CN103600784B - 一种对称型连续跳跃的弹跳机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种对称型连续跳跃的弹跳机器人，包括机架、外壳、弹跳机构以及方向调节机构，弹跳机构以及方向调节机构固定在机架上，在机架外设置外壳，机架包括上端面、下端面以及固连在上端面和下端面之间的导杆；外壳由上壳体和下壳体组合组成，其中上壳体和下壳体均为锥形；弹跳机构包括弹跳支架以及设置在弹跳支架上的弹跳驱动机构以及牵拉机构；弹跳支架套在导杆上，在弹跳支架的上端与上端面之间连接有上拉伸弹簧，在弹跳支架的下端和下端面之间连接有下拉伸弹簧。弹跳机构上下对称，这样机器人落地后，不论哪个面着地，都可以实现再次起跳，从而实现连续弹跳运动功能，增强了机器人的实用性。

Description

一种对称型连续跳跃的弹跳机器人

技术领域

本发明涉及机械学、仿生学、机器人技术、弹跳机器人、环境监测，特别涉及一种对称型连续跳跃的弹跳机器人。

背景技术

移动机器人代替静态监测节点在环境监测，信息采集等应用领域中具有一定优势，多个移动机器人节点可以动态调整网络覆盖区域、网络拓扑结构等，减少覆盖漏洞和重叠。普通的轮式移动机器人节点随着体积的减小，其适应崎岖非结构环境的能力会严重下降，在障碍物高于其自身高度时，轮式移动机器人节点由于不能越障而运动失效。弹跳机器人可以越过高于其自身高度数倍的障碍物，并可以弹跳到较高的位置，增强无线通信链路质量，提高监测网络的稳定性，因此弹跳机器人可以作为监测节点，应用于各种环境监测领域。

弹跳机器人应用于非结构环境中时，其需要具有连续弹跳运动能力，才能不断调节其自身位置。连续弹跳运动需要弹跳机器人具有落地自复位功能，起跳方向调节功能。自复位包括主动自复位和被动自复位，如中国专利ZL201210003779.3中使用的主动式自复位方法；如中国专利201110361030.1和中国专利201310087552.6中的轮式弹跳机器人使用对称结构，机器人落地后实现被动自复位。中国专利201110361030.1和中国专利201310087552.6中的弹跳机器人使用复合轮式机构调节起跳方向，而中国专利200910108660.0中的球形跳跃机器人通过旋转球壳内的身体调节起跳方向。

面向非结构环境应用的弹跳机器人需要防止环境条件对其造成影响，包括弹跳与地面的碰撞，雨水等对机体机电系统造成损伤，中国专利201110361030.1和中国专利201310087552.6中的轮式弹跳机器人不能防撞和防水，而中国专利200910108660.0球形跳跃机器人虽然可以做到防水，但该机器人静态不稳定，需要不断调整姿态才能实现站立和起跳，对于机器人的感知和控制要求太高，实用性不够强，其球形外壳导致弹跳落地后被动滚动，难以准确控制停靠点，此外其弹跳机构不对称，内部机体与球壳碰撞起跳的方法对球壳和机体都会造成损伤，在滚动到正好头朝下地情况下，如果出现障碍物阻挡，滚动力矩不够的话，将不能滚动也不能跳跃，出现运动失效。

发明内容

技术问题  本发明所要解决的技术问题在于，克服现有的弹跳机器人的复位方法、防撞措施、起跳方向调节等的不足，设计一种实用化的结构和功能均对称型的弹跳机器人。

技术方案  本发明的技术方案为：

一种对称型连续跳跃的弹跳机器人，包括机架、外壳、弹跳机构以及方向调节机构，所述的弹跳机构以及方向调节机构固定在所述的机架上，在机架外设置所述的外壳，其特征在于：

所述的机架包括上端面、下端面以及固连在上端面和下端面之间的导杆；

所述的外壳由上壳体和下壳体组合组成，其中上壳体和下壳体均为锥形或多棱锥形，所述的上壳体与所述的上端面固定，所述的下壳体与所述的下端面固定；

所述的弹跳机构包括弹跳支架以及设置在弹跳支架上的弹跳驱动机构以及牵拉机构；所述的弹跳驱动机构包括第一驱动电机以及与所述第一驱动电机输出轴连接的传动齿轮组，所述传动齿轮组的末级齿轮为缺齿齿轮；所述牵拉机构包括拉绳以及绞盘轮，在所述的绞盘轮上设置有与所述缺齿齿轮啮合的缠绕齿轮；所述的拉绳包括上拉绳和下拉绳，所述上拉绳的一端固定在所述的绞盘轮上，下拉绳的一端也固定在所述的绞盘轮上。其中上拉绳并顺时针缠绕在绞盘轮中的第一凹槽中；下拉绳逆时针缠绕在绞盘轮的第二凹槽中。

所述的弹跳支架套在所述的导杆上，在弹跳支架的上端与上端面之间连接有上拉伸弹簧，在弹跳支架的下端和下端面之间连接有下拉伸弹簧，所述上拉绳另一端固定在所述的上端面，所述的下拉绳的另一端固定在所述的下端面上；

所述的方向调节机构包括第二驱动电机、联轴器以及调节机构，所述的第二驱动电机固定在所述的弹跳支架上，所述的调节机构通过联轴器连接在所述的第二驱动电机的输出轴上。

所述的调节机构为一设置在壳体内的摆杆或可随弹跳支架运动伸出所述壳体的调节轮，在所述摆杆的末端还设置有一配重块。

所述的导杆为居于上端面和下端面中间的一根或均布在上端面和下端面同一圆上的三根。

所述的弹跳支架包括顶面架、底面架以及连接柱，其中连接柱为均布在顶面架和底面架之间的同一圆上的三根。

所述的牵拉机构还包括上滑轮和下滑轮，上滑轮通过一上滑轮座固定在所述顶面架上，下滑轮通过一下滑轮座固定在所述的底面架上，所述的上拉绳绕过所述的上滑轮，所述的下拉绳绕过所述的下滑轮。

所述的上壳体包括上圆锥台壳和上圆锥，所述的下壳体包括下圆锥台壳和下圆锥，上圆锥台壳和上圆锥固定在上端面上，下圆锥台壳和下圆锥固定在下端面上。

本发明弹跳机器人外壳的下壳体着地时，第一驱动电机正转带动传动齿轮组，传动齿轮组的末级缺齿齿轮驱动绞盘轮缠绕牵拉机构的拉绳，从而将弹跳机构整体拉向机架的下端面，当向下端面靠近时，上拉伸弹簧被拉长，下拉升弹簧被压缩，存储弹性势能，由于缺齿齿轮与缠绕齿轮啮合的半边中有一部分是缺齿，因此当缺齿齿轮转动到缺齿部位与缠绕齿轮相遇时，缠绕齿轮脱离缺齿齿轮，上拉伸弹簧中的弹性势能驱动它们迅速收缩，弹跳机构整体在机架的导杆上迅速向上滑动，在到达顶端时，可以推动整个机架和外壳弹跳离地，实现弹跳运动，当上壳体着地时，第一驱动电机反转驱动后续机构即可驱动机器人实现弹跳运动；

本发明弹跳机器人的方向调节机构由电机架、第二驱动电机、联轴器、摆杆、配重块、或调节轮等组成，电机架固定在底面架上，第二驱动电机固定在电机架上，电机架的设计保证电机输出轴距离顶面架和底面架的距离相等，联轴器固定在第二驱动电机的输出轴上，摆杆固定在联轴器上，配重块固定在摆杆的末端部，当第二驱动电机旋转时，就可以驱动摆杆摆动，配重块随着摆杆的摆动可以驱动机器人的外壳在地面上绕下圆锥的顶点滚动，从而可以调节机器人的起跳方向，调节轮可以代替摆杆和配重块安装在联轴器上，并在上圆锥台壳和下圆锥台壳对应的位置分别开一个比调节轮厚度略大的槽口，在机器人起跳前，通过拉伸弹簧的拉绳，弹跳机构接近地面的同时，调节轮就可以伸出上圆锥台壳或下圆锥台壳的槽口，此时第二驱动电机转动就可以带动调节轮转动，从而实现方向调节。

采用本发明的技术方案将有以下的有益效果：

（1）本发明的对称型连续式弹跳机器人在外形结构上下对称，机器人落地后可以自复位，不需要额外的复位机构，上下对称的圆锥形结构设计便于机器人起跳方向调节，外壳结构可以保护机器人的其它机构，防止落地碰撞造成损伤；

（2）本发明所设计的弹跳机构上下对称，这样机器人落地后，不论哪个面着地，都可以实现再次起跳，从而实现连续弹跳运动功能，增强了机器人的实用性；

（3）本发明所设计的角度调节机构可以实现单个电机在外壳内部驱动摆杆进行机器人起跳方向调节，也可以驱动一个调节轮进行起跳方向调节，驱动调节轮实现起跳方向调节的方法调节精度高，更具实用性。

附图说明

图1是本发明实施例的弹跳机器人系统组成示意图。

图2是本发明实施例的弹跳机器人整体结构示意图。

图3是本发明实施例的弹跳机器人机架结构示意图。

图4是本发明实施例的弹跳机器人外壳结构示意图。

图5是本发明实施例的传感模块安装示意图，其中a为在上端面的安装示意图，b为在下端面的安装示意图。

图6是本发明实施例的弹跳机构示意图1。

图7是本发明实施例的弹跳机构示意图2。

图8是本发明实施例的弹跳机构示意图3。

图9是本发明实施例的弹跳机构工作过程示意图。

图10是本发明实施例的方向调节机构方案一示意图。

图11是本发明实施例的方向调节结构方案二示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的工作原理和工作过程作进一步详细说明。

实施例：参照图1，一种对称型连续式弹跳机器人由机架1、外壳2、电源模块3、传感模块4、控制模块5、弹跳机构6和方向调节机构7组成，机架1用于安装固定所述的外壳、模块和机构，外壳2用于保护所述的机架、模块和机构，电源模块3为传感模块4、控制模块5、弹跳机构6和方向调节机构7供电，传感模块4实现机器人姿态信息的检测，控制模块5实现机器人所有运动控制，弹跳机构6实现弹跳运动功能，方向调节机构7实现起跳方向调节功能；

参照图3，所述的机架1由上端面1-1、导杆1-2、导杆1-3、导杆1-4和下端面1-5组成，上端面1-1和下端面1-5为大小相等的圆形薄片，呈平行同心放置，导杆1-2、导杆1-3、导杆1-4平行放置，其两端分别安装在上端面1-1和下端面1-5之间，并保证在圆面上等分圆面分布；

参照图4，所述的外壳2由上圆锥2-1、上圆锥台壳2-2、下圆锥台壳2-3和下圆锥2-4组成，所述的上圆锥台壳2-2和下圆锥台壳2-3底面镂空，所述的上圆锥2-1和下圆锥2-4底面圆半径，以及圆锥台壳2-2和下圆锥台壳2-3的上底面圆半径与机架中的上端面1-1圆半径相同，所述的上圆锥台壳2-2扣在机架上端面1-1上，所述的上圆锥2-1扣在上圆锥台壳2-2上底面上，并用螺丝将上圆锥2-1和上圆锥台壳2-2固定机架上端面1-1上，所述的下圆锥台壳2-3扣在机架下端面1-5上，所述的下圆锥2-4扣在下圆锥台壳2-3上底面上，并用螺丝将下圆锥2-4和下圆锥台壳2-3固定机架下端面1-5上；

参照图2，所述的电源模块3由小型锂电池组成，其安装位置可以用来调节机器人的质心位置，使机器人质心尽量在其竖直中心线上；

参照图5，所述的传感模块4包括三轴加速度计4-1、三轴加速度计4-2、三轴磁力计4-3和三轴磁力计4-4，三轴加速度计4-1安装在机架上端面1-1上，三轴加速度计4-2安装在机架下端面1-5上，并保证两个三轴加速度计的x轴垂直，并指向圆心，所述的三轴磁力计4-3安装在机架上端面1-1上，三轴磁力计4-4安装在机架下端面1-5上，所述的三轴加速度计4-1和4-2可以用来检测机器人的倾角，通过z轴的加速度数值即可计算得到机器人与水平面的夹角，通过结合三轴加速度计4-1和4-2的x和y轴的加速度数值，可以得到机器人外壳2与地面接触的部位，当机器人的上圆锥台壳2-2与地面接触时，使用三轴磁力计4-3检测机器人的航向信息，当机器人的下圆锥台壳2-3与地面接触时，使用三轴磁力计4-4检测机器人的航向信息；

参照图1和图2，所述的控制模块5包括控制处理单元、存储单元和无线通信单元，控制处理单元控制弹跳机构和方向调节机构的动作，并处理传感器数据，接收和发送数据给无线通信单元，无线通信单元用于操作者远程发送控制命令和传感装置数据的远程传输，存储单元用于存储传感装置数据和数据处理的中间数据；

参照图2、图6、图7和图8，所述的弹跳机构6由顶面架6-1、底面架6-2、连接柱6-3、连接柱6-4、连接柱6-5、第一驱动电机6-6、一级齿轮6-7、二级齿轮轴6-8、二级齿轮6-9、三级齿轮轴6-10、末级缺齿齿轮6-11、缠绕齿轮轴6-12、缠绕齿轮6-13、绞盘轮6-14、上滑轮座6-15、上滑轮6-16、上拉绳6-17、下滑轮座6-18、下滑轮6-19、下拉绳6-20、上拉伸弹簧6-21、上拉伸弹簧6-22、上拉绳弹簧6-23、下拉伸弹簧6-24、下拉伸弹簧6-25、下拉绳弹簧6-26组成，顶面架6-1和底面架6-2为原型薄片状，其上的三个圆孔分别套在导杆1-2、导杆1-3和导杆1-4上，可以顺着导杆上下滑动，连接柱6-3、连接柱6-4和连接柱6-5均匀安装在顶面架6-1和底面架6-2的边缘处，将顶面架6-2和底面架6-3固定在一起，直流电机6-6固定在顶面架6-1上，一级齿轮6-7固定在第一驱动电机6-6输出轴上，二级齿轮轴6-8使用螺母固定在顶面架6-1和底面架6-2上，二级齿轮6-9安装在二级齿轮轴6-8上可绕其转动，并与一级齿轮6-7啮合，三级齿轮轴6-10使用螺母固定在顶面架和底面架上，末级缺齿齿轮6-11安装在三级齿轮轴6-10上，末级缺齿齿轮6-11完整的半边与二级齿轮6-9啮合，缠绕齿轮轴6-12垂直穿过顶面架6-1和底面架6-2，并通过轴承与顶面架6-1和底面架6-2相连，缠绕齿轮6-13通过紧定螺丝固定在缠绕齿轮轴6-12上，并与末级缺齿齿轮6-11有缺齿的半边相啮合，绞盘轮6-14通过紧定螺丝固定在缠绕齿轮轴6-12上，绞盘轮6-14有上下两个槽口，上滑轮座6-15固定在顶面架6-1上，所述的上滑轮6-16安装在上滑轮座6-15上，所述的上拉绳6-17一端固定在机架的上端面1-1上，另一端绕过上滑轮6-16，并缠绕固定在绞盘轮6-14的上槽口中，下滑轮座6-18固定在底面架6-2上，所述的下滑轮6-19安装在下滑轮座6-18上，所述的下拉绳6-20一端固定在机架的下端面1-5上，另一端绕过下滑轮6-19，并缠绕固定在绞盘轮6-14的下槽口中，上拉绳6-17和下拉绳6-20在绞盘轮6-14的槽口中缠绕的方向相反，上拉伸弹簧6-21、上拉伸弹簧6-22和上拉绳弹簧6-23的上端均匀固定在机架上端面1-1上，下端均匀固定在顶面架6-1上，下拉伸弹簧6-24、下拉伸弹簧6-25和下拉绳弹簧6-26的上端均匀固定在底面架6-2上，下端均匀固定在机架下端面1-5上；

参照图9，所述的弹跳机构的工作过程为：当下圆锥台壳2-3和下圆锥2-4着地时，第一驱动电机6-6正转带动一级齿轮6-7，一级齿轮6-7驱动二级齿轮6-9，二级齿轮6-9带动末级缺齿齿轮6-11转动，末级缺齿齿轮6-11驱动缠绕齿轮6-13转动，缠绕齿轮6-13的转动可以驱动绞盘轮6-14转动，绞盘轮6-14转动可以驱动下拉绳6-20在绞盘轮6-14的槽口中缠绕，从而将弹跳机构6整体拉向机架的下端面1-2，上拉伸弹簧6-21、上拉伸弹簧6-22和上拉绳弹簧6-23被拉长，存储弹性势能，上拉绳6-17从绞盘轮的槽口中被动绕开，下拉伸弹簧6-24、下拉伸弹簧6-25和下拉绳弹簧6-26压缩或被动弯曲，由于末级缺齿齿轮6-11与缠绕齿轮6-13啮合的半边中有一部分是缺齿，因此当末级缺齿齿轮6-11转动到缺齿部位与缠绕齿轮6-13相遇时，缠绕齿轮6-13脱离末级缺齿齿轮6-11，上拉伸弹簧6-21、上拉伸弹簧6-22和上拉绳弹簧6-23迅速收缩，弹跳机构6整体在三根导杆1-2、1-3和1-4上迅速向上滑动，在到达顶端时，可以推动整个机架1和外壳2弹跳离地，实现弹跳运动，当所述的上圆锥台壳2-2和上圆锥2-1着地时，第一驱动电机6-6反转驱动后续机构即可驱动机器人实现弹跳运动；

参照图10，所述的方向调节机构7由电机架7-1、第二驱动电机7-2、联轴器7-3、摆杆7-4、配重块7-5、调节轮7-6组成，所述的电机架7-1固定在底面架6-2上，第二驱动电机7-2固定在电机架7-1上，电机架7-1的设计保证第二驱动电机7-2输出轴距离顶面架6-1和底面架6-2的距离相等，所述的联轴器7-3固定在第二驱动电机7-2的输出轴上，所述的摆杆7-4固定在联轴器7-3上，所述的配重块7-5固定在摆杆7-4的末端部，当第二驱动电机7-2旋转时，就可以驱动摆杆7-4摆动，配重7-5块随着摆杆7-4的摆动可以驱动机器人的外壳2在地面上绕着下圆锥2-4顶点滚动，从而可以调节机器人的起跳方向；

参照图11，调节轮7-6可以代替摆杆7-4和配重块7-5安装在联轴器7-3上，在上圆锥台壳2-2和下圆锥台壳2-3对应的位置分别开一个比调节轮7-6厚度略大的槽口，在机器人起跳前，弹跳机构6压缩接近地面的同时，调节轮7-6可以伸出上圆锥台壳2-2或下圆锥台壳2-3的槽口，此时第二驱动电机7-2转动就可以带动调节轮7-6转动，从而实现方向调节。

Claims (6)

1.一种对称型连续跳跃的弹跳机器人，包括机架、外壳、弹跳机构以及方向调节机构，所述的弹跳机构以及方向调节机构固定在所述的机架上，在机架外设置所述的外壳，其特征在于：

所述的机架包括上端面、下端面以及固连在上端面和下端面之间的导杆；

所述的外壳由上壳体和下壳体组合组成，其中上壳体和下壳体均为锥形或多棱锥形，所述的上壳体与所述的上端面固定，所述的下壳体与所述的下端面固定；

所述的弹跳机构包括弹跳支架以及设置在弹跳支架上的弹跳驱动机构以及牵拉机构；所述的弹跳驱动机构包括第一驱动电机以及与所述第一驱动电机输出轴连接的传动齿轮组，所述传动齿轮组的末级齿轮为缺齿齿轮；所述牵拉机构包括拉绳以及绞盘轮，在所述的绞盘轮上设置有与所述缺齿齿轮啮合的缠绕齿轮；所述的拉绳包括上拉绳和下拉绳，所述上拉绳和下拉绳的一端均固定在所述的绞盘轮上；

所述的弹跳支架套在所述的导杆上，在弹跳支架的上端与上端面之间连接有上拉伸弹簧，在弹跳支架的下端和下端面之间连接有下拉伸弹簧，所述上拉绳另一端固定在所述的上端面，所述的下拉绳的另一端固定在所述的下端面上；

所述的方向调节机构包括第二驱动电机、联轴器以及调节机构，所述的第二驱动电机固定在所述的弹跳支架上，所述的调节机构通过联轴器连接在所述的第二驱动电机的输出轴上。

2.根据权利要求1所述的弹跳机器人，其特征在于：所述的调节机构为一设置在壳体内的摆杆或可伸出所述壳体的调节轮，在所述摆杆的末端还设置有一配重块。

3.根据权利要求1所述的弹跳机器人，其特征在于：所述的导杆为居于上端面和下端面中间的一根或均布在上端面和下端面同一圆上的三根。

4.根据权利要求1所述的弹跳机器人，其特征在于：所述的弹跳支架包括顶面架、底面架以及连接柱，其中连接柱为均布在顶面架和底面架之间的同一圆上的三根。

5.根据权利要求4所述的弹跳机器人，其特征在于：所述的牵拉机构还包括上滑轮和下滑轮，上滑轮通过一上滑轮座固定在所述顶面架上，下滑轮通过一下滑轮座固定在所述的底面架上，所述的上拉绳绕过所述的上滑轮，所述的下拉绳绕过所述的下滑轮。

6.根据权利要求1所述的弹跳机器人，其特征在于：所述的上壳体包括上圆锥台壳和上圆锥，所述的下壳体包括下圆锥台壳和下圆锥，上圆锥台壳和上圆锥固定在上端面上，下圆锥台壳和下圆锥固定在下端面上。