CN109606492A - 一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人。一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人，其中，包括基板，设在所述基板相对两侧的跳跃腿，以及设在所述基板上的涵道风机、单片机控制器和锂电池，所述跳跃腿设有用于分别控制所述跳跃腿的踝关节、膝关节和髋关节的第一伺服电机、第二伺服电机及第三伺服电机，所述涵道风机、锂电池、第一伺服电机、第二伺服电机以及第三伺服电机均与所述单片机控制器电连接。本发明还提供上述双足跳跃机器人的工作方法。本发明提供一种新的由外力辅助驱动的驱动方式，使机器人具备混合动力驱动、大尺度快速跳跃与复杂地形平稳落地的特点，从而提高机器人对复杂环境的适应能力。

Description

一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人及其工作方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，更具体地，涉及一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人及其工作方法。

背景技术

近年来，由自然灾害造成的恶劣地形以及不可预测的外界环境需要迫切机器人执行环境考察、资源回收或者救援等任务，而具备跳跃能力的机器人有更强的环境适应能力，能更好地完成任务。到目前为止，关节腿式跳跃机器人主流的关节驱动方式分别有电机驱动、气动驱动、液压燃气驱动以及弹簧驱动，很少有借助外力辅助驱动的方式。此外，先前所研究的跳跃机器人中，连续跳跃的机器人跳跃高度不高，间歇式跳跃机器人要么质量比较低，要么有比较长的储能间隔时间。总的来说先前研究的跳跃机器人的缺点是难以实现机器人的软着陆，难以实现在机器人腾空过程中让机器人调整姿态，难以实现机器人的连续高跳跃。而解决这些问题是提高跳跃机器人对复杂环境适应能力的关键。

发明内容

本发明为实现上述目的，提供一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人及其工作方法。本发明提供一种新的由外力辅助驱动的驱动方式，使机器人具备混合动力驱动、大尺度快速跳跃与复杂地形平稳落地的特点，从而提高机器人对复杂环境的适应能力。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人，其中，包括基板，设在所述基板相对两侧的跳跃腿，以及设在所述基板上的涵道风机、单片机控制器和锂电池，所述跳跃腿设有用于分别控制所述跳跃腿的踝关节、膝关节和髋关节的第一伺服电机、第二伺服电机及第三伺服电机，所述涵道风机、锂电池、第一伺服电机、第二伺服电机以及第三伺服电机均与所述单片机控制器电连接。每个跳跃腿的三个伺服电机为一组，通过串联的方式连接至单片机控制器上。锂电池的数量有两块，一块锂电池与单片机控制器连接为机器人跳跃腿上的六个伺服电机提供电源；涵道风机与无刷电调相连接，通过无刷电调引出一个控制信号输入接口和一个电源接口，单片机控制器连接控制信号输入接口，由单片机控制器控制涵道风机推力值的大小，另一块锂电池与电源接口相连接，给涵道风机提供电源；涵道风机产生的最大推力大于机器人自身所受到的重力。

进一步的，所述跳跃腿包括依次转动连接的大腿部、小腿部和脚掌，所述大腿部与所述基板连接处为髋关节，控制基板的转动；所述大腿部与所述小腿部连接处为膝关节，主要控制机器人的蹲下与起立；所述小腿部与所述脚掌连接处为踝关节，控制机器人的前倾与后仰。

进一步的，所述小腿部包括第一连杆、第二连杆、第三连杆、第四连杆、第一支撑轴和第二支撑轴，所述第一连杆和第二连杆的一端分别与所述脚掌的两端转动连接，所述第一伺服电机设在所述第一连杆上，所述第二连杆的另一端以及所述第三连杆的一端均与所述第一支撑轴的一端转动连接，所述第一连杆的另一端与所述第二支撑轴的一端转动连接，所述第一支撑轴的另一端与所述第四连杆的一端转动连接，所述第三连杆的另一端与所述第一伺服电机的固定孔处转动连接，所述第四连杆的另一端与所述第一伺服电机的舵盘转动连接，所述第一连杆、第二连杆、脚掌及第三连杆组成平行四边形，所述第三连杆、第四连杆、第一支撑轴及第一伺服电机组成平行四边形。因此，第一伺服电机在带动第四连杆转动时使得上述的平行四边形发生形变，从而控制机器人踝关节的运动。

进一步的，所述大腿部包括第五连杆、第六连杆、第七连杆、第八连杆、第九连杆和第十连杆，所述第三伺服电机固定在所述基板上，所述第七连杆和第九连杆的一端均与所述第三伺服电机的舵盘转动连接，所述第八连杆和第十连杆的一端均与所述第三伺服电机的固定孔处转动连接，所述第二伺服电机固定在所述第九连杆和第十连杆之间，所述第七连杆的另一端与所述第二支撑轴上跟第一连杆转动连接的一端转动连接，所述第八连杆的另一端与所述第二支撑轴的另一端转动连接，所述第五连杆的一端与所述第二伺服电机的舵盘转动连接，另一端与所述第一伺服电机的固定孔处转动连接，所述第六连杆的一端与所述第二伺服电机的固定孔处转动连接，另一端与所述第一伺服电机的舵盘转动连接，所述第五连杆、第七连杆、第九连杆及第一连杆组成平行四边形。因此，第二伺服电机在带动第五连杆转动时使得该平行四边形发生形变，从而控制机器人膝关节的运动；第三伺服电机与基板相连，因此第三伺服电机在转动时带动基板转动，从而控制机器人的髋关节，关节与关节之间不存在耦合关系。

进一步的，所述涵道风机设在所述基板另外相对的两侧，所述涵道风机包括风机本体和风机支架，所述风机支架通过螺栓固定在所述风机本体相对的两侧，所述风机支架的顶端通过螺栓固定在所述基板的底面上，所述基板上与所述风机本体对应的位置设有用于气流流通的通孔。

进一步的，所述单片机控制器通过螺栓固定在所述基板的顶面上，所述锂电池固定在所述基板的底面上。

进一步的，所述基板上设有长方形过孔，所述锂电池通过魔术贴穿过所述长方形过孔固定在所述基板的底面上。

本发明还提供一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人的工作方法，其中，包括如下步骤：

S1.机器人起跳时，单片机控制器控制两条跳跃腿上的第一伺服电机、第二伺服电机及第三伺服电机运行，以控制跳跃腿的踝关节、膝关节和髋关节的运动，实现蹬腿动作，同时控制涵道风机启动并输出方向和大小一定的推力，以混合动力的方式驱动机器人完成起跳的动作；

S2.机器人腾空过程中，单片机控制器控制涵道风机输出方向和大小一定的推力，调整机器人腾空过程中的姿态，以保证机器人的平衡；

S3.机器人落地过程中，单片机控制器控制涵道风机输出方向和大小的推力，同时控制两条跳跃腿上的第一伺服电机、第二伺服电机及第三伺服电机运行，以控制跳跃腿的踝关节、膝关节和髋关节的运动，实现曲腿动作，减小机器人落地时脚掌对地面的冲击力，实现软着陆。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明在基板上设置了涵道风机，提供了一种新的由外力辅助驱动的驱动方式，使机器人具备混合动力驱动、大尺度快速跳跃与复杂地形平稳落地的特点，从而提高机器人对复杂环境的适应能力。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是本发明中基板与涵道风机装配爆炸图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

实施例1

如图1所示，一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人，其中，包括基板1，设在所述基板1相对两侧的跳跃腿，以及设在所述基板1上的涵道风机2、单片机控制器3和锂电池4，所述跳跃腿设有用于分别控制所述跳跃腿的踝关节、膝关节和髋关节的第一伺服电机5、第二伺服电机6及第三伺服电机7，所述涵道风机2、锂电池4、第一伺服电机5、第二伺服电机6以及第三伺服电机7均与所述单片机控制器3电连接。每个跳跃腿的三个伺服电机为一组，通过串联的方式连接至单片机控制器3上。锂电池4的数量有两块，一块锂电池4与单片机控制器3连接为机器人跳跃腿上的六个伺服电机提供电源；涵道风机2与无刷电调相连接，通过无刷电调引出一个控制信号输入接口和一个电源接口，单片机控制器3连接控制信号输入接口，由单片机控制器3控制涵道风机2推力值的大小，另一块锂电池4与电源接口相连接，给涵道风机2提供电源；涵道风机2产生的最大推力大于机器人自身所受到的重力。

如图1所示，所述跳跃腿包括依次转动连接的大腿部、小腿部和脚掌8，所述大腿部与所述基板1连接处为髋关节，控制基板1的转动；所述大腿部与所述小腿部连接处为膝关节，主要控制机器人的蹲下与起立；所述小腿部与所述脚掌8连接处为踝关节，控制机器人的前倾与后仰。

如图1所示，所述小腿部包括第一连杆9、第二连杆10、第三连杆11、第四连杆12、第一支撑轴13和第二支撑轴14，所述第一连杆9和第二连杆10的一端分别与所述脚掌8的两端转动连接，所述第一伺服电机5设在所述第一连杆9上，所述第二连杆10的另一端以及所述第三连杆11的一端均与所述第一支撑轴13的一端转动连接，所述第一连杆9的另一端与所述第二支撑轴14的一端转动连接，所述第一支撑轴13的另一端与所述第四连杆12的一端转动连接，所述第三连杆11的另一端与所述第一伺服电机5的固定孔处转动连接，所述第四连杆12的另一端与所述第一伺服电机5的舵盘转动连接，所述第一连杆9、第二连杆10、脚掌8及第三连杆11组成平行四边形，所述第三连杆11、第四连杆12、第一支撑轴13及第一伺服电机5组成平行四边形。因此，第一伺服电机5在带动第四连杆12转动时使得上述的平行四边形发生形变，从而控制机器人踝关节的运动。

如图1所示，所述大腿部包括第五连杆15、第六连杆16、第七连杆17、第八连杆18、第九连杆19和第十连杆20，所述第三伺服电机7固定在所述基板1上，所述第七连杆17和第九连杆19的一端均与所述第三伺服电机7的舵盘转动连接，所述第八连杆18和第十连杆20的一端均与所述第三伺服电机7的固定孔处转动连接，所述第二伺服电机6固定在所述第九连杆19和第十连杆20之间，所述第七连杆17的另一端与所述第二支撑轴14上跟第一连杆9转动连接的一端转动连接，所述第八连杆18的另一端与所述第二支撑轴14的另一端转动连接，所述第五连杆15的一端与所述第二伺服电机6的舵盘转动连接，另一端与所述第一伺服电机5的固定孔处转动连接，所述第六连杆16的一端与所述第二伺服电机6的固定孔处转动连接，另一端与所述第一伺服电机5的舵盘转动连接，所述第五连杆15、第七连杆17、第九连杆19及第一连杆9组成平行四边形。因此，第二伺服电机6在带动第五连杆15转动时使得该平行四边形发生形变，从而控制机器人膝关节的运动；第三伺服电机7与基板1相连，因此第三伺服电机7在转动时带动基板1转动，从而控制机器人的髋关节，关节与关节之间不存在耦合关系。

如图1和图2所示，所述涵道风机2设在所述基板1另外相对的两侧，所述涵道风机2包括风机本体21和风机支架22，所述风机支架22通过螺栓固定在所述风机本体21相对的两侧，所述风机支架22的顶端通过螺栓固定在所述基板1的底面上，所述基板1上与所述风机本体21对应的位置设有用于气流流通的通孔23。

如图1所示，所述单片机控制器3通过螺栓固定在所述基板1的顶面上，所述锂电池4固定在所述基板1的底面上。

如图1和图2所示，所述基板1上设有长方形过孔24，所述锂电池4通过魔术贴穿过所述长方形过孔24固定在所述基板1的底面上。

实施例2

一种实施例1所述的基于涵道推进系统的双足跳跃机器人的工作方法，其中，包括如下步骤：

S1.机器人起跳时，单片机控制器3控制两条跳跃腿上的第一伺服电机5、第二伺服电机6及第三伺服电机7运行，以控制跳跃腿的踝关节、膝关节和髋关节的运动，实现蹬腿动作，同时控制涵道风机2启动并输出方向和大小一定的推力，以混合动力的方式驱动机器人完成起跳的动作；

S2.机器人腾空过程中，单片机控制器3控制涵道风机2输出方向和大小一定的推力，调整机器人腾空过程中的姿态，以保证机器人的平衡；

S3.机器人落地过程中，单片机控制器3控制涵道风机2输出方向和大小的推力，同时控制两条跳跃腿上的第一伺服电机5、第二伺服电机6及第三伺服电机7运行，以控制跳跃腿的踝关节、膝关节和髋关节的运动，实现曲腿动作，减小机器人落地时脚掌8对地面的冲击力，实现软着陆。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人，其特征在于，包括基板（1），设在所述基板（1）相对两侧的跳跃腿，以及设在所述基板（1）上的涵道风机（2）、单片机控制器（3）和锂电池（4），所述跳跃腿设有用于分别控制所述跳跃腿的踝关节、膝关节和髋关节的第一伺服电机（5）、第二伺服电机（6）及第三伺服电机（7），所述涵道风机（2）、锂电池（4）、第一伺服电机（5）、第二伺服电机（6）以及第三伺服电机（7）均与所述单片机控制器（3）电连接。

2. 根据权利要求1所述的一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人，其特征在于，所述跳跃腿包括依次转动连接的大腿部、小腿部和脚掌（8）， 所述大腿部与所述基板（1）连接处为髋关节，所述大腿部与所述小腿部连接处为膝关节，所述小腿部与所述脚掌（8）连接处为踝关节。

3.根据权利要求2所述的一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人，其特征在于，所述小腿部包括第一连杆（9）、第二连杆（10）、第三连杆（11）、第四连杆（12）、第一支撑轴（13）和第二支撑轴（14），所述第一连杆（9）和第二连杆（10）的一端分别与所述脚掌（8）的两端转动连接，所述第一伺服电机（5）设在所述第一连杆（9）上，所述第二连杆（10）的另一端以及所述第三连杆（11）的一端均与所述第一支撑轴（13）的一端转动连接，所述第一连杆（9）的另一端与所述第二支撑轴（14）的一端转动连接，所述第一支撑轴（13）的另一端与所述第四连杆（12）的一端转动连接，所述第三连杆（11）的另一端与所述第一伺服电机（5）的固定孔处转动连接，所述第四连杆（12）的另一端与所述第一伺服电机（5）的舵盘转动连接，所述第一连杆（9）、第二连杆（10）、脚掌（8）及第三连杆（11）组成平行四边形，所述第三连杆（11）、第四连杆（12）、第一支撑轴（13）及第一伺服电机（5）组成平行四边形。

4.根据权利要求3所述的一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人，其特征在于，所述大腿部包括第五连杆（15）、第六连杆（16）、第七连杆（17）、第八连杆（18）、第九连杆（19）和第十连杆（20），所述第三伺服电机（7）固定在所述基板（1）上，所述第七连杆（17）和第九连杆（19）的一端均与所述第三伺服电机（7）的舵盘转动连接，所述第八连杆（18）和第十连杆（20）的一端均与所述第三伺服电机（7）的固定孔处转动连接，所述第二伺服电机（6）固定在所述第九连杆（19）和第十连杆（20）之间，所述第七连杆（17）的另一端与所述第二支撑轴（14）上跟第一连杆（9）转动连接的一端转动连接，所述第八连杆（18）的另一端与所述第二支撑轴（14）的另一端转动连接，所述第五连杆（15）的一端与所述第二伺服电机（6）的舵盘转动连接，另一端与所述第一伺服电机（5）的固定孔处转动连接，所述第六连杆（16）的一端与所述第二伺服电机（6）的固定孔处转动连接，另一端与所述第一伺服电机（5）的舵盘转动连接，所述第五连杆（15）、第七连杆（17）、第九连杆（19）及第一连杆（9）组成平行四边形。

5.根据权利要求1所述的一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人，其特征在于，所述涵道风机（2）设在所述基板（1）另外相对的两侧，所述涵道风机（2）包括风机本体（21）和风机支架（22），所述风机支架（22）通过螺栓固定在所述风机本体（21）相对的两侧，所述风机支架（22）的顶端通过螺栓固定在所述基板（1）的底面上，所述基板（1）上与所述风机本体（21）对应的位置设有用于气流流通的通孔（23）。

6.根据权利要求1所述的一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人，其特征在于，所述单片机控制器（3）通过螺栓固定在所述基板（1）的顶面上，所述锂电池（4）固定在所述基板（1）的底面上。

7.根据权利要求6所述的一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人，其特征在于，所述基板（1）上设有长方形过孔（24），所述锂电池（4）通过魔术贴穿过所述长方形过孔（24）固定在所述基板（1）的底面上。

8.一种基于涵道推进系统的双足跳跃机器人的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1. 机器人起跳时，单片机控制器（3）控制两条跳跃腿上的第一伺服电机（5）、第二伺服电机（6）及第三伺服电机（7）运行，以控制跳跃腿的踝关节、膝关节和髋关节的运动，实现蹬腿动作，同时控制涵道风机（2）启动并输出方向和大小一定的推力，以混合动力的方式驱动机器人完成起跳的动作；

S2. 机器人腾空过程中，单片机控制器（3）控制涵道风机（2）输出方向和大小一定的推力，调整机器人腾空过程中的姿态，以保证机器人的平衡；

S3. 机器人落地过程中，单片机控制器（3）控制涵道风机（2）输出方向和大小的推力，同时控制两条跳跃腿上的第一伺服电机（5）、第二伺服电机（6）及第三伺服电机（7）运行，以控制跳跃腿的踝关节、膝关节和髋关节的运动，实现曲腿动作，减小机器人落地时脚掌（8）对地面的冲击力，实现软着陆。