CN104943764A - 一种伸缩式翻滚机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伸缩式翻滚机器人，包括：一个中心节点组件、若干伸缩杆组件以及若干柔性脚组件，若干伸缩杆组件分别连在接中心节点组件与若干伸缩杆组件、相邻的若干伸缩杆组件之间，构成正多面体形状，若干柔性脚组件位于正多面体形状的各顶点，通过若干伸缩杆组件的伸缩实现伸缩式翻滚机器人的移动，以及调整中心节点组件的位置，使伸缩式翻滚机器人在移动过程中重心位置从一个稳定区域到另一个稳定区域。

Description

一种伸缩式翻滚机器人

技术领域

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种伸缩式翻滚机器人。

背景技术

在行星表面环境中，存在人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合，如火星表面的大尺度沟壑、狭窄洞穴等，而这些场合具有潜在的科学研究价值。因此对这些环境进行科学探索和研究成为科学技术发展和人类社会进步的需要。

在现有各类陆地移动机器人中，轮式、履带式以及轮腿履复合式机器人克服一般障碍尚可，难以通过险峻陡坡、大尺度沟壑、以及狭窄洞穴等极端复杂恶劣的路面障碍，另外腿式、蛇形和球形运动形式尚不够成熟，因此亟需探索具备超强障碍通过性能的新概念机器人构型，以满足深空探索的需要。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种伸缩式翻滚机器人。本发明通过以下技术方案实现：

一种伸缩式翻滚机器人，包括：一个中心节点组件、若干伸缩杆组件以及若干柔性脚组件，若干伸缩杆组件分别连在接中心节点组件与若干伸缩杆组件、相邻的若干伸缩杆组件之间，构成正多面体形状，若干柔性脚组件位于正多面体形状的各顶点，通过若干伸缩杆组件的伸缩实现伸缩式翻滚机器人的移动，以及调整中心节点组件的位置，使伸缩式翻滚机器人在移动过程中重心位置从一个稳定区域到另一个稳定区域；

根据若干伸缩杆组件的连接位置，分为直角边伸缩杆组件、对角边伸缩杆组件，以及斜边伸缩杆组件，直角边伸缩杆组件连接在若干柔性脚组件之间，构成正多面体形状的边线，斜边伸缩杆组件连接在每一若干柔性脚组件与中心节点组件之间，对角边伸缩杆组件连接在若干柔性脚组件之间，构成正多面体形状的每一面上的对角线；

伸缩杆组件包括驱动机构和丝杠-螺母传动机构，驱动机构包括：电机、一对滑轮以及皮带，电机通过对滑轮和皮带的配合，将动力传给丝杠-螺母传动机构，实现伸缩杆组件的伸缩；

丝杠-螺母传动机构包括三级嵌套丝杠机构和护罩，三级嵌套丝杠机构由三根互相嵌套的丝杠以及最外层的螺母组成，二级丝杠和三级丝杠分别有与上一级丝杠相配的螺纹，用于形成各级丝杠之间的运动关系；护罩共有四级，一级护罩是主体，其他三级护罩可轴向移动，四级护罩的底部有与三级丝杠连接的螺母，通过四级护罩的带动，使得每一级护罩均可从主体中伸展出来；三根丝杠的顶部各有一挡块，用于限制丝杠的运动行程。

较佳的，柔性脚组件包括：脚板、底板、若干万向节和若干连接板，脚板由若干块相同的小平板组成，用以接触地面；若干万向节通过底板连接在脚板上；若干连接板分别连接若干万向节以及若干伸缩杆组件。

较佳的，连接对角边伸缩杆组件的柔性脚组件还包括一根连接杆，连接在连接板与万向节之间，用以抵消对角边增加的长度。

较佳的，中心节点组件包括：空心舱、若干万向节和若干连接板，空心舱通过若干万向节分别连接若干连接板，连接板分别连接若干伸缩杆组件。

较佳的，万向节具有两个自由度。

较佳的，丝杠和螺母采用梯形螺纹，用以防止反向转动，减少晃动。

较佳的，皮带的传动减速比为1.3:1，用以降低伸缩杆组件的伸缩周期，提高移动平稳性。

较佳的，伸缩式翻滚机器人为正六面体结构，包括8个柔性脚组件以及26个伸缩杆组件组成，8个柔性脚组件均匀分布在中心节点组件的周围。

本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、通过电机、滑轮、皮带、丝杠-螺母配合的驱动及传动方式，本发明可以实现不同运动步态间的切换，可以适应沟壑、峭壁、陡坡等多种恶劣地形环境，具有较大的运动灵活性和较强的复杂地形适应能力；

2、本发明机器人的基础机械结构是正四面体构型，正四面体是空间最为稳定的结构之一，在此基础上进行扩展，由十二个正四面体组成正六面体结构，8个顶点均采用同类柔性脚并且都与中心节点相连，从而稳定了机器人重心位置。机器人整体呈正六面体，对称布局，运动单元均为正四面体的结构，从原理上保证了机器人运动稳定性，克服了传统机器人的倾覆问题；

3、采用了三级嵌套的丝杠-螺母传动形式，在保证机器人单步运动行程的同时，也减小了机器人的体积；

4、本发明机器人的基本组成是伸缩杆组件、柔性脚组件和中心节点组件，结构比较简单，部件可以采用模块化加工，装配也较容易；

5、本发明机器人通过伸缩杆伸缩，调整重心位置至稳定三角形区域，实现机器人翻滚运动，避免了机器人与地面的冲击，保证了其运动的可靠性。

附图说明

图1是本发明的一种伸缩式翻滚机器人的结构图；

图2是本发明的伸缩杆组件结构剖面图；

图3是本发明的伸缩杆组件行程示意图；

图4是本发明滑轮与皮带的装配图；

图5是本发明的一种柔性脚的结构图；

图6是本发明的另一种柔性脚的结构图；

图7是本发明的中心节点的结构图；

图8至图14是本发明的运动过程示意图；

图中标记说明如下：

1—A滑轮、 2—锁紧螺母、3—一级护罩、4—小轴承、5—大轴承、6—螺母、7—二级护罩、8—三级护罩、9—四级护罩、10—三级丝杠、11—二级丝杠、12—一级丝杠、13—A挡块、14—锁紧螺钉、15—顶盖、16—C挡块、17—B挡块、18—电机、19——轴承支座、20—轴承顶盖、20—后盖、22—B滑轮、23—A滑轮螺母、24—B滑轮螺母、25—脚板、26—底板、27—万向节、28—连接板、29—连接杆、30—空心舱、31—皮带。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

本发明提供的机器人采用电机和滑轮配合作为动力源，采用三级嵌套丝杠-螺母的传动方式组成伸缩杆组件，采用二自由度万向节组成柔性脚组件，连接了相邻的伸缩杆组件。该机器人基本单元是四面体，由伸缩杆组件和柔性脚组件组成的四面体结构，是空间最稳定的结构之一；整个机器人由12个四面体组成，外观呈正六面体结构（本发明对此形状不做限制），从原理上保证了机器人运动的平稳性。在运动过程中，机器人可以通过伸缩杆有规律的伸缩改变其形状，当机器人重心达到下一个稳定区域时，可实现机器人的运动。

如图1所示，本发明提供的一种伸缩式翻滚机器人包括：一个中心节点组件C1、26个伸缩杆组件以及8个柔性脚组件组成的正六面体结构。其基础机械结构是正四面体构型，正四面体是空间最为稳定的结构之一，在此基础上进行扩展，由十二个正四面体组成上述的正六面体结构，但本发明并不以此形状为限。

伸缩杆组件分为三类，图1中伸缩杆组件A1为机器人的正六面体直角边，连接两个直线方向的柔性脚组件B1、B2；A2为机器人的正六面体对角边，连接两个对角线方向的柔性脚组件B1、B1；A3为正六面体的斜边，连接柔性脚组件和中心节点C1。A2长度比A1、A3长，这是由于机器人的正六面体构型使得对角边较长，因此，A2的结构相较于A1和A2需要多加装一个连接杆来抵消对角边增加的长度。

如图2至图4所示，伸缩杆组件的结构包括驱动机构和丝杠-螺母传动机构，驱动机构包括：电机18、皮带31、滑轮（1、22）。电机18安装在伸缩杆组件外部，通过滑轮将运动传递给丝杠-螺母传动机构，实现伸缩杆的伸缩。皮带传动减速比为1.3:1，可以降低伸缩杆的伸缩周期，放缓机器人的运动速度，提高其运动的平稳性。

丝杠-螺母传动机构包括三级嵌套丝杠机构和护罩。三级嵌套丝杠机构由三根互相嵌套的丝杠以及最外层的螺母组成，二级丝杠11和三级丝杠10分别有与上一级丝杠相配的螺纹，用于形成各层丝杠之间的运动关系；护罩共有四段，一级护罩3是主体，其他三段护罩可以轴向移动，四级护罩9的底部有与三级丝杠10配合的螺母6，直接与螺母6相连，通过护罩的带动作用，使得每一层护罩均可从主体中伸展出来；三根丝杠的顶部各有一个限位平垫，四级护罩9的顶部也有一个限位平垫，用于限制丝杠的运动行程。所有丝杠和螺母均采用梯形螺纹，小升角，可以自锁，故能阻止反向转动，减少晃动。

伸缩杆组件各部分的连接与传动关系如下：B滑轮22通过B滑轮螺母24连接电机18，滑轮1接收到从皮带31传送来的动力，通过A滑轮螺母23直接与一级丝杠12连接，将动力传输到丝杠-螺母传动机构上，一级丝杠12与二级丝杠11配合为移动副，将动力传递到二级丝杠11上，二级丝杠11与三级丝杠10配合为移动副，将动力传递到三级丝杠10上，三级丝杠10与螺母6配合为移动副，将动力传递到螺母6上；连接板21、轴承支座19为伸缩杆的固定端，一级丝杠12通过小轴承4、大轴承5实现与固定端的相对旋转运动，因此一级丝杠12只有旋转运动而没有直线运动。

对伸缩杆行程起限制作用的是A挡块13、B挡块17、C挡块16。二级丝杠11接收到一级丝杠12的动力，并将旋转运动转化为直线运动，当传动至A挡块13时，受到阻挡，在原地随一级丝杠12旋转，将动力传递给三级丝杠10，三级丝杠10进行直线运动，当传动至B挡块17时，受到阻挡，在原地随二级丝杠11旋转，将动力传递给螺母6，螺母6进行直线运动，当传递到C挡块16时，整个传动过程结束，当丝杠11、12及螺母6直线伸缩传动时，四级护罩9、三级护罩8、二级护罩7会随着丝杠移动而相继直线移出，起到保护丝杠-螺母传动机构的作用。

伸缩杆组件受到的弯曲载荷主要由护罩承担，确保丝杠正常运行，护罩还起到保护内部丝杠免受污染的作用，因此还设置了顶盖15、后盖20（通过紧锁螺母2来固定），起到保护作用。护罩不能转动，它保证螺母6也不能旋转，使得电机18旋转带动丝杠转动时，系统沿着直线运动。

本发明中，8个柔性脚组件分为两种，分别是连接四根伸缩杆组件的柔性脚组件B2和连接七根伸缩杆组件的柔性脚组件B1。

柔性脚组件B2结构图参见图5，包括四个万向节27、底板26、脚板25和连接板28，其中所述四个万向节中的D1、D3、D4呈正三角形分布在底板26上，D2位于正三角形中心，所述四个万向节通过连接板28分别与四根伸缩杆组件的一端相连。柔性脚组件B1结构图参见图6，包括七个万向节27、底板26、脚板25。其中所述七个万向节中的F1、F2、F4通过连接板28分别于三根直角边伸缩杆组件A1相连，E1、E2、E3通过连接杆29、连接板28与三根对角边伸缩杆组件A2相连，这六个万向节呈正六边形分布在底板上；F3位于正三角形的中心，通过连接板28与斜边伸缩杆组件A3相连。

中心节点组件C1的结构图参见图7，包括八个万向节27、空心舱30和连接板28。其中八个万向节G1～G8均匀分布在空心舱30表面，分别通过连接板28与斜边伸缩杆组件A3的一端相连，斜边伸缩杆组件A3的另一端连接到8个柔性脚组件上。空心舱30可沿球体直径方向打开，其中可以装载有效载荷，也可安装机器人控制器或其他便携设备。该机器人具有高灵活性、机动性的特点，能够适应多种复杂地形，具备探测、载物等功能。

脚板25是柔性脚组件的触地部分，由9块相同的小平板组成，每块小平板的外侧都粘有橡胶，起到缓冲和增加摩擦力的作用，底板26位于柔性脚组件的内侧，用于固定万向节27，连接杆29和连接板28均用于完成柔性脚组件和伸缩杆组件的连接。

如图8至图14所示，本发明的运动过程如下(从实线位置移动到虚线位置)：

若要实现机器人在不发生跌落的条件下完成翻滚行走，至少有3个柔性脚组件同时着地。

步骤1初始位置：

设置机器人初始位姿，机器人的四个伸缩杆1`2`、2`8`、7`8`、1`7`着地，机器人重心位于正六面体中心，机器人处于稳定状态，如图8所示；

步骤2准备行走一步:

伸缩杆1`4`、2`3`、1`C`、2`C`伸长，柔性脚3`、4`、7`、8`始终位于同一平面内，此过程中结构由4个柔性脚支撑，重心落在柔性脚1`2`7`8`围成的四边形内，                                                的变化范围为0~40°，如图9所示；

步骤3增大变形幅度:

伸缩杆3`6`、5`6`、6`C`伸长至柔性脚6`接触地面（至6``），整个结构的重心仍然落在柔性脚1`2`7`8`围成的四边形内，的变化范围为0~50°，如图10所示；

步骤4重心移动:

伸缩杆1`C`、2`C`伸长、伸缩杆3`C`、4`C`、5`C`、6`C`相应伸长（缩短），重心落点移动到柔性脚6`7`8`围成的三角形内，的变化范围为0~15°，如图11所示；

步骤5机构微调:

为了避免柔性脚5`在落地的过程中，伸缩杆1`5`和伸缩杆5`8`产生干涉，需要先将柔性脚1`抬离地面至伸缩杆1`4`缩短到原始长度，的变化范围为0~40°，如图12所示。

步骤6柔性脚5`接触地面:

伸缩杆4`5`伸长至柔性脚5`接触地面(至5``)，伸缩杆2`3`缩短至初始长度，如图13所示。

步骤7回到初始状态:

各伸缩杆收回至初始状态，如图14所示(1`2`至1``2``,3`4`至3``4``)。

本发明的机器人采用电机、滑轮、皮带和三级嵌套丝杠-螺母的驱动方式，可完成翻滚、步行、越障、攀爬等多种运动形式，使得该机器人可以从容的面对多种复杂的地理特征。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种伸缩式翻滚机器人，其特征在于，包括：一个中心节点组件、若干伸缩杆组件以及若干柔性脚组件，所述若干伸缩杆组件分别连在接所述中心节点组件与所述若干伸缩杆组件、相邻的所述若干伸缩杆组件之间，构成正多面体形状，所述若干柔性脚组件位于所述正多面体形状的各顶点，通过所述若干伸缩杆组件的伸缩实现所述伸缩式翻滚机器人的移动，以及调整所述中心节点组件的位置，使所述伸缩式翻滚机器人在移动过程中重心位置从一个稳定区域到另一个稳定区域；

根据所述若干伸缩杆组件的连接位置，分为直角边伸缩杆组件、对角边伸缩杆组件，以及斜边伸缩杆组件，所述直角边伸缩杆组件连接在所述若干柔性脚组件之间，构成所述正多面体形状的边线，所述斜边伸缩杆组件连接在每一所述若干柔性脚组件与所述中心节点组件之间，所述对角边伸缩杆组件连接在所述若干柔性脚组件之间，构成所述正多面体形状的每一面上的对角线；

所述伸缩杆组件包括驱动机构和丝杠-螺母传动机构，所述驱动机构包括：电机、一对滑轮以及皮带，所述电机通过所述对滑轮和所述皮带的配合，将动力传给所述丝杠-螺母传动机构，实现所述伸缩杆组件的伸缩；

所述丝杠-螺母传动机构包括三级嵌套丝杠机构和护罩，所述三级嵌套丝杠机构由三根互相嵌套的丝杠以及最外层的螺母组成，二级丝杠和三级丝杠分别有与上一级丝杠相配的螺纹，用于形成各级丝杠之间的运动关系；所述护罩共有四级，一级护罩是主体，其他三级护罩可轴向移动，四级护罩的底部有与三级丝杠连接的螺母，通过四级护罩的带动，使得每一级护罩均可从主体中伸展出来；三根丝杠的顶部各有一挡块，用于限制所述丝杠的运动行程。

2.根据权利要求1所述的伸缩式翻滚机器人，其特征在于，所述柔性脚组件包括：脚板、底板、若干万向节和若干连接板，所述脚板由若干块相同的小平板组成，用以接触地面；所述若干万向节通过所述底板连接在所述脚板上；所述若干连接板分别连接所述若干万向节以及所述若干伸缩杆组件。

3.根据权利要求2所述的伸缩式翻滚机器人，其特征在于，连接所述对角边伸缩杆组件的所述柔性脚组件还包括一根连接杆，连接在所述连接板与所述万向节之间，用以抵消对角边增加的长度。

4.根据权利要求1所述的伸缩式翻滚机器人，其特征在于，所述中心节点组件包括：空心舱、若干万向节和若干连接板，所述空心舱通过所述若干万向节分别连接所述若干连接板，所述连接板分别连接所述若干伸缩杆组件。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的伸缩式翻滚机器人，其特征在于，所述万向节具有两个自由度。

6.根据权利要求1所述的伸缩式翻滚机器人，其特征在于，所述丝杠和所述螺母采用梯形螺纹，用以防止反向转动，减少晃动。

7.根据权利要求1所述的伸缩式翻滚机器人，其特征在于，所述皮带的传动减速比为1.3:1，用以降低所述伸缩杆组件的伸缩周期，提高移动平稳性。

8.根据权利要求1所述的伸缩式翻滚机器人，其特征在于，所述伸缩式翻滚机器人为正六面体结构，包括8个所述柔性脚组件以及26个所述伸缩杆组件组成，所述8个所述柔性脚组件均匀分布在所述中心节点组件的周围。