CN103273477A - 一种可跳跃的移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可跳跃的移动机器人，包括弹簧锁定释放装置、弹簧跳跃机构、轮式移动装置、落地缓冲及姿态调整机构。轮式移动装置和锁定释放装置通过弹簧跳跃机构连接。弹簧锁定释放装置包括控制电机、一组减速齿轮，不完全齿轮和卷筒，卷筒通过钢丝绳与弹簧跳跃机构连接。弹簧跳跃机构包括两根连杆，两根连根一端固结一对同步齿轮，另一端分别连接一个滑块，两个滑块之间连接拉伸弹簧并可沿着导轨滑动。本发明通过自平衡系统控制轮式移动装置可实现机器人的平移运动，通过锁定释放装置控制跳跃机构，并结合水平方向的轮式移动实现机器人的跳跃运动；当机器人跳跃落地时可使用落地缓冲及姿态调整机构保护机器人本体并调整自身姿态。

Description

一种可跳跃的移动机器人

技术领域

本发明属于移动机器人领域，涉及一种具有复合运动方式的移动机器人装置，具体来说，涉及一种通过控制可实现轮式平移和跳跃越障的两轮机器人。

背景技术

两轮机器人由于在行进过程中具有运动灵活、零半径转弯等优点，在当今军事侦查领域得到广泛应用，但是在崎岖地形上运动能力有限，遇到障碍物往往束手无策，这就严重限制了其应用领域。跳跃机器人能越过高度超过自身几倍的障碍物，特别适合于崎岖不平的环境，但其在平坦路面运动时耗能较大，不具备优势。为此将两轮机器人与跳跃机器人结合起来，可充分利用二者的优点。跳跃机器人必须先将能量储存，然后释放能量，转化为机器人系统的重力势能，实现机器人跳跃。目前跳跃机器人的能量储存分为三类：基于弹簧的拉伸实现能力储存，基于气动的设计以及燃烧推进的设计。基于弹簧的设计相比其它两种，更加节约成本，制造相对简单。将基于弹簧的跳跃装置与两轮移动机器人整合起来，同时实现移动和跳跃功能，具备很强的实用价值。

发明内容

本发明的目的是提供一种可实现移动和跳跃的两轮机器人，该机器人在平坦路面采用轮式移动方式前进；遇到障碍物或沟渠时，可以通过跳跃运动避障，且结构和控制简单、质量轻、体积较小。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可跳跃的移动机器人包括轮式移动装置、弹簧锁定释放装置、弹簧跳跃机构、落地缓冲及姿态辅助调整机构四部分，弹簧锁定释放装置在轮式移动装置上方，两者通过弹簧跳跃机构连接，落地缓冲及姿态辅助调整机构连接在轮式移动装置上；

所述的弹簧跳跃机构包括左右连杆、定位齿轮组、导向杆、左滑块、右滑块、滑轨、滑块限位架、弹簧杆、拉伸弹簧、钢丝绳、底座；

所述的导轨固定于锁定释放装置中央，底座固定在轮式移动装置的支承架上；

所述的齿轮组、连杆通过螺钉可转动连接在底座上，定位齿轮组分别与左右连杆下端固定，左右连杆上端与左右滑块可转动连接，左右滑块与滑轨之间可滑动连接，滑块限位架固定于滑轨上，两个滑块限位架之间距离正好为拉伸弹簧的原长；

所述的滑块与连杆通过螺栓同轴心连接，弹簧杆穿过滑块与连杆的装配孔，拉伸弹簧可根据所需能量增减根数，弹簧两端分别固定于左右弹簧杆上，钢丝绳一端与底座中心相连，另一端穿过锁定释放装置中心孔与滚筒卷制。

进一步，所述的弹簧锁定释放装置包括控制电机、控制电机基座、一对减速齿轮组、小轴、一对缺齿齿轮组、滚筒、单向轴承、导向杆、轴基座、底板；

所述的控制电机基座、轴基座均固定安装在底板上，控制电机固定在控制电机基座上，轴通过轴承安装在轴基座上；

所述的减速小齿轮与电机的输出轴固定，减速大齿轮与减速传动轴固定安装，缺齿齿轮也安装在减速传动轴上；

所述的滚筒与滚筒齿轮安装在传动轴上，传动轴与轴基座之间通过单向轴承连接，单向轴承外壳与轴基座固连，导向杆穿过弹簧锁定释放装置底板上的通孔，其下端固定在跳跃机构底座上。

进一步，所述的轮式移动装置包括轮胎、驱动电机、电机架、支承架；其中所述的驱动电机与电机架固定，电机架与支承架固定，轮胎中轴与电机输出轴固定。

进一步，所述的落地缓冲及姿态辅助调整机构包含缓冲辅助架、缓冲杆、弹性笼架；其中所述的缓冲辅助架与轮胎中心同轴连接，缓冲杆安装在缓冲辅助架上，可绕其中心转动，弹性笼架固定在轮胎外圈上。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、具有平面移动和跳跃运动两种运动方式，且跳跃结构简单，节约尺寸。

本发明由轮式移动装置、弹簧锁定释放装置、弹簧跳跃机构、缓冲及姿态调整机构四部分组成，其中跳跃机构结构简单、能量利用率高。利用自平衡控制系统，轮式移动装置可以实现平面的直线运动及零半径转弯，运动灵活。跳跃过程容易控制，可分为三步：弹簧能量存储阶段、弹簧能量锁定阶段、弹簧能量释放阶段。弹簧能量存储：利用控制电机带动齿轮转动，从而使滚筒转动，收卷钢丝绳，使连杆张开，沿着滑轨移动，拉伸弹簧，实现弹簧能量存储。能量锁定阶段：到达能量锁定值时，电机停转，保持弹簧拉伸长度。能量释放阶段：电机启动，缺齿齿轮不再限制滚筒转动速度，弹簧受恢复力恢复原长过程中，释放存储能量。跳跃原理可靠：释放能量时，弹簧锁定释放装置使上板获得向上的速度，带动机器人整体离地跳跃。

2、能适应各种路况，自主调整平移和跳跃运动。

锁定释放装置上端安装一个全景摄像头，在平行移动过程中可探测出前方路面的路况，将检测到的障碍物分布情况反馈给控制系统，系统控制算法能根据所检测到的信息规划运动轨迹，控制跳跃装置的压缩与释放，从而机器人的运动状态随路况改变而变化，具有很强的自主性。

3、可任意角度起跳，轨迹可控。

控制机器人的水平运动速度，结合跳跃机构所提供的垂直运动速度，从而实现斜向跳跃，根据不同的障碍物分布情况，选择规划最优的空中运动轨迹，可大大节约所消耗的能量；同时还可以通过主控制器控制跳跃机构的倾角，调整起跳姿态。

4、落地后通过缓冲调整机构，恢复机器人本体姿态。

在轮架上还安装有落地缓冲及姿态调整机构，缓冲杆可以绕缓冲架中心转动，根据落地姿态，转动缓冲杆，增加缓冲时间，减小机器人系统在落地时所受的冲击力，并能辅助姿态的调整；在轮胎外圈上固连一弹性笼架，当机器人系统侧向着地时，笼架首先与地面接触造成重心不平衡，从而在重力作用下系统恢复两轮着地状态，进而在控制系统的作用下恢复自平衡状态。

附图说明

图1是本发明的立体详细结构示意图。

图2是本发明整体结构示意图。

图3是本发明中跳跃机构的结构示意图。

图4是本发明中压缩解锁装置的结构示意图。

图中：1-锁定释放装置、2-跳跃机构、3-移动两轮车、4-落地缓冲及姿态调整机构；101-减速传动轴、102-轴基座、103-减速小齿轮、104-减速大齿轮、105-电机基座、106-传动轴、107-控制电机、108-缺齿齿轮、109-滚筒齿轮、110-导向杆、111-滚筒、112-控制盒、113-底板；201-滑轨、202-滑块、203-弹簧杆、204-拉伸弹簧、205-连杆、206-定位齿轮、207-底座；301-轮子、302-支撑板、303-电机架、304-轮子电机；401-弹性笼架、402-缓冲架、403-缓冲杆。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体方式措施进行详细说明：

本发明提供一种可实现移动和跳跃的两轮机器人，该轮式移动装置3依靠自平衡控制可以根据地理状况自主选择平移和跳跃运动方式。如图1和2所示，本发明包括轮式移动装置3、弹簧锁定释放装置1、弹簧跳跃机构2、落地缓冲及姿态调整机构4四部分，弹簧锁定释放装置1在轮式移动装置3上方，两者通过弹簧跳跃机构2连接，落地缓冲及姿态辅助调整机构4连接在轮式移动装置3上。整个机器人系统主要依靠弹簧跳跃机构2跳跃过障碍物，轮式移动装置依靠自平衡系统实现保持自身平稳行进。

弹簧跳跃机构2包括左右连杆205、定位齿轮组206、左右滑块202、滑轨201、滑块限位架208、弹簧杆203、拉伸弹簧204、钢丝绳、底座207，如图3所示。底座上有一导向杆110，穿过弹簧锁定释放装置底板113上的通孔，导轨201固定于锁定释放装置1中央，底座207固定在两轮移动车支承架302上。定位齿轮组206、连杆205通过螺钉可转动连接在底座207上，定位齿轮组206分别与左右连杆205下端固定，连杆205上端与左右滑块202连接，左右滑块202与导轨201之间可滑动连接，滑块限位架208固定在滑轨201的某位置。弹簧杆203穿过滑块202与连杆205的装配孔，拉伸弹簧204可根据所需运动需求增减根数，弹簧204两端分别固定于左右弹簧杆203上。钢丝绳一端与底座207中心相连，另一端穿过锁定释放装置1中心孔与滚筒111卷制。

弹簧锁定释放装置1包括控制电机107、控制电机基座105、一对减速齿轮组（103、104）、减速传动轴101、一对缺齿齿轮组（108、109）、滚筒111、单向轴承、轴基座102、控制盒112、底板113，如图4所示。控制电机基座105、轴基座102都是固定安装在底板113上的，控制电机107固定在控制电机基座105上，传动轴（101、106）通过轴承安装在轴基座102上。减速小齿轮103与电机107的输出轴固定，减速大齿轮104与减速传动轴101固定安装，缺齿齿轮也安装在减速传动轴101上。滚筒111与滚筒齿轮109安装在传动轴106上，传动轴106与轴基座102之间通过单向轴承连接，单向轴承外壳与轴基座固连。

轮式移动装置3包括轮胎301、驱动电机304、电机架303、支承架302；所述的驱动电机301与电机架303固定，电机架303与支承架302固定，轮胎中轴与电机304输出轴固定。

落地缓冲及姿态辅助调整机构4包含缓冲辅助架402、缓冲杆403、弹性笼架401，所述的缓冲辅助架402与轮胎301中心同轴连接，缓冲杆403安装在缓冲辅助架402上，可绕其中心转动，弹性笼架401固定在轮胎301外圈上。

该可跳跃的移动机器人的跳跃过程分为三个阶段：弹簧能量存储阶段、弹簧能量锁定阶段、弹簧能量释放阶段。

弹簧能量存储：得到控制指令，控制电机107带动减速小齿轮103转动，减速小齿轮103带着与之配合的减速大齿轮104转动。减速大齿轮104所在的减速传动轴101也开始转动，带动缺齿齿轮108（缺齿1/4周），与有齿部分啮合的滚筒齿轮109也转动了，从而带动传动轴106上的滚筒111转动，收卷系在滚筒上的钢丝绳，由于钢丝绳另一端系在弹跳机构2的中心孔上，锁定释放装置1与轮式移动装置3之间的距离缩小，这将使连杆205张开，滑块202沿着滑轨201向两端移动，拉伸安装在连杆顶端的弹簧204，实现弹簧204能量存储。

弹簧能量锁定：当缺齿齿轮108转动至3/4周时，控制指令命令控制电机107停转，弹簧204拉伸后产生恢复力，使滚筒齿轮109有倒转趋势，但是外圈安装在传动轴106上的单向轴承限制了滚筒齿轮109的回转，使滚筒111无法转动，钢丝绳无法放长，弹簧204锁定不动。

弹簧能量释放：当发现障碍时，控制指令发出，启动控制电机107，继续带动齿轮组（103、104）转动，缺齿齿轮108进入缺齿部分，以至锁定状态下的单向轴承失去对滚筒111转动的限制作用，弹簧204的恢复力使得弹簧204恢复原长，在此短时间的恢复过程中，连杆205上滑块202沿着滑轨201向中间运动，锁定释放装置1也被连杆顶着向上运动；当滑块202沿滑轨201运动到限位架208时，滑块202运动停止，弹簧204恢复至限定长度时，锁定释放装置1具备竖直速度，带动下面的轮式移动装置3向上运动，从而整个机器人系统实现跳跃。

进一步为了适应各种路况，在锁定释放装置上装有一全景摄像头，检测到平坦大道时，采用平移运动模式，检测到前方有障碍或沟渠时，将信息反馈给控制系统，系统经过规划后发出指令，控制弹簧锁定释放装置1解锁，实现跳跃越障。

进一步在支承架301与电机架303连接处，两边各安装有一缓冲架402，缓冲架402上有缓冲杆403，缓冲杆403绕缓冲架402上孔做旋转运动，调节支撑角度，从而增加落地缓冲时间，减轻地面的冲击力，并调整落地姿态。在轮胎301外圈上固连一弹性笼架401，当机器人系统侧向单轮落地时，弹性笼架401与地面点接触，造成重心分布的不平衡，在重力力矩的作用下推动系统恢复两轮着地姿态，从而实现机器人落地姿态的调整。

进一步该机器人采用跑跳结合的运动方式，合理分配水平速度，结合竖直方向弹跳速度，可调整起跳角度；直接利用控制系统，调整跳跃机构与水平方向的角度，从而调整起跳姿态及起跳角度。

Claims (5)

1.一种可跳跃的移动机器人，可实现平移和跳跃两种运动功能，其特征在于：该机器人包括弹簧跳跃机构（2）、弹簧锁定释放装置（1）、轮式移动装置（3）、落地缓冲及姿态调整机构（4）四部分，弹簧锁定释放装置（1）在轮式移动装置（3）上方，两者通过弹簧跳跃机构（2）连接，落地缓冲及姿态辅助调整机构（4）连接在轮式移动装置（3）上；

所述的弹簧跳跃机构（2）包括左右连杆（205）、定位齿轮组（206）、左右滑块（202）、滑轨（201）、滑块限位架（208）、弹簧杆（203）、拉伸弹簧（204）、钢丝绳、底座（207）；底座上固定安装一根导向杆（110），其穿过弹簧锁定释放装置底板（113）上的通孔，导轨（201）固定于锁定释放装置（1）中央，定位齿轮组（206）分别与左右连杆（205）下端固定，连杆（205）下端可转动连接在底座（207）上，连杆（205）上端与左右滑块（202）间可转动连接，左右滑块（202）与导轨（201）之间可滑动连接，滑块限位架（208）固定在滑轨（201）的某位置；

所述的弹簧锁定释放装置（1）包括控制电机（107）、一对减速齿轮组（103、104）、减速传动轴（101）、一对缺齿齿轮组（108、109）、滚筒（111）、单向轴承、轴基座（102）、控制盒（112）、底板（113）；其中缺齿齿轮（108）固定安装在减速传动轴（101）上，减速传动轴通过单向轴承连接在底板（113）上；

所述轮式移动装置（3）包括轮胎（301）、驱动电机（304）、电机架（303）、支承架（302）；驱动电机（301）与电机架（303）固定，电机架（303）与支承架（302）固定，轮胎中轴固定在电机（304）输出轴上；

所述的落地缓冲及姿态辅助调整机构（4）包含缓冲辅助架（402）、缓冲杆（403）、弹性笼架（401）。

2.按照权利要求1所述的弹簧跳跃机构（2），其特征在于：滑块（201）与连杆（205）通过螺栓同轴心可转动连接，弹簧杆（203）穿过连杆（205）与滑块（202）的装配孔，拉伸弹簧（204）两端分别与左右弹簧杆（203）固定，从而通过拉伸弹簧（204）的收缩带动滑块（201）移动。

3.按照权利要求1所述的弹簧锁定释放装置，其特征在于：缺齿齿轮（108）固定连接在减速传动轴（101）上，减速传动轴（101）通过单向轴承安装在底板（113）上，滚筒（111）和与缺齿齿轮（108）啮合的齿轮（109）同轴安装，滚筒（111）只能沿收卷钢丝绳的方向单向转动，从而当控制电机（107）停止转动时，滚筒（111）在受钢丝绳拉拽的条件下能实现锁定。

4.按照权利要求1所述的落地缓冲及姿态调整机构（4），其特征在于：所述的缓冲辅助架（402）与轮胎（301）中心同轴连接，缓冲杆（403）安装在缓冲辅助架（402）上，可绕其中心转动，弹性笼架（401）固定在轮胎（301）外圈上。

5.按照要求1、2、3或4所述的一种可跳跃的移动机器人，其特征在于：采用跑跳方式，即控制水平运动速度，结合竖直方向弹跳运动，可规划空中运动轨迹；直接通过控制系统，调整弹簧跳跃机构（2）与水平方向夹角，从而调整本体起跳角度。

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