CN109094676A - 一种基于弹簧蓄能的弹射机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于弹簧蓄能的弹射机构，包括：齿轮轴组，包括异形齿轮轴(16)，所述异形齿轮轴(16)包括有齿部分和无齿部分；动力装置，与所述异形齿轮轴(16)连接，从而驱动所述异形齿轮轴(16)向特定方向转动；蓄能装置，包括轨道(1)、齿条(4)、固定支架(6)，以及一弹性部件；所述齿条(4)能够与所述异形齿轮轴(16)的有齿部分啮合，并能够在所述轨道(1)上滑动；所述弹性部件具有与所述固定支架(6)连接的第一端，以及随所述齿条(4)运动的第二端，从而蓄积能量或释放能量；控制装置，其能够控制所述动力装置转动。本发明能够为用于复杂地形侦查的机器人提供弹跳的功能，使其可轻松跨越较高的障碍物。

Description

一种基于弹簧蓄能的弹射机构

技术领域

本发明属于工业机器人技术领域，具体涉及一种基于弹簧蓄能的弹射机构。

背景技术

移动机器人在当前生产生活中的应用越来越广泛，正在替代人发挥着日益重要的作用。随着应用范围的扩大，机器人面临的环境也越来越恶劣，诸如考古探测、星际探索、军事侦察以及反恐活动等。在这些应用领域中地势往往很复杂，存在各式各样的障碍物或沟渠，有时还存在危险性，这就要求机器人具有很强的自主运动能力及生存能力。

目前机器人主要有两种运动方式，一种靠轮子或履带驱动，这是大多数移动机器人的驱动方式，诸如各式各样的遥控机器人小车；另一种是仿生的爬行或步行方式，如蛇形机器人、机器猫、机器狗等。轮子或履带驱动的机器人只能在相对平坦的地势下工作，一旦地势凹凸不平其运动将受到很大限制。步行或爬行机器人自由度多，控制复杂，运动缓慢，而且遇到障碍物同样无能为力。轮动与爬行都不能越过与自身大小相当的障碍，当不改变轮子形状时只有弹跳才能做到。弹跳机器人可以越过数倍甚至数十倍于自身尺寸的障碍物，与原有的运动方式结合可以大大提高机器人的活动范围，而且弹跳运动的突然性与爆发性有助于机器人躲避危险。另外在星际探索中，由于月球与火星表面重力加速度大大低于地球(火星38％，月球17％)，弹跳运动能充分利用这个优势。

在非专利文献1中(弹跳式机器人研究刘壮志,席文明,朱剑英,吴洪涛(南京航空航天大学机械电子工程研究所,江苏南京210016))，作者系统阐述国内外弹跳机器人技术的研究现状；对当前各种弹跳机构的工作机理进行分析与比较,并指出弹跳机构实际设计中需要注意的一些问题。

现有的大部分机器人弹跳机构采用气动的方式，成本较高，还有部分采用弹簧的弹跳机构，蓄力较小，且工艺复杂，通用性不高。为此我们设计了如下的弹跳机构，以解决移动机器人越障能力不强的问题，同时也是一种蓄能装置，可用于发射，冲击，毁伤等应用场合。

发明内容

本发明的目的是：为了解决侦察机器人在遇到较高的障碍物时难以越过的问题，本发明提供了一种灵活可靠的跳跃越障方式，可使机器人实现在复杂地形的行走与越障。

本发明的技术方案如下。

一种弹射机构，包括：

齿轮轴组，包括异形齿轮轴，所述异形齿轮轴包括有齿部分和无齿部分；

动力装置，与所述异形齿轮轴连接，从而驱动所述异形齿轮轴向特定方向转动；

蓄能装置，包括轨道、齿条、固定支架，以及一弹性部件；所述齿条能够与所述异形齿轮轴的有齿部分啮合，并能够在所述轨道上滑动；所述弹性部件具有与所述固定支架连接的第一端，以及随所述齿条运动的第二端，从而蓄积能量或释放能量；

控制装置，其能够控制所述动力装置按照如下模式之一转动：

第一模式：收到特定指令后，控制所述动力装置向特定方向转动指定时间后停止；

第二模式：收到启动指令后，控制所述动力装置向特定方向转动，直到收到停止指令。

优选地，所述齿轮轴组还包括轴承组Ⅰ和轴承组Ⅱ，所述异形齿轮轴安装在所述轴承组Ⅰ和轴承组Ⅱ上。

优选地，所述动力装置包括电机、电机支架和联轴器，所述电极的输出轴通过联轴器与异形齿轮轴相连。

优选地，所述轴承组Ⅰ包括深沟球轴承Ⅰ、轴承座Ⅰ，通过顶簧Ⅰ连接在一起；所述轴承组Ⅱ包括深沟球轴承Ⅱ、轴承座Ⅱ，通过顶簧Ⅱ连接在一起。

优选地，所述联轴器为梅花型联轴器，通过螺栓与顶丝锁紧使联轴器与两轴抱死，以传递扭矩。

优选地，所述蓄能装置进一步包括滑块Ⅰ、滑块Ⅱ、支撑杆Ⅰ和支撑杆Ⅱ；所述弹性部件为弹簧；

所述齿条与所述滑块Ⅰ和滑块Ⅱ连接，两滑块与所述轨道配合，对齿条运动起限位作用，将齿条限制为直线运动；

所述滑块Ⅰ上部与支撑杆Ⅰ和支撑杆Ⅱ，以及所述所述弹簧的第二端固定连接。

优选地，所述异形齿轮轴向特定方向转动过程中，当所述有齿部分与所述齿条啮合时，带动所述弹性部件的第二端向第一方向运动，从而蓄积能量；当所述无齿部分转过所述齿条时，所述弹性部件的第二端向第二方向运动，从而释放能量。

优选地，所述有齿部分占所述异形齿轮轴的比例小于50％。

优选地，所述第一模式中，所述固定时间为所述异形齿轮轴的旋转周期。

优选地，所述第一模式中，所述动力装置停止时，所述弹性部件处于复位状态。

在另一方面，本发明还提供了根据以上技术方案中任一项所述的弹射机构的控制方法，包括：

步骤S10：接收输入的指令；

步骤S20：判断工作模式，若处于第一模式则转到步骤S30，若处于第二模式则转到步骤S40；

步骤S30：启动动力装置；

步骤S31：延迟指定时间；

步骤S32：停止动力装置，转到步骤S10；

步骤S40：判断指令类型，若输入为启动指令，则转到步骤S41，若输入为停止指令，则转到步骤S42；

步骤S41：启动动力装置，转到步骤S10；

步骤S42：停止动力装置，转到步骤S10。

优选地，所述弹性部件在所述异形齿轮轴的有齿部分结束与齿条啮合之后并且在再次与齿条啮合之前达到复位状态。

本发明的有益效果是：

(1)控制简单可靠，只需驱动电机即可完成机构功能实现。

(2)机械结构可靠，抗疲劳能力强，可满足在各种环境下的弹跳要求。

(3)在实现弹跳功能时采用拉簧与异形齿轮，相比于目前已有的气动弹跳结构，蓄能大，承载能力强，且可实现自动复位。

附图说明

图1为本发明的弹射机构示意图。

图2为本发明的弹射机构的轴承组Ⅰ结构示意图。

图3为本发明的弹射机构的轴承组Ⅱ结构示意图。

图4为本发明的弹射机构的电气连接示意图。

图5为本发明的弹射机构的控制方法流程图。

图6为异形齿轮轴转动过程中有齿部分开始与齿条啮合状态示意图。

图7为异形齿轮轴转动过程中有齿部分与齿条啮合状态示意图。

图8为异形齿轮轴转动过程中有齿部分结束与齿条啮合状态示意图。

图9为异形齿轮轴转动过程中无齿部分转过所述齿条状态示意图。

其中，1-轨道、2-滑块Ⅱ、3-轴承组Ⅰ、4-齿条、5-滑块Ⅰ、6-固定支架、7-滑动轴承Ⅰ、8-支撑杆Ⅱ、9-支撑杆Ⅰ、10-滑动轴承Ⅱ、11-弹簧、12-轴承组Ⅱ、13-电机支架、14-电机、15-联轴器、16-异形齿轮轴、17-轴承座Ⅰ、18-顶簧Ⅰ、19-深沟球轴承Ⅰ、20-顶簧Ⅱ、21-轴承座Ⅱ、22-深沟球轴承Ⅱ。

具体实施方式

实施例1：安装于小车上的基于弹簧蓄能的弹射机构。

参见附图1，根据本发明的基于弹簧蓄能的弹射机构，包括：轨道1、滑块Ⅱ2、轴承组Ⅰ3、齿条4、滑块Ⅰ5、固定支架6、滑动轴承Ⅰ7、支撑杆Ⅱ8、支撑杆Ⅰ9、滑动轴承Ⅱ10、弹簧11、轴承组Ⅱ12、电机支架13、电机14、联轴器15、异形齿轮轴16；轨道1通过螺栓固定在车体上，在其上放置齿条4。齿条4与滑块Ⅰ5和滑块Ⅱ2通过螺栓连接，两滑块与轨道1配合对齿条4进行限位；轴承组Ⅰ3与轴承组Ⅱ12通过螺栓固定在车体上，与异形齿轮轴16配合；电机支架13通过螺栓连接在车体上，电机14过螺栓连接在电机支架13上，电机14通过联轴器15与异形齿轮轴16直连，以传递扭矩；异形齿轮轴16的异形齿与齿条4啮合，带动齿条4运动拉动弹簧11蓄能；支撑杆Ⅰ9与支撑杆Ⅱ8通过其外螺纹与滑块Ⅰ5上螺纹孔配合，穿过滑动轴承Ⅰ7与滑动轴承Ⅱ10，最终撑地实现弹跳。滑动轴承Ⅰ7与滑动轴承Ⅱ10与固定支架6上光孔配合，通过螺栓固定在固定支架6上；固定支架6与滑块Ⅰ5上开有销孔与特殊槽，用销钉可分别固定弹簧11两端拉环，在弹簧释能后，由于拉簧有原长的限制，弹簧11恢复为原长，滑块Ⅰ5复位，实现整个机构的自动复位。

在以上实施方式中，本领域技术人员能够理解，异形齿轮轴16与齿条4的模数是通过齿面接触疲劳强度校核与齿面应力强度校核选择的。根据弹簧蓄力的齿面接触疲劳强度与齿面应力强度，计算得到模数不低于1.3，取整并符合标准模数，即可设置为1.5。所述异形齿轮轴16与齿条4齿数考虑具体弹簧11拉伸长度与弹簧11刚度，设计为原齿数为20，实际剩余齿数为4的异形齿轮，与25齿的齿条4。齿条4高度考虑到车体内部空间大小，可按照实际情况进行设计，在一优选的实施方式中，所述齿条4设计高度为15mm。

在以上实施方式中，本领域技术人员能够理解，所述弹簧11应根据实际弹跳高度进行设计，在一优选的实施方式中，所述弹簧11选用刚度约为10N/mm，线径3mm，外径20mm的以65mn弹簧钢为材料的拉簧。

在以上实施方式中，本领域技术人员能够理解，所述滑块Ⅰ5、固定支架6、异形齿轮轴16、齿条4应采用304#钢或45#钢等硬度较大、抗冲击能力较强、力学性能较好的材料；所述轨道1、滑块Ⅱ2可采用3D打印、选用较硬材料进行加工。

在以上实施方式中，本领域技术人员能够理解，所述电机14可以采用现有技术中的任何适用的电机，诸如交流电机、直流电机、减速电机。在一优选的实施方式中，所述电机14可以采用减速比较大、额定力矩较大的直流电机。

在以上实施方式中，本领域技术人员能够理解，对所述电机14的控制可以采用现有技术中任何适用的控制装置，诸如通用型中央处理器、微控制器MCU、现场可编程器件FPGA、可编程逻辑控制器PLC，以及专用的集成电路ASIC等。

参见附图2,所述轴承组Ⅰ3包括：轴承座Ⅰ17、顶簧Ⅰ18、深沟球轴承Ⅰ19。深沟球轴承Ⅰ19通过顶簧Ⅰ18固定在轴承座Ⅰ17上。

参见附图3，所述轴承组Ⅱ12包括：顶簧Ⅱ20、轴承座Ⅱ21、深沟球轴承Ⅱ22。深沟球轴承Ⅱ22通过顶簧Ⅱ20固定在轴承座Ⅱ12上。

实施例2：弹射机构的控制方法。

参见附图4，其中示出的是本发明的弹射机构的控制装置的一种电气连接结构，其中通过继电器对电机的电源进行控制。电机的负极通过总开关与电源连接，电机的正极与继电器的常开端连接。继电器的公共端与电源正极连接，由此当控制端电平输入高电平时，继电器的公共端与常开端接通，电机启动，当控制端电平输入低电平时，继电器的公共端与常开端断开，电机停止转动。

参见附图5，其中示出的是本发明的弹射机构的控制方法流程图。该控制方法包括以下步骤。

步骤S10：接收输入的指令；

步骤S20：判断工作模式，若处于方式1则转到步骤S30，若处于方式2则转到步骤S40；

步骤S30：启动电机；

步骤S31：延迟指定时间；

步骤S32：停止电机，转到步骤S10；

步骤S40：判断指令类型，若输入为启动指令，则转到步骤S41，若输入为停止指令，则转到步骤S42；

步骤S41：启动电机，转到步骤S10；

步骤S42：停止电机，转到步骤S10。

在转动过程中，弹射机构的异形齿轮轴转动过程如图6-9所示。图6-9中，弹射机构所使用的弹性部件为拉伸弹簧，异形齿轮轴逆时针转动。

参见附图6，异形齿轮轴的有齿部分开始与齿条啮合，弹簧处于原始长度，整体为复位状态。

参见附图7，异形齿轮轴逆时针转动，过程中有齿部分与齿条啮合，带动齿条运动，从而将弹簧拉伸，实现能量的积蓄。

参见附图8，异形齿轮轴的有齿部分结束与齿条啮合，齿条停止随异形齿轮轴运动，此时齿条的位移达到最大值，弹簧内积蓄的能量也达到最大值。

参见附图9，异形齿轮轴的无齿部分转过所述齿条，异形齿轮轴与齿条之间没有力的作用，弹簧在其自身弹力作用下逐渐恢复原始长度，齿条在弹簧的作用下向初始位置运动。

本领域技术人员能够理解，所述齿条在弹簧的作用力下的运动为简谐振动，并且振幅逐渐减小。为了使异形齿轮轴旋转一个周期之后能够重复进行弹射，该简谐振动应当在异形齿轮轴的有齿部分再次开始与齿条啮合之前基本停止。这一方面可以通过调整有齿部分在异形齿轮轴中所占的比例，为整体的复位留出足够的时间，另一方面可以通过增加阻尼装置，加快整体复位。

通过以上实施方式，本发明的基于弹簧蓄能的弹射机构整体的机械机构整体简洁明了，可对大部分在复杂地形工作的侦察机器人，解决了难以越过较高障碍物的问题。

同时，本发明的基于弹簧蓄能的弹射机构机械结构可靠，对于多种机器人具有通用性，可使用于在不同场合下工作的机器人。

另外，本发明的基于弹簧蓄能的弹射机构在实现弹跳功能时采用异形齿轮与齿条啮合传动的方式，同时与拉簧相配合，不同于目前已有的气动式弹跳结构，可实现自动复位，无需控制方面的操作。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种弹射机构，包括：

齿轮轴组，包括异形齿轮轴(16)，所述异形齿轮轴(16)包括有齿部分和无齿部分；

动力装置，与所述异形齿轮轴(16)连接，从而驱动所述异形齿轮轴(16)向特定方向转动；

蓄能装置，包括轨道(1)、齿条(4)、固定支架(6)，以及一弹性部件；所述齿条(4)能够与所述异形齿轮轴(16)的有齿部分啮合，并能够在所述轨道(1)上滑动；所述弹性部件具有与所述固定支架(6)连接的第一端，以及随所述齿条(4)运动的第二端，从而蓄积能量或释放能量；

控制装置，其能够控制所述动力装置按照如下模式之一转动：

第一模式：收到特定指令后，控制所述动力装置向特定方向转动指定时间后停止；

第二模式：收到启动指令后，控制所述动力装置向特定方向转动，直到收到停止指令。

2.根据权利要求1所述的弹射机构，其特征在于：

所述齿轮轴组还包括轴承组Ⅰ(3)和轴承组Ⅱ(12)，所述异形齿轮轴(16)安装在所述轴承组Ⅰ(3)和轴承组Ⅱ(12)上。

3.根据权利要求1所述的弹射机构，其特征在于，所述动力装置包括电机(14)、电机支架(13)和联轴器(15)，所述电极(14)的输出轴通过联轴器(15)与异形齿轮轴(16)相连。

4.根据权利要求3所述的弹射机构，其特征在于，所述轴承组Ⅰ(3)包括深沟球轴承Ⅰ(19)、轴承座Ⅰ(17)，通过顶簧Ⅰ(18)连接在一起；所述轴承组Ⅱ包括深沟球轴承Ⅱ(22)、轴承座Ⅱ(21)，通过顶簧Ⅱ(20)连接在一起。

5.根据权利要求3所述的弹射机构，其特征在于，所述联轴器(15)为梅花型联轴器，通过螺栓与顶丝锁紧使联轴器与两轴抱死，以传递扭矩。

6.根据权利要求1所述的弹射机构，其特征在于，所述蓄能装置进一步包括滑块Ⅰ(5)、滑块Ⅱ(2)、支撑杆Ⅰ(9)和支撑杆Ⅱ(8)；所述弹性部件为弹簧(11)；

所述齿条(4)与所述滑块Ⅰ(5)和滑块Ⅱ(2)连接，两滑块与所述轨道(1)配合，对齿条(4)运动起限位作用，将齿条(4)限制为直线运动；

所述滑块Ⅰ(5)上部与支撑杆Ⅰ(9)和支撑杆Ⅱ(8)，以及所述所述弹簧(11)的第二端固定连接。

7.根据权利要求1-6之一所述的弹射机构，其特征在于，所述异形齿轮轴(16)向特定方向转动过程中，当所述有齿部分与所述齿条(4)啮合时，带动所述弹性部件的第二端向第一方向运动，从而蓄积能量；当所述无齿部分转过所述齿条(4)时，所述弹性部件的第二端向第二方向运动，从而释放能量。

8.根据权利要求7所述的弹射机构，其特征在于，所述有齿部分占所述异形齿轮轴(16)的比例小于50％。

9.根据权利要求7所述的弹射机构，其特征在于，所述第一模式中，所述固定时间为所述异形齿轮轴(16)的旋转周期。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的弹射机构的控制方法，包括：

步骤S10：接收输入的指令；

步骤S20：判断工作模式，若处于第一模式则转到步骤S30，若处于第二模式则转到步骤S40；

步骤S30：启动动力装置；

步骤S31：延迟指定时间；

步骤S32：停止动力装置，转到步骤S10；

步骤S40：判断指令类型，若输入为启动指令，则转到步骤S41，若输入为停止指令，则转到步骤S42；

步骤S41：启动动力装置，转到步骤S10；

步骤S42：停止动力装置，转到步骤S10。