CN109229223B - 一种基于不完全齿轮组的弹跳腿 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种弹跳机器人。目的是提供一种基于不完全齿轮组的弹跳腿，该弹跳腿应具有动能转换效率高、可连续跳跃以及弹跳稳定可靠的特点。技术方案是：一种基于不完全齿轮组的弹跳腿，其特征在于：该弹跳腿包括机架、安装在机架上的蓄能弹簧以及施压于机架使蓄能弹簧变形积蓄能量或释放能量进行跳跃的传动组件；所述机架包括由尖型前足与J型后足铰接形成且站稳于地面的主体以及铰接在尖型前足顶端的U型连接件；所述蓄能弹簧包括安装在尖型前足与J型后足铰接点且两端分别施力于尖型前足与J型后足的下关节扭簧以及安装在尖型前足与U型连接件铰接点两端分别施力于尖型前足与U型连接件的上关节扭簧。
Description
技术领域
本发明涉及一种弹跳机器人，具体涉及一种腿部型弹跳机构。
背景技术
跳跃机器因其高效的越障跳跃性，具有前景应用很广泛和重要的战略意义。近年来，越来多的研究人员关注跳跃机器人性能的研究。在跳跃机器人研究中，很多都是模仿具有跳跃能力的生物，如袋鼠和蝗虫等目前地面移动机器人的运动方式主要有轮式、履带式，并且它们在侦查军事和星际探索上已经得到了广泛的使用，但轮式和履带式等机器人却有越障能力差的缺点。
美国卡内基梅隆大学模仿袋鼠研制出了弓腿型跳跃机器人。该机器人重2.5kg，采用100N·m/kg的单向玻璃纤维合成物作弓腿，其腿长25cm。在腾空阶段由能使机器人弓腿成一定角度的驱动器控制，此时腿部储存能量。在着地阶段为被动跳跃，驱动器与腿部分离，其腿部释放能量。最高奔跑速度略高于1m/s，该腿部机构重量较大且无法实现机器人弹跳的连续性，对于机器人的结构要求较高。
日本仙台东北大学等人制作了仿狗的单足弹跳机器人模型并进行了实验研究，并就腿部弹簧的安装位置对弹跳性能的影响进行了对比分析。该机器人整体质量13.26Kg，采用一个2200N、2.21m/s的液压缸和一个1000N/m的弹簧作为动力元件，最大步长为0.52m，但没有考虑机器人着陆时能量的回收，一次跳跃损失能量较多。
以色列特拉维夫大学的一个研究团队TAUB，应用最新3D打印技术开发了一款具有高效越障能力的仿蝗虫机器人，也叫做“TAUB”，该机器人可以利用仅5英寸长28克重的机体实现3.4米的跳跃高度，1.4米的跳远度。这个小巧的机器人结构简单，腿部材质为硬炭棒，以一个3D打印的ABS作为材质主体，并用弹簧、小电池和微控制器驱动机器人的跳跃运动。研究人员通过对蝗虫跳跃机理及运动特性的研究，设计了这款高效跳跃的机器人，但存在无法保证弹跳的平稳性，无法调节弹跳高度与起跳角度的问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种基于不完全齿轮组的弹跳腿，该弹跳腿应具有动能转换效率高、可连续跳跃以及弹跳稳定可靠的特点。
本发明提供的技术方案是：一种基于不完全齿轮组的弹跳腿，其特征在于：
该弹跳腿包括机架、安装在机架上的蓄能弹簧以及施压于机架使蓄能弹簧变形积蓄能量或释放能量进行跳跃的传动组件；
所述机架包括由尖型前足与J型后足铰接形成且站稳于地面的主体以及铰接在尖型前足顶端的U型连接件；
所述蓄能弹簧包括安装在尖型前足与J型后足铰接点且两端分别施力于尖型前足与J型后足的下关节扭簧以及安装在尖型前足与U型连接件铰接点两端分别施力于尖型前足与U型连接件的上关节扭簧；
所述传动组件包括固定在J型后足顶端的扇形齿轮、可转动地安装在尖型前足与U型连接件铰接点且与扇形齿轮啮合的直齿轮、可转动地定位在U型连接件顶端的不完全齿轮以及安装在U型连接件且驱动不完全齿轮的电机。
所述扇形齿轮的轴线，同轴于尖型前足与J型后足铰接点轴线，位于尖型前足的中部与J型后足的顶端；所述直齿轮轴线，同轴于尖型前足与U型连接件铰接点轴线，位于尖型前足的顶端与U型连接件的底端；所述不完全齿轮轴线，同轴于电机转轴轴线，位于U型连接件的顶端。
所述下关节扭簧与上关节扭簧的蓄能旋转方向相反。
所述尖型前足由两个相同且间隔一定距离的板条连接而成，每个板条的顶端和中部分别制作有用于安装铰接轴的通孔，所述直齿轮安装在两个板条之间的空间内；所述J型后足由两个相同且间隔一定距离的J型板条连接而成，每个J型板条的顶端制作有用于安装铰接轴的通孔，所述扇形齿轮安装在两个J型板条之间的空间内；U型连接件由两个相同且间隔一定距离的连接板条连接而成，每个连接板条的两端分别制作有用于安装铰接轴的通孔，所述不完全齿轮安装在两个连接板条之间的空间内。
本发明的有益效果是：
(1)本结构采用腿部式弹跳结构，很大程度上还原了生物腿在弹跳时的姿态变化，使弹跳更加直观可靠；
(2)采用不完全齿轮组实现动力传递和释放，实现了跳跃的连续性；选取合适的传动比可以最大化地将驱动力转化为弹性势能存储在弹簧中；
(3)尖型前足可以保证在一些较松的地面，如沙地，泥滴等进行弹跳时尽可能多的获得水平方向上的摩擦力，避免了以往因摩擦力不足产生的问题；
(4)本机构存在两个旋转关节，每个关节转动在70°左右，大大提高了重心的下降距离，从而增加了弹跳时扭转弹簧弹性势能转化为动能的效率，提高了机构离开地面时的初速度。
附图说明
图1是本发明实施例的立体结构示意图。
图2是本发明实施例中齿轮组的啮合关系示意图。
图3是本发明实施例机架的立体结构示意图。
图4是本发明实施例机架的主视结构示意图。
图中：1.不完全齿轮，2.直齿轮(惰轮)，3.扇形齿轮，4.U型连接件，5.尖型前足，6.J型后足，7.光柱螺栓，8.固定螺钉，9.扭转弹簧，10.螺母。
具体实施方式
下面结合附图所示的实施例进一步说明。
如图所示的基于不完全齿轮组的弹跳腿，包括机架、安装在机架上的蓄能弹簧以及施压于机架使蓄能弹簧变形积蓄能量或释放能量进行跳跃的传动组件；
所述机架中，尖型前足5与J型后足6铰接形成且站稳于地面的主体，U型连接件4铰接在尖型前足顶端。
所述蓄能弹簧包括下关节扭簧10以及上关节扭簧9；下关节扭簧安装在尖型前足与J型后足铰接点，并且该弹簧的两端分别施力于尖型前足与J型后足(图4中可见下关节扭簧穿套在销轴上，弹簧的两端分别勾扎并施力于尖型前足与J型后足)；上关节扭簧安装在尖型前足与U型连接件铰接点，两端分别施力于尖型前足与U型连接件(图4中可见上关节扭簧穿套在销轴上，弹簧的两端分别勾扎并施力于尖型前足与U型连接件)。
所述下关节扭簧与上关节扭簧的蓄能旋转方向相反(两个弹簧的螺旋方向相反)。
所述传动组件中：扇形齿轮3固定在J型后足顶端，直齿轮可转动地安装在尖型前足与U型连接件铰接点并且与扇形齿轮啮合，不完全齿轮可转动地定位在U型连接件顶端，电机(减速电机)安装在U型连接件上并且驱动不完全齿轮。
所述尖型前足由两个相同且间隔一定距离的板条(优选碳纤维复合材料)连接而成；两个板条的顶端和中部分别制作有用于安装铰接轴的通孔，每个板条的下部制成行走用的尖刺形状，以提高摩擦力。所述J型后足由两个相同且间隔一定距离的J型板条(优选碳纤维复合材料)连接而成；两个J型板条的顶端均制作有用于安装铰接轴的通孔(J型板条的弯曲形状根据需要确定)，下铰接轴穿插在该通孔内从而将两个J型板条连为一体的同时，又穿越两个板条中部的通孔从而将尖型前足与J型后足铰接连接；所述扇形齿轮安装在两个J型板条之间的空间内(图中可见：扇形齿轮与下铰接轴同轴安装，另通过销钉与J型板条固定连接)。上铰接轴穿插在两个板条顶端的通孔中，直齿轮又可转动地穿套在上铰接轴上(图中可见：直齿轮安装在两个板条之间的空间内)。U型连接件由两个相同且间隔一定距离的连接板条(优选碳纤维复合材料)连接而成，两个连接板条的两端分别制作有用于安装铰接轴的通孔(两通孔的圆心距离为不完全齿轮与直齿轮分度圆之和的一半)，穿插在两个连接板条顶端通孔内的连接轴将两个连接板条连为一体；所述不完全齿轮安装在两个连接板条之间的空间内，同时通过连接轴可转动地定位在两个连接板条的顶端。上铰接轴还穿插过两个连接板条底端的通孔，从而将U型连接件与尖型前足铰接连接。
所述扇形齿轮的轴线，同轴于尖型前足与J型后足铰接点的轴线(即下铰接轴轴线)；所述直齿轮轴线，同轴于尖型前足与U型连接件铰接点的轴线(即上铰接轴轴线)；所述不完全齿轮轴线，同轴于电机输出轴轴线。
本发明的工作原理是：受电机驱动的不完全齿轮逆时针转动时，所啮合的直齿轮顺时针转动，欲带动扇形齿轮；因扇形齿轮与J型后足固定，故J型后足绕下铰接轴逆时针转动，此时下关节扭簧呈受压状态，动能转换为弹性势能存储在弹簧中，前足与后足呈伸长状态，整个弹跳腿机构呈下降趋势。当转动过扇形齿轮后，直齿轮与J型后足接触，后足停止转动，此时不完全齿轮继续转动，因为直齿轮固定，故不完全齿轮带动U型连接件绕着上铰接轴逆时针转动，U型连接件与尖型前足角度减小，上关节扭簧呈受压状态，动能转换为弹性势能存储在弹簧中，重心持续下降。当不完全齿轮转动至空缺齿轮时，与直齿轮脱离啮合，上下关节的扭转弹簧瞬间释放存储其中的弹性势能，并转化为腿部对地面作用力，地面提供垂直向上的反作用力与水平向前的摩擦力；因为机构腿质量较小，故通过尖型前足以获得更大摩擦力，在脱离啮合至机构腿离开地面这段时间内，地面的反作用力作用于质心水平和竖直方向位移，从而使机构腿获得较大的起跳动能，各关机释放舒展姿势，呈现弹跳姿态。在机构腿释放离开地面至着陆时，不完全齿轮未与直齿轮啮合未受到载荷，电机在空转情况下转速提高；在弹跳腿着陆前，不完全齿轮与直齿轮2第二次啮合，重复之前的压缩过程，同时将机构腿姿态调整至较适合着陆的状态，并准备第二跳跃；重复上述过程，实现弹跳腿的连续跳跃。
Claims (2)
1.一种基于不完全齿轮组的弹跳腿，其特征在于：
该弹跳腿包括机架、安装在机架上的蓄能弹簧以及施压于机架使蓄能弹簧变形积蓄能量或释放能量进行跳跃的传动组件；
所述机架包括由尖型前足(5)与J型后足(6)铰接形成且站稳于地面的主体以及铰接在尖型前足顶端的U型连接件(4)；
所述蓄能弹簧包括安装在尖型前足与J型后足铰接点且两端分别施力于尖型前足与J型后足的下关节扭簧(10)以及安装在尖型前足与U型连接件铰接点两端分别施力于尖型前足与U型连接件的上关节扭簧(9)；
所述传动组件包括固定在J型后足顶端的扇形齿轮(3)、可转动地安装在尖型前足与U型连接件铰接点且与扇形齿轮啮合的直齿轮(2)、可转动地定位在U型连接件顶端的不完全齿轮(1)以及安装在U型连接件上且驱动不完全齿轮的电机；
所述扇形齿轮的轴线，同轴于尖型前足与J型后足铰接点轴线，位于尖型前足的中部与J型后足的顶端；所述直齿轮轴线，同轴于尖型前足与U型连接件铰接点轴线，位于尖型前足的顶端与U型连接件的底端；所述不完全齿轮轴线，同轴于电机转轴轴线，位于U型连接件的顶端；
所述下关节扭簧与上关节扭簧的蓄能旋转方向相反。
2.根据权利要求1所述的基于不完全齿轮组的弹跳腿，其特征在于：所述尖型前足由两个相同且间隔一定距离的板条连接而成，每个板条的顶端和中部分别制作有用于安装铰接轴的通孔，所述直齿轮安装在两个板条之间的空间内；所述J型后足由两个相同且间隔一定距离的J型板条连接而成，每个J型板条的顶端制作有用于安装铰接轴的通孔，所述扇形齿轮安装在两个J型板条之间的空间内；U型连接件由两个相同且间隔一定距离的连接板条连接而成，每个连接板条的两端分别制作有用于安装铰接轴的通孔，所述不完全齿轮安装在两个连接板条之间的空间内。
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