CN105882776B - 一种燃气驱动跳跃装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃气驱动跳跃装置，其包括：气缸缸体，其顶端通过气缸上盖封闭，其底部开口，气缸缸体与气缸上盖固定连接；气缸上盖设有压力检测口、排气口和点火装置，点火装置位于气缸上盖的内侧；气缸缸体的内侧壁以台阶状下窄上宽，从上往下分别形成第一级台阶、第二级台阶、第三级台阶；排气口由排气电磁阀控制；活塞，其可抽动地位于气缸缸体内；活塞中空，其顶部开口，其底端与底座固定连接，底座下部侧壁上设有进气口，进气口由进气电磁阀控制；活塞的顶端设有凸台；至少一个弹性元件，其顶端连接凸台，其底端连接于第二级台阶处。

Description

一种燃气驱动跳跃装置

技术领域

本发明涉及一种燃气驱动跳跃装置。

背景技术

移动机器人可以分为三种运动方式：一种为轮式驱动，这是大多数移动机器人的驱动方式，小到各式各样的遥控玩具机器小车或自主运行的机器小车，大到战场上的无人战车或星际探索中的外星表面环境探测器等；一种是履带式驱动，该种机器人的越障能力、地形适应能力比轮式机器人要强一些，因此在一般的城市环境和野外环境都适用，但是履带式驱动的移动速度要比轮式驱动的速度弱；还有一种是仿生爬行或步行方式，如：蛇形机器人、机器爬行动物以及各种各样的机器昆虫等，这些机器人一般为某种特定的应用而设计。但是轮式或履带式机器人只能在相对平坦的地势下工作，轮式驱动机器人在复杂地形条件下行动能力存在上限，翻越不了大尺寸障碍物，故对于凹凸不平的地形存在很大局限性。而步行或爬行等腿式机器人不但要支撑机器人重量而且还包含很多自由度，因此腿式机器人的缺点主要是动力不足和机械结构的复杂性。

跳跃机器人需要解决的核心问题之一是研制高效的跳跃装置。目前采用弹性力驱动和气动力驱动的跳跃装置普遍存在传动机构复杂，能量利用率低，跳跃高度有限与跳跃效果不理想等问题，因此短时间内难以完成实用化。由燃料气体爆炸力驱动的跳跃机器人可以利用可燃性气体爆炸产生的强大冲力反推地面实现跳跃，该跳跃机器人所采用的跳跃装置没有复杂的传动系统，结构简单，而且功率质量比高，能量利用效率高，能够很好地满足跳跃机器人的质量轻、能源携带方便、能量利用率高等要求。

中国专利201010275632.0公开了一种燃气驱动弹跳机构，该机构内部采用双活塞结构，圆柱形永磁铁作为锁紧机构，能实现燃爆驱动的弹跳运动，适合于用作跳跃机器人的动力来源。但是该种装置存在结构比较复杂，拆卸不方便，采用双活塞导致空间利用率不高，锁紧力不高、无法检测活塞内部压力以及排气孔的设置不合理等问题。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种燃气驱动跳跃装置，其结构简单、装卸方便、燃气纯度高，具有更加优良的跳跃能力，结构上更加合理且紧凑，空间利用率更高。

为了实现上述目的，本发明提供了一种燃气驱动跳跃装置，其包括：

气缸缸体，其顶端通过气缸上盖封闭，其底部开口，气缸缸体与气缸上盖固定连接；气缸上盖设有排气口和点火装置，点火装置位于气缸上盖的内侧；气缸缸体的内侧壁以台阶状下窄上宽，从上往下分别形成第一级台阶、第二级台阶、第三级台阶；排气口由排气电磁阀控制；

活塞，其可抽动地位于气缸缸体内；活塞中空，其顶部开口，其底端设有进气口，进气口由进气电磁阀控制；活塞的顶端设有凸台；

至少一个弹性元件(例如活塞复位弹簧)，其顶端连接凸台，其底端连接于第二级台阶处。

本发明中，气缸缸体的内侧壁有三级台阶，当活塞运动到行程末端，活塞凸台与第一级台阶接触，从而气缸缸体带动活塞一起向上运动；弹性元件，其顶端连接凸台，其底端连接于第二级台阶处，当活塞到达最大行程时，活塞复位弹簧被压缩至最大位置。

本发明燃气驱动跳跃装置的结构简单紧凑，拆卸和安装方便，空间利用率高，带负载能力强。本发明可以用作跳跃机器人的跳跃执行机构，使跳跃机器人具有较强的越障能力。

本发明中，当一次燃爆完成再次使用该跳跃装置时，充入的燃料气体可以将上次残余的气体从燃烧室内排出，从而有效的排尽燃烧室内的废气，有利于保证充入气体的纯度。

本发明采用底端进气和顶端排气方式，可有效保证燃气纯度。

根据本发明另一具体实施方式，其进一步包括底座，底座与活塞的底部固定连接；底座上设有进气通道，进气通道与进气口连接相通。

根据本发明另一具体实施方式，其进一步包括磁力锁紧机构，磁力锁紧机构包括环状上磁铁和环状下磁铁；环状下磁铁设置于底座上，环状上磁铁对应设置于气缸缸体的底端。采用环形磁铁比发明专利201010275632.0中采用的多个圆柱磁铁具有更大的锁紧力，进而使得燃料气体充气量更多，功率质量比高。同时在相同磁力情况下，环形磁铁厚度可以更小，从而使整个装置重量更轻。

根据本发明另一具体实施方式，气缸缸体的侧壁设有废气排气孔，当凸台与第一级台阶接触时，废气排气孔位于凸台的上方。爆炸产生的废气可以从废气排气孔排出。

根据本发明另一具体实施方式，气缸缸体的侧壁进一步设有空气排气孔，空气排气孔位于第一级台阶和第二级台阶之间。活塞凸台和气缸缸体内壁第二级台阶之间的空气可以通过空气排气孔排出。

根据本发明另一具体实施方式，气缸上盖与气缸缸体通过螺纹可拆卸地连接。气缸上盖与气缸缸体采用分离式设计，相对于一体式设计，其优点在于：便于活塞从气缸的上部装入和取出，便于电热塞的安装与拆卸，便于在维护时查看活塞内部的情况；若气缸顶部遭到破坏，相对于一体式设计的气缸，分离式设计的气缸只需更换气缸上盖即可，免去整个气缸都需更换的麻烦。

根据本发明另一具体实施方式，气缸上盖内侧设有用于安装压力传感器接头的压力检测口。当充入燃料气体时，可以通过此压力检测口检测燃料气体的压力，从而控制燃料气体的量和燃料气体的混合比例。压力检测口的位置设计于气缸上盖，便于压力传感器接头与气缸的安装连接，便于压力传感器更加有效率的检测活塞内部的压力；同时压力传感器接头安装于气缸上盖，使得跳跃装置整体更加紧凑，压力传感器接头也不容易被破坏。

根据本发明另一具体实施方式，点火装置为电热塞，电热塞上设有催化剂。采用电热塞点火，其优点为点火温度高，传递热量多，易于使燃料气体发生爆炸反应。电热塞上安装有催化剂，催化剂通过加热后，可以加速燃料气体发生爆炸反应，提高燃爆效率，该催化剂可以为铂丝或者镍丝。

根据本发明另一具体实施方式，底座的底部设有弹性材料制成的缓冲块。

根据本发明另一具体实施方式，其进一步包括导向轴承，导向轴承位于第二级台阶和第三级台阶之间。导向轴承用于保障活塞快速沿直线运动。

根据本发明另一具体实施方式，跳跃装置还包括密封装置，凸台的外侧与气缸缸体内壁之间设置有密封圈。

本发明的有益效果是：本发明采用中空式活塞结构。活塞的底端设有进气口，可以与底座的进气通道相连通。充气时，燃料气体从底座下部的进气通道充入，将活塞内部的空间作为燃烧室。该跳跃装置所使用的燃料气体的相对分子质量比空气大，因此首次使用该跳跃装置时，充入的燃料气体可以将活塞内的空气排出，之后再充入合理浓度的燃料气体并使用电热塞点火使其发生爆炸反应。当一次燃爆完成再次使用该跳跃装置时，充入的燃料气体可以将上次残余的气体从燃烧室内排出，从而有效的排尽燃烧室内的废气，有利于保证充入气体的纯度。磁力锁紧机构由两块环形磁铁组成，磁铁锁紧力有环形电磁铁和环形永磁铁两种实现方式。磁力锁紧机构采用钕铁硼环形磁铁，具有锁紧力大，并且随着磁铁间位移的增加衰减速度快等特点。较大的锁紧力可保证充入燃烧室内的气体压力，从而增大燃爆的威力并提高跳跃的高度；同时，较大的锁紧力有助于活塞的复位；而锁紧力衰减快，可减小磁铁吸引力带来的能量损失。本发明较以往的燃气驱动跳跃装置的优势在于锁紧力大、采用底端排气方式可有效保证燃气纯度、结构紧凑、装卸方便，以及具有更高效的点火装置和较高的空间利用率，因此其可应用于跳跃机器人的跳跃动力来源，使得机器人具有较强的跨越极端障碍的能力，较强的机动性和灵活性。

附图说明

图1为实施例1的燃气驱动跳跃装置沿中线的纵截面结构示意图；

图2为实施例1的燃气驱动跳跃装置充入燃料气体后的状态；

图3为实施例1的燃气驱动跳跃装置点火后的状态；

图4为实施例1的燃气驱动跳跃装置起跳后的状态。

附图标注说明

1为排气口，2为点火装置，3为压力检测口，4为密封圈，5为活塞复位弹簧，6为气缸缸体，7为空气排气孔，8为上磁铁，9为底座，10为进气通道，11为缓冲块，12为下磁铁，13为导向轴承，14为废气排气孔，15为缓冲垫片，16为活塞，17为气缸上盖，18为催化剂。

具体实施方式

实施例1

如图1-图4所示，本实施例的燃气驱动跳跃装置中，活塞16为中空式活塞，活塞的内部可作为燃烧室。活塞16的顶端设有凸台；凸台的外侧与气缸缸体6内壁之间设置有密封圈4，凸台的底部设有缓冲垫片15。磁力锁紧机构采用电磁铁或永磁铁方式实现，上磁铁8安装在气缸缸体6的下部，下磁铁12安装在底座9的上部。

燃料气体通过进气通道10进入燃烧室；压力传感器接头安装在压力检测口3上，使得压力传感器可以检测到燃烧室内的压力，从而控制燃料气体充气量和燃料气体的充气比例。随着充入气体量的增加，燃烧室内的压强逐渐增大，但活塞16在磁铁锁紧力与密封摩擦力的作用下保持静止，从而保证燃烧室内的压力可以达到预定值。

点火后，燃料气体爆炸，产生高温高压气体，气体压力一方面作用在活塞16上，使其压紧地面，并让地面对其产生反作用力；固定于底座9底部的缓冲块11采用橡胶材料，目的是增大底座9与地面间的摩擦力，防止打滑，同时也能增大地面对底座9的反作用力。气体压力另一方面作用在气缸上盖17上，气缸上盖17与气缸6连接为一体，此时气缸上盖17与气缸6构成的整体结构将克服锁紧力、摩擦力和弹簧弹力等阻力产生向上的速度和加速度，气缸缸体6和活塞16之间产生相对运动，直至气缸缸体6相对活塞16运动到最大行程位置，活塞复位弹簧5被压缩至最大。

当气缸缸体6相对活塞16运动到最大行程位置时，气缸缸体6通过其第一级台阶与活塞16外壁上的凸台接触，并带动活塞16一起向上运动，形成离地跳跃运动。在此过程中，活塞16外壁上的凸台相对于气缸缸体6向下运动越过废气排气孔14，使废气排气孔14与燃烧室连通，从而将活塞16内的大部分废气排出。随后，燃烧室内的压力减小，活塞16在活塞复位弹簧5的作用下相对于气缸缸体6向上运动，在此过程中，与排气口1相连的排气电磁阀打开，其余的部分废气从排气口1排出。缸内残留的废气，在下一次充气过程中从排气口1排出。当接近初始位置时，虽然活塞复位弹簧5的弹力减小，但由于活塞复位弹簧5复位时向上运动的惯性力和磁力锁紧机构锁紧力的增大，活塞16能够完全复位，因此整个装置可以回到初始状态。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，但并非用以限定本发明实施的范围。任何本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的发明范围内，当可作些许的改进，即凡是依照本发明所做的同等改进，应为本发明的范围所涵盖。

Claims (8)

1.一种燃气驱动跳跃装置，其包括：

气缸缸体，其顶端通过气缸上盖封闭，其底部开口，所述气缸缸体与所述气缸上盖固定连接；所述气缸上盖设有压力检测口、排气口和点火装置，所述点火装置位于所述气缸上盖的内侧；所述气缸缸体的内侧壁以台阶状下窄上宽，从上往下分别形成第一级台阶、第二级台阶、第三级台阶；所述排气口由排气电磁阀控制；

活塞，其可抽动地位于所述气缸缸体内；所述活塞中空，其顶部开口，其底端设有进气口；所述活塞的顶端设有凸台；

至少一个弹性元件，其顶端连接所述凸台，其底端连接于所述第二级台阶处；

导向轴承，所述导向轴承位于所述第二级台阶和所述第三级台阶之间；

其中，所述气缸缸体的侧壁设有废气排气孔，当所述凸台与所述第一级台阶接触时，所述废气排气孔位于所述凸台的上方。

2.如权利要求1所述的燃气驱动跳跃装置，其进一步包括底座，所述底座与所述活塞的底部固定连接；所述底座上设有进气通道，所述进气通道与所述进气口连接相通。

3.如权利要求2所述的燃气驱动跳跃装置，其进一步包括磁力锁紧机构，所述磁力锁紧机构包括环状上磁铁和环状下磁铁；所述环状下磁铁设置于所述底座上，所述环状上磁铁对应设置于所述气缸缸体的底端。

4.如权利要求1所述的燃气驱动跳跃装置，其中，所述气缸缸体的侧壁进一步设有空气排气孔，所述空气排气孔位于所述第一级台阶和所述第二级台阶之间。

5.如权利要求1所述的燃气驱动跳跃装置，其中，所述气缸上盖与所述气缸缸体通过螺纹可拆卸地连接。

6.如权利要求1所述的燃气驱动跳跃装置，其中，所述气缸上盖内侧设有用于安装压力传感器接头的压力检测口。

7.如权利要求1所述的燃气驱动跳跃装置，其中，所述点火装置为电热塞，所述电热塞上设有催化剂。

8.如权利要求2所述的燃气驱动跳跃装置，其中，所述底座的底部设有弹性材料制成的缓冲块。