CN111591370A - 一种跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种初始跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，包括躯干平台、后肢模块、可控离合收放模块、前肢模块。后肢模块与躯干平台后部固连，包括两组结构相同的跳跃腿单元，每个跳跃腿单元为多连杆组成的单自由度六杆机构，其对接线处安装拉簧，可提供始终垂直拉簧的直线跳跃力。可控离合收放模块由主电机、丝杠主轴、棘轮机构、卷线轮、拉线和缓冲弹簧等组成，通过控制主电机的旋转角度而改变初始跳跃力，通过控制主电机的旋转方向而控制起跳时机。前肢模块与躯干平台前部固连，由舵机和前腿等组成，舵机驱动前腿旋转，通过控制前腿与躯干平台的夹角而调整跳跃力方向。本发明初始跳跃力大小和方向可控，跳跃力沿直线，结构紧凑，质量轻。

Description

一种跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人
技术领域
本发明涉及一种跳跃机器人，具体来说，是一种轻小型、模块化、跳跃力大小和方向可控的仿生跳跃机器人。
背景技术
跳跃机器人有着常规机器人所不具备的运动特性，其具有强大的越障能力，极快的跳跃速度、广阔的移动范围等，其在星际探索、抢险救灾、军事侦察等方面具有广阔的应用前景和重要的战略意义。
麻省理工学院Raibert研制出世界上最早的跳跃机器人，类似弹簧倒立摆的单腿跳跃机器人。比萨圣安娜高等学校Sarfogliero等人，深入研究叶蝉，利用四连杆机构设计出长约50mm，质量约15g的小型四足跳跃机器人。瑞士洛桑联邦理工学院Mirko
Figure BDA0002509280880000011
等人研制出利用附加弹性元件的四杆机构进行储能，微型电机和电池提供动力，通过多级齿轮传动给扭簧蓄能，利用凸轮快速释放能量的小型跳跃机器人。
现有小型跳跃机器人受到体型小、驱动器少的限制，无法实现跳跃力大小和方向的控制，其跳跃力大小和方向均恒定，这极大地限制了小型跳跃机器人的灵活性和环境适应性，降低了其运动性能。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种轻小型、模块化、跳跃力大小和方向可控的仿生跳跃机器人。
一种跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，包括躯干平台、后肢模块、可控离合收放模块与前肢模块。
所述后肢模块包括两个相同的跳跃腿单元，分别对称固定于躯干平台底面后部左右两侧。跳跃腿单元为由连杆构成的单自由度六杆机构，单自由度六杆机构对角线间由拉簧相连，提供始终垂直拉簧的直线跳跃力。可控离合收放模块用于控制拉线的收放，该拉线与两跳跃腿单元相连。如前肢模块安装于躯干平台前部底面，由舵机驱动前后摆动。
上述躯干平台、后肢模块、可控离合收卷模块和前肢模块的主要零件所用材料为碳纤维和树脂。
本发明的优点在于：
(1)本发明跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，通过可控离合收放机构和后肢模块配合，实现初始跳跃力大小可控，跳跃力沿直线，通过前肢模块实现跳跃力方向可控；
(2)本发明跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，可控离合收放机构使用单个电机，通过控制电机旋转角度和方向，以实现控制跳跃力大小和起跳时机，实现单个电机多用，减少了驱动电机数量，减轻了机器人质量，提高了利用效率；
(3)本发明跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，具有一个躯干平台、一个后肢模块、一个可控离合收放模块和一个前肢模块，模块化设计使机器人结构清晰、紧凑，安装方便；
(4)本发明跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，躯干平台、后肢模块、可控离合收卷模块和前肢模块的主要零件所用材料为碳纤维和树脂，在保证强度同时，减轻了机器人质量。
附图说明
图1为本发明跳跃机器人的整体结构示意图。
图2为本发明跳跃机器人的后肢模块中右后跳跃单元结构示意视图。
图3为本发明跳跃机器人的可控离合收放模块布局示意图。
图4为本发明跳跃机器人的可控离合收放模块结构示意图。
图5为本发明跳跃机器人的前肢模块结构示意图。
图中：
1-躯干平台 2-后肢模块 3-可控离合收卷模块
4-前肢模块 5-电池 6-控制器
201-后肢固定架 202-大腿杆固定架 203-齿轮大腿杆A
204-齿轮大腿杆B 205-齿轮小腿杆A 206-齿轮小腿杆B
207-小腿杆固定架 208-拉簧 301-主电机
302-主电机固定架 303-联轴器 304-丝杠主轴固定架A
305-卷线轮 306-棘轮 307-丝杠主轴固定架B
308-棘爪固定架 309-棘爪 310-丝杠主轴
311-缓冲弹簧 312-卷线轮轴承 313-扭簧
314-固定轴 315-拉线 316-销孔
317-棘轮销 401-舵机 402-舵机固定架
403-左前腿 404-右前腿固定架 405-右前腿
406-腿连杆
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明提供一种跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，如图1所示，该机器人包括躯干平台1、后肢模块2、可控离合收放模块3、前肢模块4、电池5和控制器6，如图1所示。
所述躯干平台1为近似长方形薄板，其上开设有安装孔，用于安装固定后肢模块2，可控离合收放模块3、前肢模块4电池5和控制器6。
所述后肢模块2包括两个相同的跳跃腿单元，分别对称固定于躯干平台1底面后部左右两侧。每个跳跃腿单元包括后肢固定架201、大腿杆固定架202、齿轮大腿杆A203、齿轮大腿杆B204、齿轮小腿杆A205、齿轮小腿杆B206、小腿杆固定架207、拉簧208，如图2所示。其中，后肢固定架201固定于躯干平台1的后部，用于实现后肢模块2与躯干平台间1的固定。大腿杆固定架202上部具有连接头，下部为连接架；其中连接头固定于后肢固定架201上；连接架向后倾斜设置，与竖直方向形成45度夹角。连接架前后两侧具有链接凸耳，分别用于连接齿轮大腿杆A203与齿轮大腿杆B204。
齿轮大腿杆A203和齿轮大腿杆B204均具有直线段与弧形段；其中，直线段端部为齿轮端，端部具有齿轮结构；弧形段端部为非齿轮端。齿轮大腿杆A203和齿轮大腿杆B204的齿轮端齿轮结构中心位置分别与连接架前后侧的链接凸耳铰接，形成转动副，且两者齿轮端间相互啮合。
齿轮小腿杆A205与齿轮小腿杆B206均具有直线段与弧形段；其中，直线段端部为齿轮端，端部具有齿轮结构；弧形段端部为非齿轮端。齿轮小腿杆A205的非齿轮端与齿轮大腿杆A203的非齿轮端铰接，形成转动副。齿轮小腿杆B206的非齿轮端与齿轮大腿杆B204的非齿轮端铰接，形成转动副。齿轮小腿杆A205和齿轮小腿杆B206的齿轮端用于连接小腿杆固定架207。
小腿杆固定架207具有顶部连接架、中部支撑杆与下部脚杆。其中顶部连接架位于大腿杆固定架202下部连接架相对位置，且向前倾斜设置，与竖直方向形成45度夹角。顶部固定架前后两侧同样设计有连接凸耳，分别与齿轮小腿杆A205和齿轮小腿杆B206的齿轮端齿轮结构中心位置铰接，形成转动副，且两者齿轮端间相互啮合。中部支撑杆向后倾斜设计，与竖直方向呈10度夹角；下部脚杆与水平面平行设计。
拉簧208一端固定于齿轮小腿杆A205的非齿轮端端部设计的通孔中，另一端固定于齿轮小腿杆B206的非齿轮端端部设计的通孔中。
大腿杆固定架202、齿轮大腿杆A203、齿轮大腿杆B204、齿轮小腿杆A205、齿轮小腿杆B206和小腿杆固定架207之间通过铰接构成六杆机构，由于两组齿轮端啮合，该六杆机构只有一个自由度，即大腿杆固定架202和小腿杆固定架207只可沿两者连线平移，因此该机构产生的跳跃力始终沿两者连线，且与拉簧208垂直。
所述可控离合收放模块3包括主电机301、主电机固定架302、联轴器303、丝杠主轴固定架A304、卷线轮305、棘轮306、丝杠主轴固定架B307、棘爪固定架308、棘爪309、丝杠主轴310、缓冲弹簧311、卷线轮轴承312、扭簧313、固定轴314、拉线315，如图3、图4所示。
其中，主电机301通过主电机固定架302固定于躯干平台1顶面后部，丝杠主轴固定架A304和丝杠主轴固定架B307固定于躯干平台1顶面，丝杠主轴310与主电机301输出轴同轴设置，前后两端插接于丝杠主轴固定架A304和丝杠主轴固定架B307的轴孔中，可转动。丝杠主轴310前段为无螺纹段，后段为螺纹段；前段端部通过联轴器303与主电机301输出轴固连。
卷线轮305通过轴承312同轴安装于丝杠主轴310前段，可沿轴向平移，且可在丝杠主轴310上自由旋转；卷线轮305通过丝杠主轴310上的轴肩定位，限制其后向位移。缓冲弹簧311空套在丝杠主轴310前段上，两端分别与卷线轮轴承312和丝杠主轴固定架A304相接。上述卷线轮305侧壁周向等角度间隔设计有销孔316，用于棘轮上的棘轮销穿过。
棘轮306同轴安装于丝杠主轴310的后段，棘轮306的中心孔内螺纹与丝杠主轴310后段的螺纹相啮合。棘轮306侧壁周向相对位置设计有棘轮销317，当棘轮306沿轴向向前移动时，棘轮销317可插入销孔316中。棘爪固定架308固定于躯干平台1顶面，位于在棘轮306一侧。棘爪309固定于棘爪固定轴314上，棘爪固定轴314两端铰接于棘爪固定架308两侧，形成转动副；棘爪309与棘轮306周向棘齿相接，且在棘轮306轴向移动时始终相接。扭簧313空套在棘爪固定轴314上，其两端分别插入固定于棘爪309和棘爪固定架308上的通孔中，使棘爪309具有贴向棘轮306的力。
两条拉线315一端分别固定于卷线轮305周向两对称小通孔处，同向缠绕于卷线轮305周向上的凹槽内；两条拉线315的另一端穿过躯干平台1左右两侧上的开孔，分别固定于后部两跳跃腿单元中小腿杆固定架207的中部支撑杆与下部脚杆相接处。
如图5所示，所述前肢模块4包括舵机401、舵机固定架402，左前腿403、右前腿固定架404、右前腿405、腿连杆406，如图5所示。其中，舵机401通过舵机固定架402安装于躯干平台1前部左侧，舵机的输出轴轴线左右方向设置；左前腿403顶端与舵机401输出轴固连，右前腿固定架404固定于躯干平台1前部右侧，右前腿405顶端与右前腿固定架404铰接，形成转动副，其转动轴线与舵机401输出轴轴线共线，腿连杆406两端分别与左前腿403和右前腿405固连。
上述躯干平台1采用碳纤维材料；后肢模块2、可控离合收放模块3和前肢模块4中的各腿杆结构、固定架结构、棘轮棘爪结构、卷线轮结构等均采用树脂材料3D打印而成。
本发明跳跃机器人跳跃前，棘轮306周向上的棘轮销317与卷线轮305分离，主电机301正向驱动丝杠主轴310，由于棘爪309对棘轮306有压力，棘轮306不随丝杠主轴310旋转，由于内螺纹与丝杠主轴310螺纹段啮合而平移；同时，棘轮销317插入卷线轮305的销孔316中，当棘轮306与丝杠主轴310轴肩贴合后，两者锁死；此时，棘轮306随丝杠主轴310旋转，进而通过棘轮销317驱动卷线轮305旋转，带动拉线315拉动跳跃腿单元使拉簧208拉伸，且通过控制主电机301正向旋转角度可控制拉簧208拉伸量，从而控制初始跳跃力；并通过控制舵机401可调整左前腿403和右前腿405与躯干平台1的夹角，改变后肢模块2与地面的夹角，从而控制初始跳跃力方向。
在跳跃机器人起跳时，主电机301反向驱动丝杠主轴310，棘轮306由于棘爪309锁定不随丝杠主轴310转动，其沿丝杠主轴310螺纹段平移，使棘轮销317与卷线轮305分离后，卷线轮305不受约束可自由转动，拉线315不再约束跳跃腿单元，拉簧208回弹释放能量，后肢模块2驱动躯干平台1远离地面，完成起跳；落地后，重复跳跃前动作，进行下一次跳跃。
本发明中电池5用于为主电机301、舵机401和控制器6供电，控制器6用于控制主电机301和舵机401工作。

Claims (7)

1.一种跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，其特征在于：包括躯干平台、后肢模块、可控离合收放模块、前肢模块；
所述后肢模块包括两个相同的跳跃腿单元，分别对称固定于躯干平台底面后部左右两侧；跳跃腿单元为由连杆构成的单自由度六杆机构，单自由度六杆机构对角线间由拉簧相连，提供始终垂直拉簧的直线跳跃力；
所述可控离合收放模块用于控制拉线的收放，该拉线与两跳跃腿单元相连；
所述如前肢模块安装于躯干平台前部底面，由舵机驱动前后摆动。
2.如权利要求1所述一种跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，其特征在于：跳跃腿单元包括后肢固定架、大腿杆固定架、齿轮大腿杆A、齿轮大腿杆B、齿轮小腿杆A、齿轮小腿杆B、小腿杆固定架与拉簧；
其中，后肢固定架固定于躯干平台的后部；大腿杆固定架上部具有连接头，下部为连接架；其中连接头固定于后肢固定架上；齿轮大腿杆A和齿轮大腿杆B的一端为齿轮端，另一端为非齿轮端；齿轮大腿杆A和齿轮大腿杆B的齿轮端分别与连接架前后铰接，形成转动副，且两者齿轮端间相互啮合；齿轮小腿杆A与齿轮小腿杆B的一端为齿轮端，另一端为非齿轮端；齿轮小腿杆A的非齿轮端与齿轮大腿杆A的非齿轮端铰接，形成转动副；齿轮小腿杆B的非齿轮端与齿轮大腿杆B的非齿轮端铰接，形成转动副；小腿杆固定架前后分别与齿轮小腿杆A和齿轮小腿杆B的齿轮端铰接，形成转动副，且两者齿轮端间相互啮合；拉簧两端分别固定于齿轮小腿杆A205与齿轮小腿杆B的非齿轮端。
3.如权利要求1所述一种跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，其特征在于：可控离合收放模块包括主电机、丝杠主轴、卷线轮、棘轮、棘爪、缓冲弹簧、扭簧与拉线；其中，由主电机驱动丝杠主轴转动；前段为无螺纹段，其上通过轴承安装卷线轮；卷线轮侧壁周向等角度间隔设计有销孔；缓冲弹簧套于丝杠主轴前段，位于卷线轮与主电机之间；丝杠主轴后段为螺纹段，其上螺纹安装有棘轮，棘轮与棘爪配合；棘轮侧壁周向相对位置设计有棘轮销；上述卷线轮上缠绕有两条拉线，两条拉线一端与卷线轮固定，另一端分别固定于两跳跃腿单元上。
4.如权利要求1所述一种跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，其特征在于：前肢模块包括舵机、舵机固定架，左前腿、右前腿固定架、右前腿与腿连杆；其中，左前腿顶端与舵机输出轴固连，右前腿顶端通过右前腿固定架铰接于躯干平台底面，形成转动副；腿连杆两端分别与左前腿和右前腿固连。
5.如权利要求2所述一种跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，其特征在于：所述大腿杆固定架上部具有连接头，下部为连接架；连接头固定于后肢固定架上；连接架向后倾斜设置，与竖直方向形成45度夹角；小腿杆固定架具有顶部连接架、中部支撑杆与下部脚杆；其中顶部连接架位于大腿杆固定架下部连接架相对位置，且向前倾斜设置，与竖直方向形成45度夹角；中部支撑杆向后倾斜设计，与竖直方向呈10度夹角；下部脚杆与水平面平行设计。
6.如权利要求1～5所述一种跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，其特征在于：跳跃前，棘轮周向上的棘轮销与卷线轮分离，主电机正向驱动丝杠主轴，由于棘爪对棘轮有压力，棘轮不随丝杠主轴旋转，由于内螺纹与丝杠主轴螺纹段啮合而平移；同时，棘轮销插入卷线轮的销孔中，当棘轮与丝杠主轴轴肩贴合后，两者锁死；此时，棘轮随丝杠主轴旋转，进而通过棘轮销驱动卷线轮旋转，带动拉线拉动跳跃腿单元使拉簧拉伸，且通过控制主电机正向旋转角度可控制拉簧拉伸量，从而控制初始跳跃力；并通过控制舵机可调整左前腿和右前腿与躯干平台的夹角，改变后肢模块与地面的夹角，从而控制初始跳跃力方向；
起跳时，主电机反向驱动丝杠主轴，棘轮由于棘爪锁定不随丝杠主轴转动，其沿丝杠主轴螺纹段平移，使棘轮销与卷线轮分离后，卷线轮不受约束可自由转动，拉线不再约束跳跃腿单元，拉簧回弹释放能量，后肢模块驱动躯干平台远离地面，完成起跳；落地后，重复跳跃前动作，进行下一次跳跃。
7.如权利要求1～5所述一种跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，其特征在于：躯干平台采用碳纤维材料；后肢模块、可控离合收放模块和前肢模块中的各类型腿杆、固定架，以及棘轮、棘爪、卷线轮均采用树脂材料3D打印而成。
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