CN107021143A - 仿蝗虫跳跃机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了仿蝗虫跳跃机器人，其能解决现有的仿生弹跳机器人跳跃高度为定值，难以做到对跳跃高度实现控制，并且耗能高的技术问题。其技术方案是这样的，其包括机体，机体设有前腿支撑、后腿起跳机构、能量储存装置、控制装置和电源，能量储存装置包括第一弹簧和第一电机，控制装置与电源、第一电机电控连接，其特征在于：能量储存装置还包括导轨、滑块和螺杆，导轨与机体固定连接、并沿机体的前后方向布置，滑块与导轨滑动连接，螺杆贯穿滑块、并与滑块螺纹连接，电机固定于机体、并带动螺杆转动，第一弹簧一端连接后腿起跳机构、其另一端连接滑块。
Description
技术领域
本发明涉及仿生弹跳机器人领域，具体涉及仿蝗虫跳跃机器人。
背景技术
现有的仿蛙形、跳蚤或蝗虫的弹跳机器人利用电机驱动、弹簧蓄能的方式实现跳跃。弹簧蓄能具有结构简单、易于小型化等优点。其中，单足弹跳机器人相对较好的实现了跳跃功能，而多足弹跳机器人的跳跃功能主要是用来作为实现小跑步态的必须条件，所以跳跃的高度十分有限。美国国家航空宇航局（NASA）喷气动力实验室（JPL）与加利福尼亚技术学院联合研制了一种蛙形弹跳机器人，用于解决星际探索中漫游车在崎岖的地形地貌下活动范围有限的问题，弹跳机器人重1.3公斤，一个驱动电机由太阳能电池供电，自带嵌入式控制系统，配有微型摄像机及各种传感器用于采集外界信息，最大跳跃高度可达在火星上预计可达5～6米。NASA的蛙形弹跳机器人，当弹簧被压缩到一定程度时，锁紧装置被触发，弹簧瞬间释放带动整个机构跃起，由于弹簧每次的压缩量为定值，即用以驱动蛙形弹跳机器人的弹性势能均为定值，因此跳跃高度也为定值，难以做到对跳跃高度实现控制，耗能高。
发明内容
本发明提供了仿蝗虫跳跃机器人，其能解决现有的仿生弹跳机器人跳跃高度为定值，难以做到对跳跃高度实现控制，并且耗能高的技术问题。
其技术方案是这样的，其包括机体，所述机体设有前腿支撑、后腿起跳机构、能量储存装置、控制装置和电源，所述能量储存装置包括第一弹簧和第一电机，所述控制装置与所述电源、所述第一电机电控连接，其特征在于：
所述能量储存装置还包括导轨、螺杆和滑块，所述导轨与所述机体固定连接、并沿所述机体的前后方向布置，所述螺杆固定于所述机体、并与所述导轨平行设置，所述滑块与所述导轨滑动连接、并与所述螺杆螺纹连接，所述电机固定于所述机体、并带动所述螺杆转动，所述第一弹簧一端连接所述后腿起跳机构、其另一端连接所述滑块。
进一步的，所述前腿支撑包括板状的前腿，所述前腿固定于所述机体前端、并与地面成60°夹角。
进一步的，所述后腿起跳机构包括由大腿、小腿、支撑杆和第一连接部，所述机体左右两侧各设有一组依次铰接的小腿、支撑杆和第一连接部，所述支撑杆的上端与小腿的中部铰接，所述第一连接部与所述机体固定连接，所述机体上侧设有一大腿，所述大腿上端通过第一连接轴与所述机体两侧的小腿的上端铰接、其下端通过第二连接轴与所述机体两侧的第一连接部的上端铰接，所述第一弹簧一端连接所述大腿的上端部位。
更进一步的，所述支撑杆与小腿的铰接处的转轴孔位于小腿整体杆长的4/15处。
更进一步的，所述大腿、小腿、支撑杆和第一连接部的长度比例为7:15:7:3。
进一步的，所述第一电机固定于所述机体的后端下侧，所述第一电机的转轴端部固定有第一齿轮，所述螺杆的后端固定有第二齿轮，所述第一齿轮与所述第二齿轮啮合。
进一步的，所述机器人还包用于将第一弹簧的弹性势能释放供后腿起跳机构蹬地的能量释放装置。
更进一步的，所述能量释放装置包括棘轮、棘爪、第二弹簧、拨杆和第二电机，所述棘轮固定于所述大腿的下端、并套接于所述第二连接轴，所述棘爪包括依次连接的爪部、孔部和拨动部，所述爪部连接第二弹簧、并能在第二弹簧的作用下与所述棘轮啮合，所述孔部套接于第三连接轴上，所述第三连接轴固定于所述机体，所述拨动部的前端位于所述拨杆的旋转半径内，所述拨杆固定于所述第二电机的转轴端部，所述第二电机固定于所述机体。
进一步的，所述机器人还包括用于将后腿起跳机构复位的复位机构。
更进一步的，所述复位机构包括推杆，所述推杆设置于所述滑块上、并通过所述滑块带动以向前抵靠所述大腿。
本发明的仿蝗虫跳跃机器人，通过控制装置对第一电机的控制，将滑块定位于导轨不同位置，使得弹簧具有不同的伸长量，具有不同的弹性势能，进而实现仿生弹跳机器人跳跃高度可控，同时，能够适应不同环境进行合理弹跳，能耗低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1另一视角的结构示意图。
图3为能量储存装置的结构示意图。
图4为能量释放装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细的描述。
如图1~图4所示，其包括机体10，机体10设有前腿支撑20、后腿起跳机构30、能量储存装置40、控制装置和电源，能量储存装置40包括第一弹簧41和第一电机42，控制装置与电源、第一电机42电控连接，其特征在于：
能量储存装置40还包括导轨45、螺杆43和滑块44，导轨45与机体10固定连接、并沿机体10的前后方向布置，螺杆43固定于机体10、并与导轨45平行设置，滑块44与导轨45滑动连接、并与螺杆43螺纹连接，电机固定于机体10、并带动螺杆43转动，第一弹簧41一端连接后腿起跳机构30、其另一端连接滑块44。
前腿支撑20包括板状的前腿21，前腿21固定于机体10前端、并与地面成60°夹角。
后腿起跳机构30包括由大腿31、小腿32、支撑杆33和第一连接部34，机体10左右两侧各设有一组依次铰接的小腿32、支撑杆33和第一连接部34，支撑杆33的上端与小腿32的中部铰接，第一连接部与机体10固定连接，该实施例中，第一连接部34为一体成型于机体10的左右两侧壁，机体10上侧设有一大腿31，大腿31上端通过第一连接轴35与机体10两侧的小腿32的上端铰接、其下端通过第二连接轴36与机体10两侧的第一连接部34的上端铰接，第一弹簧41一端连接大腿31的上端部位；通过一个大腿同步带动机体两侧的小腿运动，不仅结构简单，而且提高两小腿运动的同步性，进而提高机器人的起跳稳定性和落地的稳定性。
优选地，支撑杆33与小腿32的铰接处的转轴孔位于小腿32整体杆长的4/15处；大腿31、小腿32、支撑杆33和第一连接部34的长度比例为7:15:7:3，其中，由于第一连接部34一体成型于机体10的左右两侧壁，其长度具体是指与大腿31、支撑杆33配合的两铰接孔的中心连线距离。
第一电机42固定于机体10的后端下侧，能够降低中心，进一步提高机器人的起跳稳定性和落地的稳定性；第一电机42的转轴端部固定有第一齿轮46，螺杆43的后端固定有第二齿轮47，第一齿轮46与第二齿轮47啮合。
机器人还包括用于将第一弹簧41的弹性势能释放供后腿起跳机构30蹬地的能量释放装置50，能量释放装置50包括棘轮55、棘爪53、第二弹簧54、拨杆52和第二电机51，棘轮55固定于大腿31的下端、并套接于第二连接轴36，棘爪53包括依次连接的爪部531、孔部532和拨动部533，爪部531连接第二弹簧54、并能在第二弹簧54的作用下与棘轮55啮合，孔部532套接于第三连接轴56上，第三连接轴56固定于机体10，拨动部533的前端位于拨杆52的旋转半径内，拨杆52固定于第二电机51的转轴端部，第二电机51固定于机体10。
机器人还包括用于将后腿起跳机构复位的复位机构60；复位机构60包括推杆61，推杆61设置于滑块44上、并通过滑块44带动以向前抵靠大腿31，推杆61的上端设有滚轮62。
本发明的工作过程如下：
a、由控制装置根据实际环境给予第一电机信号指令，第一电机带动第一齿轮、第二齿轮从而带动螺杆旋转，进而移动滑块，拉动第一弹簧，在此过程中，棘爪卡住棘轮，从而限制大腿的转动，实现能量的储存，根据跳跃需要，控制滑块的移动距离即控制弹簧的长度，实现对跳跃高度的精确控制。
b、当滑块到达预定位置时，第一电机停止转动，自锁，防止在外力的作用下反转。
c、第二电机转动，带动拨杆，拉动棘爪的末端，从而使棘爪前端抬起，将大腿瞬间释放，带动小腿、支撑杆快速运动，小腿末端急蹬底面，实现起跳。
d、当机器人着陆后，棘爪卡住棘轮，第一电机反转，带动滑块反向移动，推杆与大腿内侧接触并将大腿推起，以便于再次起跳。
跳跃机器人除了具有一般跳跃机器人可以跨越障碍，躲避危险等优点外，还具有运动灵活、地面适应能力强的特点，因此在许多领域具有广泛的应用前景：星际科考中作为载体，搭载相关设施进行考察。本发明在科学考察、国防应用中起着重要作用，其高效性、可靠性都非常具有现实意义。
Claims (10)
1.仿蝗虫跳跃机器人，其包括机体（10），所述机体（10）设有前腿支撑（20）、后腿起跳机构（30）、能量储存装置（40）、控制装置和电源，所述能量储存装置（40）包括第一弹簧（41）和第一电机（42），所述控制装置与所述电源、所述第一电机（42）电控连接，其特征在于：
所述能量储存装置（40）还包括导轨（45）、螺杆（43）和滑块（44），所述导轨（45）与所述机体（10）固定连接、并沿所述机体（10）的前后方向布置，所述螺杆（43）固定于所述机体（10）、并与所述导轨（45）平行设置，所述滑块（44）与所述导轨（45）滑动连接、并与所述螺杆（43）螺纹连接，所述电机固定于所述机体（10）、并带动所述螺杆（43）转动，所述第一弹簧（41）一端连接所述后腿起跳机构（30）、其另一端连接所述滑块（44）。
2.根据权利要求1所述的仿蝗虫跳跃机器人，其特征在于：所述前腿支撑（20）包括板状的前腿（21），所述前腿（21）固定于所述机体（10）前端、并与地面成（60）°夹角。
3.根据权利要求1所述的仿蝗虫跳跃机器人，其特征在于：所述后腿起跳机构（30）包括由大腿（31）、小腿（32）、支撑杆（33）和第一连接部（34），所述机体（10）左右两侧各设有一组依次铰接的小腿（32）、支撑杆（33）和第一连接部（34），所述支撑杆（33）的上端与小腿（32）的中部铰接，所述第一连接部与所述机体（10）固定连接，所述机体（10）上侧设有一大腿（31），所述大腿（31）上端通过第一连接轴（35）与所述机体（10）两侧的小腿（32）的上端铰接、其下端通过第二连接轴（36）与所述机体（10）两侧的第一连接部（34）的上端铰接，所述第一弹簧（41）一端连接所述大腿（31）的上端部位。
4.根据权利要求3所述的仿蝗虫跳跃机器人，其特征在于：所述支撑杆（33）与小腿（32）的铰接处的转轴孔位于小腿（32）整体杆长的4/15处。
5.根据权利要求4所述的仿蝗虫跳跃机器人，其特征在于：所述大腿（31）、小腿（32）、支撑杆（33）和第一连接部（34）的长度比例为7:15:7:3。
6.根据权利要求1所述的仿蝗虫跳跃机器人，其特征在于：所述第一电机（42）固定于所述机体（10）的后端下侧，所述第一电机（42）的转轴端部固定有第一齿轮（46），所述螺杆（43）的后端固定有第二齿轮（47），所述第一齿轮（46）与所述第二齿轮（47）啮合。
7.根据权利要求1所述的仿蝗虫跳跃机器人，其特征在于：所述机器人还包括用于将第一弹簧（41）的弹性势能释放供后腿起跳机构（30）蹬地的能量释放装置（50）。
8.根据权利要求7所述的仿蝗虫跳跃机器人，其特征在于：所述能量释放装置（50）包括棘轮（55）、棘爪（53）、第二弹簧（54）、拨杆（52）和第二电机（51），所述棘轮（55）固定于所述大腿（31）的下端、并套接于所述第二连接轴（36），所述棘爪（53）包括依次连接的爪部（531）、孔部（532）和拨动部（533），所述爪部（531）连接第二弹簧（54）、并能在第二弹簧（54）的作用下与所述棘轮（55）啮合，所述孔部（532）套接于第三连接轴（56）上，所述第三连接轴（56）固定于所述机体（10），所述拨动部（533）的前端位于所述拨杆（52）的旋转半径内，所述拨杆（52）固定于所述第二电机（31）的转轴端部，所述第二电机（51）固定于所述机体（10）。
9.根据权利要求1所述的仿蝗虫跳跃机器人，其特征在于：所述机器人还包括用于将后腿起跳机构复位的复位机构（60）。
10.根据权利要求9所述的仿蝗虫跳跃机器人，其特征在于：所述复位机构（60）包括推杆（61），所述推杆（61）设置于所述滑块（44）上、并通过所述滑块（44）带动以向前抵靠所述大腿（31），推杆（61）的上端设有滚轮（62）。
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