CN108908367A - 一种跳跃度可调的仿生弹跳装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人技术领域。技术方案是：一种跳跃度可调的仿生弹跳装置，其特征在于：该弹跳装置包括机架，安装在机架上的驱动机构、传动机构、后腿机构、前腿机构和控制器；所述前腿机构和后腿机构均为两组且对称安装在机架上；所述驱动机构包括可转动地定位在机架上且由步进电机驱动的第一小齿轮、与第一小齿轮啮合且与第二小齿轮同轴固定的第一大齿轮、可转动地定位在机架上且与棘轮同轴固定的第二大齿轮、铰接在机架上且与棘轮配合的棘爪、可转动地定位在机架上且与凸轮固定的第三小齿轮、以及可摆动地定位在机架上的L型杆。该弹跳装置能实现跳跃度的可调节控制，具有跳跃能力强、结构稳定、便于控制的特点。

Description

一种跳跃度可调的仿生弹跳装置

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体是一种跳跃度可调的仿生弹跳装置。

背景技术

当前，移动机器人应用十分广泛，根据运动方式的不同，可把机器人分为四类：一、轮式机器人，其优点是高速高效，可在短时间内到达目的地，但轮式机器人的越障能力小。二、腿式机器人，其优点是越障能力好，但是腿式机器人的速度和效率都很低，而且控制比较复杂。三、履带式机器人，其优点是适应能力强，设计紧凑，但是重量和能耗都很大。四、弹跳机器人，其优点与其他三个机器人相比主要表现在以下几个方面：(1)可适应复杂环境；(2)越障能力强；(3)活动范围大，结构与控制简单而运动灵活性大、可靠性高以及尺寸小；(4)弹跳机器人尤其能充分发挥星面重力加速度远远低于地球。但是对于较为险恶或人们不易到达的环境，如考古中对墓室的探测、对外星球的探索、军事侦察以及反恐活动等，这些场合一般地势较为复杂，可能存在各种障碍物，这就要求机器人具有很强的自主运动能力，越过这些障碍。对于以多轮驱动和仿生的步行或爬行为主要运动方式的机器人，遇到一些较高大的障碍，他们的运动形式难以逾越或越障效率较低。

目前，大多数的跳跃机器人主要通过调节起跳角度实现跳跃度的变化，调节范围有限，都不是从弹跳机构特性上实现跳高度和跳远度的控制。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种跳跃度可调的仿生弹跳装置，该弹跳装置应能实现跳跃度的可调节控制，具有跳跃能力强、结构稳定、便于控制的特点。

本发明提供的技术方案是：

一种跳跃度可调的仿生弹跳装置，其特征在于：该弹跳装置包括机架，安装在机架上的驱动机构、传动机构、后腿机构、前腿机构和控制器；所述前腿机构和后腿机构均为两组且对称安装在机架上；

所述驱动机构包括可转动地定位在机架上且由步进电机驱动的第一小齿轮、与第一小齿轮啮合且与第二小齿轮同轴固定的第一大齿轮、可转动地定位在机架上且与棘轮同轴固定的第二大齿轮、铰接在机架上且与棘轮配合的棘爪、可转动地定位在机架上且与凸轮固定的第三小齿轮、以及可摆动地定位在机架上的L型杆，所述第二小齿轮与第一大齿轮可转动地定位在L型杆的一端，以控制第一大齿轮与第三小齿轮啮合或第二小齿轮与第二大齿轮啮合；所述棘轮的偏离轴心位置处铰接一滑块；

所述后腿机构包括与机架依次铰接形成四杆机构的第一后腿、第二后腿和第三后腿；所述第三后腿呈“V”型，第三后腿的折点处通过铰接销轴铰接在机架上；第三后腿一个臂抵靠在凸轮侧面，另一个臂与第二后腿铰接；

所述传动机构包括与机架连接后形成四杆机构的第一传动杆、第二传动杆和第三传动杆以及用于储能和放能的若干大弹簧；其中第一传动杆和第三传动杆分别铰接在第二传动杆的两端，所述第一传动杆的另一端铰接在机架上；所述第三传动杆的另一端穿套在第一后腿与机架的铰接轴上；所述第二传动杆的中点位置处固定有支撑板；所述大弹簧一端通过连接板铰接在支撑板上，另一端通过上连接板铰接在第二后腿与第三后腿的后铰接轴上；所述第一传动杆的中部开设有供所述滑块嵌入配合的滑槽；

所述前腿机构包括第一前腿、第二前腿和第三前腿；所述第一前腿一端铰接在机架上，另一端沿第一前腿的轴线转动地定位在第二前腿上；所述第二前腿的另一端与第三前腿铰接；

以上所有铰接的轴线均相互平行；

所述控制器为单片机；所述单片机固定在机架上。

所述L型杆的折点处穿套在小齿轮轴上并由固定在机架上的伸缩电机驱动；L型杆的另一端还对所述棘爪施压使其具有与棘爪啮合的趋势。

一小弹簧施力于所述棘爪使其具有脱离棘爪的趋势。

所述第一传动杆与第三传动杆的长度相同且略大于第二传动杆的长度，以保证第二传动杆中点位置的运动轨迹为与大弹簧的伸长方向相同的直线。

所述大弹簧的轴线位于第三后腿的两个铰接点连线的偏左位置处。

铰接销轴13-1上还穿套安装有扭簧14；该扭簧的两端分别勾扎固定在机架和第三后腿上，使得第三后腿具有逆时针摆动的趋势。

所述步进电机和伸缩电机分别与单片机电连接，以控制各机构的工作配合。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过“L”型杆控制第二小齿轮与第二大齿轮啮合或者控制第一大齿轮与第三小齿轮啮合，从而控制棘轮的转动或停止，进而控制大弹簧的储能或放能。

2、本发明设计的大弹簧的轴线位于第三后腿的两个铰接点连线偏左位置，大弹簧对第三后腿有偏上的拉力，且传动机构中的第二传动杆中点位置的运动轨迹始终与大弹簧的伸长方向保持一致，故而保证了第三后腿在大弹簧拉伸过程中不会绕铰接点转动，保证了弹跳装置的稳定性。

3、本发明通过步进电机的转动角度控制大弹簧的拉伸长度，从而实现对弹跳装置跳跃度的调节控制。

4、本发明提供的弹跳装置在放能时，只需驱动第三小齿轮带动凸轮顺时针转动一个很小的角度，使大弹簧的轴线位于第三后腿的两个铰接点连线的右侧，第三后腿便会在很大的弹簧拉力作用下顺时针转动，从而放松大弹簧进行放能，大大提高了弹跳装置的跳跃能力。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图。

图2为本发明的主视结构示意图(为图面清晰，移去前边挡住视线的机架)。

图3为本发明另一状态的结构示意图(蓄能状态转换至释放状态)。

图4为本发明中前腿机构的立体结构示意图。

图5为本发明另一角度的立体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图所示的实施例进一步说明。

如图所示的跳跃度可调的仿生弹跳装置，包括机架1、驱动机构、传动机构、后腿机构3、前腿机构2和控制器；所述前腿机构和后腿机构均为两组且对称安装在机架上。所述机架由相互平行且间隔一定距离的板件连接而成；两个板件之间的空间用于安装驱动机构。

如图2所示，所述驱动机构包括第一小齿轮17、第一大齿轮15、第二小齿轮16、第二大齿轮21、棘轮22、棘爪20、第三小齿轮51、凸轮52和L型杆18。所述第一小齿轮通过小齿轮轴17-1(小齿轮轴的两端则固定在机架的两侧板件上，第一小齿轮又穿套在小齿轮轴上)可转动地定位在机架上，并且由固定在机架上的步进电机(图中省略)驱动。所述第一大齿轮与第一小齿轮啮合并且与第二小齿轮同轴固定连接；第二大齿轮与棘轮同轴固定连接后又通过棘轮轴22-1可转动地定位在机架上(棘轮轴的两端则固定在机架的两侧板件上，第二大齿轮与棘轮又穿套在棘轮轴上)；所述第三小齿轮51与凸轮52固定连接后又通过凸轮轴52-1可转动地定位在机架上(凸轮轴的两端则固定在机架的两侧板件上，第三小齿轮与凸轮又穿套在凸轮轴上)。所述棘爪20铰接在机架上且与棘轮配合，另有一连接在机架上的小弹簧19施力于棘爪，使其具有离开棘轮的趋势；棘轮的偏心位置处设置有滑块23。所述L型杆18通过折点处的通孔可转动地定位在第一小齿轮轴17-1上；L型杆的一端固定着第二小齿轮轴16-1，第一大齿轮与第二小齿轮可转动地穿套在第二小齿轮轴上；L型杆的另一端悬伸至棘爪边并且与一伸缩电机连接(图中省略伸缩电机)。当伸缩电机拉动动力臂时，L型杆顺时针摆动，使得第一大齿轮与第三小齿轮脱开，而第二小齿轮与第二大齿轮啮合(棘轮随第二大齿轮转动)并带动传动机构中的大弹簧拉伸进行储能，同时小弹簧使棘爪脱离棘轮。当伸缩电机推动动力臂时，L型杆逆时针摆动，使得第二小齿轮与第二大齿轮脱开，而第一大齿轮与第三小齿轮啮合；同时L型杆抵压棘爪使其与棘轮啮合，棘轮无法倒转以保持大弹簧的拉伸长度保持不变。

如图2、图3所示，所述后腿机构包括第一后腿12、第二后腿11和第三后腿13。所述第一后腿一端铰接在机架上，另一端铰接在第二后腿的中间位置。所述第三后腿为“V”型，其中第三后腿的折点处通过铰接销轴13-1铰接在机架上；第三后腿的一个臂抵靠在凸轮侧面，另一个臂与第二后腿铰接。所述第一后腿、第二后腿和第三后腿与机架依序铰接后形成四杆机构(其中第三后腿作为主动臂)。

如图2所示，所述传动机构包括第一传动杆26、第二传动杆28、第三传动杆31以及若干(图中为两根)大弹簧9。所述第一传动杆和第三传动杆分别铰接在第二传动杆的两端，第一传动杆的另一端通过销轴27铰接在机架上；第三传动杆的另一端穿套在第一后腿与机架的铰接轴32上；所述第一传动杆、第二传动杆、第三传动杆与机架依序铰接后形成四杆机构(其中第一传动杆作为主动杆)。所述第二传动杆的中点位置固定有支撑板29。所述大弹簧一端与下连接板30固连后与支撑板固定，另一端与上连接板33固连后铰接在第二前腿与第三前腿的后铰接轴11-1上。所述大弹簧的轴线位于第三后腿的两个铰接点连线偏左位置处，以保证第三后腿具有逆时针摆动的趋势。

所述第一传动杆的中部开设有与滑块相配合的滑槽25；当棘轮转动时，滑块一方面沿滑槽滑动，另一方面带动第一传动杆转动，进而拉伸大弹簧进行储能。所述第一传动杆与第三传动杆的长度相同且略大于第二传动杆的长度，并且第二传动杆中点位置的运动轨迹为直线且该直线与弹簧伸长方向一致(该设计可经过计算后确定出各传动杆的长度和铰接位置得以实现)，保证了大弹簧在拉伸过程中对第三后腿始终施加使其逆时针摆动的拉力，确保弹跳装置的稳定性。

此外，铰接销轴13-1上还穿套安装有扭簧14(该扭簧的弹力小于大弹簧)；该扭簧的两端分别勾扎固定在机架和第三后腿上，使得第三后腿具有逆时针摆动的趋势。

如图5所示，所述前腿机构包括第一前腿7、第二前腿6和第三前腿5。所述第一前腿一端铰接在机架上，另一端沿第一前腿的轴线可转动地定位在第二前腿上(第一前腿的轴线与第二前腿的轴线同轴布置)；所述第二前腿的另一端与第三前腿铰接。

所述控制器为单片机；所述单片机固定在机架上。所述步进电机和伸缩电机分别与单片机电连接，以控制各机构的工作配合。

以上所有铰接轴线均相互平行。

本发明的工作原理是：

储能过程(参见图2)：起始位置时，大弹簧的轴线位于第三后腿的两个铰接点连线偏左位置处，从而保证了第三后腿不会顺时针摆动。当伸缩电机带动L型杆顺时针转动时，棘爪脱离棘轮，同时第二小齿轮与第二大齿轮啮合；然后启动步进电机带动第一小齿轮转动，在第一大齿轮、第二小齿轮和第二大齿轮的啮合传动作用下，棘轮转动。棘轮通过滑块带动第一传动杆转动，进而拉伸大弹簧。根据传动机构的设计要求和机构特性，第二传动杆中点位置的运动轨迹为直线，且该直线与大弹簧的拉伸方向一致，因此，大弹簧将沿着原来的轴线方向伸长，故而大弹簧的拉伸并不会导致第三后腿转动发生顺时针转动，大弹簧储能过程中弹跳装置是稳定的。因为大弹簧的拉伸方向是近似直线的，所以可以通过调节伸缩电机运动的时间点来控制弹簧拉伸的长度，当面对不同高度的障碍物时可以调节弹簧储能情况，从而实现不同高度的越障功能。

放能过程：当大弹簧被拉伸至一定长度后，伸缩电机带动L型杆逆时针转动，棘爪与棘轮啮合，同时第三小齿轮与第一大齿轮啮合；然后启动步进电机带动第一小齿轮转动一定角度，在第一大齿轮和第三小齿轮的啮合传动作用下，凸轮也沿顺时针方向摆动一定角度；由于凸轮与第三后腿抵靠且凸轮顺时针转动时凸轮的轮廓半径逐渐增大，凸轮带动第三后腿顺时针转动一定角度，使大弹簧的轴线转移至第三后腿两个铰接点的连线右侧，此时大弹簧对第三后腿施加的是顺时针的扭矩(远远大于扭簧14产生的扭矩)，大弹簧迅速收缩并带动第三后腿、第二后腿和第一后腿顺时针转动，同时第二后腿受到地面的反向作用力，带动整个弹跳装置迅速向上跃起(如图3所示)。

调整过程：大弹簧收缩完成放能后，伸缩电机带动L型杆顺时针转动，棘爪和棘轮啮合，第二小齿轮与第二大齿轮啮合，启动步进电机通过齿轮组和滑块滑槽结构使第一传动杆转动至初始位置，在扭簧的配合作用下第三后腿与大弹簧也恢复至初始位置，完成复位；一个循环结束；反复以上循环；弹跳运动连续进行。

最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种跳跃度可调的仿生弹跳装置，其特征在于：该弹跳装置包括机架(1)，安装在机架上的驱动机构、传动机构、后腿机构(3)、前腿机构(2)和控制器；所述前腿机构和后腿机构均为两组且对称安装在机架上；

所述驱动机构包括可转动地定位在机架上且由步进电机驱动的第一小齿轮(17)、与第一小齿轮啮合且与第二小齿轮(16)同轴固定的第一大齿轮(15)、可转动地定位在机架上且与棘轮(22)同轴固定的第二大齿轮(21)、铰接在机架上且与棘轮配合的棘爪(20)、可转动地定位在机架上且与凸轮(52)固定的第三小齿轮(51)以及可摆动地定位在机架上的L型杆(18)，所述第二小齿轮与第一大齿轮可转动地定位在L型杆的一端，以控制第一大齿轮与第三小齿轮啮合或第二小齿轮与第二大齿轮啮合；所述棘轮的偏离轴心位置处铰接一滑块(23)；

所述后腿机构包括与机架依次铰接形成四杆机构的第一后腿(12)、第二后腿(11)和第三后腿(13)；所述第三后腿呈“V”型，第三后腿的折点处通过铰接销轴(13-1)铰接在机架上；第三后腿的一个臂抵靠在凸轮侧面，另一个臂与第二后腿铰接；

所述传动机构包括与机架连接后形成四杆机构的第一传动杆(26)、第二传动杆(28)和第三传动杆(31)以及用于储能和放能的若干大弹簧(9)；其中第一传动杆和第三传动杆分别铰接在第二传动杆的两端，所述第一传动杆的另一端铰接在机架上；所述第三传动杆的另一端穿套在第一后腿与机架的铰接轴(32)上；所述第二传动杆的中点位置处固定有支撑板(29)；所述大弹簧一端通过下连接板(30)铰接在支撑板上，另一端通过上连接板(33)铰接在第二后腿与第三后腿的后铰接轴(11-1)上；所述第一传动杆的中部开设有供所述滑块嵌入配合的滑槽(25)；

所述前腿机构包括第一前腿(7)、第二前腿(6)和第三前腿(5)；所述第一前腿一端铰接在机架上，另一端沿第一前腿的轴线可转动地定位在第二前腿上；所述第二前腿的另一端与第三前腿铰接；

以上所有铰接轴的轴线均相互平行；

所述控制器为单片机。

2.根据权要求1所述的跳跃度可调的仿生弹跳装置，其特征在于：所述L型杆的折点处穿套在小齿轮轴(17-1)上并由固定在机架上的伸缩电机驱动；L型杆的另一端还对所述棘爪施压使其具有与棘爪啮合的趋势。

3.根据权要求2所述的跳跃度可调的仿生弹跳装置，其特征在于：一小弹簧(19)施力于所述棘爪使其具有脱离棘爪的趋势。

4.根据权要求3所述的跳跃度可调的仿生弹跳装置，其特征在于：所述第一传动杆与第三传动杆的长度相同且略大于第二传动杆的长度，以保证第二传动杆中点位置的运动轨迹为与大弹簧的伸长方向相同的直线。

5.根据权要求4所述的跳跃度可调的仿生弹跳装置，其特征在于：所述大弹簧的轴线位于第三后腿的两个铰接点连线的偏左位置处。

6.根据权要求5所述的跳跃度可调的仿生弹跳装置，其特征在于：所述铰接销轴上还穿套安装有扭簧(14)；该扭簧的两端分别勾扎固定在机架和第三后腿上，使得第三后腿具有逆时针摆动的趋势。

7.根据权要求6所述的跳跃度可调的仿生弹跳装置，其特征在于：所述步进电机和伸缩电机分别与单片机电连接，以控制各机构的工作配合。