CN110126933A - 一种弹簧储能式跳跃机构 - Google Patents

Abstract

本发明属于机器人技术领域，公开了一种弹簧储能式跳跃机构，包括：轨道转盘（1）、拉杆（4）、弹簧储能装置（15），所述拉杆（4）的前端与轨道转盘（1）的轨道连接且可在轨道上运动，拉杆（4）的后端与弹簧储能装置（15）相连，所述轨道转盘（1）的轨道是阿基米德螺线型，所述轨道转盘（1）为蜗轮结构，所述跳跃机构还包括蜗杆，蜗杆与蜗轮啮合，通过转动蜗杆驱动蜗轮转动，本发明实现弹簧压缩速度匀速，提高了压缩的稳定性，增大了轨道转盘的驱动扭矩，实现压缩弹力更大的弹簧，使跳跃机构的跳跃高度更高，其跳跃机构可广泛运用于小型跳跃机器人上。

Description

一种弹簧储能式跳跃机构

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种弹簧储能式跳跃机构。

背景技术

机器人跳跃机构有多种分类方式，根据驱动方式可分为液压驱动、气动驱动和电机驱动弹簧等驱动方式，但液压驱动和气动驱动结构复杂、质量及体积较大、控制繁琐等问题，不适合小型跳跃机器人的研究，而一般的电机驱动弹簧类跳跃机构由于结构设计不合理，导致储能少、跳跃高度低、体积较大等问题。

如此类型的机器人跳跃机构例如在US 20150352454 A1中已有描述。它是由大致盘形的旋转部件、滑动部分、弹簧和驱动电机组成。

该结构存在以下缺点：

（1）大致盘形的旋转部件中的凸轮表面由若干区域组成，弹簧压缩速度非匀速，压缩稳定性低。

（2）滑动臂仅从单侧拉住凸轮表面，在进行压缩时，弹簧弹力过大会导致大致盘形的旋转部件偏向滑动臂一侧，从而无法进一步储能或损坏储能结构。

（3）驱动电机直接驱动大致盘形的旋转部件仅适用于储能小、跳跃高度低的机器人，当需要大量储能、跳跃高度需很大时，该结构将受到驱动扭矩不足的限制而无法储能。

（4）该结构为非对称结构，在跳跃时，整体结构会发生不必要的旋转。

（5）该结构在弹簧收缩状态下，需要另设固定滑动部分的附加结构，从而增大了整体结构和控制程序的复杂程度。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种使得弹簧压缩速度匀速的弹簧储能式跳跃机构。

为解决上述技术问题，本发明通过以下技术方案实现：

一种弹簧储能式跳跃机构，包括：轨道转盘、拉杆、弹簧储能装置，所述拉杆的前端与轨道转盘的轨道连接且可在轨道上运动，拉杆的后端与弹簧储能装置相连，所述轨道转盘的轨道是阿基米德螺线型。带来的有益效果是通过阿基米德螺线型轨道转盘的匀速转动带动拉杆匀速运动，从而使弹簧压缩速度的匀速，提高了压缩的稳定性。

优选的，所述轨道转盘为蜗轮结构，所述跳跃机构还包括蜗杆，蜗杆与蜗轮啮合，通过转动蜗杆驱动蜗轮转动。带来的有益效果是使用蜗轮蜗杆结构，增大了轨道转盘的驱动扭矩，实现压缩弹力更大的弹簧，使跳跃机构的跳跃高度更高。

优选的，所述蜗轮蜗杆传动采用自锁结构。带来的有益效果是采用蜗轮蜗杆自锁结构，实现跳跃机构无需另设保持弹簧压缩状态的附加结构，降低了整体结构的复杂程度和控制程序的复杂性。

优选的，所述跳跃机构还包括蜗轮滑轨，所述蜗轮结构的轨道转盘在蜗轮滑轨中转动。带来的有益效果是通过蜗轮滑轨对蜗轮结构的轨道转盘提供支撑保护。

优选的，所述蜗轮滑轨包括一个半圆形外壳，外壳截面成槽状，在外壳内部两侧面按半圆形排列多根套有滑轨滑环的管状物，由所述管状物形成滑轨，所述蜗轮结构的轨道转盘靠近外缘两侧设有凸起的圆环状光滑轨道，并嵌在滑轨中滑动。带来的有益效果是通过套有滑轨滑环的管状物，降低蜗轮结构的轨道转盘在蜗轮滑轨中转动的阻力。

优选的，所述蜗轮滑轨上设有拉杆的限位凹槽，拉杆穿过涡轮滑轨内的限位凹槽，所述限位凹槽开口尺寸略大于拉杆在限位凹槽处的横截面尺寸，使拉杆可绕铰接处中心轴小角度转动。带来的有益效果是通过拉杆可绕铰接处中心轴小角度转动，减小释放弹簧的阻力，使弹簧释放过程更加顺畅。

优选的，所述拉杆为叉状结构，在拉杆前端横向安装拉杆滑环，拉杆滑环沿蜗轮结构的轨道转盘轨道上滑动，拉杆从蜗轮结构的轨道转盘轨道的两侧拉住拉杆滑环。带来的有益效果是通过拉杆从蜗轮结构的轨道转盘轨道的两侧拉住拉杆滑环，避免弹簧弹力过大导致轨道转盘偏向拉杆一侧，从而无法进一步储能或损坏储能结构情况的出现。

优选的，所述蜗轮结构的轨道转盘轨道L J段为阿基米德螺线型，轨道J K段为直径略大于拉杆滑环外径的近半圆形,使拉杆滑环停留在轨道J K段内，将弹簧弹力维持。带来的有益效果是通过轨道J K段为直径略大于拉杆滑环外径的近半圆形,使拉杆滑环停留在轨道J K段内，在无需增加复杂的锁止装置的情况下将弹簧弹力维持在最大状态，从而实现弹簧弹力释放时间的可控性。

优选的，所述弹簧储能装置包括弹簧轴、弹簧底座、弹簧、管型轨道，弹簧轴刚性地固定在弹簧底座上，并能够在涡轮滑轨的管型轨道中自由滑动，管型轨道的直径适合于弹簧轴，弹簧围绕在弹簧轴上，并在涡轮滑轨和弹簧底座间自由收缩和伸长。带来的有益效果是通过弹簧轴在涡轮滑轨的管型轨道中自由滑动，减小弹簧运动过程中的阻力。

优选的，所述跳跃机构沿蜗轮结构的轨道转盘旋转轴线垂直方向整体左右对称。带来的有益效果是通过跳跃机构沿蜗轮结构的轨道转盘旋转轴线垂直方向整体左右对称，使跳跃机构在跳跃过程中不侧翻，提其在跳跃过程中的稳定性。

附图说明

图1是US 2015/0352454 A1中所描述的跳跃机构俯视图；

图2是US 2015/0352454 A1中所描述的跳跃机构侧视图；

图3是本发明的整体结构示意图；

图4是本发明中阿基米德螺线型蜗轮结构的轨道转盘的示意图；

图5是本发明中涡轮滑轨的示意图；

图6是本发明弹簧初始延伸状态；

图7是本发明弹簧缩进中状态；

图8是本发明弹簧维持缩进状态；

图9是本发明弹簧释放延伸状态。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1和2示出US 20150352454 A1中所描述的跳跃机构，其整体结构由附图标记100表示。

所述结构包括滑动部分116，滑动部分116刚性地固定有两根杆118并滑动地容纳在与底座102一体的两个缸120中。用于储能的两个弹簧122分别围绕两个杆118和它们各自的圆柱体120放置，通过一端支承在形成于滑动部分116上的肩部116b上，与杆118同轴，在杆118的根部。在气缸120上形成的肩部104上，在与其相对的孔的相对处，端部通过相应的杆118接合。

当滑动部分116移动得更靠近滑架的底座102时弹簧压缩储能，当所述滑动部分116反向滑动时，这些弹簧反向地推动滑动部分116释放能量。

此外，臂130在其一端的区域中围绕滑动部分116上的轴132铰接，并且包括在其相对端的区域中的指状物134和在中间区域中的贴合部分136。臂130可以在平行于滑动部分116的滑动平面中围绕轴线132转动。

大致盘形的旋转部件140围绕平行于臂130的枢转轴线132的轴线142可转动地安装在基座102上。指状物134随着所述凸轮表面144滑动，由弹簧122产生的作用力施加在所述凸轮表面上。

凸轮表面144包括若干区域，第一区域是当旋转部分140沿图2中的顺时针方向旋转时，指状物134轴线到轴142的距离逐渐减小的点A和B之间的区域140a。

第二区域是点B和C之间的大致半圆形的凹口144b，其大小适于指状物134进入。

第三区域是点C和D之间的第二大致半圆形凹口144c，通常以点O为中心，以安装螺钉142。

随后的区域144d是略微凸出的区域，通常径向地从点O朝向，直到形成另一个脊的点E。在点E和F之间限定了一个区段144e，当旋转经过时，区段144e从点O逐渐进一步移动，点F形成弯曲和凸起，其中随后的区域144f与旋转部分的周边接近，直到一点G。点G和H限定了指状物134的支架144g，区域144h是以点O为中心的圆形扇区。

机构100还包括安装在基座102上的棘轮150，以便绕平行于轴线132和轴线142的轴线152旋转，该杆包括适于与与臂130成一体的贴合部分136配合的卡扣154。并且在图2中的顺时针方向上受到旋转应力。在图2中用弹簧，例如螺旋弹簧，其在棘轮上的卡住点156。

棘轮还包括适于作用在短路开关160上的工作表面158，其两个端子以未示出的方式连接到控制单元。臂130设计成有两个大致平坦且间隔开的部分130a，130b（参见图1），并且贴合部分136在这两个部分之间横向延伸，而棘轮150制成厚度小于两个部分130a，130b之间的距离，以便能够部分地进入所述两个部分之间限定的空间中并且与贴合部分136配合。

旋转部分140在图中的顺时针方向上被驱动，指状物134被凸轮表面的区域144a朝向中心O逐渐地靠近期间，势能在弹簧122中累积。应注意的是，在该取向附近，贴合部分136使棘轮150在其锁扣154处受力，使其沿逆时针方向旋转，抵抗由其自身弹簧施加的力，工作区域158压在开关160工作部分上,当棘轮150锁扣154处越过贴合部分130后，达到维持储能的状态。

随着电动机的旋转过去，凹口144b在图中向右逐渐移动，以使臂130也沿顺时针方向逐渐旋转，凹口144b不能保持臂130的指状物134，并且在弹簧120施加的牵引力的作用下，指状物134从凹口144b弹出，滑动部分116突然释放。

图3、4、5和6示出参照US 20150352454 A1中所描述的跳跃机构的跳跃机构，其是根据本发明修改之后的跳跃机构。

图3出示整体跳跃机构包括阿基米德螺线型蜗轮结构的轨道转盘1、涡轮滑轨2、驱动电机3、拉杆4、弹簧轴5、弹簧底座6、弹簧7、拉杆滑环8、滑轨滑环9，为了使跳跃机构在跳跃过程中不侧翻，跳跃机构沿轨道蜗轮旋转轴线垂直方向整体左右对称。

为了允许维持储能状态功能的发挥并尽可能简化结构，图4出示本发明运用了涡轮蜗杆传动自锁功能，将储能结构设计成涡轮结构，同时解决了上述已有结构的当需要大量储能或跳跃高度需很大时，由于弹簧弹力过大导致的所需驱动扭矩不足的问题，提高了压缩稳定性。

阿基米德螺线型蜗轮结构的轨道转盘1特征在于，点L和J之间的一段轨道轨迹是一条以圆环状光滑轨道11的中心为原点的阿基米德螺线，当阿基米德螺线型蜗轮结构的轨道转盘1匀角速度速转动时，能够使拉杆滑环8得中心轴匀速靠近边缘11的中心，从而匀速拉动拉杆4和弹簧底座6压缩弹簧，稳定地进行储能。点J和K之间的一段轨道轨迹为大致半圆形，其大小适合于拉杆滑环8。

阿基米德螺线型蜗轮结构的轨道转盘1两侧有圆环状光滑轨道11，用于固定阿基米德螺线型蜗轮结构的轨道转盘1于涡轮滑轨2上并能够在驱动电机3的作用下绕其中心轴线转动。

图5出示涡轮滑轨2的整体构造：其特征在于由多根带有滑轨滑环9的柱状物形成的大致半环形的轨道14，滑轨滑环9和柱状物都适合于圆环状光滑轨道11。拉杆4一端铰接在弹簧底座6上，一端穿过涡轮滑轨2内的限位凹槽12从两侧拉住以带有拉杆滑环8的管状物在阿基米德螺线型轨道表面10滑动，限位凹槽12开口尺寸略大于拉杆4在限位凹槽处的横截面尺寸，使拉杆4可绕铰接处中心轴小角度（15°左右）转动。弹簧轴5刚性地固定在弹簧底座6上，并能够在涡轮滑轨2的管型轨道13中自由滑动，管型轨道13适合于弹簧轴5，弹簧7围绕在弹簧轴5上，并在涡轮滑轨2和弹簧底座6间自由收缩和伸长。

弹簧底座6包括铰接拉杆4的装置和固定弹簧轴5的装置，以及其尾部撑杆末端的多面结构，当弹簧底座6被弹簧推出，弹簧底座6尾部撑杆末端的某个面接触地面，从而在一定程度上防止在地面上滑动或插入地面的情况。

附图6、7、8、9示出本发明整体跳跃机构的运动过程。

图6出示了驱动电机3带动适合阿基米德螺线型蜗轮结构的轨道转盘1的蜗杆（未标明）传动阿基米德螺线型蜗轮结构的轨道转盘1，阿基米德螺线型轨道涡轮绕圆环状光滑轨道11的中心轴按图6中的逆时针方向旋转，进而带动拉杆滑环8在阿基米德螺线型轨道表面10上的L点开始滑动，同时匀速拉动拉杆4和弹簧底座6压缩弹簧7开始稳定储能。需要注意的是，阿基米德螺线型蜗轮结构的轨道转盘1可按照图6中安装，也可反向安装，同时驱动方向也将反向。

图7出示了拉杆滑环8继续沿着阿基米德螺线型轨道表面10滑动，压缩弹簧7储能，图8出示了当拉杆滑环8到达点J和K段大致半圆形轨道时，弹簧7压缩至最短，此时可断电或减小驱动电机3输出扭矩维持储能状态，为跳跃做准备。

图9出示了当阿基米德螺线型蜗轮结构的轨道转盘1继续逆时针方向转动，带动拉杆4绕铰接处中心轴略向下偏转，当点J和K段轨道无法支撑拉杆4的拉力时，拉杆4、弹簧底座6在弹簧弹力的作用下瞬间被推出，弹簧底座6尾部撑杆末端的某个面接触地面产生反作用力进行跳跃。

值得指出的是，这里给出的方式只是作为本发明的一个具体实施方式，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种弹簧储能式跳跃机构，包括：轨道转盘（1）、拉杆（4）、弹簧储能装置（15），所述拉杆（4）的前端与轨道转盘（1）的轨道连接且可在轨道上运动，拉杆（4）的后端与弹簧储能装置（15）相连，其特征在于，所述轨道转盘（1）的轨道是阿基米德螺线型。

2.根据权利要求1所述的一种弹簧储能式跳跃机构，其特征在于，所述轨道转盘（1）为蜗轮结构，所述跳跃机构还包括蜗杆，蜗杆与蜗轮啮合，通过转动蜗杆驱动蜗轮转动。

3.根据权利要求2所述的一种弹簧储能式跳跃机构，其特征在于，所述蜗轮蜗杆传动采用自锁结构。

4.根据权利要求2所述的一种弹簧储能式跳跃机构，其特征在于，所述跳跃机构还包括蜗轮滑轨（2），所述蜗轮结构的轨道转盘（1）在蜗轮滑轨（2）中转动。

5.根据权利要求4所述的一种弹簧储能式跳跃机构，其特征在于，所述蜗轮滑轨（2）包括一个半圆形外壳，外壳截面成槽状，在外壳内部两侧面按半圆形排列多根套有滑轨滑环（9）的管状物，由所述管状物形成滑轨（14），所述蜗轮结构的轨道转盘（1）靠近外缘两侧设有凸起的圆环状光滑轨道（11），并嵌在滑轨（14）中滑动。

6.根据权利要求4所述的一种弹簧储能式跳跃机构，其特征在于，所述蜗轮滑轨（2）上设有拉杆（4）的限位凹槽（12），拉杆（4）穿过涡轮滑轨（2）内的限位凹槽（12），所述限位凹槽（12）开口尺寸略大于拉杆（4）在限位凹槽（12）处的横截面尺寸，使拉杆（4）可绕铰接处中心轴小角度转动。

7.根据权利要求1所述的一种弹簧储能式跳跃机构，其特征在于，所述拉杆（4）为叉状结构，在拉杆（4）前端横向安装拉杆滑环（8），拉杆滑环（8）沿蜗轮结构的轨道转盘（1）轨道上滑动，拉杆（4）从蜗轮结构的轨道转盘（1）轨道的两侧拉住拉杆滑环（8）。

8.根据权利要求7所述的一种弹簧储能式跳跃机构，其特征在于，所述蜗轮结构的轨道转盘（1）轨道（L J）段为阿基米德螺线型，轨道（J K）段为直径略大于拉杆滑环（8）外径的近半圆形,使拉杆滑环（8）停留在轨道（J K）段内，将弹簧弹力维持。

9.根据权利要求4-8任一项所述的一种弹簧储能式跳跃机构，其特征在于，所述弹簧储能装置（15）包括弹簧轴（5）、弹簧底座（6）、弹簧（7）、管型轨道（13），弹簧轴（5）刚性地固定在弹簧底座（6）上，并能够在涡轮滑轨（2）的管型轨道（13）中自由滑动，管型轨道（13）的直径适合于弹簧轴（5），弹簧（7）围绕在弹簧轴（5）上，并在涡轮滑轨（2）和弹簧底座（6）间自由收缩和伸长。

10.根据权利要求2-8任一项所述的一种弹簧储能式跳跃机构，其特征在于，所述跳跃机构沿蜗轮结构的轨道转盘（1）旋转轴线垂直方向整体左右对称。