CN103612682A - 一种可跳跃的球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可跳跃的球形机器人，具体设计一种可在复杂多变的环境下使用的可全向运动可跳跃的球形机器人。在比较平坦的地面上，该机器人可以进行平面运动，即可以实现平面滚动以及平面转弯。当遇到障碍物时，机器人可以通过跳跃越过障碍物。该机器人是外部形态为球形，内部结构设计简单紧凑，可以实现跳跃。在跳跃的时候可以根据实际情况对跳跃的高度进行调节，可调节起跳的方向，能量利用率高。跳跃完成后由于球形机器人的低重心抗倒伏特性可以自动的调整姿态。

Description

一种可跳跃的球形机器人

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平面运动和跳跃越障的球形机器人。

技术背景

球形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，在当今各行业中具有广泛应用，但是在崎岖地形上运动能力有限，遇到障碍物就束手无策，很难越过高度超过限制的障碍物。机器人的广泛应用对机器人的地面通过能力、自由移动能力和环境适应能力提出了更高的要求，这也就提出了跳跃机器人的研究意义。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。将基于弹簧的跳跃装置与球形机器人整合起来，同时实现平面移动和跳跃功能，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平面全向运动和跳跃的球形机器人，该机器人在平面可进行全向运动；遇到障碍物时，可以通过跳跃进行规避，且结构简单，控制简单，能量利用率高，稳定性好。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种可跳跃的球形机器人包括弹簧锁定释放装置、弹簧跳跃机构、球体驱动装置的短轴部分、球体驱动装置的长轴部分以及球壳五部分，弹簧锁定释放装置在弹簧跳跃机构的上方，并与之相连，球体驱动装置短轴部分与弹簧锁定释放装置，球体驱动装置长轴部分与弹簧跳跃机构相连，球壳连接到球体驱动装置长轴部分上；

所述的弹簧跳跃机构包括左右连杆、定位齿轮组、左滑块、右滑块、导轨、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；

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同轴连接，左右滑块与导轨之间可滑动连接，滑块限位架固定于导轨上；

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，滚筒电机固定在底板上，滚筒电机轴一端与滚筒相连。

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、减速传动轴、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、轴基座都是固定安装在底板上的，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；

所述的滚筒电机与滚筒相连，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，所述的球体驱动装置短轴部分包括短轴电机、电机固定件、短轴连接轴、重摆；电机固定件固定在底板上，短轴电机固定安装在电机固定件上，重摆通过短轴连接轴和短轴电机输出轴相连；

进一步，所述球体驱动装置长轴部分包括长轴连接轴、长轴电机、底座；长轴电机固定在底座上，长轴连接轴与电机输出轴相连，球体驱动装置长轴部分通过长轴连接轴与球壳相连

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：可实现平移和跳跃运动，且跳跃结构简单，能量利用率高，轨迹可控。

1、跳跃结构简单，跳跃过程易于实现。

跳跃机构控制原理简单、结构简单、能量利用率高，跳跃过程易于实现。跳跃过程即能量转换过程，分为三步：弹簧储能阶段、弹簧锁定阶段、能量释放阶段。弹簧储能阶段：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，沿着导轨移动，拉伸弹簧，实现弹簧能量存储。弹簧锁定阶段：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：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，进行平面运动和跳跃运动。

在运行过程中，球形机器人的运动状态可随着路况的改变而改变，具有很强的适应性。

3、可控制起跳的高度，减少不必要的耗能。

在运行过程中，根据路障的不同，球形机器人需要起跳的高度也不同。通过滚筒电机，可实现锁定钢丝绳长度的调整，通过控制锁定钢丝绳的长度，进而实现对起跳能力的调整。

4、可任意角起跳，轨迹可控。

通过控制球形机器人的水平运动速度，可以实现不同轨迹的。

5、落地后自动调整，能恢复机器人的正常姿态。

球形机器人有低重心、抗倒伏的特性，从而来保证球形机器人的姿态的稳定性。当该机器人跳跃完成后落地时，由于低重心抗倒伏的特性，机器人会自动完成对姿态的调整，进而来恢复到正常的姿态。

附图说明

图1本发明的立体详细结构示意图

图2本发明中跳跃机构的结构示意图

图3本发明压缩解锁机构示意图

图4本发明的整体结构示意图

图中：1-锁定释放装置、2-跳跃机构、3-球体驱动装置短轴部分、4-球体驱动装置长轴部分、5-球壳；101-底板、102-电机传动轴、103-减速小齿轮、104-轴基座、105-减速轴轴基座、106-减速传动轴、107-减速大齿轮、108-控制电机、109-缺齿齿轮、110-导向杆、111-滚筒齿轮、112-滚筒电机、113-控制盒、114-滚筒、115-滚筒传动轴、201-底座、202-定位齿轮组、203-左右连杆、204-拉伸弹簧、205弹簧杆、206-左右滑块、207-导轨、301-短轴电机、302-电机固定件、303-短轴连接轴、304-重摆、401-长轴连接轴、402-长轴电机

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球形机器人，该机器人依靠自主控制可根据地面状况实现全向运动和跳跃动作。一种可跳跃的球形机器人包括弹簧跳跃机构（2）、弹簧锁定释放装置（1）、球体驱动装置短轴部分（3）、球体驱动装置长轴部分（4）以及球壳（5）五部分，弹簧锁定释放装置（1）在弹簧跳跃机构（2）的上方，并与之相连，球体驱动装置短轴部分（3）与弹簧锁定释放装置（1），球体驱动装置长轴部分（4）与弹簧跳跃机构（2）相连，球壳（5）连接到球体驱动装置长轴部分（4）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，依靠球形机器人的低重心、抗倒伏的特性，来保持自身平稳行进。

所述的弹簧跳跃机构（2）包括左右连杆（203）、定位齿轮组（202）、左右滑块（206）、导轨（207）、滑块限位架（208）、弹簧杆（205）、拉伸弹簧（204）、钢丝绳、底座（201）；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（101）上的通孔，导轨（207）固定于锁定释放装置（1）中央，定位齿轮组（202）分别与左右连杆（203）下端固定，连杆（203）下端可转动连接在底座（201）上，连杆（203）上端与左右滑块（206）连接，左右滑块（206）与导轨（207）之间可滑动连接，滑块限位架固定在导轨（207）的某位置；

所述的弹簧锁定释放装置（1）包括控制电机（108）、一对减速齿轮组（103）（107）、减速传动轴（106）、一对缺齿齿轮组（109、111）、滚筒电机（112）、单向轴承、轴基座（104）（104）、控制盒（113）、底板（101）；其中缺齿齿轮（109）固定安装在减速传动轴（106）上，减速传动轴（106）通过单向轴承连接在底板（101）上；

所述的球体驱动装置短轴部分（3）包括短轴电机（301）、电机固定件（302）、短轴连接轴（303）重摆（304）；电机固定件（302）固定在底板（101）上，短轴电机（301）固定安装在电机固定件（302）上，重摆（304）通过短轴连接轴（303）和短轴电机（301）相连；

所述的球体驱动装置的长轴部分（4）包括长轴连接轴（401）、长轴电机（402）、底座（207）；长轴电机(402)固定在底座（207）上，长轴连接轴（401）与电机（402）相连，球体驱动装置长轴部分（4）通过长轴连接轴（401）与球壳（5）相连。

球体在进行平面运动的时候：

球形机器人长轴电机（401）转动，利用长轴电机（401）的转动带动弹簧锁定释放装置（1）、弹簧跳跃机构(2)、球体驱动装置短轴部分(3)等内部结构发生整体的偏移，从而使得球形机器人的重心偏移原来的球心正下方的位置。进而使得球形机器人向重心偏移的方向进行移动。

球形机器人的短轴电机(301)转动，利用短轴电机(301)的转动带动球形移动短轴机构(3)中重摆(304)的转动，重摆(304)的转动会使得球形机器人的重心整体偏移原来的位置，此时球形机器人会沿与重摆摆动方向相同的方向转动。

球形机器人的驱动装置的长轴部分和短轴部分相互配合，使得球形机器人可以在平面内进行全向运动。

进行跳跃运动：

该球形跳跃球形机器人的跳跃过程可分为三个阶段：弹簧储能阶段、弹簧锁定阶段、能量释放阶段、

弹簧储能阶段：控制器得到指令电机（108）转动，与之相连的减速小齿轮（103）同时转动，和减速小齿轮（103）啮合的减速大齿轮（107）随着小齿轮一起转动。减速大齿轮（107）通过减速传动轴（106）带动缺齿齿轮(109)（缺齿1/4周），与缺齿齿轮(109)啮合的滚筒齿轮(111)随之开始转动。滚筒齿轮(111)通过传动轴(115)带动滚筒(114)转动，卷起固定在滚筒(114)上的钢丝绳，由于钢丝绳的另一顿固定在弹跳机构2上，锁定释放装置(1)下降，减小与底座(201)之间的距离。使得左右连杆（203）张开，滑块（206）沿导轨（207）向两端移动，进而拉伸安装在连杆（203）顶端的弹簧（204），实现跳跃的储能。

弹簧锁定阶段：当缺齿齿轮（109）转动3/4周时，电机停转，由于弹簧（204）处于拉伸状态会有回复力，使得滚筒齿轮（111）有倒转的趋势。传动轴（115）上安装的单向轴承阻止了滚筒齿轮（111）的反向转动，使得滚筒（114）无法转动，钢丝绳无法回复，弹簧（204）长度不变，机构锁定。

能量释放阶段：进入弹跳阶段，电机（108）继续转动，带动齿轮组（103）(107)转动，缺齿齿轮(109)继续转动进入缺齿部分，这个过程中单向轴承对滚筒(114)回转的阻碍作用失效，使得弹簧(204)在回复力的作用下回复到原长，连杆(203)由于受到弹簧(204)的拉力，连杆(203)上的滑块(206)沿导轨(207)向中间运动。锁定释放装置(1)被连杆(203)顶起向上运动，滑块(206)运动到限位架时停止运动，此时锁定释放装置(1)具有竖直速度，带动整个机器人整体有竖直速度，实现机器人整体跳跃。

能量调整过程：在弹簧储能阶段以前，与滚筒(114)相连的有一个滚筒电机(112)，根据所需要的跳跃高度，可控制滚筒电机(112)转动，滚筒电机（112）通过传动轴（115）带动滚筒（114）转动，可使滚筒（114）卷起固定在滚筒（114）上的钢丝绳，这样就可以控制弹簧储能阶段滚筒卷起的钢丝绳的长度，起到调整机器人跳跃高度的作用。

水平运动与跳跃运动结合规划空中运动轨迹：在运动过程中通过对水平运动速度的调整，以及调节球形机器人的起跳高度，来规划该机器人的空中运动的轨迹。

落地调整：跳跃完成后，球形机器人会出现姿态不稳现象，由于球形机器人的低重心抗倒伏特性，落地后球形机器人会自动的调节自己的姿态，从而恢复稳定姿态。

Claims (5)

1.一种可跳跃的球形机器人，可实现全向运动和跳跃运动，其特点是：该球形机器人包括弹簧锁定释放装置（1）、弹簧跳跃机构（2）、球体驱动装置的短轴部分（3）、球体驱动装置的长轴部分（4）、球壳（5）五部分，弹簧锁定释放装置（1）在弹簧跳跃机构（2）的上方，并与之相连，球体驱动装置的短轴部分（3）与弹簧锁定释放装置（1），球体驱动装置的长轴部分（4）与弹簧跳跃机构（2）相连，球壳（5）连接到球体移动长轴机构（4）上；

所述的弹簧跳跃机构（2）包括左右连杆（203）、定位齿轮组（202）、左右滑块（206）、导轨（207）、滑块限位架（208）、弹簧杆（205）、拉伸弹簧（204）、钢丝绳、底座（201）；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（101）上的通孔，导轨（207）固定于锁定释放装置（1）中央，定位齿轮组（202）分别与左右连杆（203）下端固定，连杆（203）下端可转动连接在底座（201）上，连杆（203）上端与左右滑块（206）连接，左右滑块（206）与导轨（207）之间可滑动连接，滑块限位架（208）固定在导轨（207）的某位置；

所述的弹簧锁定释放装置（1）包括控制电机（108）、一对减速齿轮组（103）（107）、减速传动轴（106）、一对缺齿齿轮组（109、111）、滚筒（112）、单向轴承、轴基座（104）（104）、控制盒（113）、底板（101）；其中缺齿齿轮（109）固定安装在减速传动轴（106）上，减速传动轴通过单向轴承连接在减速轴轴基座（105）上，减速轴轴基座（105）固定在底板（101）上；

所述的球体驱动装置的短轴部分（3）包括短轴电机（301）、电机固定件（302）、短轴连接轴（303）重摆（304）；电机固定件（302）固定在底板（101）上，短轴电机（301）固定安装在电机固定件（302）上，重摆（304）通过短轴连接轴（303）和短轴电机（301）相连；

所述的球体驱动装置的长轴部分（4）包括长轴连接轴（401）、长轴电机（402）、底座（207）；长轴电机(402)固定在底座（207）上，长轴连接轴（401）与电机（402）相连，驱动装置的长轴部分（4）通过长轴连接轴（401）与球壳（5）相连。

2.按照权利要求1所述的球体驱动装置的短轴部分（3），其特征在于：球体驱动装置的短轴部分整体安装在弹簧锁定释放装置1上面，电机固定件（302）用螺母固定在底板（101）上，短轴电机（301）固定在电机固定件（302）上，重摆（304）通过短轴连接轴（303）与短轴电机（301）相连，重摆（304）安装位置在弹簧锁定释放装置1上方，重摆安装在1上方，使得压缩起跳时可以提高能量的转化率。

3.按照权利要求1所述的球体驱动装置的长轴部分（4），其特征在于：球体驱动装置的长轴部分4整体安装在弹簧跳跃机构2上面，长轴电机（402）固定在弹簧跳跃机构底座（201）上，固定的位置有竖着排列的两列安装孔，可用于调节长轴电机的安装位置，利用调节长轴电机的安装位置来调节球形机器人的整体重心沿竖直方向移动。

4.按照权利要求1所述的的弹簧锁定释放装置（1）中，其特征在于在底板（101）上安装一个滚筒电机（112），电机（112）固定在底板（101）上，电机轴通过滚筒连接轴（115）与滚筒（114）相连，利用滚筒电机（112）可实现对钢丝的预紧，调节钢丝的弹跳时钢丝在弹簧储能阶段滚筒卷起的长度，从而来调整弹跳的高度。

5.按照要求1、2、3、4、5所述的一种可跳跃球形机器人，其特征在于：在平面直线运动时以球形滚动为移动方式，在移动过程中可转弯，在地面上可进行全向移动；当遇到障碍物时，可跳跃前进；跳跃时可通过控制水平速度，结合竖着方向弹跳运动，规划空中运动轨迹；同时利用球形机器人的低重心抗倒伏的特性，使得该机器人在跳跃完成后有能够自动调节姿态的能力。

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