CN103738427A

CN103738427A - 空中姿态可调单腿连续跳跃机器人

Info

Publication number: CN103738427A
Application number: CN201410011975.4A
Authority: CN
Inventors: 庄未; 李胜勇; 黄渭; 黄用华; 罗嘉欣; 毛甲琦; 黄美发; 刘夫云; 钟永全
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2014-01-10
Filing date: 2014-01-10
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2034-01-10
Also published as: CN103738427B

Abstract

本发明公开了一种空中姿态可调单腿连续跳跃机器人，包括上身部、腰部和腿部，腰部的上基板和下基板之间均匀支撑有弹性元件，上身部包括三轴陀螺仪和检测控制系统，三轴陀螺仪安装于上基板上，腿部为安装于下基板的单腿；上基板和下基板之间设有能量存储释放装置；检测控制系统包括设于上基板的运动控制器、伺服驱动器、无线模块、航姿测量传感器和电池组。本发明将三轴陀螺仪作为系统的稳定装置，可以实现机器人的空中姿态调整，着地后的平衡控制和起跳角度的控制；能量存储释放装置设计简单合理，响应快，可控性强，可保证机器人的多次连续跳跃，保证机器人的起跳初始速度可控，实现弹跳高度和弹跳距离的控制。

Description

空中姿态可调单腿连续跳跃机器人

（一）技术领域：

本发明涉及机器人技术应用领域，具体为一种空中姿态可调单腿连续跳跃机器人。

（二）背景技术：

目前，国际上对于单腿跳跃型机器人的研究尚处于研究性阶段，国内对该种机器人也有少许研究。例如浙江大学提出的《单腿跳跃机器人机构》实用新型专利（专利申请号为201220505549.2），其机器人技术方案由身体、大腿、小腿三部分组成，分别通过髋关节和膝关节连接，膝关节通过大腿钢丝绳传动，大腿钢丝绳采用斜面机构和滑块调整机构，实现对钢丝绳张紧程度的调节；膝关节弯曲时压缩弹簧，将重力势能转化为弹簧的弹性势能，为伸展运动蓄积能量。但该机器人动力储能机构复杂，缺少姿态调整机构，难以实现姿态和方向控制以及多次的连续跳跃。

（三）发明内容：

为此，本发明提出了一种空中姿态可调单腿连续跳跃机器人，主要解决现有技术中机构复杂、无姿态调整和不能连续起跳的问题。

能够解决上述技术问题的空中姿态可调单腿连续跳跃机器人，包括上身部、腰部和腿部，与现有技术不同的是所述腰部包括上基板和下基板以及均匀支撑在上基板和下基板之间的弹性元件，所述上身部包括三轴陀螺仪和检测控制系统，所述三轴陀螺仪安装于上基板上，所述腿部包括单腿，所述单腿安装于下基板底部；所述上基板和下基板之间还设有当机器人跳起时使上基板和下基板压缩弹性元件、当机器人着地时松开弹性元件的能量存储释放装置；所述检测控制系统包括设于上基板的运动控制器、伺服驱动器、无线模块、航姿测量传感器和电池组。

所述三轴陀螺仪所产生的陀螺力矩可实现机器人于空中的姿态调整、着地后的平衡控制和起跳角度的控制，腰部的能量存储释放装置提供机器人起跳动力，实现机器人弹跳高度和弹跳距离的控制，且保证机器人的多次连续跳跃。

所述能量存储释放装置的一种结构包括绳轮、牵拉绳和电磁离合器以及带棘轮电磁铁的棘轮机构，所述绳轮通过轮架设于上基板或下基板上，所述牵拉绳连接于下基板或上基板并于绳轮上缠绕，所述电磁离合器连接绳轮的转轴和由电机驱动的传动机构，所述棘轮机构设于绳轮的转轴上；机器人跳起时所述电磁离合器吸合，绳轮旋转使牵拉绳拉动上基板或下基板而压缩弹性元件，此时棘轮电磁铁控制棘轮机构的棘轮和棘爪结合，有效锁定被压缩的弹性元件而实现能量储存，压缩到位后电磁离合器分离，机器人着地时棘轮电磁铁控制棘轮机构的棘轮和棘爪分离，牵拉绳失去对上基板或下基板的牵引，压缩弹性元件回位释放弹力。

控制电磁离合器吸合和分离、控制电磁铁使棘轮机构吸合和分离的压力传感器设于单腿的底部。

所述三轴陀螺仪的一种结构包括陀螺转子、内环框架、中环框架和外环框架，所述陀螺转子安装在内环框架内并由陀螺转子电机驱动自转和由内环框架编码器检测转动量，所述内环框架安装在中环框架内并由中环电机驱动前后转动和由中环编码器检测转动量，所述中环框架呈正交状安装于外环框架内，中环框架由外环电机驱动左右转动和由外环编码器检测转动量；高速自传的陀螺转子随内环框架一起按照一定的控制规律可相对于外环框架万向转动。

各弹性元件的一种形式为压缩弹簧和活塞杆组件。

本发明具有的有益效果：

1、本发明利用三轴陀螺仪具有自稳定的特性、不受磁场干扰的特点，直接将其作为系统的稳定和姿态控制装置，可以实现机器人的空中姿态调整，着地后的平衡控制和起跳角度的控制。

2、本发明腰部的能量存储释放装置设计简单合理，响应快，可控性强，可保证机器人的多次连续跳跃，保证机器人的起跳初始速度可控，实现弹跳高度和弹跳距离的控制。

（四）附图说明：

图1为本发明一种实施方式的立体图。

图2为图1中能量储存释放装置的结构示意图。

图3为图2中的A向视图。

图号标识：1、单腿；2、下基板；3、三轴陀螺仪；3-1、陀螺转子；3-2、内环框架；3-3、中环框架；3-4、外环框架；4、上基板；5、压缩弹簧；6、活塞杆；7、绳轮；8、牵拉绳；9、轮架；10、陀螺转子电机；11、中环电机；12、外环电机；13、蜗轮；14、蜗杆；15、储能电机；16、电磁离合器；17、无线模块；18、运动控制器；19、伺服驱动器；20、电磁组；21、棘轮机构；22、内环编码器；23、中环编码器；24、三叉足；25、棘轮电磁铁；26、回位弹簧；27、压力传感器；28、离合器电磁铁。

（五）具体实施方式：

下面结合附图所示实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明空中姿态可调单腿连续跳跃机器人包括上身部、腰部和腿部，所述上身部包括三轴陀螺仪3（作为稳定系统）和检测控制系统，所述检测控制系统包括运动控制器18、伺服驱动器19、无线模块17、航姿测量传感器和电池组20，所述腰部包括上基板4和下基板2以及弹性元件，所述弹性元件均匀支撑在上基板4和下基板2之间，各弹性元件为压缩弹簧5和活塞杆6的组件，所述腿部为单腿1，单腿1底部设置压力传感器27；所述三轴陀螺仪3和检测控制系统设于上基板4上，所述单腿1通过三叉足24安装于下基板2底部，如图1所示。

所述下基板2设有能量存储释放装置，所述能量存储释放装置包括绳轮7（常规采用钢丝绳）、牵拉绳8和电磁离合器16、蜗轮蜗杆传动机构、棘轮机构21和储能电机15，所述绳轮7通过轮架9安装于下基板2，所述蜗轮蜗杆传动机构设于绳轮7的转轴一端，所述棘轮机构21设于绳轮7转轴的另一端，棘轮机构21的棘爪与棘轮的结合和分离受控于棘轮电磁铁25，所述电磁离合器16连接蜗轮蜗杆传动机构与绳轮7的转轴，具体为离合器的左、右齿形盘分别同轴连接蜗轮蜗杆传动机构的蜗轮13轴和绳轮7的轴端，对应于离合器右齿形盘设有离合器电磁铁28和回位弹簧26，蜗轮蜗杆传动机构的蜗杆14连接储能电机15的输出轴，如图1、图2、图3所示。

所述三轴陀螺仪3包括陀螺转子3-1、内环框架3-2、中环框架3-3和外环框架3-4，所述陀螺转子3-1安装在内环框架3-2直径处的桁架上，陀螺转子3-1的两轴端伸出桁架，分别连接桁架上安装的陀螺转子电机10和内环编码器22，陀螺转子电机10驱动陀螺转子3-1自转，内环编码器22检测陀螺转子3-1的转动量并发出信号；所述内环框架3-2设在中环框架3-3内并处于同一平面上，内环框架3-2外圆周的齿轮啮合中环框架3-3上均布的行星轮，选择一个行星轮作为主动轮并连接中环框架3-3上的中环电机11，选择一个行星轮作为被动轮并连接中环框架3-3上的中环编码器23，中环电机11驱动内环框架3-2前、后转动，中环编码器23检测内环框架3-2的转动量并发出信号；所述中环框架3-3安装于环齿并呈正交结构，所述环齿设于外环框架3-4内并处于同一平面上，环齿啮合外环框架3-4上均布的行星轮，选择一个行星轮作为主动轮并连接外环框架3-4上的外环电机12，选择一个行星轮作为被动轮并连接外环框架3-4上的外环编码器，外环电机12驱动中环框架3-3左、右转动，外环编码器检测中环框架3-3的转动量并发出信号，如图1所示。

本发明机器人落地起跳的控制过程：

所述运动控制器18得到航姿测量传感器采集的机器人姿态信号，按预定的控制算法计算出电机的驱动力矩和电机转矩所对应的加速度，发送ASCII码给伺服驱动器19执行控制。

机器人跳起在空中时，离合器电磁铁28失电，在回位弹簧26的作用下电磁离合器16吸合，储能电机15驱动蜗轮蜗杆传动机构，带动绳轮7转动，牵拉绳8向下牵引上基板4，上、下基板4、2压缩弹性元件储存能量，电磁离合器16的离合器电磁铁28得电，电磁离合器16分离。机器人落地瞬间，单腿底部的压力传感器27触发信号，棘轮机构的棘轮电磁铁25得电吸合棘爪，使棘爪与棘轮分离，弹性元件伸张释放能量，机器人起跳。

所述能量存储释放装置不断的存储和释放能量，确保机器人可以多次连续跳跃。

所述航姿测量传感器和三轴陀螺仪3的编码器采集车身姿态，将信号反馈给运动控制器18，在控制程序下将信号进行处理，从而发出控制指令。

例如，机器人需要侧向或俯仰倾斜时，高速自转的陀螺转子3-1会产生相应的进动，航姿测量传感器测出相应倾角，进而通过预定的控制算法控制外环电机12和中环电机11改变陀螺转子3-1的进动角度和进动角速度，从而调节陀螺力矩控制机器人倾斜角度。

Claims

1.空中姿态可调单腿连续跳跃机器人，包括上身部、腰部和腿部，其特征在于：所述腰部包括上基板（4）和下基板（2）以及均匀支撑在上基板（4）和下基板（2）之间的弹性元件，所述上身部包括三轴陀螺仪（3）和检测控制系统，所述三轴陀螺仪（3）安装于上基板（4）上，所述腿部包括单腿（1），所述单腿（1）安装于下基板（2）底部；所述上基板（4）和下基板（2）之间还设有当机器人跳起时使上基板（4）和下基板（2）压缩弹性元件、当机器人着地时松开弹性元件的能量存储释放装置；所述检测控制系统包括设于上基板（4）的运动控制器（18）、伺服驱动器（19）、无线模块（17）、航姿测量传感器和电池组（20）。

2.根据权利要求1所述的空中姿态可调单腿连续跳跃机器人，其特征在于：所述能量存储释放装置包括绳轮（7）、牵拉绳（8）和电磁离合器（16）以及带棘轮电磁铁（25）的棘轮机构（21），所述绳轮（7）通过轮架（9）设于下基板（2）或上基板（4），所述牵拉绳（8）连接于上基板（4）或下基板（2）并于绳轮（7）上缠绕，所述电磁离合器（16）连接绳轮（7）的转轴和由电机驱动的传动机构，所述棘轮机构（21）设于绳轮（7）的转轴上。

3.根据权利要求2所述的空中姿态可调单腿连续跳跃机器人，其特征在于：控制电磁离合器（16）吸合和分离、控制棘轮电磁铁（25）使棘轮机构（21）吸合和分离的压力传感器（27）设于单腿（1）的底部。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的空中姿态可调单腿连续跳跃机器人，其特征在于：所述三轴陀螺仪（3）包括陀螺转子（3-1）、内环框架（3-2）、中环框架（3-3）和外环框架（3-4），所述陀螺转子（3-1）安装在内环框架（3-2）内并由陀螺转子电机（10）驱动自转和由内环编码器（22）检测转动量，所述内环框架（3-2）安装在中环框架（3-3）内并由中环电机（11）驱动前后转动和由中环编码器（23）检测转动量，所述中环框架（3-3）呈正交状安装于外环框架（3-4）内，中环框架（3-3）由外环电机（12）驱动左右转动和由外环编码器检测转动量。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的空中姿态可调单腿连续跳跃机器人，其特征在于：各弹性元件为压缩弹簧（5）和活塞杆（6）组件。