CN106956727B - 基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人及其飞行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人，该机器人主要由仿蝗虫结构部分和位于仿蝗虫结构部分内的机械传动系统部分组成；机械传动系统部分包括弹跳系统和扑翼系统；弹跳系统包括拉伸弹簧储能模块、滑轮换向模块、凸轮调节啮合模块、一级减速模块及腿部二级不完全齿轮减速模块；本发明还公开了该仿蝗虫飞行跳跃机器人的飞行控制方法；本发明消耗能耗少，并且采用齿轮传动也更加稳定，能提高机器人运动时的姿态稳定性，实用性和仿生性更强；通过机械传动系统部分将机器人飞行和跳跃两种运动模式相耦合，从而相辅相成，减少了机器人落地阶段的冲击力，并可实现连续跳跃，且运动位置更为准确。

Description

基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人及其飞行控制方法

技术领域

本发明涉及仿生机器人技术领域，属于机器人技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人，同时，本发明还公开了该仿蝗虫飞行跳跃机器人的飞行控制方法。

背景技术

当前机器人应用领域已经从传统结构环境逐步向以军事侦察、野外探测、搜索救援等为目的非结构环境应用领域发展。未来机器人将在未知、非结构复杂环境中为人类工作，要求机器人具有很强的运动能力、机动性能以及较高的运动灵活性来适应已知结构化环境和未知非结构化环境。目前移动机器人主要采用轮式驱动的运动模式，轮式驱动是人类改造自然界出现后的产物，不能适应复杂地形，越障能力较差。未知非结构复杂环境要求机器人必须具有较强的地形适应能力、高效的运动性能和自主运动能力。跳跃机器人相对轮式机器人具有很大的优势，能适应松软或不平的地面，可越过是自身尺寸的数倍甚至数十倍的障碍物，大大提高了其活动范围，但是仿生跳跃机器人大多数面临着起跳时消耗能量大、姿态不稳定，以及姿态不稳定造成的偏离预期目标位置，落地阶段冲击大容易倾覆翻转等问题，很难实现连续跳跃，导致适用性和运动性能较差，因此，跳跃机器人保持空中姿态稳定进而平稳着陆成为该领域亟需突破的关键问题，扑翼机器人相对比较复杂，但是能量利用效率高，可做成仿鸟模型，隐蔽性强、体积小、重量轻。但是起跳爆发力不够，需要外力助飞。综上所述，将跳跃和扑翼的优点相结合，研究一款基于变胞理论腿部与翅膀耦合的仿蝗虫飞行跳跃机器人。

国内外有关弹跳机器人的研究有：1)以色列V.Zaitsev等人以蝗虫为仿生对象，设计了一款仅重23g的新型跳跃机器人，该机器人利用扭簧作为储能元件，垂直跳跃高度可达3.35m，跳跃距离达1.37m，跳跃性能非常强大，但由于该机器人没有考虑翅膀对对起跳姿态不稳定、空中姿态不易调节的影响，而且没有飞行性能，以至于适用性不强。2)韩国建国大学根据蝗虫的后腿结构设计了一款跳跃机器人，垂直跳跃高度可达71cm，为其自身大小的14倍，跳跃距离最大为100cm，为其自身体长的20倍，该机器人没有考虑起跳阶段的助跳力、落地冲击大易损坏机器人的问题。虽然国内有大量的关于模仿具有飞行跳跃能力的生物，但是也仅仅是模仿该生物的跳跃性能。3)在专利【公告号：102092431A】中，公开了一种仿蝗虫腿部弹射机理的跳跃机器人，采用丝杠传动，可以获得较大的轴向力设计机构新颖，但是由于仅仅只是仿蝗虫的腿部结构，不能很容易的实现连续跳跃能力，并且起跳时没有助跳力，空中飞行幅度小等问题，导致机器人的实际应用能力和机动性能降低。4)在专利【公告号：101716962A】中，公开了一种仿蝗虫弹跳翻转机器人，专利中通过前腿支撑减震机构以及后腿起跳机构，可以实现快速起跳和连续跳跃性能，但是其空中飞行姿态不易控制，落地与地面产生较大的撞击力，与蝗虫的飞行跳跃的形态有差异。5)在专利【公告号：103112513A】中，公开了一种具有姿态调整功能的仿蝗虫机器人。专利中通过独立扑动的双翼实现空中姿态调整和控制，但是也仅仅是仿蝗虫的翅膀结构，无法实现蝗虫的跳跃性能，无法具体表达蝗虫的飞行跳跃性能，而且无腿部缓冲作用，落地时，身体直接接触地面产生很大的冲击。

综上所述，现有的仿生机器人的研究，主要集中在扑翼机器人或者跳跃机器人，截止目前关于飞行跳跃机器人的研究，也仅限于在跳跃机器人上加上固定翼的滑翔机器人，只能增加机器人的滑翔距离，而且滑翔距离不可控。

蝗虫是集跳跃、飞行及滑翔于一体的运动能力极强的动物，一般蝗虫通过翅膀和后腿的作用跳跃能力可达自身体长的10倍以上的高度，蝗虫更突出的性能是可以通过左右翅膀的不同幅度，快速调节空中飞行姿态。受翅膀和后腿耦合仿生机理的启发，研究蝗虫的飞行跳跃性能，为仿生技术的研究提供技术支持，使其以调节跳跃姿态的方式实现跳跃高度、距离可调的功能，在跳跃的同时翅膀起到一种辅助跳跃和调节姿态的作用。

发明内容

基于以上技术问题，本发明提供了一种基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人，从而解决了现有技术中机器人起跳消耗能量大、姿态不稳定，姿态不稳定造成偏离预期目标位置，以及落地阶段冲击大容易倾覆翻转、难以实现连续跳跃的技术问题；同时，同发明还公开了该基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人的飞行控制方法。

为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人，该机器人主要由仿蝗虫结构部分和位于仿蝗虫结构部分内的机械传动系统部分组成；

所述仿蝗虫结构部分包括相对设置的左机身和右机身，左机身和右机身之间通过机身连接架轴和固定轴连接，所述左机身和右机身上端设置有后翅膀插轴支架和前翅膀插轴支架，所述后翅膀插轴支架连接有左翅下翼和右翅上翼，所述前翅膀插轴支架连接有左翅上翼和右翅下翼，所述左机身下端从前至后依次设置有左前腿、左中腿及左后腿，所述右机身下端从前至后依次设置有右前腿、右中腿及右后腿；所述左机身和右机身之间位于机身连接架轴上端还连接有用于固定机械传动系统部分的传动固定机架；

所述机械传动系统部分包括弹跳系统和扑翼系统；

所述弹跳系统包括拉伸弹簧储能模块、滑轮换向模块、凸轮调节啮合模块、一级减速模块及腿部二级不完全齿轮减速模块；

所述拉伸弹簧储能模块包括设置在左机身和右机身之间的弹簧支撑轴和弹簧挂钩钉，左机身和右机身上均设置有腿部机身滑道，所述弹簧支撑轴和弹簧挂钩钉之间分别连接有左腿拉伸蓄力弹簧和右腿拉伸蓄力弹簧，所述弹簧支撑轴两端贯穿腿部机身滑道后分别连接所述左后腿和右后腿，左后腿和右后腿的端部通过卷簧分别连接有左脚掌和右脚掌，且左后腿和右后腿的端部之间连接有后腿固定加强轴；

滑轮换向模块包括转动连接在机身连接架轴上的滑轮A、转向滑轮B、滑轮C、绳索及调节齿轮，绳索一端与所述后腿固定加强轴连接，另一端通过滑轮A和转向滑轮B缠绕连接在滑轮C上形成转动连接，所述滑轮C和调节齿轮共轴连接；

凸轮调节啮合模块包括凸轮共轴电机及与凸轮共轴电机的输出轴连接的电机共轴凸轮；该凸轮调节啮合模块还包括连接在滑轮C和调节齿轮之间的凸轮顶杆，凸轮顶杆一端与电机共轴凸轮高副连接，另一端与滑轮C和调节齿轮共轴的轴以转动副相连，所述滑轮C和调节齿轮共轴的轴设置在机身连接架轴上；

一级减速模块包括齿轮共轴电机及与齿轮共轴电机连接的电机共轴齿轮，电机共轴齿轮啮合有一级减速齿轮；所述齿轮共轴电机固定在传动固定机架上，且一级减速齿轮和传动固定机架转动连接；

腿部二级不完全齿轮减速模块包括二级减速齿轮、腿二级高速齿轮及不完全齿轮，所述腿二级高速齿轮和二级减速齿轮相互啮合，所述不完全齿轮与二级减速齿轮同轴设置并可与所述调节齿轮相互啮合，所述腿二级高速齿轮与一级减速齿轮同轴设置；所述腿二级高速齿轮和不完全齿轮均与传动固定机架可转动的连接；

所述扑翼系统通过一级减速齿轮与所述弹跳系统共轴传动连接。

优选的，所述扑翼系统包括设置在传动固定机架上的翼二级减速模块，翼二级减速模块包括翼第二高速齿轮、翼二级减速齿轮右、翼二级减速齿轮左，所述翼第二高速齿轮与所述一级减速齿轮共轴固定连接，所述翼二级减速齿轮右与翼二级减速齿轮左啮合，所述翼第二高速齿轮与所述翼二级减速齿轮右啮合带动翼二级减速齿轮左转动；

所述后翅膀插轴支架固定有左摇杆，左摇杆与翼二级减速齿轮左偏心可转动连接；

所述前翅膀插轴支架固定有右摇杆，右摇杆与翼二级减速齿轮右偏心可转动连接。

优选的，所述翼第二高速齿轮与翼二级减速齿轮右的齿数比为9:40，传动比为4.4:1。

优选的，所述仿蝗虫结构部分还包括落地缓冲系统，落地缓冲系统包括前腿蓄力卷簧和中腿蓄力卷簧；所述左前腿和右前腿与左机身或右机身的连接处均设置所述前腿蓄力卷簧，所述左中腿和右中腿与左机身或右机身的连接处均设置所述中腿蓄力卷簧。

优选的，所述电机共轴齿轮与翼一级减速齿轮的齿数比为7:40，传动比为5.7:1；电机共轴齿轮与翼一级减速齿轮的齿数比为7:40，传动比为5.7:1；腿二级高速齿轮与腿二级减速齿轮的齿数比为9:40，传动比为4.4:1；腿二级减速齿轮与不完全齿轮的齿数比为40:40，传动比为1:1；不完全齿轮与调节齿轮的齿数比为40:20，传动比为1:2。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明仅仅设置齿轮共轴电机和凸轮共轴电机共两个微型电机即可实现机器人的运动，消耗能耗少，并且采用齿轮传动也更加稳定，能提高机器人运动时的姿态稳定性，实用性和仿生性更强。

2、本发明通过机械传动系统部分将机器人飞行和跳跃两种运动模式相耦合，从而相辅相成，减少了机器人落地阶段的冲击力，并可实现连续跳跃，且运动位置更为准确。

3、本发明的调节齿轮、凸轮顶杆、电机共轴凸轮、不完全齿轮、凸轮共轴电机共同形成新型的变胞机构，从而通过该机构可以实现机器人运行的平稳性和稳定性，飞行和落地不易倾覆翻转。

4、本发明的拉伸弹簧储能模块、滑轮换向模块、凸轮调节啮合模块、一级减速模块、腿部二级不完全齿轮减速模块及扑翼系统之间通过齿轮啮合实现配合连接，通过齿轮共轴电机和凸轮共轴电机提供动力，从而传动效率高、速度快，提高了机器人的运动速度和降低了能耗，同时通过各个模块和系统之间的齿轮配合关系，实现了机械结构部分中腿部和翼部的同步运动，从而在整个状态中机器人运行稳定、运动平稳。

基于以上所述的基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人，本发明还公开了该基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人的飞行控制方法：

该飞行控制方法包括弹跳耦合控制、飞行状态控制及落地耦合控制共三个步骤；

其中，

弹跳耦合控制：启动齿轮共轴电机和凸轮共轴电机，凸轮共轴电机带动电机共轴凸轮旋转，电机共轴凸轮直径最大的轮廓旋转到与凸轮顶杆面接触时，凸轮顶杆顶起滑轮C和调节齿轮，使调节齿轮和不完全齿轮的有齿部分啮合，此时滑轮拉动绳索使绳索缠绕在滑轮C上，绳索在转向滑轮B换向作用下拉动机器人后腿固定加强轴，弹簧支撑轴带动左腿拉伸蓄力弹簧和右腿拉伸蓄力弹簧拉伸，当不完全齿轮的有齿部分和调节齿轮啮合完毕时，左腿拉伸蓄力弹簧和右腿拉伸蓄力弹簧拉伸到最长，达到最大蓄力状态；电机共轴凸轮继续旋转，不完全齿轮的无齿部分逐步与调节齿轮进入啮合调节齿轮失去啮合力，左腿拉伸蓄力弹簧和右腿拉伸蓄力弹簧迅速恢复原形从而拉回绳索，左后腿和右后腿在拉伸弹簧释放的弹簧力作用下弹起，机器人弹跳离地；

所述齿轮共轴电机和凸轮共轴电机同步运转，左翅下翼、右翅上翼、左翅上翼和右翅下翼在齿轮共轴电机带动下同步扑动；

飞行状态控制：机器人弹跳离地后凸轮共轴电机和齿轮共轴电机继续运转，当电机共轴凸轮直径最小处的轮廓和凸轮顶杆面接触时，控制凸轮共轴电机停止运转，此时调节齿轮和不完全齿轮脱离啮合，齿轮共轴电机持续运转带动左翅下翼、右翅上翼、左翅上翼和右翅下翼同步扑动；

落地耦合控制：机器人降落之前，开启凸轮共轴电机带动电机共轴凸轮运转，电机电机共轴凸轮最大直径处于最高位置并完全接触凸轮顶杆，凸轮顶杆顶起滑轮C和调节齿轮，此时不完全齿轮和调节齿轮处于啮合状态，从不完全齿轮的有齿部分啮合结束到无齿部分啮合之前，左腿拉伸蓄力弹簧和右腿拉伸蓄力弹簧被拉伸，凸轮共轴电机停止运转，齿轮共轴电机继续运转，左后腿和右后腿拉伸到最大，齿轮共轴电机继续运转，左翅下翼、右翅上翼、左翅上翼和右翅下翼在齿轮共轴电机扑动，降低阻力，机器人降落时在左腿拉伸蓄力弹簧和右腿拉伸蓄力弹簧减震下平缓、平稳落地，并为下次弹跳蓄力。

本发明的飞行控制方法通过控制齿轮共轴电机和凸轮共轴电机的开闭来带动整个机械传动系统部分的结构转动，从而控制机器人平稳连续的实现起跳、飞行及落地的运动，并控制机械结构部分实现了腿部和翼部的同步运动，从而在整个状态中机器人运行稳定、运动平稳。

附图说明

图1是本发明的侧视图；

图2是本发明的前视图；

图3是本发明的俯视图；

图4是本发明的内部结构左视示意图；

图5是本发明的局部结构示意图；

图6是本发明机械传动系统部分的部分结构示意图；

图7是图6的侧面结构示意图；

图8是机械传动系统部分的翼部传动结构示意图；

图中的标号分别是：1.右翅上翼；2.右翅下翼；3.右机身；4.右后腿；5.左后腿；6.左脚掌；7.绳索；8.右中腿；9.左中腿；10.左前腿；11.右前腿；12.前腿蓄力卷簧；13.左机身；14.左翅下翼；15.左翅上翼；16.翼二级减速齿轮右；17.翼第二高速齿轮；18.中腿蓄力卷簧；19.后腿固定加强轴；20.滑轮A；21.转向滑轮B；22.滑轮C；23.不完全齿轮；24.一级减速齿轮；25.翼二级减速齿轮左；26.右腿拉伸蓄力弹簧；27.齿轮共轴电机；28.腿二级高速齿轮；29.调节齿轮；30.凸轮共轴电机；31.腿二级减速齿轮；32.腿部机身滑道；33.电机共轴齿轮；34.弹簧支撑轴；35.传动固定机架；36.左腿拉伸蓄力弹簧；37.后翅膀插轴支架；38.电机共轴凸轮；39.凸轮顶杆；40.弹簧挂钩钉；41.前翅膀插轴支架；42.机身连接架轴；43.右脚掌；44.左摇杆；45.右摇杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

如图1-8所示的一种基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人，该机器人主要由仿蝗虫结构部分和位于仿蝗虫结构部分内的机械传动系统部分组成；

所述仿蝗虫结构部分包括相对设置的左机身13和右机身3，左机身13和右机身3之间通过机身连接架轴42和固定轴连接，所述左机身13和右机身3上端设置有后翅膀插轴支架37和前翅膀插轴支架41，所述后翅膀插轴支架37连接有左翅下翼14和右翅上翼1，所述前翅膀插轴支架41连接有左翅上翼15和右翅下翼2，所述左机身13下端从前至后依次设置有左前腿10、左中腿9及左后腿5，所述右机身3下端从前至后依次设置有右前腿11、右中腿8及右后腿4；所述左机身13和右机身3之间位于机身连接架轴42上端还连接有用于固定机械传动系统部分的传动固定机架35；

所述机械传动系统部分包括弹跳系统和扑翼系统；

所述弹跳系统包括拉伸弹簧储能模块、滑轮换向模块、凸轮调节啮合模块、一级减速模块及腿部二级不完全齿轮减速模块；

所述拉伸弹簧储能模块包括设置在左机身13和右机身3之间的弹簧支撑轴34和弹簧挂钩钉40，左机身13和右机身3上均设置有腿部机身滑道32，所述弹簧支撑轴34和弹簧挂钩钉40之间分别连接有左腿拉伸蓄力弹簧36和右腿拉伸蓄力弹簧26，所述弹簧支撑轴34两端贯穿腿部机身滑道32后分别连接所述左后腿5和右后腿4，左后腿5和右后腿4的端部通过卷簧分别连接有左脚掌6和右脚掌43，且左后腿5和右后腿4的端部之间连接有后腿固定加强轴19；

滑轮换向模块包括转动连接在机身连接架轴42上的滑轮A20、转向滑轮B21、滑轮C22、绳索7及调节齿轮29，绳索7一端与所述后腿固定加强轴19连接，另一端通过滑轮A20和转向滑轮B21缠绕连接在滑轮C22上形成转动连接，所述滑轮C22和调节齿轮29共轴连接；

凸轮调节啮合模块包括凸轮共轴电机30及与凸轮共轴电机30的输出轴连接的电机共轴凸轮38；该凸轮调节啮合模块还包括连接在滑轮C22和调节齿轮29之间的凸轮顶杆39，凸轮顶杆39一端与电机共轴凸轮38高副连接，另一端与滑轮C22和调节齿轮29共轴的轴以转动副相连，所述滑轮C22和调节齿轮29共轴的轴设置在机身连接架轴42上；

一级减速模块包括齿轮共轴电机27及与齿轮共轴电机27连接的电机共轴齿轮33，电机共轴齿轮33啮合有一级减速齿轮24；所述齿轮共轴电机27固定在传动固定机架35上，且一级减速齿轮24和传动固定机架35转动连接；

腿部二级不完全齿轮减速模块包括腿二级减速齿轮31、腿二级高速齿轮28及不完全齿轮23，所述腿二级高速齿轮28和腿二级减速齿轮31相互啮合，所述不完全齿轮23与腿二级减速齿轮31同轴设置并可与所述调节齿轮29相互啮合，所述腿二级高速齿轮28与一级减速齿轮24同轴设置；所述腿二级高速齿轮28和不完全齿轮23均与传动固定机架35可转动的连接；

所述扑翼系统通过一级减速齿轮24与所述弹跳系统共轴传动连接。

所述扑翼系统包括设置在传动固定机架35上的翼二级减速模块，翼二级减速模块包括翼第二高速齿轮17、翼二级减速齿轮右16、翼二级减速齿轮左25，所述翼第二高速齿轮17与所述一级减速齿轮24共轴固定连接，所述翼二级减速齿轮右16与翼二级减速齿轮左25啮合，所述翼第二高速齿轮17与所述翼二级减速齿轮右16啮合带动翼二级减速齿轮左25转动；

所述后翅膀插轴支架37固定有左摇杆44，左摇杆44与翼二级减速齿轮左25偏心可转动连接；

所述前翅膀插轴支架41固定有右摇杆45，右摇杆45与翼二级减速齿轮右16偏心可转动连接。

所述仿蝗虫结构部分还包括落地缓冲系统，落地缓冲系统包括前腿蓄力卷簧12和中腿蓄力卷簧18；所述左前腿10和右前腿11与左机身13或右机身3的连接处均设置所述前腿蓄力卷簧12，所述左中腿9和右中腿8与左机身13或右机身3的连接处均设置所述中腿蓄力卷簧18。

本实施例的拉伸弹簧储能模块实现弹簧储能功能，一级减速模块和腿部二级不完全齿轮减速模块实现腿部和翅膀以合适速度运动功能以及腿的储能与释放功能，滑轮换向模块实现变换绳索7的拉力方向的功能，凸轮调节啮合模块实现起飞前和落地时的跳跃功能，卷簧缓解冲击模块实现落地时有效缓解身体冲击的功能。

本实施例机械传动系统部分安装在右机身3与左机身13之间，并通过机身连接架轴42和几根固定轴将右机身3与左机身13固定连接；前腿、中腿和后腿机构对称安装在右机身3与左机身13之间。右腿拉伸蓄力弹簧26和左腿拉伸蓄力弹簧36一端挂在弹簧挂钩钉40上另一端挂在弹簧支撑轴34上，弹簧挂钩钉40固定在右机身3与左机身13上，弹簧支撑轴34安装在右后腿4和左后腿5之间，弹簧支撑轴34通过两根销轴与右后腿4和左后腿5固定连接。电机共轴凸轮38和凸轮共轴电机30的输出轴固定连接；电机共轴凸轮38安装在机身连接架轴42的挖槽内，电机共轴凸轮38通过凸轮两端的转轴和机身连接架轴42相连；调节齿轮29和滑轮C22是共轴的，其中调节齿轮29和滑轮C22共轴的轴插装在机身连接架轴42的内部以起到固定作用；滑轮A20与转向滑轮B21各使用一个销轴固定连接在机身连接架轴42上；齿轮共轴电机27使用胶水固定在传动固定机架35的电机孔中，后翅膀插轴支架37与传动固定机架35通过转动副连接；电机共轴齿轮33和齿轮共轴电机27的输出轴固定连接，一级减速齿轮24与翼第二高速齿轮17固定连接；翼二级减速齿轮左25、翼二级减速齿轮右16和一级减速齿轮24均与传动固定机架35以转动副连接；翼二级减速齿轮左25和翼二级减速齿轮右16相啮合，翼二级减速齿轮右16和翼第二高速齿轮17相啮合；左摇杆44和翼二级减速齿轮25通过转动副偏心连接，右摇杆45和翼二级减速齿轮右16通过转动副偏心连接。

其中，右腿拉伸蓄力弹簧26和左腿拉伸蓄力弹簧41，二者一端挂在弹簧挂钩钉40上另一端挂在弹簧支撑轴34上固定连接，弹簧支撑轴34在腿部机身滑道32内滑动连接，限制机器人腿的运动范围，弹簧支撑轴34与右后腿4和左后腿5固定连接，右后腿4和左后腿5接触地面部分通过后腿固定加强轴19固定连接；固定加强轴19其上系绳索7，绳索7另一侧通过滑轮A20和转向滑轮B21缠绕连接在滑轮C22上，形成转动连接，滑轮C22和调节齿轮29共轴连接；凸轮共轴电机30和电机共轴凸轮38固定连接，凸轮共轴电机30带动电机共轴凸轮38旋转，电机共轴凸轮38和凸轮顶杆39通过凸轮面的高副接触连接，凸轮顶杆39和滑轮C22和调节齿轮29轴是固定连接；腿二级高速齿轮28和腿二级减速齿轮31齿轮啮合连接，腿二级减速齿轮31和不完全齿轮23是共轴齿轮固定连接，不完全齿轮23和调节齿轮29在腿部弹跳是啮合，此时当有齿部分啮合时腿部蓄力，当有齿部分啮合完毕进入无齿部分腿部蓄力结束机器人跳起来；齿轮共轴电机27和电机共轴齿轮33固定连接，齿轮共轴电机27能带动电机共轴齿轮33旋转，电机共轴齿轮33和一级减速齿轮24通过啮合传动，一级减速齿轮24和电机共轴齿轮33是共轴齿轮固定连接，腿二级高速齿轮28和腿二级减速齿轮31啮合传动连接；齿轮共轴电机27带动电机共轴齿轮33转动，电机共轴齿轮33通过齿轮副和一级减速齿轮24啮合，一级减速齿轮24和腿二级高速齿轮28是共轴的，腿二级高速齿轮28和腿二级减速齿轮31进行二次减速传动，不完全齿轮23和腿二级减速齿轮31是共轴齿轮，调节齿轮29和不完全齿轮23，根据电机共轴凸轮38和凸轮顶杆39接触的形状实现啮合和分离。

本实施例通过模仿蝗虫腿部和翅膀耦合的运动特性，实现起跳阶段、飞行阶段和落地阶段的运动状态与蝗虫相似，且结构紧凑；通过齿轮共轴电机27驱动弹跳系统运动，弹跳系统带动后翅膀插轴支架37和前翅膀插轴支架41驱动翅膀的上下扑动，通过凸轮共轴电机30驱动电机共轴凸轮38的上下运动，控制调节齿轮29和不完全齿轮23的啮合与否；在控制调节齿轮29和不完全齿轮23啮合时，当不完全齿轮23的有齿部分啮合传动时，绳索7不断被缠绕在滑轮C22上，与此同时右腿拉伸蓄力弹簧26和左腿拉伸蓄力弹簧36也不断被拉伸蓄力；不完全齿轮23的无齿部分啮合传动时，绳索7受到的约束突然解除，在右腿拉伸蓄力弹簧26和左腿拉伸蓄力弹簧36弹簧力的作用下机器人弹跳离地完成跳跃，所有翼部也在一直扑动起到助跳的作用。跳起离地后控制凸轮共轴电机30旋转使调节齿轮29和不完全齿轮23脱离啮合，脱离啮合后凸轮共轴电机30停止运转，此时只有齿轮共轴电机27运转，实现飞行阶段只有各个翼的扑动运动；当落地时再次控制凸轮共轴电机30以驱动电机共轴凸轮38运转，使调节齿轮29和不完全齿轮23啮合再次控制所有腿部与所有翼部的耦合，减少落地时冲击，而且还能吸收落地冲击能量，有效实现飞行和跳跃两种运动模式。该机器人将飞行和跳跃两种运动模式相耦合，实用性和仿生性更强。

本实施例可以在机械结构部分安装无线摄像头、无线遥控模块，对周围环境进行监测并对机器人进行遥控。

本实施例的核心发明点之一在于：机械结构部分的调节齿轮29、凸轮顶杆39、电机共轴凸轮38、不完全齿轮23及凸轮共轴电机30可相互配合形成新构型的变胞模块，即：当机器人起跳时通过控制凸轮共轴电机30带动电机共轴凸轮38旋转，旋转到电机共轴凸轮38直径最大的轮廓和凸轮顶杆39面接触连接时停止凸轮共轴电机30运转，此时凸轮顶杆39被推到最高位置，调节齿轮29和不完全齿轮23啮合传动定位，从不完全齿轮23的齿进入啮合右腿拉伸蓄力弹簧26和左腿拉伸蓄力弹簧36开始蓄力，到有齿部分啮合完毕蓄力完成机器人跳起，控制凸轮共轴电机30运转，使调节齿轮29和不完全齿轮23迅速脱离啮合，机器人跳起的同时翼部也在一直扑动，在空中飞行阶段只有齿轮共轴电机27运转，当控制机器人落地时再次控制凸轮共轴电机30带动电机共轴凸轮38旋转，旋转到电机共轴凸轮38直径最大的轮廓和凸轮顶杆39面接触连接，停止凸轮共轴电机30运转，此时凸轮顶杆39被推到最高位置，调节齿轮29和不完全齿轮23再次啮合传动，使机器人腿部在落地时起到缓冲保护的作用，落地不易倾覆翻转。

基于本实施例以上技术方案，本实施例还公开了一种基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人的飞行控制方法，该飞行控制方法包括弹跳耦合控制、飞行状态控制及落地耦合控制共三个步骤；

其中，

弹跳耦合控制：启动齿轮共轴电机27和凸轮共轴电机30，凸轮共轴电机30带动电机共轴凸轮38旋转，电机共轴凸轮38直径最大的轮廓旋转到与凸轮顶杆39面接触时，凸轮顶杆39顶起滑轮C22和调节齿轮29，使调节齿轮29和不完全齿轮23的有齿部分啮合，此时滑轮A20拉动绳索7使绳索缠绕在滑轮C22上，绳索7在转向滑轮B21换向作用下拉动机器人后腿固定加强轴19，弹簧支撑轴34带动左腿拉伸蓄力弹簧36和右腿拉伸蓄力弹簧26拉伸，当不完全齿轮23的有齿部分和调节齿轮29啮合完毕时，左腿拉伸蓄力弹簧36和右腿拉伸蓄力弹簧26拉伸到最长，达到最大蓄力状态；电机共轴凸轮38继续旋转，不完全齿轮23的无齿部分逐步与调节齿轮29进入啮合调节齿轮失去啮合力，左腿拉伸蓄力弹簧36和右腿拉伸蓄力弹簧26迅速恢复原形从而拉回绳索7，左后腿5和右后腿4在左腿拉伸蓄力弹簧36和右腿拉伸蓄力弹簧26释放的弹簧力作用下弹起，机器人弹跳离地；

所述齿轮共轴电机27和凸轮共轴电机30同步运转，左翅下翼14、右翅上翼1、左翅上翼15和右翅下翼2在齿轮共轴电机27带动下同步扑动；

飞行状态控制：机器人弹跳离地后凸轮共轴电机30和齿轮共轴电机27继续运转，当电机共轴凸轮38直径最小处的轮廓和凸轮顶杆39面接触时，控制凸轮共轴电机30停止运转，此时调节齿轮29和不完全齿轮23脱离啮合，齿轮共轴电机27持续运转带动左翅下翼14、右翅上翼1、左翅上翼15和右翅下翼2同步扑动；

落地耦合控制：机器人降落之前，开启凸轮共轴电机30带动电机共轴凸轮38运转，电机共轴凸轮38轮廓最大直径处于最高位置并完全接触凸轮顶杆39，凸轮顶杆顶起滑轮C22和调节齿轮29，此时不完全齿轮23和调节齿轮29处于啮合状态，从不完全齿轮23的有齿部分啮合结束到无齿部分啮合之前，左腿拉伸蓄力弹簧36和右腿拉伸蓄力弹簧26被拉伸，凸轮共轴电机30停止运转，齿轮共轴电机27继续运转，左后腿5和右后腿4拉伸到最大，齿轮共轴电机27继续运转，左翅下翼14、右翅上翼1、左翅上翼15和右翅下翼2在齿轮共轴电机27扑动，降低阻力，机器人降落时在左腿拉伸蓄力弹簧36和右腿拉伸蓄力弹簧26减震下平缓、平稳落地，并为下次弹跳蓄力。

通过以上方法即可很好的控制机器人的弹跳、飞行及落地状态，保证机器人顺畅的运动。本方法中的控制部分可通过添加无线遥控模块、单片机控制器等来实现自动控制，达到更精准的运动控制。

如上所述即为本发明的实施例。前文所述为本发明的各个优选实施例，各个优选实施例中的优选实施方式如果不是明显自相矛盾或以某一优选实施方式为前提，各个优选实施方式都可以任意叠加组合使用，所述实施例以及实施例中的具体参数仅是为了清楚表述发明人的发明验证过程，并非用以限制本发明的专利保护范围，本发明的专利保护范围仍然以其权利要求书为准，凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人，其特征在于，该机器人主要由仿蝗虫结构部分和位于仿蝗虫结构部分内的机械传动系统部分组成；

所述仿蝗虫结构部分包括相对设置的左机身（13）和右机身（3），左机身（13）和右机身（3）之间通过机身连接架轴（42）和固定轴连接，所述左机身（13）和右机身（3）上端设置有后翅膀插轴支架（37）和前翅膀插轴支架（41），所述后翅膀插轴支架（37）连接有左翅下翼（14）和右翅上翼（1），所述前翅膀插轴支架（41）连接有左翅上翼（15）和右翅下翼（2），所述左机身（13）下端从前至后依次设置有左前腿（10）、左中腿（9）及左后腿（5），所述右机身（3）下端从前至后依次设置有右前腿（11）、右中腿（8）及右后腿（4）；所述左机身（13）和右机身（3）之间位于机身连接架轴（42）上端还连接有用于固定机械传动系统部分的传动固定机架（35）；

所述机械传动系统部分包括弹跳系统和扑翼系统；

所述弹跳系统包括拉伸弹簧储能模块、滑轮换向模块、凸轮调节啮合模块、一级减速模块及腿部二级不完全齿轮减速模块；

所述拉伸弹簧储能模块包括设置在左机身（13）和右机身（3）之间的弹簧支撑轴（34）和弹簧挂钩钉（40），左机身（13）和右机身（3）上均设置有腿部机身滑道（32），所述弹簧支撑轴（34）和弹簧挂钩钉（40）之间分别连接有左腿拉伸蓄力弹簧（36）和右腿拉伸蓄力弹簧（26），所述弹簧支撑轴（34）两端贯穿腿部机身滑道（32）后分别连接所述左后腿（5）和右后腿（4），左后腿（5）和右后腿（4）的端部通过卷簧分别连接有左脚掌（6）和右脚掌（43），且左后腿（5）和右后腿（4）的端部之间连接有后腿固定加强轴（19）；

滑轮换向模块包括转动连接在机身连接架轴（42）上的滑轮A（20）、转向滑轮B（21）、滑轮C（22）、绳索（7）及调节齿轮（29），绳索（7）一端与所述后腿固定加强轴（19）连接，另一端通过滑轮A（20）和转向滑轮B（21）缠绕连接在滑轮C（22）上形成转动连接，所述滑轮C（22）和调节齿轮（29）共轴连接；

凸轮调节啮合模块包括凸轮共轴电机（30）及与凸轮共轴电机（30）的输出轴连接的电机共轴凸轮（38）；该凸轮调节啮合模块还包括连接在滑轮C（22）和调节齿轮（29）之间的凸轮顶杆（39），凸轮顶杆（39）一端与电机共轴凸轮（38）高副连接，另一端与滑轮C（22）和调节齿轮（29）共轴的轴以转动副相连，所述滑轮C（22）和调节齿轮（29）共轴的轴设置在机身连接架轴（42）上；

一级减速模块包括齿轮共轴电机（27）及与齿轮共轴电机（27）连接的电机共轴齿轮（33），电机共轴齿轮（33）啮合有一级减速齿轮（24）；所述齿轮共轴电机（27）固定在传动固定机架（35）上，且一级减速齿轮（24）和传动固定机架（35）转动连接；

腿部二级不完全齿轮减速模块包括腿二级减速齿轮（31）、腿二级高速齿轮（28）及不完全齿轮（23），所述腿二级高速齿轮（28）和腿二级减速齿轮（31）相互啮合，所述不完全齿轮（23）与腿二级减速齿轮（31）同轴设置并可与所述调节齿轮（29）相互啮合，所述腿二级高速齿轮（28）与一级减速齿轮（24）同轴设置；所述腿二级高速齿轮（28）和不完全齿轮（23）均与传动固定机架（35）可转动连接；

所述扑翼系统通过一级减速齿轮（24）与所述弹跳系统共轴传动连接。

2.根据权利要求1所述的基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人，其特征在于，所述扑翼系统包括设置在传动固定机架（35）上的翼二级减速模块，翼二级减速模块包括翼第二高速齿轮（17）、翼二级减速齿轮右（16）、翼二级减速齿轮左（25），所述翼第二高速齿轮（17）与所述一级减速齿轮（24）共轴固定连接，所述翼二级减速齿轮右（16）与翼二级减速齿轮左（25）啮合，所述翼第二高速齿轮（17）与所述翼二级减速齿轮右（16）啮合带动翼二级减速齿轮左（25）转动；

所述后翅膀插轴支架（37）固定有左摇杆（44），左摇杆（44）与翼二级减速齿轮左（25）偏心可转动连接；

所述前翅膀插轴支架（41）固定有右摇杆（45），右摇杆（45）与翼二级减速齿轮右（16）偏心可转动连接。

3.根据权利要求2所述的基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人，其特征在于，所述翼第二高速齿轮（17）与翼二级减速齿轮右（16）的齿数比为9:40，传动比为4.4:1。

4.根据权利要求1所述的基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人，其特征在于，所述仿蝗虫结构部分还包括落地缓冲系统，落地缓冲系统包括前腿蓄力卷簧（12）和中腿蓄力卷簧（18）；所述左前腿（10）和右前腿（11）与左机身（13）或右机身（3）的连接处均设置所述前腿蓄力卷簧（12），所述左中腿（9）和右中腿（8）与左机身（13）或右机身（3）的连接处均设置所述中腿蓄力卷簧（18）。

5.根据权利要求1-4任一项所述的基于变胞机构的仿蝗虫飞行跳跃机器人，其特征在于，所述电机共轴齿轮（33）与一级减速齿轮（24）的齿数比为7:40，传动比为5.7:1；腿二级高速齿轮（28）与腿二级减速齿轮（31）的齿数比为9:40，传动比为4.4:1；腿二级减速齿轮（31）与不完全齿轮（23）的齿数比为40:40，传动比为1:1；不完全齿轮（23）与调节齿轮（29）的齿数比为40:20，传动比为1:2。

6.一种如权利要求1所述的仿蝗虫飞行跳跃机器人的飞行控制方法，其特征在于，该飞行控制方法包括弹跳耦合控制、飞行状态控制及落地耦合控制共三个步骤；

其中，

弹跳耦合控制：启动齿轮共轴电机（27）和凸轮共轴电机（30），凸轮共轴电机（30）带动电机共轴凸轮（38）旋转，电机共轴凸轮（38）直径最大的轮廓旋转到与凸轮顶杆（39）面接触时，凸轮顶杆（39）顶起滑轮C（22）和调节齿轮（29），使调节齿轮（29）和不完全齿轮（23）的有齿部分啮合，此时滑轮A（20）拉动绳索（7）使绳索缠绕在滑轮C（22）上，绳索（7）在转向滑轮B（21）换向作用下拉动机器人后腿固定加强轴（19），弹簧支撑轴（34）带动左腿拉伸蓄力弹簧（36）和右腿拉伸蓄力弹簧（26）拉伸，当不完全齿轮（23）的有齿部分和调节齿轮（29）啮合完毕时，左腿拉伸蓄力弹簧（36）和右腿拉伸蓄力弹簧（26）拉伸到最长，达到最大蓄力状态；电机共轴凸轮（38）继续旋转，不完全齿轮（23）的无齿部分逐步与调节齿轮（29）进入啮合调节齿轮失去啮合力，左腿拉伸蓄力弹簧（36）和右腿拉伸蓄力弹簧（26）迅速恢复原形从而拉回绳索（7），左后腿（5）和右后腿（4）在左腿拉伸蓄力弹簧（36）和右腿拉伸蓄力弹簧（26）释放的弹簧力作用下弹起，机器人弹跳离地；

所述齿轮共轴电机（27）和凸轮共轴电机（30）同步运转，左翅下翼（14）、右翅上翼（1）、左翅上翼（15）和右翅下翼（2）在齿轮共轴电机（27）带动下同步扑动；

飞行状态控制：机器人弹跳离地后凸轮共轴电机（30）和齿轮共轴电机（27）继续运转，当电机共轴凸轮（38）直径最小处的轮廓和凸轮顶杆（39）面接触时，控制凸轮共轴电机（30）停止运转，此时调节齿轮（29）和不完全齿轮（23）脱离啮合，齿轮共轴电机（27）持续运转带动左翅下翼（14）、右翅上翼（1）、左翅上翼（15）和右翅下翼（2）同步扑动；

落地耦合控制：机器人降落之前，开启凸轮共轴电机（30）带动电机共轴凸轮（38）运转，电机共轴凸轮（38）轮廓最大直径处于最高位置并完全接触凸轮顶杆（39），凸轮顶杆顶起滑轮C（22）和调节齿轮（29），此时不完全齿轮（23）和调节齿轮（29）处于啮合状态，从不完全齿轮（23）的有齿部分啮合结束到无齿部分啮合之前，左腿拉伸蓄力弹簧（36）和右腿拉伸蓄力弹簧（26）被拉伸，凸轮共轴电机（30）停止运转，齿轮共轴电机（27）继续运转，左后腿（5）和右后腿（4）拉伸到最大，左翅下翼（14）、右翅上翼（1）、左翅上翼（15）和右翅下翼（2）在齿轮共轴电机（27）扑动，降低阻力，机器人降落时在左腿拉伸蓄力弹簧（36）和右腿拉伸蓄力弹簧（26）减震下平缓、平稳落地，并为下次弹跳蓄力。