CN106184445B - 一种微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构，通过模仿蝗虫后腿起跳过程中的膝关节转角变化规律，以及胫节末端的轨迹，实现起跳阶段的受力状态与蝗虫相似。通过微电机和减速箱驱动齿轮运动，并带动直线四杆直线运动，在不完全齿轮与低速齿轮啮合传动时，腿节连杆与胫节连杆之间夹角逐渐减小，拉伸弹簧长度不断增长，弹簧势能不断增加；当不完全齿轮的无齿部分与低速端传动时，拉伸弹簧受到的约束突然解除，在弹簧力作用下，跳跃机构蹬地完成跳跃过程，弹性势能转换为重力势能，实现仿生跳跃。利用不完全齿轮与减速齿轮传动，同时实现连杆机构的传动和能量锁定、释放；跳跃机构简单，安装便捷，对电机要求低，能量效率高。

Description

一种微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，具体地说，涉及一种用于环境监控和探测的微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构。

背景技术

随着机器人应用领域的不断拓宽，对适用于各种非结构环境的机器人的需求越来越多，目前移动机器人主要运动方式有轮式、履带式和仿生多足式，这类机器人均有各自适应的环境，但是对于翻越过一些相对机器人尺寸较大的障碍物，传统移动方式束手无策，自然界的各种跳跃动物如青蛙、袋鼠和蝗虫给予提供了很好的思路。针对各种复杂的环境，微型机器人更加方便操作，并且有利于采用群体协作的方式获取更多的环境信息。目前跳跃机器人主要分为连续式和间歇式两种，连续式跳跃机器人主要用于跳跃模型的理论研究，而实际应用的跳跃机器人主要是间歇式跳跃机器人。跳跃机器人的本体部分为弹跳机构,弹跳机构可大致分为利用弹性力、惯性力、气动力、内燃动力等驱动力弹跳的弹跳机构。弹跳机器人又可按其弹跳运动机理的不同分为一般弹跳式和仿生跳跃式两大类。仿生跳跃式是从自然界动物的跳跃动作中获得启发，模仿动物的肢体运动结构或按动物跳跃运动机理研制的机器。如机器蟋蟀、机器袋鼠、机器狗。它们的特点是自由度多，运动灵活，对环境的适应能力强，但其跳跃运动需要多关节协同工作，实现稳定运动难度较大。

蝗虫作为间歇式跳跃动物的典型代表，尺寸大小适中，有利于跳跃姿态的仿生，而且蝗虫有包括爬行、跳跃和飞行在内的多种复合式运动。专利CN103112513A、专利CN104814582A和专利CN103112513A公开的均是受蝗虫运动模式启发，基于蝗虫仿生机理设计出的实用机构。发明专利CN101058036A中提出“一种仿蝗虫跳跃机器人”，该跳跃机器人由绳索传动机构和连杆机构组成，通过绳索机构拉动连杆机构压缩同时实现弹簧蓄能后，用微型舵机带动钩子锁定连杆机构。电机反转松开绳索传动机构，再通过舵机松开钩子实现能量释放。该跳跃机器人需要在绳索电机和微型电机的协同控制下才能实现跳跃。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构,该跳跃机构模仿蝗虫起跳阶段胫节末端的运动以及膝关节夹角的变化，模仿蝗虫起跳阶段身体质心运动轨迹近似为一条直线的跳跃机理，及连杆机构传动和能量锁定释放，实现仿生跳跃。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构包括齿轮传动机构、连杆机构、第一机架、第二机架，其特征在于齿轮传动机构位于第一机架与第二机架之间，连杆机构对称安装在第一机架与第二机架两侧；

所述齿轮传动机构包括电机支架、电机、小齿轮、大齿轮、第一转轴、不完全齿轮、第三转轴、第二低速齿轮、第一低速齿轮、第二转轴、高速齿轮，电机和减速箱安装在电机支架内,电机支架通过销轴固定在第一机架与第二机架之间，小齿轮与电机输出轴固连，第一转轴位于电机支架一侧,大齿轮与高速齿轮分别固定在第一转轴上，且与第一转轴过盈配合；第三转轴位于第一转轴一侧，第一低速齿轮与不完全齿轮分别固定在第三转轴上，且与第三转轴过盈配合；第二转轴位于第三转轴的下方，第二低速齿轮固定在第二转轴上，且与第二转轴过盈配合；第一转轴、第二转轴、第三转轴分别通过轴承安装在第一机架与第二机架上，其中,第一转轴、第三转轴与电机输出轴位于同一平面平行安装,第三转轴与第二转轴位于同一垂直面安装；小齿轮与大齿轮啮合传动，高速齿轮与第一低速齿轮啮合传动，不完全齿轮与第二低速齿轮啮合传动，实现齿轮传动机构的动力传动；

所述连杆机构为两个结构相同的部件，由第一关节铰链、腿节连杆、第一铰链、第二铰链、胫节连杆、第三铰链、第四铰链、辅助连杆、拉伸弹簧、第二关节铰链、前腿杆、销钉、第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴组成；前腿杆固定在第一机架与第二机架两侧面的前部，第三传动轴通过轴承安装在第一机架与第二机架之间，第二铰链、第三铰链分别固定在胫节连杆的上端部，且与胫节连杆过盈配合，腿节连杆一端与第三传动轴通过第一关节铰链连接，另一端与第一铰链连接，第一铰链与第二铰链连接，辅助连杆一端与第二转轴通过第二关节铰链连接，另一端与第四铰链连接，第四铰链与第三铰链通过第二传动轴连接；

所述拉伸弹簧为两根，两根拉伸弹簧分别位于第一机架与第二机架的外侧面，拉伸弹簧一端固连在第二转轴上，另一端固连在销钉上，销钉端部设有圆形凸台，两根拉伸弹簧对称安装并施加预拉力。

小齿轮与大齿轮啮合传动，传动比为2.8:1。

高速齿轮与第一低速齿轮啮合传动，传动比为2.8:1。

不完全齿轮与第二低速齿轮啮合传动，传动比为3:1。

大齿轮与高速齿轮为同轴固定的齿轮组合；第一低速齿轮与不完全齿轮为同轴固定的齿轮组合。

有益效果

本发明提出的一种微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构，通过模仿蝗虫后腿起跳过程中的膝关节转角变化规律，以及胫节末端的轨迹，实现起跳阶段的受力状态与蝗虫相似，且机构紧凑；通过微电机和减速箱驱动齿轮运动，并带动直线四杆直线运动，在不完全齿轮有齿部分与低速齿轮啮合传动时，腿节连杆与胫节连杆之间夹角越来越小，拉伸弹簧长度不断增长，弹性势能不断增加；当不完全齿轮的无齿部分与低速端传动时，拉伸弹簧受到的约束突然解除，在弹簧力作用下，跳跃机构蹬地完成跳跃过程，弹性势能转换为重力势能，实现仿生跳跃。利用不完全齿轮同时实现连杆机构的传动和能量锁定、释放，避免了复杂的多个电机的协同控制，跳跃机构简单，易于操作；对电机要求低，能量效率高。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构作进一步详细说明。

图1为本发明微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构轴测图。

图2为本发明微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构在蓄能时示意图。

图3为本发明的齿轮传动机构示意图。

图4为本发明的连杆机构安装部位轴测图。

图5为本发明微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构能量释放后示意图。

图6为本发明的第二铰链轴测图。

图中

1.电机支架 2.电机 3.小齿轮 4.大齿轮 5.第一转轴 6.不完全齿轮 7.第三转轴 8.第二低速齿轮 9.第一低速齿轮 10.第二转轴 11.高速齿轮 12.第一机架 13.第一关节铰链 14.腿节连杆 15.第一铰链 16.第二铰链 17.胫节连杆 18.第三铰链 19.第四铰链 20.辅助连杆 21.拉伸弹簧 22.第二关节铰链 23.前腿杆 24.销钉 25.第二机架26.第一传动轴 27.第二传动轴 28.第一轴承 29.第二轴承 30.第三轴承 31.第三传动轴32.第四轴承

具体实施方式

本实施例是一种微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构；通过模仿蝗虫后腿起跳过程中的膝关节转角变化规律，以及胫节末端的轨迹，实现起跳阶段的受力状态与蝗虫相似。

参阅图1～图5，本实施例微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构，由齿轮传动机构、连杆机构、第一机架12、第二机架25组成；其中，齿轮传动机构安装在第一机架12与第二机架25之间，并通过两根销轴与第一机架12和第二机架25固定连接；连杆机构为两个结构相同的部件，连杆机构对称安装在第一机架12与第二机架25的两侧面。齿轮传动机构包括电机支架1、电机2、小齿轮3、大齿轮4、第一转轴5、不完全齿轮6、第三转轴7、第二低速齿轮8、第一低速齿轮9、第二转轴10、高速齿轮11、第一轴承28、第二轴承29、第四轴承3，电机2和减速箱安装在电机支架1内,电机支架1安装在第一机架12和第二机架25之间，电机支架1通过两根销轴与第一机架12和第二机架25固定连接。小齿轮3与电机2输出轴固连；第一转轴5位于电机支架1的一侧,大齿轮4与高速齿轮11分别固定在第一转轴5上，且与第一转轴5过盈配合，大齿轮4与高速齿轮11为同轴固定的齿轮组合；第三转轴7位于第一转轴5的一侧，第一低速齿轮9与不完全齿轮6分别固定在第三转轴7上，且与第三转轴7过盈配合，第一低速齿轮9与不完全齿轮6为同轴固定的齿轮组合。第二转轴10位于第三转轴7的下方，第二低速齿轮8固定安装在第二转轴10上，且与第二转轴10过盈配合。第一转轴5、第二转轴10、第三转轴7分别通过第一轴承28、第二轴承29、第四轴承32安装在第一机架12和第二机架25上，第一转轴5、第三转轴7与电机2输出轴位于同一平面平行安装；第三转轴7与第二转轴10位于同一垂直面安装。小齿轮3与大齿轮4啮合传动，传动比为2.8:1；高速齿轮11与第一低速齿轮9啮合传动，传动比为2.8:1；不完全齿轮6与第二低速齿轮8啮合传动，传动比为3:1，不完全齿轮6有齿部分占整体齿数的1/3；通过齿轮传动机构实现动力传动。

本实施例中,连杆机构为两个结构相同的部件，对称安装在第一机架12与第二机架25两侧面；连杆机构由第一关节铰链13、腿节连杆14、第一铰链15、第二铰链16、胫节连杆17、第三铰链18、第四铰链19、辅助连杆20、拉伸弹簧21、第二关节铰链22、前腿杆23、销钉24、第一传动轴26、第二传动轴27、第三传动轴31、第三轴承30组成；前腿杆23固定安装在第一机架12与第二机架25两侧面的前部，起到支撑和调节起跳角度的作用。第三传动轴31通过第三轴承30安装在第一机架12与第二机架25之间，第二铰链16、第三铰链18分别固定在胫节连杆17的上端部，第二铰链16、第三铰链18与胫节连杆17过盈配合。腿节连杆14一端与第三传动轴31通过第一关节铰链13连接,腿节连杆14另一端与第一铰链15连接,第一铰链15与第二铰链16连接，辅助连杆20一端与第二转轴10通过第二关节铰链22连接，辅助连杆20另一端与第四铰链19连接,并通过第二传动轴27与第三铰链18间隙装配连接,实现连杆铰链间的传动。拉伸弹簧21为两根，两根拉伸弹簧21分别安装在第一机架12与第二机架25的外侧面,拉伸弹簧21一端固连在第二转轴10上，拉伸弹簧21另一端固连在销钉24上，在销钉24端部设置有圆形凸台，用来防止弹簧滑出，两根拉伸弹簧21对称安装用于蓄能、释放；通过模仿蝗虫起跳阶段发力特点设定拉伸弹簧21固定部位并施加预拉力。

本实施例中,当跳跃机构起跳前下蹲或者落地缓冲时，拉伸弹簧21被拉长，起到蓄能作用，不完全齿轮6有齿部分通过第二低速齿轮8驱动辅助连杆20带动整体四杆跳跃机构压缩；不完全齿轮6一方面起到传动作用，另一方面起到了能量锁定的作用。在跳跃机构接收到信号后，通过电机2驱动减速箱以及三级减速齿轮运动，并带动四杆机构运动。在不完全齿轮6与第二低速齿轮8啮合传动时，腿节连杆14与胫节连杆17之间夹角越来越小，拉伸弹簧21长度不断增长，弹性势能不断增加；当不完全齿轮6的无齿部分与第二低速齿轮8接触时，拉伸弹簧21受到的约束解除，在拉伸弹簧21的弹簧力作用下，跳跃机构蹬地完成跳跃过程，弹性势能转换为重力势能，整个跳跃机构质心速度增大，离开地面，实现仿生跳跃。利用不完全齿轮与减速齿轮传动，同时实现连杆机构的传动和能量锁定、释放；对电机要求低，能量效率高。

Claims (5)

1.一种微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构，包括齿轮传动机构、连杆机构、第一机架、第二机架，其特征在于:齿轮传动机构位于第一机架与第二机架之间，连杆机构对称安装在第一机架与第二机架两侧；

所述齿轮传动机构包括电机支架、电机、小齿轮、大齿轮、第一转轴、不完全齿轮、第三转轴、第二低速齿轮、第一低速齿轮、第二转轴、高速齿轮，电机和减速箱安装在电机支架内,电机支架通过销轴固定在第一机架与第二机架之间，小齿轮与电机输出轴固连，第一转轴位于电机支架一侧,大齿轮与高速齿轮分别固定在第一转轴上，且与第一转轴过盈配合；第三转轴位于第一转轴一侧，第一低速齿轮与不完全齿轮分别固定在第三转轴上，且与第三转轴过盈配合；第二转轴位于第三转轴的下方，第二低速齿轮固定在第二转轴上，且与第二转轴过盈配合；第一转轴、第二转轴、第三转轴分别通过轴承安装在第一机架与第二机架上，其中,第一转轴、第三转轴与电机输出轴位于同一平面平行安装,第三转轴与第二转轴位于同一直面安装；小齿轮与大齿轮啮合传动，高速齿轮与第一低速齿轮啮合传动，不完全齿轮与第二低速齿轮啮合传动，实现齿轮传动机构的动力传动；

所述连杆机构为两个结构相同的部件，由第一关节铰链、腿节连杆、第一铰链、第二铰链、胫节连杆、第三铰链、第四铰链、辅助连杆、拉伸弹簧、第二关节铰链、前腿杆、销钉、第一传动轴、第二传动轴、第三传动轴组成；前腿杆固定在第一机架与第二机架两侧面的前部，第三传动轴通过轴承安装在第一机架与第二机架之间，第二铰链、第三铰链分别固定在胫节连杆的上端部，且与胫节连杆过盈配合，腿节连杆一端与第三传动轴通过第一关节铰链连接，另一端与第一铰链连接，第一铰链与第二铰链连接，辅助连杆一端与第二转轴通过第二关节铰链连接，另一端与第四铰链连接，第四铰链与第三铰链通过第二传动轴连接；

所述拉伸弹簧为两根，两根拉伸弹簧分别位于第一机架与第二机架的外侧面，拉伸弹簧一端固连在第二转轴上，另一端固连在销钉上，销钉端部设有圆形凸台，两根拉伸弹簧对称安装并施加预拉力。

2.根据权利要求1所述的微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构，其特征在于:小齿轮与大齿轮啮合传动，传动比为2.8:1。

3.根据权利要求1所述的微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构，其特征在于:高速齿轮与第一低速齿轮啮合传动，传动比为2.8:1。

4.根据权利要求1所述的微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构，其特征在于:不完全齿轮与第二低速齿轮啮合传动，传动比为3:1。

5.根据权利要求1所述的微电机驱动四杆直线仿生跳跃机构，其特征在于:大齿轮与高速齿轮为同轴固定的齿轮组合；第一低速齿轮与不完全齿轮为同轴固定的齿轮组合。