CN108032919B - 一种带有姿态平衡调节机构的跳跃机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带有姿态平衡调节机构的跳跃机器人，包括跳跃机器人本体和设置于跳跃机器人本体的尾部平衡机构；所述尾部平衡机构包括固定于所述跳跃机器人本体上的连接架，尾部本体和设置于连接架和尾部本体之间、用于带动尾部本体相对于连接架摆动的尾部控制机构；所述尾部控制机构包括同轴相对设置于所述连接架、且分别对应通过第一驱动电机和第二驱动电机驱动转动的第一锥齿轮和第二锥齿轮，以及同轴相对设置于所述尾部本体、且啮合于第一锥齿轮和第二锥齿轮之间的第三锥齿轮和第四锥齿轮；本发明能够保证机器人在腾空阶段平衡尾部机构能够实现对姿态的调节，使机器人以合适的姿态实现落地。
Description
技术领域
本发明涉及机器人领域，特别涉及一种带有姿态平衡调节机构的跳跃机器人。
背景技术
目前跳跃机器人基本上能够实现跳跃，如申请号为201010194799.4的专利所公开的一种蛙式跳跃机器人，申请号200910023296.8的专利所公开的一种仿袋鼠跳跃机器人。跳跃机器人的能量存储与释放机构往往是双电机驱动或趋于复杂的机构实现，这不利于跳跃机器人的进一步发展。同时，跳跃机器人起跳后无法实现对机身姿态的调节，使机身平稳的落地，限制了跳跃机器人的进一步发展与应用。现有的跳跃机器人实现姿态调节的方式主要有①采用单自由度尾部机构，如文献《MSU Tailbot:Controlling Aerial Maneuverof a Miniature-Tailed Jumping Robot》中采用的尾部机构；②采用滑块机构，如文献《一种仿蝗虫跳跃机器人的研究》，利用滑块的移动实现机体的平衡；③采用仿生翅膀机构，如文献《翅膀对仿蝗虫机器人空中姿态影响分析》中提出的仿蝗虫翅膀机构；④采用摆杆机构，如《Robotic vertical jumping agility via series-elastic power modulation》中采用的飞轮装置。上述几种常用的姿态调节装置均为单自由度装置，只能实现一个方向的姿态调节，不能满足跳跃机器人腾空阶段复杂变化的需求，且这些机构基本上不具有通用性。也有研究者直接将三轴陀螺仪运用上去，如申请号为201410011975.4专利所公开的稳定装置，再如文献《气动单足机器人垂直跳跃动态特性的研究》中利用气缸伸缩提出了单足跳跃机器人的姿态调节装置，申请号为201410767658.5的专利所公开的连杆尾部平衡机构。上述机构随能够实现不止一个自由的姿态调节，但是其结构和控制都比较复杂，并且后者的调节范围有限。
因此，需要一种能够保证机器人在腾空阶段平衡尾部机构能够实现对姿态的调节，使机器人以合适的姿态实现落地，提高了机器人的结构紧凑性和稳定性及对非结构化复杂地形的适应能力的带有姿态平衡调节机构的跳跃机器人，为跳跃机器人实现连续跳跃提供了基础。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种能够保证机器人在腾空阶段平衡尾部机构能够实现对姿态的调节，使机器人以合适的姿态实现落地，提高了机器人的结构紧凑性和稳定性及对非结构化复杂地形的适应能力的带有姿态平衡调节机构的跳跃机器人。
本发明的带有姿态平衡调节机构的跳跃机器人，包括跳跃机器人本体和设置于跳跃机器人本体的尾部平衡机构；所述尾部平衡机构包括固定于所述跳跃机器人本体上的连接架，尾部本体和设置于连接架和尾部本体之间、用于带动尾部本体相对于连接架摆动的尾部控制机构；所述尾部控制机构包括同轴相对设置于所述连接架、且分别对应通过第一驱动电机和第二驱动电机驱动转动的第一锥齿轮和第二锥齿轮，以及同轴相对设置于所述尾部本体、且啮合于第一锥齿轮和第二锥齿轮之间的第三锥齿轮和第四锥齿轮；所述第一锥齿轮和第三锥齿轮的轴线相互垂直；
进一步，所述尾部本体后端连接有软体尾部；所述尾部本体为中空结构，所述尾部本体内通过一伸缩驱动机构带动一滑块沿尾部本体长度方向往复滑动以调节尾部本体的重心；
进一步，所述伸缩驱动机构包括位于尾部本体内部并可沿尾部本体长度方向往复滑动的滑块，位于尾部本体内部用于带动滑块往复滑动的丝杆螺母机构，以及驱动丝杆转动的第三驱动电机；
进一步，所述第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮和第四锥齿轮的规格相同；
进一步，所述跳跃机器人本体包括六连杆机构，连接于所述六连杆机构的至少一组相对连杆之间的弹簧，可驱动所述六连杆机构动作使弹簧张拉、并可触发弹簧释放弹性势能使六连杆机构实现跳跃的能量储存与释放机构；
进一步，所述能量储存与释放机构包括用于带动所述六连杆机构中的两个连杆相对转动以张拉所述弹簧的蓄能驱动电机，以及在所述弹簧张拉时对两个连杆的相对转动进行止逆的内棘轮棘爪机构；所述蓄能驱动电机反转时可通过凸轮推动内棘爪与内棘轮分离实现弹簧弹性势能的释放。
进一步，所述六连杆机构包括依次铰接的第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆和第六连杆；所述第一连杆为底板；第四连杆为用于安装能量储存与释放机构的机身；所述弹簧连接于第三连杆和第六连杆；所述能量储存与释放机构包括蓄能驱动电机，与第三连杆固结的第一横轴，与第五连杆固结、并通过一过渡齿轮副与所述第一横轴传动配合的第二横轴，以及内棘轮棘爪机构；所述蓄能驱动电机的输出轴分别通过超越方向相反的第一超越离合器和第二超越离合器配合有第一主动齿轮和第二主动齿轮；所述第一横轴上固定有与所述第一主动齿轮啮合的第一从动齿轮，以及与第二主动齿轮啮合的带凸轮齿轮；所述内棘轮棘爪机构的内棘轮同轴固定于第一横轴，其内棘爪连接于机身并通过一复位弹簧拉动该内棘爪与内棘轮配合；所述带凸轮齿轮上的凸轮可推动所述内棘爪与内棘轮分离。
进一步，所述第一主动齿轮为不完全齿轮。
本发明的有益效果：
1.本发明的带有姿态平衡调节机构的跳跃机器人，采用单电机驱动的能量储存释放机构的设计，减少驱动，使机器人机构紧凑，降低机器人质量，有利于机器人跳跃性能的提升。
2.利用锥齿轮传动的特点，平衡尾部机构将两对锥齿轮合理布置，实现机构的双自由度摆动，提高平衡机构的适应性，使跳跃机器人具有良好姿态调节能力，提高跳跃机器人的稳定性。
3.引入丝杠螺母副，加以滑块，实现了对尾部平衡机构的质心调节，使机构具有一定的通用性。连接架的设计，使得尾部平衡机构只需通过简单的螺栓连接即可实现安装。
4.通过陀螺仪姿态检测、采用PID控制实现了对机器人本体姿态的实时调节，保证机器人以期望姿态落地。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的能量储存与释放机构的结构示意图；
图3为本发明的内棘轮棘爪机构的示意图；
图4为本发明的尾部平衡机构的结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明的结构示意图；如图所示：本实施例的带有姿态平衡调节机构的跳跃机器人，包括跳跃机器人本体和设置于跳跃机器人本体的尾部平衡机构7；所述尾部平衡机构7包括固定于所述跳跃机器人本体上的连接架25，尾部本体29和设置于连接架25和尾部本体29之间、用于带动尾部本体29相对于连接架25摆动的尾部控制机构；所述尾部控制机构包括同轴相对设置于所述连接架25、且分别对应通过第一驱动电机26和第二驱动电机33驱动转动的第一锥齿轮和第二锥齿轮，以及同轴相对设置于所述尾部本体29、且啮合于第一锥齿轮和第二锥齿轮之间的第三锥齿轮和第四锥齿轮(第三锥齿轮通过轴承27铰接于尾部本体29上，第四锥齿轮则通过胶粘或其他连接方式固接于尾部本体29上)；所述第一锥齿轮和第三锥齿轮的轴线相互垂直；如图4所示，连接架25与跳跃机器人本体通过螺丝紧固，连接架25上有多个安装孔，选择合适的使用。当第一驱动电机26与第二驱动电机33带动第一锥齿轮和第二锥齿轮以相同速度、相同方向转动时，尾部将绕第一锥齿轮和第二锥齿轮的轴线摆动，实现俯仰摆动，其尾部转速等于电机转速。当第一驱动电机26与第二驱动电机33以不同速度转动时，尾部实现绕第三锥齿轮和第四锥齿轮轴线摆动，其尾部转速等于两电机转速之差的一半。本实施例中，第一驱动电机26和第二驱动电机33均通过螺栓连接固定在连接架25上。
本实施例中，所述尾部本体29后端连接有软体尾部30，软体尾部30具有自适应能力，可根据机器人腾空后的状态，其能够被动弯曲；所述尾部本体29为中空结构，所述尾部本体29内通过一伸缩驱动机构带动一滑块31沿尾部本体29长度方向往复滑动以调节尾部本体29的重心；所述伸缩驱动机构包括位于尾部本体29内部并可沿尾部本体29长度方向往复滑动的滑块31，位于尾部本体29内部用于带动滑块31往复滑动的丝杆32螺母机构，以及驱动丝杆32转动的第三驱动电机28，其中，丝杆32直接通过螺纹与滑块31上的螺纹孔配合，第三驱动电机28带动丝杆32转动，最终带动滑块31沿尾部本体29长度方向滑动，以改变整个尾部本体29的重心，从而实现对跳跃机器人平衡的控制。
本实施例中，所述第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮和第四锥齿轮的规格相同；锥齿轮34是四个完全相同的齿轮，采用相同齿轮是为了便于控制，选用不同直径的齿轮亦可实现该功能，同在本专利保护范围内。
本实施例中，所述跳跃机器人本体包括六连杆机构，连接于所述六连杆机构的至少一组相对连杆之间的弹簧，可驱动所述六连杆机构动作使弹簧张拉、并可触发弹簧释放弹性势能使六连杆机构实现跳跃的能量储存与释放机构；所述六连杆机构包括依次铰接的第一连杆、第二连杆2、第三连杆3、第四连杆、第五连杆8和第六连杆9；所述第一连杆为底板1；第四连杆为用于安装能量储存与释放机构的机身4(机身4上固定有保护罩6，能量储存与释放机构位于该保护罩6内，保护罩内的剩余空间未为机器人控制板、电池等硬件安装预留空间)；所述弹簧连接于第三连杆3和第六连杆9之间；所述能量储存与释放机构包括蓄能驱动电机10，与第三连杆3固结的第一横轴21，与第五连杆8固结、并通过一过渡齿轮副与所述第一横轴21传动配合的第二横轴22，以及内棘轮16棘爪机构；所述蓄能驱动电机10的输出轴11(通过轴承座13支承)分别通过超越方向相反的第一超越离合器和第二超越离合器配合有第一主动齿轮12和第二主动齿轮14；所述第一横轴21上固定有与所述第一主动齿轮12啮合的第一从动齿轮19，以及与第二主动齿轮14啮合的带凸轮齿轮18(该齿轮固定有一圆柱凸轮)；所述内棘轮16棘爪机构的内棘轮16同轴固定于第一横轴21(内棘轮16通过一固定架15与第一横轴21固接，固定架15具有三个梁接到了中心孔，通过该中心孔与第一横轴21固定连接)，其内棘爪17连接于机身4并通过一复位弹簧拉动该内棘爪17与内棘轮16配合；所述带凸轮齿轮18上的凸轮可推动所述内棘爪17与内棘轮16分离。能量储存与释放机构进行能量储存时，蓄能驱动电机10正转(即图1中所示当前视图顺时针转动，图2中所示当前视图逆时针转动)，由于第一主动齿轮12与第二主动齿轮14均通过超越离合器与蓄能驱动电机10的输出轴11安装，但二者超越的方向相反，因此，当蓄能驱动电机10正转时可带动第一主动齿轮12转动，而第二主动齿轮14相当于空套，不转动。通过第一主动齿轮12与第一从动齿轮19的啮合，运动传递至与第一从动齿轮19固接的第三连杆3上，使得第三连杆3实现靠近机身4方向的转动(在图1中为逆时针方向)，同时，通过过渡齿轮副驱动与第五连杆8固结的第二横轴22反向转动，使第五连杆8实现与第三连杆3反向的转动，使得连接于第三连杆3与第六连杆9的弹簧拉伸，同时，内棘爪17在其末端连接的复位弹簧的作用下，与内棘轮16啮合，实现止逆，第三连杆3与第五连杆8不会在弹簧的弹力作用下回复，这样实现了能量的储存，其中，第一主动齿轮12为不完全齿轮，其转动一圈，第三连杆3转动一个小角度，转动多圈后，第三连杆3到达极限位置，储能完毕；另外，由于第一主动齿轮12在机构进行能量释放时，其转动至不与第一从动齿轮19啮合，因此，第一从动齿轮19在能量释放时的反转不会反拖蓄能驱动电机10转动，避免能量释放受阻。本机构进行能量释放时，蓄能驱动电机10反转(即图1中所示当前视图逆时针转动，图2中所示当前视图顺时针转动)，此时第一主动齿轮12相当于空套，不转动。通过第二主动齿轮14与带凸轮齿轮18的啮合，带凸轮齿轮18转动，使得其上的凸轮大直径边缘下压内棘爪17，内棘爪17与内棘轮16脱开，在弹簧弹力的作用下，第三连杆3与第五连杆8瞬间相向转动，底板1与地面之间产生力的作用，在地面反力的作用下，机器人实现腾空跳跃。
本实施例中，所述过渡齿轮副优选扇形齿轮，由于过渡齿轮副仅仅在一定角度范围内传动，因此，为减小机构自重，同时避免齿轮与周边部件发生干涉，过渡齿轮副采用扇形齿轮。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种带有姿态平衡调节机构的跳跃机器人，其特征在于：包括跳跃机器人本体和设置于跳跃机器人本体的尾部平衡机构；所述尾部平衡机构包括固定于所述跳跃机器人本体上的连接架，尾部本体和设置于连接架和尾部本体之间、用于带动尾部本体相对于连接架摆动的尾部控制机构；所述尾部控制机构包括同轴相对设置于所述连接架、且分别对应通过第一驱动电机和第二驱动电机驱动转动的第一锥齿轮和第二锥齿轮，以及同轴相对设置于所述尾部本体、且啮合于第一锥齿轮和第二锥齿轮之间的第三锥齿轮和第四锥齿轮；所述第一锥齿轮和第三锥齿轮的轴线相互垂直；
所述尾部本体后端连接有软体尾部；所述尾部本体为中空结构，所述尾部本体内通过一伸缩驱动机构带动一滑块沿尾部本体长度方向往复滑动以调节尾部本体的重心；
所述伸缩驱动机构包括位于尾部本体内部并可沿尾部本体长度方向往复滑动的滑块，位于尾部本体内部用于带动滑块往复滑动的丝杆螺母机构，以及驱动丝杆转动的第三驱动电机；
所述第一锥齿轮、第二锥齿轮、第三锥齿轮和第四锥齿轮的规格相同；
所述跳跃机器人本体包括六连杆机构，连接于所述六连杆机构的至少一组相对连杆之间的弹簧，可驱动所述六连杆机构动作使弹簧张拉、并可触发弹簧释放弹性势能使六连杆机构实现跳跃的能量储存与释放机构；
所述能量储存与释放机构包括用于带动所述六连杆机构中的两个连杆相对转动以张拉所述弹簧的蓄能驱动电机，以及在所述弹簧张拉时对两个连杆的相对转动进行止逆的内棘轮棘爪机构；所述蓄能驱动电机反转时可通过凸轮推动内棘爪与内棘轮分离实现弹簧弹性势能的释放；
所述六连杆机构包括依次铰接的第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第五连杆和第六连杆；所述第一连杆为底板；第四连杆为用于安装能量储存与释放机构的机身；所述弹簧连接于第三连杆和第六连杆；
所述能量储存与释放机构包括蓄能驱动电机，与第三连杆固结的第一横轴，与第五连杆固结、并通过一过渡齿轮副与所述第一横轴传动配合的第二横轴，以及内棘轮棘爪机构；所述蓄能驱动电机的输出轴分别通过超越方向相反的第一超越离合器和第二超越离合器配合有第一主动齿轮和第二主动齿轮，且第一主动齿轮为不完全齿轮；所述第一横轴上固定有与所述第一主动齿轮啮合的第一从动齿轮，以及与第二主动齿轮啮合的带凸轮齿轮；所述内棘轮棘爪机构的内棘轮同轴固定于第一横轴，其内棘爪连接于机身并通过一复位弹簧拉动该内棘爪与内棘轮配合；所述带凸轮齿轮上的凸轮可推动所述内棘爪与内棘轮分离。
2.根据权利要求1所述的带有姿态平衡调节机构的跳跃机器人，其特征在于：所述过渡齿轮副为扇形齿轮。
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