CN108583709A - 一种双足间歇式跳跃机器人 - Google Patents

Abstract

一种双足间歇式跳跃机器人，它涉及跳跃机器人机械系统设计领域。本发明解决了现有的跳跃机器人存在结构和控制复杂，效率低下，成本高的问题。本发明的电动机、减速器和电机固定板由上至下顺次连接，驱动系统安装在躯干上部，躯干包括上躯干、下躯干和多个支撑柱，上躯干通过多个支撑柱与下躯干固接，腰部的两个腰部单元分别位于躯干左右两侧，驱动系统中位于中间位置的驱动单元驱动直齿轮传动系统带动两个腰部单元实现转动，腿部的两个腿部单元分别位于腰部两侧，每个腿部单元均为连杆机构，驱动系统中位于两侧的驱动单元驱动锥齿轮传动系统带动两个腿部单元实现跳跃。本发明能够实现一个电动机带动多个自由度，提高了能量利用率。

Description

一种双足间歇式跳跃机器人

技术领域

本发明涉及跳跃机器人机械系统设计领域,具体涉及一种双足间歇式跳跃机器人。

背景技术

跳跃机器人利用跳跃运动前进，其越障、适应复杂地形地貌及有效承载能力强，易小型化，在行星表面的低、微重力环境下其移动能力具有明显优势，特别适合用作星面探测机器人或子母式探测车的子体探测系统。

根据跳跃方式不同，跳跃机器人可分为连续式和间歇式跳跃两种。间歇式跳跃机器人较连续式跳跃机器人具有更强的实用性，目前用于行星探测的跳跃机器人多为间歇式跳跃方式。间歇式跳跃机器人不需要时刻保持对机器人位姿的绝对控制，而是进行分段控制，即能量存储装置触发后，位姿调整在各个阶段独立进行，这种方式简化了机器人控制过程。

传统跳跃机器人驱动方式多为“电机+弹簧”驱动，实现跳跃主要依靠于释放储存在弹性元件中的能量，而弹性元件的能量递减特性以及释放装置的不稳定性，使得系统控制复杂、效率低下且储能系统结构复杂。

综上所述，现有的跳跃机器人存在结构和控制复杂，效率低下，成本高的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的跳跃机器人存在结构和控制复杂，效率低下，成本高的问题，进而提供一种双足间歇式跳跃机器人。

本发明的技术方案是：

一种双足间歇式跳跃机器人，它包括躯干、腰部、腿部、驱动系统、直齿轮传动系统和锥齿轮传动系统，驱动系统包括三个驱动单元，每个驱动单元包括电动机、减速器和电机固定板，电动机、减速器和电机固定板由上至下顺次连接，驱动系统安装在躯干上部，躯干包括上躯干、下躯干和多个支撑柱，上躯干通过多个支撑柱与下躯干固接，腰部的两个腰部单元分别位于躯干左右两侧，驱动系统中位于中间位置的驱动单元驱动直齿轮传动系统带动两个腰部单元实现转动，腿部的两个腿部单元分别位于腰部两侧，每个腿部单元均为连杆机构，驱动系统中位于两侧的驱动单元驱动锥齿轮传动系统带动两个腿部单元实现跳跃。

进一步地，直齿轮传动系统包括三个直齿轮，三个直齿轮的上端面分别与三个电机固定板固接，三个直齿轮中位于中间直齿轮分别与两侧直齿轮相啮合，两侧直齿轮分别套装在两个腰部单元上，两侧直齿轮带动两个腰部单元在水平面内实现转动。

进一步地，每个腰部单元包括第一髋关节、第二髋关节和两个第三髋关节，第一髋关节和第二髋关节平行设置，两个第三髋关节沿竖直方向对称设置在第一髋关节和第二髋关节之间，第一髋关节的上部设有用于支撑两侧直齿轮的台肩，第一髋关节插装在上躯干内，第一髋关节通过轴承与上躯干转动连接，第二髋关节插装在下躯干内，第二髋关节通过轴承与下躯干转动连接。

进一步地，锥齿轮传动系统包括两个锥齿轮传动单元，每个锥齿轮传动单元包括第一延长轴、第一挡板和锥齿轮组，锥齿轮组包括第一锥齿轮、第二锥齿轮和第三锥齿轮，第一延长轴的一端穿过第一髋关节并与两侧减速器输出轴连接实现传动，第一延长轴的另一端嵌入第一锥齿轮内并通过键传动，第一锥齿轮的左右两端分别与第二锥齿轮和第三锥齿轮相啮合，第二锥齿轮和第三锥齿轮的轴端分别插装在两个第三髋关节内并通过轴承与两个第三髋关节转动连接，第一延长轴的轴端处设有第一挡板，第一挡板通过螺钉与第一延长轴固接。

进一步地，锥齿轮传动系统还包括第二延长轴和第二挡板，第二延长轴的上部设有用于支撑中间直齿轮的台肩，第二延长轴的一端穿过上躯干并与中间减速器输出轴固接，第二延长轴通过轴承与上躯干转动连接，第二延长轴的轴端处设有第二挡板，第二挡板通过螺钉与第二延长轴固接。

进一步地，每个腿部单元包括第一关节、第一曲柄和第二曲柄，第一关节的一端穿过第二锥齿轮并与第三锥齿轮固接，第二锥齿轮轴端外圈嵌入第一曲柄内并通过紧定螺钉与第一曲柄固接，第一关节依次插装在第一曲柄和第二曲柄内，第一关节分别通过轴承与第一曲柄和第二曲柄转动连接。

进一步地，第一关节的外径与第二锥齿轮之间设有间隙。

进一步地，第二锥齿轮与第一曲柄之间为过盈配合。

进一步地，每个腿部单元还包括键，第一关节的端部开设键槽，第一关节通过键与第二锥齿轮固接。

进一步地，每个腿部单元还包括第一小腿、第二小腿、第三小腿、第一大腿、第二大腿、第三大腿、第二关节、第三关节、第四关节、第三曲柄和连杆，第一小腿的上端和第二小腿的下端分别嵌入第二关节的型面内，第二关节的两端各设有滚动轴承，第二关节与第一大腿转动连接，第一大腿与第二大腿通过螺钉固接，第三大腿的下端嵌入第二大腿的型面内，第三大腿的上端嵌入第一关节的型面内，第二小腿的上端嵌入第三关节的型面内，第三关节的两端各设有滚动轴承，第三关节与第三小腿的下端转动连接，第四关节的两端各设有滚动轴承，第三小腿的上端与第四关节转动连接，连杆的一端嵌入第四关节的型面内，连杆的另一端嵌入第三曲柄的型面内，第三曲柄的两端分别通过螺钉与第一曲柄和第二曲柄固接。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明的一种双足间歇式跳跃机器人采用“电动机+锥齿轮+连杆”的欠驱动方式，驱动系统中位于两侧的驱动单元驱动锥齿轮传动系统带动两个腿部单元实现跳跃，能够实现一个电动机带动多个自由度，提高了能量利用率；

2、本发明的一种双足间歇式跳跃机器人的驱动系统中位于中间位置的驱动单元驱动直齿轮传动系统带动两个腰部单元转动实现腰部转动；

3、本发明的一种双足间歇式跳跃机器人的腿部利用四连杆传动，每个腿部单元具有两个转动自由度和两个冗余自由度，实现了长距离传动，最大程度上减轻了腿部重量，降低了系统成本，同时降低了对控制系统的要求，达到了由一个电机驱动多个关节耦合转动的效果；

4、本发明的驱动系统包括三个驱动单元，可实现对腰部一个自由度和腿部两个自由度的驱动。腰部为锥齿轮传动系统，是实现欠驱动方式的主要结构，具有一个转动自由度。腿部具有两个关节，采用四连杆传动方式，可实现两个转动自由度和多个冗余自由度；

5、本发明中驱动系统的电动机采用空芯杯电机，减速器采用行星轮减速器，使用伺服驱动器，具有功率密度大、体积小、响应迅速的优点；

6、本发明中躯干用于安装控制器、电机、减速器以及通用模块的电气设备。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明中驱动系统、直齿轮传动系统和锥齿轮传动系统示意图；

图3是本发明中腿部单元结构示意图；

图4是本发明中第二关节26的结构示意图；

图5是本发明中第四关节28的结构示意图；

图6是本发明中第一关节18的结构示意图；

图7是本发明中第一延长轴11的结构示意图；

图8是本发明中第一曲柄19的结构示意图；

图9是本发明中锥齿轮组的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式的一种双足间歇式跳跃机器人，其特征在于：它包括躯干、腰部、腿部、驱动系统、直齿轮传动系统和锥齿轮传动系统，驱动系统包括三个驱动单元，每个驱动单元包括电动机1、减速器2和电机固定板3，电动机1、减速器2和电机固定板3由上至下顺次连接，驱动系统安装在躯干上部，躯干包括上躯干4、下躯干5和多个支撑柱6，上躯干4通过多个支撑柱6与下躯干5固接，腰部的两个腰部单元分别位于躯干左右两侧，驱动系统中位于中间位置的驱动单元驱动直齿轮传动系统带动两个腰部单元实现转动，腿部的两个腿部单元分别位于腰部两侧，每个腿部单元均为连杆机构，驱动系统中位于两侧的驱动单元驱动锥齿轮传动系统带动两个腿部单元实现跳跃。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式的直齿轮传动系统包括三个直齿轮7，三个直齿轮7的上端面分别与三个电机固定板3固接，三个直齿轮7中位于中间直齿轮7分别与两侧直齿轮7相啮合，两侧直齿轮7分别套装在两个腰部单元上，两侧直齿轮7带动两个腰部单元在水平面内实现转动。如此设置，躯干上部设有直齿轮传动系统，中间直齿轮7转动带动两侧直齿轮7同时转动，两侧直齿轮7转动同时带动两个腰部单元在水平面内转动即实现腰部转动。其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式的每个腰部单元包括第一髋关节8、第二髋关节9和两个第三髋关节10，第一髋关节8和第二髋关节9平行设置，两个第三髋关节10沿竖直方向对称设置在第一髋关节8和第二髋关节9之间，第一髋关节8的上部设有用于支撑两侧直齿轮7的台肩，第一髋关节8插装在上躯干4内，第一髋关节8通过轴承与上躯干4转动连接，第二髋关节9插装在下躯干5内，第二髋关节9通过轴承与下躯干5转动连接。如此设置，每个腰部单元在两侧直齿轮7的带动下相对于上躯干4和下躯干5实现转动。其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图2、图7和图9说明本实施方式，本实施方式的锥齿轮传动系统包括两个锥齿轮传动单元，每个锥齿轮传动单元包括第一延长轴11、第一挡板12和锥齿轮组，锥齿轮组包括第一锥齿轮13、第二锥齿轮14和第三锥齿轮15，第一延长轴11的一端穿过第一髋关节8并与两侧减速器2输出轴连接实现传动，第一延长轴11的另一端嵌入第一锥齿轮13内并通过键传动，第一锥齿轮13的左右两端分别与第二锥齿轮14和第三锥齿轮15相啮合，第二锥齿轮14和第三锥齿轮15的轴端分别插装在两个第三髋关节10内并通过轴承与两个第三髋关节10转动连接，第一延长轴11的轴端处设有第一挡板12，第一挡板12通过螺钉与第一延长轴11固接。如此设置，两侧减速器2通过第一延长轴11输出力矩带动锥齿轮组转动，第一锥齿轮13转动同时带动第二锥齿轮14和第三锥齿轮15转动。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图2说明本实施方式，本实施方式的锥齿轮传动系统还包括第二延长轴16和第二挡板17，第二延长轴16的上部设有用于支撑中间直齿轮7的台肩，第二延长轴16的一端穿过上躯干4并与中间减速器2输出轴固接，第二延长轴16通过轴承与上躯干4转动连接，第二延长轴16的轴端处设有第二挡板17，第二挡板17通过螺钉与第二延长轴16固接。如此设置，第二延长轴16起到支撑中间直齿轮7的作用。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图2、图6和图8说明本实施方式，本实施方式的每个腿部单元包括第一关节18、第一曲柄19和第二曲柄20，第一关节18的一端穿过第二锥齿轮14并与第三锥齿轮15固接，第二锥齿轮14轴端外圈嵌入第一曲柄19内并通过紧定螺钉与第一曲柄19固接，第一关节18依次插装在第一曲柄19和第二曲柄20内，第一关节18分别通过轴承与第一曲柄19和第二曲柄20转动连接。如此设置，第三锥齿轮15与第一关节18固接并传递动力，第二锥齿轮14空套在第一关节18上并与第一曲柄19固接实现下一关节的转动。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图2说明本实施方式，本实施方式的第一关节18的外径与第二锥齿轮14之间设有间隙。如此设置，避免第三锥齿轮15带动第一关节18转动时，第一关节18与第二锥齿轮14发生干涉。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图2和图8说明本实施方式，本实施方式的第二锥齿轮14与第一曲柄19之间为过盈配合。如此设置，保证第二锥齿轮14将扭矩传递给第一曲柄19实现转动。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：结合图2、图3和图6说明本实施方式，本实施方式的每个腿部单元还包括键31，第一关节18的端部开设键槽，第一关节18通过键31与第二锥齿轮14固接。如此设置，第二锥齿轮14与第一关节18通过键传动。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七或八相同。

具体实施方式十：结合图3、图4、图5、图6和图8说明本实施方式，本实施方式的每个腿部单元还包括第一小腿20、第二小腿21、第三小腿22、第一大腿23、第二大腿24、第三大腿25、第二关节26、第三关节27、第四关节28、第三曲柄29和连杆30，第一小腿20的上端和第二小腿21的下端分别嵌入第二关节26的型面内，第二关节26的两端各设有滚动轴承，第二关节26与第一大腿23转动连接，第一大腿23与第二大腿24通过螺钉固接，第三大腿25的下端嵌入第二大腿24的型面内，第三大腿25的上端嵌入第一关节18的型面内，第二小腿21的上端嵌入第三关节27的型面内，第三关节27的两端各设有滚动轴承，第三关节27与第三小腿22的下端转动连接，第四关节28的两端各设有滚动轴承，第三小腿22的上端与第四关节28转动连接，连杆30的一端嵌入第四关节28的型面内，连杆30的另一端嵌入第三曲柄29的型面内，第三曲柄29的两端分别通过螺钉与第一曲柄19和第二曲柄20固接。如此设置，每个腿部单元为四连杆传动，具有两个转动自由度和两个冗余自由度。其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六、七、八或九相同。

工作原理

躯干-腰部传动系统设计：躯干上部设有直齿轮传动系统，直齿轮传动系统中位于中间的直齿轮在驱动系统的驱动下带动两侧直齿轮同时转动，两侧直齿轮转动同时带动腰部的两个腰部单元在水平面内转动即实现腰部转动。

腰部-腿部传动系统设计：驱动系统中两侧的驱动单元通过延长轴输出力矩分别带动两个锥齿轮组转动中的中间锥齿轮转动，中间锥齿轮转动同时带动第二锥齿轮和第三锥齿轮转动，第三锥齿轮与腿部单元的第一关节靠键传动，第二锥齿轮空套在第一关节上并与第一曲柄连接实现下一关节的转动。

腿部传动系统设计：腿部中腿部单元为四连杆传动，具有两个转动自由度和两个冗余自由度，驱动系统中位于两侧的驱动单元驱动锥齿轮传动系统带动两个腿部单元实现跳跃。

Claims (10)

1.一种双足间歇式跳跃机器人，其特征在于：它包括躯干、腰部、腿部、驱动系统、直齿轮传动系统和锥齿轮传动系统，驱动系统包括三个驱动单元，每个驱动单元包括电动机(1)、减速器(2)和电机固定板(3)，电动机(1)、减速器(2)和电机固定板(3)由上至下顺次连接，驱动系统安装在躯干上部，躯干包括上躯干(4)、下躯干(5)和多个支撑柱(6)，上躯干(4)通过多个支撑柱(6)与下躯干(5)固接，腰部的两个腰部单元分别位于躯干左右两侧，驱动系统中位于中间位置的驱动单元驱动直齿轮传动系统带动两个腰部单元实现转动，腿部的两个腿部单元分别位于腰部两侧，每个腿部单元均为连杆机构，驱动系统中位于两侧的驱动单元驱动锥齿轮传动系统带动两个腿部单元实现跳跃。

2.根据权利要求1所述的一种双足间歇式跳跃机器人，其特征在于：直齿轮传动系统包括三个直齿轮(7)，三个直齿轮(7)的上端面分别与三个电机固定板(3)固接，三个直齿轮(7)中位于中间直齿轮(7)分别与两侧直齿轮(7)相啮合，两侧直齿轮(7)分别套装在两个腰部单元上，两侧直齿轮(7)带动两个腰部单元在水平面内实现转动。

3.根据权利要求1或2所述的一种双足间歇式跳跃机器人，其特征在于：每个腰部单元包括第一髋关节(8)、第二髋关节(9)和两个第三髋关节(10)，第一髋关节(8)和第二髋关节(9)平行设置，两个第三髋关节(10)沿竖直方向对称设置在第一髋关节(8)和第二髋关节(9)之间，第一髋关节(8)的上部设有用于支撑两侧直齿轮(7)的台肩，第一髋关节(8)插装在上躯干(4)内，第一髋关节(8)通过轴承与上躯干(4)转动连接，第二髋关节(9)插装在下躯干(5)内，第二髋关节(9)通过轴承与下躯干(5)转动连接。

4.根据权利要求3所述的一种双足间歇式跳跃机器人，其特征在于：锥齿轮传动系统包括两个锥齿轮传动单元，每个锥齿轮传动单元包括第一延长轴(11)、第一挡板(12)和锥齿轮组，锥齿轮组包括第一锥齿轮(13)、第二锥齿轮(14)和第三锥齿轮(15)，第一延长轴(11)的一端穿过第一髋关节(8)并与两侧减速器(2)输出轴连接实现传动，第一延长轴(11)的另一端嵌入第一锥齿轮(13)内并通过键传动，第一锥齿轮(13)的左右两端分别与第二锥齿轮(14)和第三锥齿轮(15)相啮合，第二锥齿轮(14)和第三锥齿轮(15)的轴端分别插装在两个第三髋关节(10)内并通过轴承与两个第三髋关节(10)转动连接，第一延长轴(11)的轴端处设有第一挡板(12)，第一挡板(12)通过螺钉与第一延长轴(11)固接。

5.根据权利要求1所述的一种双足间歇式跳跃机器人，其特征在于：锥齿轮传动系统还包括第二延长轴(16)和第二挡板(17)，第二延长轴(16)的上部设有用于支撑中间直齿轮(7)的台肩，第二延长轴(16)的一端穿过上躯干(4)并与中间减速器(2)输出轴固接，第二延长轴(16)通过轴承与上躯干(4)转动连接，第二延长轴(16)的轴端处设有第二挡板(17)，第二挡板(17)通过螺钉与第二延长轴(16)固接。

6.根据权利要求1或4所述的一种双足间歇式跳跃机器人，其特征在于：每个腿部单元包括第一关节(18)、第一曲柄(19)和第二曲柄(20)，第一关节(18)的一端穿过第二锥齿轮(14)并与第三锥齿轮(15)固接，第二锥齿轮(14)轴端外圈嵌入第一曲柄(19)内并通过紧定螺钉与第一曲柄(19)固接，第一关节(18)依次插装在第一曲柄(19)和第二曲柄(20)内，第一关节(18)分别通过轴承与第一曲柄(19)和第二曲柄(20)转动连接。

7.根据权利要求6所述的一种双足间歇式跳跃机器人，其特征在于：第一关节(18)的外径与第二锥齿轮(14)之间设有间隙。

8.根据权利要求7所述的一种双足间歇式跳跃机器人，其特征在于：第二锥齿轮(14)与第一曲柄(19)之间为过盈配合。

9.根据权利要求8所述的一种双足间歇式跳跃机器人，其特征在于：每个腿部单元还包括键(31)，第一关节(18)的端部开设键槽，第一关节(18)通过键(31)与第二锥齿轮(14)固接。

10.根据权利要求6、7、8或9所述的一种双足间歇式跳跃机器人，其特征在于：每个腿部单元还包括第一小腿(20)、第二小腿(21)、第三小腿(22)、第一大腿(23)、第二大腿(24)、第三大腿(25)、第二关节(26)、第三关节(27)、第四关节(28)、第三曲柄(29)和连杆(30)，第一小腿(20)的上端和第二小腿(21)的下端分别嵌入第二关节(26)的型面内，第二关节(26)的两端各设有滚动轴承，第二关节(26)与第一大腿(23)转动连接，第一大腿(23)与第二大腿(24)通过螺钉固接，第三大腿(25)的下端嵌入第二大腿(24)的型面内，第三大腿(25)的上端嵌入第一关节(18)的型面内，第二小腿(21)的上端嵌入第三关节(27)的型面内，第三关节(27)的两端各设有滚动轴承，第三关节(27)与第三小腿(22)的下端转动连接，第四关节(28)的两端各设有滚动轴承，第三小腿(22)的上端与第四关节(28)转动连接，连杆(30)的一端嵌入第四关节(28)的型面内，连杆(30)的另一端嵌入第三曲柄(29)的型面内，第三曲柄(29)的两端分别通过螺钉与第一曲柄(19)和第二曲柄(20)固接。