CN109319007B - 一种基于不完全齿轮的四足弹跳装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种机器人。目的是提供一种四足弹跳装置，该装置应具有弹跳稳定性高、储能效率高的特点。技术方案是：一种基于不完全齿轮的四足弹跳装置，其特征在于该装置包括机架、分别可摆动地定位在机架两端的前足组件和后足组件、驱动前足组件和后足组件的传动组件以及控制机构；所述前足组件包括定位在机架左侧的一对四杆机构以及安装在机架上且施力于四杆机构的扭转弹簧，每个四杆机构由第一前足结构件、第二前足结构件、第三前足结构件以及机架依序铰接而成；所述后足组件包括铰接在机架右侧的一对后足结构件以及连接在机架与后足结构件之间的拉伸弹簧。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，具体涉及一种四足弹跳装置。
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。多足弹跳机器人具有诸多优点。首先，该类机器人在运动时仅需要一些离散的点来供其落足，从而成功通过崎岖、松软或泥泞的地面。其次，该类机器人可以通过调节自身重心而避免倾覆，具有更高的稳定性。多足弹跳机器人在环境适应性和运动灵活性方面更具优势，也因其在复杂地表上更强的行走能力而受到了广泛重视。多足弹跳的形式相比单足弹跳，具有起跳姿态角易改变，弹跳距离高，越障性能更强，尤其是弹跳着陆后，更容易恢复平稳姿态。
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，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。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。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，但没有考虑跳跃过程中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，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。美国俄亥俄州大学的Jameson博士研制能像四足动物一样高速运动的机器人，并给出了四足机器人各种跑动步态的动力学特性。日本Tokyo Institute of Technology的Fumitaka KIKUCHI于2003年提出了一种利用气缸实现可以行走和跳跃的四足机器人的方案。每条腿由一个四连杆机构和两个提供动力的气缸组成，并验证了单条腿的跳跃和落地缓冲性能。但该结构对各零件精度要求较高，且气缸本身质量较大，不适宜弹跳机器人的续航性能。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术的不足，提供一种四足弹跳装置；该装置应具有弹跳稳定性高、储能效率高的特点。
本发明提供的技术方案是：一种基于不完全齿轮的四足弹跳装置，其特征在于该装置包括机架、分别可摆动地定位在机架两端的前足组件和后足组件、驱动前足组件和后足组件的传动组件以及控制机构；
所述前足组件包括定位在机架左侧的一对四杆机构以及安装在机架上且施力于四杆机构的扭转弹簧，每个四杆机构由第一前足结构件、第二前足结构件、第三前足结构件以及机架依序铰接而成；所述后足组件包括铰接在机架右侧的一对后足结构件以及连接在机架与后足结构件之间的拉伸弹簧；
所述传动组件包括由减速马达驱动的主齿轮、与第一前足结构件固连且由主齿轮驱动的左直齿轮以及与后足结构件固连且由主齿轮驱动的右直齿轮；所述主齿轮为不完全齿轮。
所示控制机构包括与减速马达电导通且通过蓝牙组件接受外部控制指令的单片机。
所述主齿轮由轴向间隔若干距离的两个不完全齿轮构成，两个不完全齿轮的180°齿面上分布着连续排列的齿，并且两个不完全齿轮的有齿部位交叉分布。
所述左直齿轮固连在左齿轮轴上，所述第一前足结构件与左齿轮轴固连且通过左齿轮轴与机架铰接；所述右直齿轮固连在右齿轮轴上，所述后足结构件与右齿轮轴固连且通过右齿轮轴与机架铰接。
所述机架由相同且间隔一定距离的两个架板连接而成；所述传动组件安装在两个架板之间。
每个架板的左端依序与第一前足结构件、第二前足结构件以及第三前足结构件铰接形成所述四杆机构；每个架板的右端还分别与一后足结构件铰接，每个拉伸弹簧的两端分别与一个架板的中部以及一个后足结构件的顶端连接。
所述第二前足结构件的底端安装有减震组件；该减震组件包括固定在第二前足结构件底端的套筒、插嵌在套筒中的圆柱杆、固定在圆柱杆底端的弓形底板以及穿套在圆柱杆上且上下两端分别与套筒和弓形底板连接的压簧。
所述弓形底板的底面固定有减震橡胶。
该装置上还安装有电池。
本发明的有益效果是：
(1)本结构采用四足腿部式弹跳结构，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，在弹跳过程中稳定性更高；
(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；齿轮传动可以选取合适的传动比，可最大化地将驱动力转化为弹性势能存储在弹簧中；
(3)前腿采用压缩弹簧减震装置，有效减小了四足弹跳装置在弹跳过程中与地面之间相互作用而造成的震动和冲击，可以显著提高四足弹跳机器人行走过程中的稳定性；
(4)本机构采用四足弹跳的形式，将马达产生的动能最大限度的存储在四个弹簧中，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瞬间的初速度，进而提高弹跳高度和距离。
附图说明
图1是本发明的三维结构示意图。
图2是扭转弹簧的安装结构放大示意图。
图3是本发明中减震组件的放大结构示意图。
图4是本发明中主齿轮的三维结构示意图。
图中：1.左直齿轮，2.左齿轮轴，3.第一前足结构件，4.销轴，5.第二前足结构件，6.第三前足结构件，7.套筒，8.压簧，9.弓形底板，10.机架，11.后足结构件，12.右齿轮轴，13.右直齿轮，14.拉伸弹簧，15.主齿轮，16.键，17.扭转弹簧，18.连接螺栓，19.圆柱杆，20.减速马达，21.单片机，22.蓝牙发射端。
具体实施方式
下面结合附图所示实施例对本发明作进一步说明。
如图所示的基于不完全齿轮的四足弹跳装置，包括机架10、可摆动地定位在机架两端的前足组件和后足组件、驱动前足组件和后足组件的传动组件以及控制机构。
所述前足组件中：一对四杆机构定位在机架左侧，每个四杆机构由第一前足结构件3、第二前足结构件5、第三前足结构件6以及机架依序铰接而成(其中第二前足结构件与第三前足结构件的铰接点位于第二前足结构件的中部；第二前足结构件的下半部分作为行走用的小腿)；两个扭转弹簧17分别安装在机架上并且分别施力于一个四杆机构。所述后足组件中：一对后足结构件11铰接在机架左侧，两个拉伸弹簧14均连接在机架与后足结构件之间。以上所述的各铰接销轴轴线均相互平行。
所述机架由相同且间隔一定距离的架板连接而成；所述传动组件安装在两个架板之间。每个架板的左端分别与第一前足结构件、第二前足结构件以及第三前足结构件铰接形成一个四杆机构，每个扭转弹簧17安装在机架上并且分别施力于第一前足结构件(图2中可见：扭转弹簧穿套在左齿轮轴上，其两端分别勾扎固定在机架和第一前足结构件上)；每个架板的右端还分别通过右齿轮轴与一个后足结构件铰接，每个拉伸弹簧的一端连接在架板的中部而另一端连接在后足结构件的顶端。
所述传动组件中，主齿轮15由减速马达20驱动，左右直齿轮分布于主动轮两侧；左直齿轮1与第一前足结构件3固连并且由主齿轮驱动；由图2可知：左直齿轮通过键槽结构(图中显示：键16安装在键槽中)固连在左齿轮轴2上；第一前足结构件与左齿轮轴也通过键槽结构固连并且通过左齿轮轴与机架铰接。右直齿轮13与后足结构件固连并且由主齿轮驱动；由图可知：右直齿轮通过键槽结构固连在右齿轮轴12上，后足结构件也通过键槽结构与右齿轮轴固连(后足结构件距顶部一定距离处开设有槽孔，右齿轮轴通过槽孔中的键槽结构与后足结构件固连；后足结构件的槽孔以下部分作为行走用的小腿)并且通过右齿轮轴与机架铰接；所述主齿轮由轴向间隔若干距离的两个不完全齿轮构成(两个不完全齿轮制作在主齿轮的齿面上)，两个不完全齿轮的180°齿面上分布着连续排列的齿(即每个不完全齿轮的半个圆周面上制作有齿，另外半个圆周面上无齿)，并且两个不完全齿轮的有齿部位交叉分布(一个不完全齿轮的有齿部位，轴向对应于另外半个圆周面上的无齿部位)。
所述第二前足结构件的底端安装有减震组件；该减震组件中：套筒7通过连接螺栓固定在第二前足结构件底端，圆柱杆19又插嵌在套筒中，弓形底板9固定在圆柱杆底端，压簧10穿套在圆柱杆上并且压簧的上下两端分别与套筒和弓形底板固定连接。弓形底板的底面还固定有减震橡胶，以增大与地面的摩擦系数；后足结构件的底端也固定有减震橡胶，用于增大与地面的摩擦系数。
所示控制机构包括减速马达电导通且通过蓝牙组件接受控制指令的单片机21(优选stc89c51)。
本发明的工作原理是：减速电机接通电池(安装在机架上；图中省略)启动；当主动轮15逆时针转动时，从动轮(左右直齿轮)顺时针转动，第一前足结构件3在左直齿轮1带动下绕轴顺时针旋转，扭转弹簧4被压缩蓄能；同时后足结构件11在右直齿轮13带动下作顺时针旋转，拉伸弹簧14被拉长蓄能；在这一过程中，动能转换为弹簧的弹性势能分别存储于扭转弹簧与拉伸弹簧之中。当主动齿轮转动180°之后(主动轮为两组不完全齿轮构成)转动至空缺齿轮部位时，左右从动轮同时脱离啮合，脱离瞬间前后弹簧同时被释放，前后足的扭转弹簧、拉伸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。在脱离啮合至机构离开地面这段时间内，各关节释放舒展姿势，呈现弹跳姿态；在机构释放离开地面至着陆时，主动轮未与左右直齿轮啮合且未受到载荷，电机在空转情况下转速提高；在弹跳腿着陆后，主动轮与左右直齿轮第二次啮合，重复之前的弹簧蓄能过程，同时机构姿态可以调整至较适合着陆的状态，并准备第二跳跃；重复上述过程，客实现四足弹跳机构的连续跳跃。
控制机构由stc89c51单片机与蓝牙组件组成(HC‐05蓝牙模块作为接收端)构成，蓝牙发射端22通过蓝牙信号与单片机进行信息沟通；外部的操作人员通过发送控制信号操作减速马达正反转，从而实现姿态角的调整与跳跃动作。
Claims (7)
1.一种基于不完全齿轮的四足弹跳装置，其特征在于该装置包括机架(10)、分别可摆动地定位在机架两端的前足组件和后足组件、驱动前足组件和后足组件的传动组件以及控制机构；
所述前足组件包括定位在机架左侧的一对四杆机构以及安装在机架上且施力于四杆机构的扭转弹簧(17)，每个四杆机构由第一前足结构件(3)、第二前足结构件(5)、第三前足结构件(6)以及机架依序铰接而成；所述后足组件包括铰接在机架右侧的一对后足结构件(11)以及连接在机架与后足结构件之间的拉伸弹簧(14)；
所述传动组件包括由减速马达驱动的主齿轮(15)、与第一前足结构件固连且由主齿轮驱动的左直齿轮(1)以及与后足结构件固连且由主齿轮驱动的右直齿轮(13)；所述主齿轮为不完全齿轮；
所示控制机构包括与减速马达(10)电导通且通过蓝牙组件接受外部控制指令的单片机(21)；
所述主齿轮由轴向间隔若干距离的两个不完全齿轮构成，两个不完全齿轮的180°齿面上分布着连续排列的齿，并且两个不完全齿轮的有齿部位交叉分布。
2.根据权利要求1所述的基于不完全齿轮的四足弹跳装置，其特征在于：所述左直齿轮固连在左齿轮轴(2)上，所述第一前足结构件与左齿轮轴固连且通过左齿轮轴与机架铰接；所述右直齿轮固连在右齿轮轴(12)上，所述后足结构件与右齿轮轴固连且通过右齿轮轴与机架铰接。
3.根据权利要求2所述的基于不完全齿轮的四足弹跳装置，其特征在于：所述机架由相同且间隔一定距离的两个架板连接而成；所述传动组件安装在两个架板之间。
4.根据权利要求3所述的基于不完全齿轮的四足弹跳装置，其特征在于：每个架板的左端依序与第一前足结构件、第二前足结构件以及第三前足结构件铰接形成所述四杆机构；每个架板的右端还分别与一后足结构件铰接，每个拉伸弹簧的两端分别与一个架板的中部以及一个后足结构件的顶端连接。
5.根据权利要求4所述的基于不完全齿轮的四足弹跳装置，其特征在于：所述第二前足结构件的底端安装有减震组件；该减震组件包括固定在第二前足结构件底端的套筒(7)、插嵌在套筒中的圆柱杆(19)、固定在圆柱杆底端的弓形底板(9)以及穿套在圆柱杆上且上下两端分别与套筒和弓形底板连接的压簧(8)。
6.根据权利要求5所述的基于不完全齿轮的四足弹跳装置，其特征在于：所述弓形底板的底面固定有减震橡胶。
7.根据权利要求6所述的基于不完全齿轮的四足弹跳装置，其特征在于：该装置上还安装有电池。
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