CN110816890B - 一种不倒翁式跳跃探测机器人 - Google Patents

Abstract

一种不倒翁式跳跃探测机器人，包括椭球结构件(1)、弹跳机构组件(2)、质心调整组件(3)、记忆合金释放组件(4)及弹性固定底座(5)；椭球结构件(1)为不倒翁结构；弹跳机构组件(2)通过金属连接件(1021)安装在中部壳体(102)内，与底盖(103)配合实现弹跳；质心调整组件(3)安装在导轨槽(1022)内，调整机器人的质心；记忆合金释放组件(4)安装在弹性固定底座(5)上；记忆合金释放组件(4)吊装机器人，通过记忆合金的变形释放机器人，在弹性固定底座(5)的弹射下释放机器人。本发明的探测机器人结构简单，对地形适应能力强，能实现对地外天体复杂的地形的探测。

Description

一种不倒翁式跳跃探测机器人

技术领域

本发明属于航天器深空探测领域，涉及一种不倒翁式跳跃探测机器人。

背景技术

随着我国探月工程一期、二期的顺利实施，三期工程已经进入到关键阶段，深入太空，开展对太空的科学研究，开展对地外天体的探测，势必将带动科学技术进步，促进工业发展，给国民经济带来巨大利益，对人类文明产生深远影响。

而目前，深空探测机器人主要移动方式为轮式或履带式，该类机器人功能强大，但对地形适应能力较差，使用环境易受限制。跳跃是一种很高效的移动方式，且对地形适应能力较强，因此本发明提出一种不倒翁式跳跃探测机器人，可有效提高探测机器人对地形的适应能力。

发明内容

本发明解决的技术问题是：深空探测机器人主要移动方式为轮式或履带式，该类机器人功能强大，但对地形适应能力较差，使用环境易受限制。本发明涉及一种跳跃式越障探测机器人，该探测机器人结构简单，对地形适应能力强，能实现对地外天体复杂的地形的探测。

本发明的技术解决方案是：一种不倒翁式跳跃探测机器人，包括椭球结构件、弹跳机构组件、质心调整组件、记忆合金释放组件及弹性固定底座；

椭球结构件包括上部壳体、中部壳体、底盖；上部壳体与中部壳体、底盖构成不倒翁结构；中部壳体内部设置有金属连接件及环形的导轨槽；

弹跳机构组件通过金属连接件安装在中部壳体内，与底盖配合实现弹跳；质心调整组件安装在导轨槽内，调整机器人的质心；记忆合金释放组件安装在弹性固定底座上；记忆合金释放组件吊装机器人，通过记忆合金的变形释放机器人，在弹性固定底座的弹射下释放机器人。

弹跳机构组件包括两个同步齿轮、两组连接杆、蓄力弹簧；每组连接杆包括两根通过销轴连接的连接杆；每组连接杆一端与同步齿轮通过销轴连接，另一端与底盖中部旋转连接；蓄力弹簧两端分别连接两组连接杆中的连接杆旋转关节处；初始状态，同步齿轮带动连接杆撑开蓄力弹簧；释放蓄力弹簧，连接杆将底盖弹出，实现跳跃。

质心调整组件包括伺服电机，质量轮；各质量轮沿周向均匀分布在导轨槽内，质量轮与伺服电机通过销轴连接，通过控制质量轮在导轨槽上的位置实现对跳跃探测机器人的姿态的控制。

记忆合金释放组件包括连接座、高低调整杆、电加热器、记忆合金压板；连接座对称安装在弹性固定底座两侧，高低调整杆与连接座连接，电加热器与高低调整杆通过棘齿条实现单方向压紧与锁定，记忆合金压板通过螺钉与垫片压在电加热器上，记忆合金压板从两侧压紧中部壳体，使机器人倒吊在弹性固定底座下方；释放时，电加热器加热记忆合金压板，记忆合金压板变形，释放机器人。

弹性固定底座包括安装底座、释放力调整座、释放弹簧；释放力调整座通过螺纹螺杆安装在安装底座内，通过螺纹螺杆调整释放力调整座的位置，调整释放弹簧的释放力，释放弹簧与释放力调整座粘接；机器人倒吊在弹性固定底座下方时，释放弹簧与底座接触；释放时，释放弹簧推动机器人离开安装底座。

上部壳体与中部壳体通过螺纹连接，底盖与中部壳体相接面为°锥面，能够自由连接分离。

上部壳体、中部壳体、底盖由超弹性形状记忆合金丝编制而成。

金属连接件及导轨槽均通过转接件通过螺钉与中部壳体的记忆合金丝相连。

上部壳体、底盖内部设置有金属连接件，用于与内部载荷相连。

金属连接件、转接件的材料为铝合金。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的不倒翁式跳跃探测机器人，重心位于底部，可使机器人无论以何种姿态落地，均可最终保持站立姿态；运动时，首先通过调整内部质量轮来调整重心，使机器人作出姿态上的变化，其次通过跳跃机构实现运动。能够通过跳跃实现对地外天体复杂地形的探测，提高探测机器人对地形的适应能力。

(2)本发明的不倒翁式跳跃探测机器人，通过少量的零件实现机器人姿态控制及跳跃功能，具有极高的可靠性，且成本较低。

(3)本发明的不倒翁式跳跃探测机器人，体积小、质量轻，可同时将大量机器人同时送入地外天体，实现对地外天体多点探测。

(4)本发明的不倒翁式跳跃探测机器人，可通过大量结构简单的跳跃机器人进行地外天体探测，将有效地降低探测任务成本，提高可靠性，具有极大的经济和军事价值，同时对未来的探测任务具有重要的经济效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明的不倒翁式跳跃探测机器人的示意图。

图2为本发明的不倒翁式跳跃探测机器人与飞船连接分离示意图。

图3为本发明的椭球结构件结构图。

图4为本发明的椭球体结构件中中椭球内部结构图。

图5为本发明的弹跳机构组件结构图。

图6为本发明的质心调整组件结构图。

图7为本发明的记忆合金释放组件结构图。

图8为本发明的弹性固定底座结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

探测机器人在执行地外天体探测任务时，需要运动来自主前往不同的区域，特别在复杂地形进行探测时，跳跃是一种很高效的运动方式。本发明的一种不倒翁式跳跃探测机器人通过舵机带动连杆齿轮系统运动对弹簧拉伸储能；释放拉伸的弹簧，弹簧带动连杆齿轮系统运动将机器人从地面弹至空中，实现跳跃功能，椭球结构件利用不倒翁原理使机器人无轮以何种姿态落地，最终机器人均能保持站立姿态，质心调整机构实现机器人的姿态控制。

如图1、图2所示，不倒翁式跳跃机探测机器人由椭球结构件1、弹跳机构组件2、质心调整组件3、记忆合金释放组件4及弹性固定底座5构成。

如图3所示，椭球结构件分为上部壳体101、中部壳体102、底盖103；上部壳体101与中部壳体102、底盖103构成不倒翁结构；上部壳体101与中部壳体102通过螺纹连接在一起，底盖103与中部壳体102相接面为45°锥面，可自由连接分离。椭球结构件由超弹性形状记忆合金丝编制而成，编制方式与金属网相同，属于公知范围，在受较大冲击时可通过记忆合金丝变形吸收能量，且可恢复无损坏。

如图4所示，中部壳体102内部设置有铝合金的金属连接件1021及环形的导轨槽1022，两部分均通过铝合金的转接件1023通过螺钉与中部壳体102的记忆合金丝相连。上部壳体101、底盖103内部同样设置有铝合金的金属连接件1021，连接方式与中部壳体102内部相同，用于与内部载荷相连。

弹跳机构组件2通过金属连接件1021安装在中部壳体102内，与底盖103配合实现弹跳；质心调整组件3安装在导轨槽1022内，调整机器人的质心；记忆合金释放组件4安装在弹性固定底座5上；记忆合金释放组件4吊装机器人，通过记忆合金的变形释放机器人，在弹性固定底座5的弹射下释放机器人。

如图5所示，弹跳机构组件2由两个同步齿轮201、两组连接杆202、蓄力弹簧203构成，三者通过销轴相互连接，销轴通过矩形键保证同步齿轮201与连接杆202的同步运动，为减小摩擦，在各旋转关节均需安装滚动轴承。每组连接杆202包括两根通过销轴连接的连接杆202；每组连接杆一端与同步齿轮201通过销轴连接，另一端与底盖103中部旋转连接；蓄力弹簧203两端分别连接两组连接杆202中的连接杆旋转关节处；初始状态，同步齿轮201带动连接杆202撑开蓄力弹簧203；释放蓄力弹簧203，连接杆202将底盖103弹出，实现跳跃。

如图6所示，质心调整组件3由伺服电机301，质量轮302构成，质量轮302安装在导轨槽1022内，质量轮302与伺服电机301通过销轴连接在一起，通过控制质量轮302在导轨槽1022上的位置实现跳跃探测机器人的姿态。

如图7所示，记忆合金释放组件4由连接座401、高低调整杆402、电加热器403、记忆合金压板404构成。连接座401对称安装在弹性固定底座5两侧，高低调整杆402与连接座401同样通过螺钉连接，电加热器403与高低调整杆402通过棘齿条实现单方向压紧与锁定，记忆合金压板404通过螺钉与垫片压在电加热器403上，记忆合金压板404从两侧压紧中部壳体102，使机器人倒吊在弹性固定底座5下方；释放时，电加热器403加热记忆合金压板404，记忆合金压板404变形释放不倒翁式跳跃机探测机器人。

如图8所示，弹性固定底座5由安装底座501、释放力调整座502、释放弹簧503构成。安装底座501与释放力调整座502通过螺纹螺杆连接，通过螺纹螺杆调整释放力调整座502的位置,进而调整释放弹簧503的释放力，释放弹簧503通过粘接与释放力调整座502相连；机器人倒吊在弹性固定底座5下方时，释放弹簧503与底座103接触；释放时，释放弹簧503推动机器人离开安装底座501。

整个不倒翁式跳跃探测机器人的工作过程：

在发射飞行阶段，弹跳机器人通过记忆聚合物压紧与着陆器保持连接，待着陆器着陆到小行星表面后，对记忆聚合物进行加热，记忆聚合物变形解除对机器人的压紧状态，弹簧推动弹跳机器人离开着陆器，最终着陆到小行星表面。

着陆后首先利用不倒翁原理，使机器人无论以何种姿态接触地面，最终均可以保持站立状态，其次通过电机调整内部4个质量轮的位置，使弹跳机器人质心偏置，从而来调整探测器跳跃的方向。再次，通过内部的舵机、连杆齿轮及弹簧系统实现弹跳功能。通过舵机带动连杆齿轮系统运动对弹簧拉伸储能；释放拉伸的弹簧，弹簧带动连杆齿轮系统运动将机器人从地面弹至空中，实现跳跃功能。落地后再次利用不倒翁原理达到稳定状态，实现一个循环动作。

本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。

Claims (9)

1.一种不倒翁式跳跃探测机器人，其特征在于，包括椭球结构件(1)、弹跳机构组件(2)、质心调整组件(3)、记忆合金释放组件(4)及弹性固定底座(5)；

椭球结构件(1)包括上部壳体(101)、中部壳体(102)、底盖(103)；上部壳体(101)与中部壳体(102)、底盖(103)构成不倒翁结构；中部壳体(102)内部设置有金属连接件(1021)及环形的导轨槽(1022)；

弹跳机构组件(2)通过金属连接件(1021)安装在中部壳体(102)内，与底盖(103)配合实现弹跳；质心调整组件(3)安装在导轨槽(1022)内，调整机器人的质心；记忆合金释放组件(4)安装在弹性固定底座(5)上；记忆合金释放组件(4)吊装机器人，通过记忆合金的变形释放机器人，在弹性固定底座(5)的弹射下释放机器人；

记忆合金释放组件(4)包括连接座(401)、高低调整杆(402)、电加热器(403)、记忆合金压板(404)；连接座(401)对称安装在弹性固定底座(5)两侧，高低调整杆(402)与连接座(401)连接，电加热器(403)与高低调整杆(402)通过棘齿条实现单方向压紧与锁定，记忆合金压板(404)通过螺钉与垫片压在电加热器(403)上，记忆合金压板(404)从两侧压紧中部壳体(102)，使机器人倒吊在弹性固定底座(5)下方；释放时，电加热器(403)加热记忆合金压板(404)，记忆合金压板(404)变形，释放机器人。

2.根据权利要求1所述的一种不倒翁式跳跃探测机器人，其特征在于，弹跳机构组件(2)包括两个同步齿轮(201)、两组连接杆(202)、蓄力弹簧(203)；每组连接杆(202)包括两根通过销轴连接的连接杆(202)；每组连接杆一端与同步齿轮(201)通过销轴连接，另一端与底盖(103)中部旋转连接；蓄力弹簧(203)两端分别连接两组连接杆(202)中的连接杆旋转关节处；初始状态，同步齿轮(201)带动连接杆(202)撑开蓄力弹簧(203)；释放蓄力弹簧(203)，连接杆(202)将底盖(103)弹出，实现跳跃。

3.根据权利要求1或2所述的一种不倒翁式跳跃探测机器人，其特征在于，质心调整组件(3)包括伺服电机(301)，质量轮(302)；各质量轮(302)沿周向均匀分布在导轨槽(1022)内，质量轮(302)与伺服电机(301)通过销轴连接，通过控制质量轮(302)在导轨槽(1022)上的位置实现对跳跃探测机器人的姿态的控制。

4.根据权利要求3所述的一种不倒翁式跳跃探测机器人，其特征在于，弹性固定底座(5)包括安装底座(501)、释放力调整座(502)、释放弹簧(503)；释放力调整座(502)通过螺纹螺杆安装在安装底座(501)内，通过螺纹螺杆调整释放力调整座(502)的位置，调整释放弹簧(503)的释放力，释放弹簧(503)与释放力调整座(502)粘接；机器人倒吊在弹性固定底座(5)下方时，释放弹簧(503)与底盖(103)接触；释放时，释放弹簧(503)推动机器人离开安装底座(501)。

5.根据权利要求4所述的一种不倒翁式跳跃探测机器人，其特征在于，上部壳体(101)与中部壳体(102)通过螺纹连接，底盖(103)与中部壳体(102)相接面为45°锥面，能够自由连接分离。

6.根据权利要求5所述的一种不倒翁式跳跃探测机器人，其特征在于，上部壳体(101)、中部壳体(102)、底盖(103)由超弹性形状记忆合金丝编制而成。

7.根据权利要求6所述的一种不倒翁式跳跃探测机器人，其特征在于，金属连接件(1021)及导轨槽(1022)均通过转接件(1023)通过螺钉与中部壳体(102)的记忆合金丝相连。

8.根据权利要求7所述的一种不倒翁式跳跃探测机器人，其特征在于，上部壳体(101)、底盖(103)内部设置有金属连接件(1021)，用于与内部载荷相连。

9.根据权利要求8所述的一种不倒翁式跳跃探测机器人，其特征在于，金属连接件(1021)、转接件(1023)的材料为铝合金。

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