CN104527992B - 用于星面探测机器人的平衡机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于星面探测机器人的平衡机构，包括条状的平衡架以及连接于平衡架与星面探测机器人机身之间并驱动平衡架摆动的连接驱动机构；本发明的用于星面探测机器人的平衡机构，如同尾巴的功能，模仿袋鼠尾巴对身体姿态的调节作用，在星面探测机器人起跳后飞行过程中能够调节机器人身体的姿态，有效的通过脚底板着地，缓冲落地冲击，着地平稳，避免头着地事故发生。

Description

用于星面探测机器人的平衡机构

技术领域

本发明涉及星面探测设备部件，尤其涉及一种用于星面探测机器人的平衡机构。

背景技术

目前用于行星表面探测的弹跳机器人多为间歇式跳跃的弹跳机器人，如申请号为200910023296.8的专利所公开的一种非对称齿轮六杆仿生弹跳机构，采用连杆长度不相等及齿轮参数各不相同的非对称齿轮六杆仿生弹跳机构，其腿部机构各连杆长度模拟袋鼠跳跃肢体结构比例，两对齿轮的参数根据袋鼠跳跃运动姿态及跳跃力机理而选取，且整个机构为闭环的并联机构，仅一个自由度，实现了仿袋鼠双腿并拢的平稳起跳过程，结构和控制简单，但是机器人起跳后，飞行过程中不能调节身体的姿态，不能使它跳的比较平稳，落地冲击后，很难平稳落地，而且可能是头着地，有可能撞坏机身。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于星面探测机器人的平衡机构，能在星面探测机器人起跳后飞行过程中调节机器人身体的姿态，有效的通过脚底板着地，缓冲落地冲击，着地平稳，避免头着地事故发生。

本发明的用于星面探测机器人的平衡机构，包括条状的平衡架以及连接于平衡架与星面探测机器人机身之间并驱动平衡架摆动的连接驱动机构。

进一步，还包括设于平衡架的配重块以及驱动配重块沿平衡架长向滑动的滑动驱动机构；

进一步，所述配重块单自由度滑动连接于平衡架；所述滑动驱动机构包括与配重块连接形成丝杠螺母副的丝杠和固定于平衡架的用于驱动丝杠转动的第一电机；

进一步，所述连接驱动机构包括连接于平衡架与机身之间形成以机身为机架的空间六杆机构以及用于驱动空间六杆机构的驱动装置；

进一步，所述空间六杆机构包括四个连杆和一个连接座；所述连接座通过球头铰链铰接于机身；四个连杆两两设置并分列于连接座和球头铰链横向两侧，每侧的两个连杆与机身和连接座依次铰接；

进一步，所述驱动装置包括固定于机身的用于驱动与机身铰接的一个连杆转动的第二电机和固定于机身的用于驱动与机身铰接的另一个连杆转动的第三电机；

进一步，所述平衡架的外端沿平衡架长向延伸方向固定有可弯曲的弹性尾。

本发明的有益效果是：本发明的用于星面探测机器人的平衡机构，如同尾巴的功能，可模仿袋鼠尾巴对身体姿态的调节作用，在星面探测机器人起跳后飞行过程中调节机器人身体的姿态，有效的通过脚底板着地，缓冲落地冲击，着地平稳，避免头着地事故发生。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为星面探测机器人整机结构示意图。

具体实施方式

图1为本发明的结构示意图；图2为星面探测机器人整机结构示意图；如图所示：本实施例的用于星面探测机器人的平衡机构，包括条状的平衡架3以及连接于平衡架3与星面探测机器人机身1之间并驱动平衡架3摆动的连接驱动机构，平衡架3如同尾巴，模仿袋鼠尾巴对身体姿态的调节作用，起跳后飞行过程中能够调节身体的姿态，有效的通过脚底板着地，缓冲落地冲击，着地平稳，避免头着地事故发生；星面探测机器人包括机身1和设有脚底板的弹跳机构2，机身1和弹跳机构2如申请号为200910023296.8的专利所公开的结构，结构图见申请号为200910023296.8的专利说明书附图1-10，机身相当于袋鼠的身体，是由五块薄板件组成的没有下底盖的长方体形壳体；腿部机构相当于袋鼠的腿，用薄板状杆件和弹簧搭接而成，位于机身下方，其顶端与机身相连接，底端与脚底板支架相连接；脚底板为薄板件，相当于袋鼠的脚掌；能量存储与释放装置位于机身内，通过链轮链条驱动腿部机构。腿部机构包括大腿杆、小腿杆、长辅助杆、短辅助杆、弹簧和关节连接轴。其中大腿杆、小腿杆、长辅助杆和短辅助杆是腿部机构中的连杆。所述的连杆特征为：各杆件分别由形状完全相同且平行对称安装的两个薄板杆组成，每个薄板杆的一端是直杆，该端头部形状是以直杆宽度为直径的半圆弧形，并在半圆弧的圆心处有一通孔，另一端是不完全齿轮，且在不完全齿轮的中心有一通孔；各杆件厚度相同，直杆端的宽度相同；各杆件两端的通孔大小相同，且各杆件两端通孔的距离之比为大腿杆∶小腿杆∶长辅助杆∶短辅助杆＝26∶52∶47∶28；各杆件的不完全齿轮为渐开线齿轮，其中大腿杆和长辅助杆的不完全齿轮的模数为1，且两者的不完全齿轮分度圆直径之比为1∶3.6，小腿杆和短辅助杆的不完全齿轮的模数为0.8，且两者的不完全齿轮分度圆直径之比为5∶2。关节连接轴为光滑的细直杆，横截面尺寸与各杆件两端的通孔尺寸相同，是腿部机构中用来连接各杆件的铰链轴，其包括辅助踝关节连接轴、辅助膝关节连接轴、辅助髋关节连接轴、髋关节连接轴、膝关节连接轴、踝关节连接轴，弹簧为结构相同的两根拉簧。所述的脚底板是外形类似脚掌的薄板，前端宽后端窄，且在脚底板的后端部焊接有一对脚底板支架。脚底板支架是两个对称分布的“L”形薄板件，在“L”形薄板件的竖直部分有踝关节连接轴安装孔和辅助踝关节连接轴安装孔，该两孔水平分布且两者的距离等于小腿杆的不完全齿轮分度圆半径与短辅助杆的不完全齿轮分度圆半径之和。，机身由五块薄板件组成的没有下底盖的长方体形壳体，在侧板中部偏下方有两个平行的通孔，分别为辅助髋关节连接轴安装孔和髋关节连接轴安装孔，两通孔之间的距离等于大腿杆的不完全齿轮分度圆半径与长辅助杆的不完全齿轮分度圆半径之和，且在两通孔上方有一个链轮轴安装孔。采用非对称齿轮六杆双腿并拢结构。大腿杆和长辅助杆呈“∧”型分布，“∧”型的上端是两杆件的不完全齿轮，所述的两不完全齿轮相互啮合且贴近机身的侧板，大腿杆不完全齿轮端通孔和长辅助杆不完全齿轮端通孔分别与机身侧板上的髋关节连接轴安装孔和辅助髋关节连接轴安装孔对齐。髋关节连接轴穿过大腿杆不完全齿轮端通孔和髋关节连接轴安装孔，使得机身和大腿杆形成铰链连接，该铰链类似于袋鼠的髋关节；辅助髋关节连接轴穿过长辅助杆不完全齿轮端通孔和辅助髋关节连接轴安装孔，使得机身和长辅助杆形成铰链连接。小腿杆和短辅助杆呈“V”型位于大腿杆和长辅助杆的下方，“V”型的上端是小腿杆和短辅助杆的直杆端，分别与大腿杆和长辅助杆的直杆端内侧贴合，且小腿杆直杆端通孔和短辅助杆直杆端通孔分别与大腿杆直杆端通孔和长辅助杆直杆端通孔对齐。膝关节连接轴穿过大腿杆直杆端通孔和小腿杆直杆端通孔，使得大腿杆和小腿杆铰链连接，该铰链类似于袋鼠的膝关节；辅助膝关节连接轴穿过长辅助杆直杆端通孔和短辅助杆直杆端通孔，使得长辅助杆和短辅助杆铰链连接。小腿杆和短辅助杆的下端是不完全齿轮，所述的两不完全齿轮相互啮合且贴合脚底板支架的内侧，小腿杆不完全齿轮端通孔和短辅助杆不完全齿轮端通孔分别与脚底板支架上的踝关节连接轴安装孔和辅助踝关节连接轴安装孔对齐。踝关节连接轴穿过小腿杆不完全齿轮端通孔和踝关节连接轴安装孔，使得小腿杆和脚底板支架铰链连接，该铰链类似于袋鼠的踝关节；辅助踝关节连接轴穿过短辅助杆不完全齿轮端通孔和辅助踝关节连接轴安装孔，使得短辅助杆和脚底板支架铰链连接。弹簧的两端分别固定在膝关节连接轴和辅助膝关节连接轴上。能量存储与释放装置包括电机、电机固定板、离合器、链轮、链轮轴和链条。电机固定板为“L”形的薄板件。链轮套在链轮轴上，可以链轮轴为中心轴旋转或沿着链轮轴移动。电机、离合器和链轮呈水平“一”字分布。电机的输出轴和链轮的端面分别与离合器的两端连接。电机的机身固定在电机固定板的水平部位上。电机固定板的竖直部分和链轮轴分别固定在机身的两个侧板上，其中链轮轴是通过其末端穿过机身侧板上的链轮轴安装孔而固定的。链条一端套在链轮上与链轮啮合，另一端与踝关节连接轴绕转动。当弹跳机构完成上一次跳跃过程后，停落在地面上，脚底板与地面贴合，弹跳机构处于伸展状态，大腿杆和长辅助杆之间的夹角以及小腿杆和短辅助杆之间的夹角都较小，作为储能元件的弹簧处于收拢状态，离合器处于脱开状态。当弹跳机构准备跳跃时，离合器转为啮合状态，电机启动，电机的输出轴开始运转，通过离合器驱动链轮旋转，与链轮啮合的链条被卷绕，拉动机身向脚底板运动。由于腿部机构为齿轮六杆机构，只有一个自由度，所以机身与脚底板的相对运动轨迹是固定的。机身与脚底板之间距离的减小使得“∧”型安装的大腿杆与长辅助杆以及“V”型安装的小腿杆与短辅助杆分别被撑开，使得弹簧被拉伸而存储弹性能。当弹簧被拉伸到一定长度时，电机停止运转，弹跳机构的储能过程完成。弹跳机构储能过程完成后，离合器脱开，使链轮处于可自由旋转状态。弹簧开始释放弹性能，拉拢膝关节连接轴和辅助膝关节连接轴，使得大腿杆与长辅助杆之间的夹角以及小腿杆与短辅助杆之间的夹角迅速变小，推动机身向前上方加速运动。当弹簧的弹性能释放完全后，机身的速度达到最大值，拉动脚底板脱离地面，实现跳跃运动。在腾空过程中，整个机构的质心以抛物线曲线运动，下落时，脚底板先着地，然后整个机构停落在地面，弹跳机构2的脚底板内部设有多个横向贯通的孔形成多孔结构，所述孔沿水平均匀排列并且沿竖直布置多层，一方面可以有效降低机器人脚底板的重量，改善机器人的跳跃性能；另一方面，所述孔沿水平均匀排列并且沿竖直布置多层形成蜂窝孔结构，可以起到落地时缓冲与吸收冲击能的作用；能够缓冲落地冲击，与平衡架3的姿态调节功能协同作用能够大大提高跳跃机器人的着地平稳性，避免头着地事故发生，脚底板底面一体的设置有多个向下凸出并且呈拼合状分布的六边形凸块，六边形凸块底面中部内凹，形成了凹凸不平的平面，增加了机器人与地面的摩擦系数，起到防滑的作用，可改善机器人的落地稳定性；另外本发明中的弹跳机构2还可以采取申请号为：200910218806.7的专利所公开的弹跳机器人的能量存储与释放装置的结构，其具体结构在此不再赘述。

本实施例中，所述平衡机构还包括设于平衡架3的配重块4以及驱动配重块4沿平衡架3长向滑动的滑动驱动机构，通过驱动机构带动配重块4沿着平衡架3移动，从而调节平衡架3的质心位置，达到调节平衡架3转动惯量的作用。

本实施例中，所述配重块4单自由度滑动连接于平衡架3；所述滑动驱动机构包括与配重块4连接形成丝杠螺母副的丝杠5和固定于平衡架3的用于驱动丝杠5转动的第一电机6，丝杠螺母副机构传动比较大，需要较小的驱动力便能够驱动配重块4滑动，而且丝杠螺母副的自锁性能利于实现配重块4的定位。

本实施例中，所述连接驱动机构包括连接于平衡架3与机身1之间形成以机身1为机架的空间六杆机构以及用于驱动空间六杆机构的驱动装置，可使平衡架3在三维空间内摆动，提高姿态调节的灵活性。

本实施例中，所述空间六杆机构包括四个连杆7和一个连接座8；所述连接座8通过球头铰链铰接于机身1；四个连杆7两两设置并分列于连接座8和球头铰链横向两侧，每侧的两个连杆7与机身1和连接座8依次铰接，平衡架3固定安装于连接座8，每侧的两个连杆7连接于机身1和连接座8之间，通过控制与机身1铰接的两个连杆7协调转动能带动连接座8和平衡架3在三维空间内摆动，相应连杆7与机身1之间通过铰轴单自由度转动配合，两连杆7之间以及相应连杆7与连接座8之间通过球头铰链铰接。

本实施例中，所述驱动装置包括固定于机身1的用于驱动与机身1铰接的一个连杆7转动的第二电机9和固定于机身1的用于驱动与机身1铰接的另一个连杆7转动的第三电机10，两连杆7可分别固定于相应的第二电机9或第三电机10的输出轴上，第二电机9和第三电机10的定子外壳固定于机身1，通过第二电机9和第三电机10的正反转控制能带动连接座8及平衡架3在三维空间内摆动，控制灵活方便。

本实施例中，所述平衡架3的外端沿平衡架3长向延伸方向固定有可弯曲的弹性尾11，模仿袋鼠尾巴对身体姿态的调节作用，有利于姿态的柔顺调节。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种用于星面探测机器人的平衡机构，其特征在于：包括条状的平衡架以及连接于平衡架与星面探测机器人机身之间并驱动平衡架摆动的连接驱动机构，所述连接驱动机构包括连接于平衡架与机身之间形成以机身为机架的空间六杆机构以及用于驱动空间六杆机构的驱动装置。

2.根据权利要求1所述的用于星面探测机器人的平衡机构，其特征在于：还包括设于平衡架的配重块以及驱动配重块沿平衡架长向滑动的滑动驱动机构。

3.根据权利要求2所述的用于星面探测机器人的平衡机构，其特征在于：所述配重块单自由度滑动连接于平衡架；所述滑动驱动机构包括与配重块连接形成丝杠螺母副的丝杠和固定于平衡架的用于驱动丝杠转动的第一电机。

4.根据权利要求1所述的用于星面探测机器人的平衡机构，其特征在于：所述空间六杆机构包括四个连杆和一个连接座；所述连接座通过球头铰链铰接于机身；四个连杆两两设置并分列于连接座和球头铰链横向两侧，每侧的两个连杆与机身和连接座依次铰接。

5.根据权利要求4所述的用于星面探测机器人的平衡机构，其特征在于：所述驱动装置包括固定于机身的用于驱动与机身铰接的一个连杆转动的第二电机和固定于机身的用于驱动与机身铰接的另一个连杆转动的第三电机。

6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的用于星面探测机器人的平衡机构，其特征在于：所述平衡架的外端沿平衡架长向延伸方向固定有可弯曲的弹性尾。