第一转轴（104）、第一转轴齿轮（105）、第一滚动轮（106）、第二转轴（107）、第二转轴齿轮（108）、第二滚动轮（109）、从动轮（110）、第一驱动电机轴（111）；在机体（301）U形框架一竖边内侧中间装有第一驱动电机（101），第一驱动电机轴（111）上依次装有第一齿轮（102）和第二齿轮（103），第一驱动电机轴（111）支承在第一根横梁的圆形通孔内，第一驱动电机轴（111）与机体（301）横边间的一竖边内侧装有第一转轴（104），第一转轴（104）的两端分别支承在机体（301）一竖边圆形通孔和第三根横梁上圆形通孔内，伸出机体（301）一竖边外的第一转轴（104）上装有第一滚动轮（106），位于机体（301）内的第一转轴（104）上装有第一转轴齿轮（105），第一转轴齿轮（105）和第一齿轮（102）啮合，第一根横梁与机体（301）的另一竖边内侧装有第二转轴（107），第二转轴（107）的一端支承在机体（301）另一竖边圆形通孔内，第二转轴（107）的另一端穿过与第一根横梁平行的矩形通孔支承在第二根横梁的弧形通孔内，在第二根横梁和第一根横梁间的第二转轴（107）上装有第二转轴齿轮（108），第二转轴齿轮（108）和第二齿轮（103）啮合，第一齿轮（102）和第二齿轮（103）大小相同，第一转轴齿轮（105）和第二转轴齿轮（108）大小相同；

3）弹跳机构：包括第二驱动电机（201）、第二驱动电机轴（202）、缺齿齿轮（203）、第三转轴（204）、第三转轴齿轮（205）、第二扭转弹簧（206）、第二拨杆（207）、第二弹跳腿（208）、第二钢丝绳（209）、滑动杆（210）、第一扭转弹簧（211）、第一拨杆（212）、第一弹跳腿（213）、第一钢丝绳（214）、第二弹跳腿弹簧（215）、第一弹跳腿弹簧（216）；机体（301）另一竖边内侧中间装有第二驱动电机（201），第二驱动电机轴（202）上装有缺齿齿轮（203）并支承在第一根横梁的圆形通孔内，在机体（301）远离横边的两竖边圆形通孔内安装第三转轴（204），从靠近第二滚动轮（109）到靠近第一滚动轮（106）的第三转轴（204）上依次安装有第二扭转弹簧（206）、第二弹跳腿（208）、第二拨杆（207）、第三转轴齿轮（205）、第一拨杆（212）、第一弹跳腿（213）、第一扭转弹簧（211）；第一扭转弹簧（211）一端与第一弹跳腿（213）固连，另一端与机体（301）上靠近第一滚动轮（106）的竖边固连，第二扭转弹簧（206）一端与第二弹跳腿（208）固连，另一端与机体（301）上靠近第二滚动轮（109）的竖边固连，缺齿齿轮（203）与第三转轴齿轮（205）啮合，滑动杆（210）的一端穿过第一弹跳腿（213）侧面的矩形槽，该矩形槽内靠近机体（301）的一端和滑动杆（210）之间安装有第一弹跳腿弹簧（216），滑动杆（210）的另一端穿过第二弹跳腿（208）侧面的矩形槽，该矩形槽内靠近机体（301）的一端和滑动杆（210）之间安装有第二弹跳腿弹簧（215），第一钢丝绳（214）的两端分别固定于第一驱动电机（101）和滑动杆（210）上，第二钢丝绳（209）的两端分别固定第二驱动电机（201）和滑动杆（210）上，从动轮（110）安装于第一钢丝绳（214）和第二钢丝绳（209）之间的滑动杆（210）上。