CN107757742B - 连续旋转驱动直线弹射机构及其多面体机器人与运动方法 - Google Patents
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Abstract
一种连续旋转驱动直线弹射机构及其多面体机器人与运动方法，属于机器人技术应用领域。该直线弹射机构包括压缩杆(c11)、弹簧(d11)、套筒(e11)、舵机(g11)、电池(h11)、连接管(i11)、异型槽轮(j11)、槽滑动杆(k11)、槽滑动套(m11)、螺钉(n11)、控制部件(p11)、绳(q11)。若干直线弹射机构安装于多孔球（a）上形成多面体机器人。该多面体机器人具有较强的运动稳定性、满足自然环境下非结构地形表面自适应要求，抗倾覆能力、全方位行进能力，可作为自然环境下的全地形越野移动平台。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术应用领域，具体涉及一种连续旋转驱动直线弹射机构及其多面体机器人与运动方法，主要作为自然环境下的全地形越野移动平台。
背景技术
适应各种地面环境的机器人是当今机器人研究领域最为前沿的课题之一，它集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术及人工智能等多门学科于一体，反映了一个国家的智能化和自动化研究水平，同时也作为一个国家高科技实力的重要标志，各发达国家在该领域相继投入巨资开展研究。
足式机器人能够实现复杂地面爬坡，可调整前后端高低体位运动相结合的方式，满足更大坡度的山地环境运动要求，增强了山地环境运动的适应性，但同时足式机器人行进速度低，由于重心原因容易侧翻，不稳定。球形机器人拥有较强的抗倾覆能力，但爬坡能力较差。如何能将足式与球形机器人的优势集中，弥补各自缺点是一个急待解决的研究问题。
比较国内外较为著名的与球形机器人。挪威的设计球形机器人MorpHex(http://thefutureofthings.com/4799-morphex-rolling-walking-6-legged-robot/)，其设计新颖，MorpHex拥有两种形态：球式和足式。在球式状态时以滚动前进，在足式状态时以六足爬行。但是MorpHex不同时具备全向行进能力，无法实现跳跃运动。由Orbotix公司设计的球形机器人sphero(https://baike.baidu.com/item/Sphero)利用两个独立控制的橡胶镶边轮毂内的引导和推动，球速度可达每秒1.2米。但sphero仍然存在爬坡能力较差的问题。LG公司推出的家居球形机器人rolling bot(http://www.pcpop.com/doc/2/2635/2635470.shtml)，实际通过两个半圆轮子行走，所以rolling bot不具备全向行进能力。日本研究者最近研究的可投掷机器人QRoSS(https://baike.baidu.com/item/QRoSS？fr＝aladdin)采用壳与机械腿结合的方式行进，QRoSS的重量为2.5千克，直径约30厘米，但QRoSS的各机械腿只是平面分布。加州大学圣地亚哥分校的研究人员设计了一个专门用于攀爬管道的机器人DuCTT(http://ieeexplore.ieee.org/document/6907473/？reload＝true)，该机器人由两个四面体组成。机器人在进行管道攀爬的时候，其上半部分靠在管道两侧起到支撑作用，然后将它的下半部分拉起来，然后固定下半部分，将上半部分支撑上去，只要重复这个过程，机器人就能够达到它想到达的任意高度。DuCTT只能沿管道行进，不具备全向行进能力。
综上所述，单一的足、球机器人功能有限，而与基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人具有相似的运动方式尚未报道过，也并未开展过研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续旋转驱动直线弹射机构及其多面体机器人与运动方法。该多面体机器人具有较强的运动稳定性、满足自然环境下非结构地形表面自适应要求，抗倾覆能力、全方位行进能力，可作为自然环境下的全地形越野移动平台。
一种基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人，其特征在于:包括压缩杆、弹簧、套筒、舵机、电池、连接管、异型槽轮、槽滑动杆、槽滑动套、螺钉、控制部件、绳。其中压缩杆与弹簧放置于套筒中，且弹簧位于压缩杆与套筒之间；套筒的底端和连接管的底端分别固定于舵机左、右两侧；电池与控制部件分别固定于舵机前、后两侧。异型槽轮位于舵机上方，且与舵机的输出轴固定；异型槽轮设置有上下贯通的异型槽，槽滑动杆从异型槽轮下侧置于异型槽中，槽滑动套从异型槽轮上侧插入，并通过螺钉与槽滑动杆一起固定于异型槽中；绳一端系在槽滑动套上，另一端系在压缩杆的顶端开孔处。所述的异型槽结构如下：定义异型槽第一端为N点，异型槽第二端为S点，异型槽轮与舵机的输出轴固定在舵机带动下旋转,异型槽轮11)的旋转中心为O点；其中点N、点O、点S在同一直线上；异型槽的形状成波浪形，它由靠近N点的第一段弧线和靠近S点的第二段弧线组成；其中O点位于第一段弧线的凹侧方。
一种基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人，其特征在于:包括若干连续旋转驱动直线弹射机构和具有若干安装孔的多孔球；连续旋转驱动直线弹射机构的连接管的顶端安装于多孔球的安装孔内；压缩杆的顶端即为机器人的足端。
一种基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人的运动方法，其特征在于:当异型槽第一端靠近直线弹射机构足端，槽滑动套位于异型槽第一端，且异型槽第一端与异型槽第二端连线与直线弹射机构运动方向平行时，直线弹射机构处于前半周期起始状态A，压缩杆处于最大伸长状态；舵机逆时针旋转带动异型槽轮逆时针转动，异型槽轮通过系在槽滑动套上的绳拉动压缩杆向舵机方向运动，同时弹簧压缩储能；当异型槽第二端靠近直线弹射机构足端、槽滑动套位于异型槽第一端，且异型槽第一端与异型槽第二端连线与直线弹射机构运动方向平行时，直线弹射机构处于前半周期最大储能状态B；异型槽轮继续稍稍逆时针旋转,压缩杆被弹簧立即弹出完成一次直线弹射后，异型槽第二端靠近直线弹射机构足端,槽滑动套位于异型槽第二端,直线弹射机构处于后半周期起始状态C，压缩杆处于最大伸长状态；舵机逆时针旋转带动异型槽轮逆时针转动，异型槽轮通过系在槽滑动套上的绳拉动压缩杆向舵机方向运动，同时弹簧压缩储能；当异型槽第一端靠近直线弹射机构足端、槽滑动套位于异型槽第二端且异型槽第一端与异型槽第二端连线与直线弹射机构运动方向平行时，直线弹射机构处于后半周期最大储能状态D；异型槽轮继续稍稍逆时针旋转,压缩杆被弹簧立即弹出完成一次直线弹射后，异型槽第一端(N)靠近直线弹射机构足端,槽滑动套位于异型槽第一端,直线弹射机构处于前半周期起始状态A，压缩杆处于最大伸长状态；舵机完成一个周期的一周逆时针旋转运动，实现直线弹射机构的两次储能弹射运动。
一种基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人，其特征在于:多孔球的安装孔的轴向呈现空间对称均匀分布，所有安装孔的轴向均汇聚于多孔球中心。
直线弹射机构由相互独立的舵机驱动控制，根据多面体机器人运动要求，调控相应直线弹射机构中舵机旋转角度，精确控制直线弹射机构作用时间，实现多面体机器人滚动、跳跃的全方位行进功能，抗倾覆能力强，具有较强的运动稳定性，能够满足自然环境下非结构地形表面自适应要求。
共有n个连续旋转驱动直线弹射机构，多孔球共有n个安装孔；多孔球的中心与正n面体中心重合；多孔球的安装孔的轴向与正n面体中心和各顶点连线重合；其中n为4或8,该结构便于运动控制。
直线弹射机构不仅可应用于多面体机器人中，还可应用于其他间歇储能与瞬间弹射的任何机构传动中，具有广泛的应用前景。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、本发明能够实现多面体机器人在崎岖不平的路面上有效减震，使重心的运动轨迹呈现一条相对平稳曲线。
2、本发明的结构简单、运动原理清晰、运动实现方便，可使多面体机器人适应不同环境的崎岖或光滑路面。
3、本发明设计巧妙可以组成多种形态机器人，适应不同工作需求。
4、本发明的基于连续旋转驱动直线弹射机构，设计巧妙且新奇，可以将电机的连续转动转化为伸缩杆的间隙储能弹射，为多面体机器人滚动、弹跳提供动力。
5、本发明采用空间几何原理，实现伸缩杆对称分布，使多面体机器人具有较强的运动稳定性。
6、本发明巧妙地将足式与多面体结合，使多面体机器人同时具有抗倾覆能力及全方位行进能力。
7、本发明的结构巧妙、体积小、重量轻、加工方便、经济可行，可为自然环境下的全地形越野移动平台提供解决方案。
附图说明：
图1是本发明一种四伸缩杆组成的基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人
图2是本发明一种八伸缩杆组成的基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人
图3是本发明一种十四伸缩杆组成的基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人
图4是本发明一种基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人分解示意图
图5是本发明一种基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人直线弹射机构分解示意图
图6是本发明一种基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人直线弹射机构前半周期起始状态A示意图
图7是本发明一种基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人直线弹射机构前半周期最大储能状态B示意图
图8是本发明一种基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人直线弹射机构后半周期起始状态C示意图
图9是本发明一种基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人直线弹射机构后半周期最大储能状态D示意图
图1-9中标号名称：压缩杆c11、弹簧d11、套筒e11、连接件f11、舵机g11、电池h11、连接管i11、异型槽轮j11、槽滑动杆k11、槽滑动套m11、螺钉n11、控制部件p11、绳q11、电池固定板r11、控制部件固定板s11、异型槽t11、异型槽第一端N、异型槽第二端S、异型槽轮盘旋转中心O。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明：
具体实施一：
结合图1，图4和图5，本实例为一种基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人。
包括多孔球a、直线弹射机构b1，其中多孔球a中有4个孔，其轴向与正四面体中心和各顶点连线方向相重合，且多孔球a中心与正四面体中心重合。
沿多孔球a的4个开孔方向布置相同的4个直线弹射机构b1；每个直线弹射机构b1，包括压缩杆c11、弹簧d11、套筒e11、连接件f11、舵机g11、电池h11、连接管i11、异型槽轮j11、槽滑动杆k11、槽滑动套m11、螺钉n11、控制部件p11、绳q11、电池固定板r11、控制部件固定板s11、异型槽t11。
结合图5，压缩杆c11与弹簧d11放置于套筒e11中，且弹簧d11位于压缩杆c11与套筒e11之间。套筒e11与连接件f11固定，连接件f11的底端和连接管i11的底端分别固定于舵机g11左、右两侧；电池h11与电池固定板r11连接，控制部件p11与控制部件固定板s11连接，电池固定板r11与控制部件固定板s11分别固定于舵机前、后两侧；连接管i11另一端插入多孔球a的孔中，并与之固定。异型槽轮j11位于舵机g11上方，且与舵机g11的输出轴固定；槽滑动杆k11从异型槽轮j11下侧置于异型槽t11中，槽滑动套m11从异型槽轮j11上侧插入，并通过螺钉n11与槽滑动杆k11一起固定于异型槽t11中；绳q11一端系在槽滑动套m11上，另一端系在压缩杆c11的顶端开孔处。
具体实施二：
结合图2，图4和图5，本实例为一种基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人。
包括多孔球a、直线弹射机构b1，其中多孔球a中有8个孔，其轴向与正方体中心和各顶点连线方向相重合，且多孔球a中心与正方体中心重合。
沿多孔球a的个开孔方向布置相同的个直线弹射机构b1；每个直线弹射机构b1，包括压缩杆c11、弹簧d11、套筒e11、连接件f11、舵机g11、电池h11、连接管i11、异型槽轮j11、槽滑动杆k11、槽滑动套m11、螺钉n11、控制部件p11、绳q11、电池固定板r11、控制部件固定板s11、异型槽t11。
结合图5，压缩杆c11与弹簧d11放置于套筒e11中，且弹簧d11位于压缩杆c11与套筒e11之间。套筒e11与连接件f11固定，连接件f11的底端和连接管i11的底端分别固定于舵机g11左、右两侧；电池h11与电池固定板r11连接，控制部件p11与控制部件固定板s11连接，电池固定板r11与控制部件固定板s11分别固定于舵机前、后两侧；连接管i11另一端插入多孔球a的孔中，并与之固定。异型槽轮j11位于舵机g11上方，且与舵机g11的输出轴固定；槽滑动杆k11从异型槽轮j11下侧置于异型槽t11中，槽滑动套m11从异型槽轮j11上侧插入，并通过螺钉n11与槽滑动杆k11一起固定于异型槽t11中；绳q11一端系在槽滑动套m11上，另一端系在压缩杆c11的顶端开孔处。
具体实施三：
结合图3，图4和图5，本实例为一种基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人。
包括多孔球a、直线弹射机构b1，其中多孔球a中有14个孔，其中8个孔的轴向与正方体中心和各顶点连线方向相重合，另外6个孔的轴向与正方体6个面中心和正方体中心连线方向相重合，且多孔球a中心与正方体中心相重合。
沿多孔球a的4个开孔方向布置相同的4个直线弹射机构b1；每个直线弹射机构b1，包括压缩杆c11、弹簧d11、套筒e11、连接件f11、舵机g11、电池h11、连接管i11、异型槽轮j11、槽滑动杆k11、槽滑动套m11、螺钉n11、控制部件p11、绳q11、电池固定板r11、控制部件固定板s11、异型槽t11。
结合图5，压缩杆c11与弹簧d11放置于套筒e11中，且弹簧d11位于压缩杆c11与套筒e11之间。套筒e11与连接件f11固定，连接件f11的底端和连接管i11的底端分别固定于舵机g11左、右两侧；电池h11与电池固定板r11连接，控制部件p11与控制部件固定板s11连接，电池固定板r11与控制部件固定板s11分别固定于舵机前、后两侧；连接管i11另一端插入多孔球a的孔中，并与之固定。异型槽轮j11位于舵机g11上方，且与舵机g11的输出轴固定；槽滑动杆k11从异型槽轮j11下侧置于异型槽t11中，槽滑动套m11从异型槽轮j11上侧插入，并通过螺钉n11与槽滑动杆k11一起固定于异型槽t11中；绳q11一端系在槽滑动套m11上，另一端系在压缩杆c11的顶端开孔处。
结合图6、图7、图8和图9，本实例为一种基于连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人直线弹射机构的运动原理。定义异型槽t11结构如下：定义异型槽第一端为N点，异型槽第二端为S点，异型槽轮盘转心为O点；其中点N、点O、点S在同一直线上；异型槽的形状成波浪形，它由靠近N点的第一段弧线和靠近S点的第二段弧线组成；其中O点位于第一段弧线的凹侧方。
所述的异型槽t11包括异型槽第一端N、异型槽第二端S。当异型槽第一端N靠近直线弹射机构b1足端，槽滑动套m11位于异型槽第一端N，且异型槽第一端N与异型槽第二端S连线与直线弹射机构b1运动方向平行时，直线弹射机构b1处于前半周期起始状态A，压缩杆c11处于最大伸长状态。舵机g11逆时针旋转带动异型槽轮j11逆时针转动，异型槽轮j11通过系在槽滑动套m11上的绳q11拉动压缩杆c11向舵机g11方向运动，同时弹簧d11压缩储能。当异型槽第二端S靠近直线弹射机构b1足端、槽滑动套m11位于异型槽第一端N，且异型槽第一端N与异型槽第二端S连线与直线弹射机构b1运动方向平行时，直线弹射机构b1处于前半周期最大储能状态B。异型槽轮j11继续稍稍逆时针旋转,压缩杆c11被弹簧d11立即弹出完成一次直线弹射后，异型槽第二端S靠近直线弹射机构b1足端,槽滑动套m11位于异型槽第二端S,直线弹射机构b1处于后半周期起始状态C，压缩杆c11处于最大伸长状态。舵机g11逆时针旋转带动异型槽轮j11逆时针转动，异型槽轮j11通过系在槽滑动套m11上的绳q11拉动压缩杆c11向舵机g11方向运动，同时弹簧d11压缩储能。
当异型槽第一端N靠近直线弹射机构b1足端、槽滑动套m11位于异型槽第二端S且异型槽第一端N与异型槽第二端S连线与直线弹射机构b1运动方向平行时，直线弹射机构b1处于后半周期最大储能状态D。
异型槽轮j11继续稍稍逆时针旋转,压缩杆c11被弹簧d11立即弹出完成一次直线弹射后，异型槽第一端N靠近直线弹射机构b1足端,槽滑动套m11位于异型槽第一端N,直线弹射机构b1处于前半周期起始状态A，压缩杆c11处于最大伸长状态。
舵机g11完成一个周期的一周逆时针旋转运动，实现直线弹射机构b1的两次储能弹射运动。
直线弹射机构b1由相互独立的舵机g11驱动控制，根据多面体机器人运动要求，调控相应直线弹射机构b1中舵机g11旋转角度，精确控制直线弹射机构b1作用时间，以此类推，相同的工作原理应用于其他直线弹射机构时，可实现多面体机器人滚动、跳跃的全方位行进功能，抗倾覆能力强，具有较强的运动稳定性，能够满足自然环境下非结构地形表面自适应要求。
Claims (5)
1.一种连续旋转驱动直线弹射机构，其特征在于：
包括压缩杆(c11)、弹簧(d11)、套筒(e11)、舵机(g11)、电池(h11)、连接管(i11)、异型槽轮(j11)、槽滑动杆(k11)、槽滑动套(m11)、螺钉(n11)、控制部件(p11)、绳(q11)；
其中压缩杆(c11)与弹簧(d11)放置于套筒(e11)中，且弹簧(d11)位于压缩杆(c11)与套筒(e11)之间；套筒(e11)的底端和连接管(i11)的底端分别固定于舵机(g11)左、右两侧；电池(h11)与控制部件(p11)分别固定于舵机前、后两侧；
异型槽轮(j11)位于舵机(g11)上方，且与舵机(g11)的输出轴固定；异型槽轮(j11)设置有上下贯通的异型槽（t11），槽滑动杆(k11)从异型槽轮(j11)下侧置于异型槽(t11)中，槽滑动套(m11)从异型槽轮(j11)上侧插入，并通过螺钉(n11)与槽滑动杆(k11)一起固定于异型槽(t11)中；
绳(q11)一端系在槽滑动套(m11)上，另一端系在压缩杆(c11)的顶端开孔处；
异型槽(t11)结构如下：定义异型槽第一端为N点，异型槽第二端为S点，异型槽轮(j11)与舵机(g11)的输出轴固定在舵机(g11)带动下旋转,异型槽轮(j11)的旋转中心为O点；其中点N、点O、点S在同一直线上；异型槽的形状成波浪形，它由靠近N点的第一段弧线和靠近S点的第二段弧线组成；其中O点位于第一段弧线的凹侧方。
2.基于权利要求1所述的连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人，其特征在于：
包括若干连续旋转驱动直线弹射机构（b1）和具有若干安装孔的多孔球（a）；连续旋转驱动直线弹射机构（b1）的连接管(i11)的顶端安装于多孔球（a）的安装孔内；压缩杆(c11)的顶端即为机器人的足端。
3.根据权利要求2所述的连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人，其特征在于：
多孔球（a）的安装孔的轴向呈现空间对称均匀分布，所有安装孔的轴向均汇聚于多孔球（a）中心。
4.根据权利要求2所述的连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人，其特征在于：
共有n个连续旋转驱动直线弹射机构（b1），多孔球（a）共有n个安装孔；
多孔球的中心与正n面体中心重合；多孔球的安装孔的轴向与正n面体中心和各顶点连线重合；其中n为4或8。
5.权利要求2所述的连续旋转驱动直线弹射机构的多面体机器人的运动方法，其特征在于：
当异型槽第一端(N)靠近直线弹射机构(b1)足端，槽滑动套(m11)位于异型槽第一端(N)，且异型槽第一端(N)与异型槽第二端(S)连线与直线弹射机构(b1)运动方向平行时，直线弹射机构(b1)处于前半周期起始状态A，压缩杆(c11)处于最大伸长状态；
舵机(g11)逆时针旋转带动异型槽轮(j11)逆时针转动，异型槽轮(j11)通过系在槽滑动套(m11)上的绳(q11)拉动压缩杆(c11)向舵机(g11)方向运动，同时弹簧(d11)压缩储能；
当异型槽第二端(S)靠近直线弹射机构(b1)足端、槽滑动套(m11)位于异型槽第一端(N)，且异型槽第一端(N)与异型槽第二端(S)连线与直线弹射机构(b1)运动方向平行时，直线弹射机构(b1)处于前半周期最大储能状态B；
异型槽轮(j11)继续稍稍逆时针旋转,压缩杆(c11)被弹簧(d11)立即弹出完成一次直线弹射后，异型槽第二端(S)靠近直线弹射机构(b1)足端, 槽滑动套(m11)位于异型槽第二端(S),直线弹射机构(b1)处于后半周期起始状态C，压缩杆(c11)处于最大伸长状态；
舵机(g11)逆时针旋转带动异型槽轮(j11)逆时针转动，异型槽轮(j11)通过系在槽滑动套(m11)上的绳(q11)拉动压缩杆(c11)向舵机(g11)方向运动，同时弹簧(d11)压缩储能；
当异型槽第一端 (N)靠近直线弹射机构(b1)足端、槽滑动套(m11)位于异型槽第二端(S)且异型槽第一端(N)与异型槽第二端(S)连线与直线弹射机构(b1)运动方向平行时，直线弹射机构(b1)处于后半周期最大储能状态D；
异型槽轮(j11)继续稍稍逆时针旋转,压缩杆(c11)被弹簧(d11)立即弹出完成一次直线弹射后，异型槽第一端(N)靠近直线弹射机构(b1)足端, 槽滑动套(m11)位于异型槽第一端(N),直线弹射机构(b1)处于前半周期起始状态A，压缩杆(c11)处于最大伸长状态；
舵机(g11)完成一个周期的一周逆时针旋转运动，实现直线弹射机构(b1)的两次储能弹射运动。
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