CN111846012A - 一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人 - Google Patents

Abstract

一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人，包括弹跳机构和离合器机构，弹跳机构由仿跳虫弹跳机构和仿瘿蚊幼虫弹跳机构集合而成，整体呈类似六杆机构，仿跳虫弹跳机构包括四个上下对称布置的扭簧机构，仿瘿蚊幼虫弹跳机构包括位于扭簧机构中间的四个弧形弹性元件；离合器机构主要由弹跳舵机、主动轮、从动轮和绕线轮组成；还包括外壳机构，由顶盖、碳纤维杆以及半球形底座构成，机器人的整体重心位于外壳机构形心的下方。本发明能够根据不同的环境障碍物的尺寸调整合适的运动轨迹，具有能适应多种环境的多运动模式，具有强大负载能力，具有持续运动的能力，适于搭载一些如摄像机、传感器等设备在非结构化环境中进行侦察营救等活动。

Description

一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人

技术领域

本发明涉及一种仿生弹跳机器人，尤其是一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人，属于机械自动化工程领域。

背景技术

随着人类考古探测、军事探察、星际探索活动的增加，机器人的活动范围已从原来的定点作业和结构化的工作环境中脱离出来，适应未知的、非结构化的环境已成为机器人未来的发展趋势，这就要求机器人具有更好的自主运动能力及地面自适应能力、更快的躲避风险的能力、更好的骨路结构受力方式和更强的越障性能。

目前的机器人主要为轮式、履带式、多足式机器人和扑翼飞行机器人等。其中轮式和履带式移动机器人在非结构化的地面上越障能力有限，多足机器人随着机构自由度的增多和电机数目的增加，机器人的失效率和控制系统的复杂程度也随之增加，扑翼飞行机器人的越障能力较强，但其连续的能量消耗使其能量利用率下降并且易受风雨等自然条件的影响。因此，需要研究更好的运动方式来提高机器人在非结构化的地面上的越障性能和能量利用率。跳跃运动，相比轮式、步行和履带式等运动模式，具有更好适应非结构化地形、更强越障和快速多躲避危险等性能优点，因而跳跃机器人在未来考古探测、反恐作战、星际探测和战场侦察中有广阔的应用前景。尤其是星际探测领域，在火星以及月球的低重力环境下，跳跃能够发挥更大的优势。

现有的弹跳机器人虽然具有较强的弹跳能力，但负载会大大降低其弹跳能力，很难进行实际的应用。现有弹跳机器人有的缺少扶正功能，无法在落地后继续运动，也很少考虑弹跳机器人在平地运动的情况。

发明内容

为了克服现有技术的上述不足，本发明提供一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人，该机器人能够根据不同的环境障碍物的尺寸调整合适的运动轨迹，具有能适应多种环境的多运动模式，具有强大负载能力，具有持续运动的能力。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：所述的弹跳机构由仿跳虫弹跳机构和仿瘿蚊幼虫弹跳机构集合而成，整体呈类似六杆机构；仿跳虫弹跳机构包括四个上下对称布置的扭簧机构，且位于同一侧的两个扭簧机构相向排列，位于上方的两个扭簧机构通过上支撑块与离合机构相连，位于下方的两个扭簧机构共同连接至下支撑块；仿瘿蚊幼虫弹跳机构包括位于扭簧机构中间的四个弧形弹性元件，四个弧形弹性元件两两内外布置并左右对称安装，并且弧形弹性元件的弧形部位一致朝向外侧凸出，两个外侧的弧形弹性元件的两个端部分别连接在四个扭簧机构的内端部外侧，两个内侧的弧形弹性元件的两个端部分别卡设在四个扭簧机构的同侧内端部之间；所述的离合器机构主要由弹跳舵机、主动轮、从动轮和绕线轮组成，弹跳舵机直接与主动轮驱动连接，主动轮、从动轮和绕线轮组成行星轮系，绕线轮上设有尼龙绳，尼龙绳的自由端连接至下支撑块上，同时贯穿弹跳机构的中部，处于扭簧机构和弧形弹性元件之间；还包括外壳机构，由顶盖、碳纤维杆以及半球形底座构成，多个碳纤维杆连接在顶盖与半球形底座之间的圆周方向上，离合器机构通过支架体安装在半球形底座的底面上部，该底面上还具有供弹跳机构穿过的通孔，压缩后的弹跳机构能够由通孔整体位于外壳机构内部；在半球形底座的下部还安装有行走机构；机器人的整体重心位于外壳机构形心的下方。

相比现有技术，本发明的一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人，首先是，借鉴跳虫和瘿蚊幼虫两种不同的弹跳特性，设计出仿生结构的仿跳虫弹跳机构和仿瘿蚊幼虫弹跳机构，再将两种仿生结构进行融合形成新型类似六杆机构的弹跳机构，得到的该高性能的弹跳机构，使机器人在体型很小的情况下具有了强大的负载能力，可搭载如传感器、摄像头等设备进行侦察营救等任务。

然后是，本发明增设了可通过重力被动扶正的外壳机构，因此机器人倾倒后会由于重力作用而自动扶正，无需额外扶正机构，以继续进行下一步运动；外壳机构的底部还设置了行走机构，使机器人具有奔跑和转向功能，从而在平滑的地面时，行走机构使驱动机器人快速的自由运动；故而本发明机器人同时具有弹跳和奔跑两种运动模式，通过水平运动与弹跳机构提供的竖直方向上的跳跃组成了不同运动轨迹的合运动，最终形成了可调轨迹的仿生多运动模式机器人。

再者是，本发明将设计的可调节高度的离合器机构和弹跳机构进行集成，使弹跳机构可以储存不同能量以达到不同的弹跳高度，适应在非结构化环境中进行侦察营救等活动。最终，本发明的机器人可在平地上行进，遇到障碍或者在非结构化环境中进行弹跳运动达到目的地，并且根据不同的环境障碍物的尺寸调整合适的运动轨迹。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

图2a是本发明一个实施例中弹跳机构+离合器机构的主视图。

图2b是本发明一个实施例中弹跳机构+离合器机构的侧视图。

图3是本发明一个实施例中弹跳机构的结构示意图，其中只给出了下支撑块。

图4是本发明一个实施例中下支撑块的结构示意图。

图5是本发明一个实施例中离合器机构的结构示意图。

图6是本发明一个实施例中外壳机构的结构示意图。

图中，1、弹跳机构，2、离合器机构，3、外壳机构，4、框架，5、绕线轮，6、从动轮，7、系杆，8、主动轮，9、单向轴承，10、支撑平台，11、尼龙绳，12、弹跳舵机，13、扭簧，14、连杆，15、弧形弹性元件，16-1、上支撑块，16-2、下支撑块，17、碳纤维杆，18、顶盖，19、半球形底座，20、行走舵机，21、驱动轮，22、辅助轮，23、扭簧固定臂连接孔，24、铰链孔，25、尼龙绳连接孔。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

图1至图6示出了本发明一个较佳的实施例的结构示意图，图1中的一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人，包括弹跳机构1、离合器机构2和外壳机构3，本发明实施例将弹跳机构1、离合器机构2和外壳机构3进行集成得到完整的多运动模式机器人；机器人的弹跳运动是依靠其弹跳机构1实现，机器人控制弹跳机构1存储和释放能量的机构是离合器机构2，机器人弹跳落地倾倒后是由外壳机构3在重力作用下被动扶正，外壳机构3底部的驱动轮21及行走舵机20为机器人提供水平方向上的运动。故该机器人可在平地上进行轮式运动，遇到障碍或者在非结构化环境中进行弹跳运动达到目的地，并且根据不同的环境障碍物的尺寸调整合适的运动轨迹；此仿生机器人具有强大负载能力，可搭载如传感器、摄像头等设备进行侦察营救等任务。

如图2a、2b、3所示，所述的弹跳机构1由仿跳虫弹跳机构和仿瘿蚊幼虫弹跳机构集合而成，整体呈类似六杆机构。仿跳虫弹跳机构是源于跳虫的弹跳机制原理；仿跳虫弹跳机构包括四个上下对称布置的扭簧机构，且位于同一侧的两个扭簧机构相向排列，位于上方的两个扭簧机构共同通过上支撑块16-1与离合机构相连，位于下方的两个扭簧机构连接至一个下支撑块16-2的中间位置。仿瘿蚊幼虫弹跳机构是源于瘿蚊幼虫的弹跳原理；仿瘿蚊幼虫弹跳机构包括位于扭簧机构中间的四个弧形弹性元件15，四个弧形弹性元件15两两内外布置并左右对称安装，并且弧形弹性元件15的弧形部位一致朝向外侧凸出，两个外侧的弧形弹性元件15的两个端部分别连接在四个扭簧机构的内端部外侧，两个内侧的弧形弹性元件15的两个端部分别卡设在四个扭簧机构的同侧内端部之间。

如图4所示，所述的下支撑块16-2包括一个上端开口的框体，框体由两对两两平行的连接块垂直相连组成，其中一对较高的连接块用于与扭簧施力臂铰接，其上开设铰链孔24；另一对高度较低的连接块通过其上的扭簧固定臂连接孔23连接扭簧固定臂；框体的底板上则设有尼龙绳连接孔25，用来固定尼龙绳11的下端部。而上支撑块16-1的结构与下支撑块16-2一致，区别仅在于，其上的尼龙绳连接孔供尼龙绳11穿过。

如图5所示，所述的离合器机构2主要由弹跳舵机12、主动轮8、从动轮6、绕线轮5、系杆7和单向轴承9组成，主动轮8、从动轮6和绕线轮5组成行星轮系，其中，弹跳舵机12直接与主动轮8驱动连接，主动轮8与从动轮6啮合，主动轮8的末端伸进单向轴承9内圈与单向轴承9连接，单向轴承9的外圈安装在系杆7下部的孔内且过盈连接，系杆7的上部与从动轮6连接，绕线轮5上设有尼龙绳11，尼龙绳11的自由端连接至下支撑块16-2上，同时贯穿弹跳机构1的中部，处于扭簧机构和弧形弹性元件15之间。离合器机构2通过弹跳舵机12带动主动轮8进行正向反向转动，使得从动轮6与绕线轮5实现啮合和脱离，具体地，通过系杆7用来将从动轮6与与绕线轮5进行啮合或者脱离，单向轴承9的允许方向为弹跳舵机12正转，此时从动轮6与绕线轮5啮合传动；而当弹跳舵机12反转时，单向轴承9的内外圈无法相互运动，系杆7将从动轮6脱离绕线轮5，从而实现对弹跳机构1的控制。

参见图1至图3，弹跳舵机12正转时，主动轮8带动从动轮6与绕线轮5啮合，绕线轮5进行绕线，弹跳机构1中部的尼龙绳11拉紧，此时弹跳机构1缩紧存储能量；弹跳舵机12反转时，主动轮8通过单向轴承9使从动轮6与绕线轮5脱离，尼龙绳11放松，弹跳机构1释放能量实现弹跳。

如图6所示，所述的外壳机构3由顶盖18、碳纤维杆17以及半球形底座19构成，多个碳纤维杆17连接在顶盖18与半球形底座19之间的圆周方向上，离合器机构2通过支架体安装在外壳机构3的底面上部，该底面上还具有供弹跳机构1穿过的通孔，支架体的高度以及通孔的大小共同实现，压缩后的弹跳机构1能够由通孔整体位于外壳机构3内部(即当弹跳机构1存储能量的时候是压缩的，此时正好缩回外壳机构3内部，可以行走；当弹跳机构1释放能量时，弹跳机构1就会伸出外壳机构3之外，此时不能行走；弹跳结束落地后再次进行存储能量，弹跳机构1重新缩回外壳机构3内部，机器人自动扶正，继续进行下一步运动。)；在外壳机构3的下部还安装有行走机构；在本实施例中，所述的行走机构包括至少两个驱动轮21，每个驱动轮21配备一个行走舵机20，但不限于此，行走机构还可以是其他轮式运动，例如履带式、爬行等方式；机器人的整体重心位于外壳机构3形心的下方。外壳机构3起到了对机器人的保护作用，同时可在机器人倾倒后对机器人进行扶正，外壳机构3的底部集成的驱动轮21和行走舵机20可以为机器人提供水平方向的运动。因此，机器人倾倒后会由于重力作用而自动扶正；而在平滑的地面时，两个行走舵机20会带动驱动轮21进行快速的自由运动。

参见图3，作为本发明的进一步改进方案是，每个所述的扭簧机构都由一个扭簧13和一个连杆14组成，扭簧13的一端固定连接在连杆14的外端部上。这种结构能量利用率高，结构更稳定，负载能力更强。

在本发明的一个优选实施例中，所述的弧形弹性元件15选用镍钛合金片制备而成。镍钛合金片属于超弹性材料，在模拟瘿蚊幼虫弹跳方面仿真性更强，弹跳性能更佳，利于提升蓄能量。

作为本发明实施例的一种具体可实现结构方案，所述的支架体包括支腿和支撑平台10，离合器机构2安装在支撑平台10上，支撑平台10通过支腿固定在半球形底座19的底面上。进一步地，所述的离合器机构2的行星轮系通过框架4安装在支撑平台10上，主动轮8、从动轮6和绕线轮5分别通过轴和轴承安装在框架4上。

在本发明的另一个优选实施例中，在所述的行走机构设置成驱动轮21时，所述的半球形底座19下部还安装有若干个辅助轮22，用于保证运动的灵活性和稳定性。优选地，所述的辅助轮22选用球形万向轮。

在本发明的一个优选实施例中，所述的半球形底座19由底面和侧曲面组成，侧曲面上形成有镂空结构。优选地，所述的镂空结构包括竖条形镂空和横条镂空，二者成组排列、交替对称排布。镂空结构主要起到调整自重和中心方面的作用。

考虑到便于拆装性，所述的碳纤维杆17的上端固定连接在顶盖18的下周边，其下端通过连接块以可拆卸地方式安装到半球形底座19的上周边，通过连接快可以更方便地打开半球形底座19，从而容易对其中安装的离合器机构2等进行调整及维修。

本发明最好是采用3D打印等技术来制造。实现过程是：首先采用不同的弹性元件(扭簧和镍钛合金片)和3D打印零部件制作出仿跳虫弹跳机构和仿瘿蚊幼虫弹跳机构；然后将设计的可调节高度的离合器机构2和弹跳机构进行集成，使弹跳机构1可以储存不同能量以达到不同的弹跳高度；最后将弹跳模块集成在不倒外壳机构3中，并在外壳机构3的底部安装驱动轮21和辅助轮22使机器人具有奔跑和转向功能。通过该方法制作出的一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人可搭载一些如摄像机、传感器等设备在非结构化环境中进行侦察营救等活动。

本发明将硬体弹跳动物和软体弹跳动物的两种弹跳动物的仿生弹跳机构进行结合，得到高性能的弹跳机构1，使机器人进行较大的负载以进行实际应用。利用离合器机构2可控制弹跳机构1进行不同高度的跳跃。外壳机构可对机器人进行被动扶正，是机器人具有持续运动的能力。离合器机构2控制能量在弹跳机构1中进行储存和释放，使机器人进行竖直方向上的运动，外壳机构3中的行走机构(包括驱动轮21和辅助轮22)为机器人提供水平方向上的运动，两个方向上运动的结合可使机器人实现不同的运动轨迹，适应于各种实际环境。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质，对以上实施例所做出任何简单修改和同等变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人，包括弹跳机构(1)和离合器机构(2)，其特征是：

所述的弹跳机构(1)由仿跳虫弹跳机构和仿瘿蚊幼虫弹跳机构集合而成，整体呈类似六杆机构；仿跳虫弹跳机构包括四个上下对称布置的扭簧机构，且位于同一侧的两个扭簧机构相向排列，位于上方的两个扭簧机构通过上支撑块(16-1)与离合机构相连，位于下方的两个扭簧机构共同连接至下支撑块(16-2)；仿瘿蚊幼虫弹跳机构包括位于扭簧机构中间的四个弧形弹性元件(15)，四个弧形弹性元件(15)两两内外布置并左右对称安装，并且弧形弹性元件(15)的弧形部位一致朝向外侧凸出，两个外侧的弧形弹性元件(15)的两个端部分别连接在四个扭簧机构的内端部外侧，两个内侧的弧形弹性元件(15)的两个端部分别卡设在四个扭簧机构的同侧内端部之间；

所述的离合器机构(2)主要由弹跳舵机(12)、主动轮(8)、从动轮(6)和绕线轮(5)组成，弹跳舵机(12)直接与主动轮(8)驱动连接，主动轮(8)、从动轮(6)和绕线轮(5)组成行星轮系，绕线轮(5)上设有尼龙绳(11)，尼龙绳(11)的自由端连接至下支撑块(16-2)上，同时贯穿弹跳机构(1)的中部，处于扭簧机构和弧形弹性元件(15)之间；

还包括外壳机构(3)，由顶盖(18)、碳纤维杆(17)以及半球形底座(19)构成，多个碳纤维杆(17)连接在顶盖(18)与半球形底座(19)之间的圆周方向上，离合器机构(2)通过支架体安装在半球形底座(19)的底面上部，该底面上还具有供弹跳机构(1)穿过的通孔，压缩后的弹跳机构(1)能够由通孔整体位于外壳机构(3)内部；在半球形底座(19)的下部还安装有行走机构；机器人的整体重心位于外壳机构(3)形心的下方。

2.根据权利要求1所述的一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人，其特征是：每个所述的扭簧机构都由一个扭簧(13)和一个连杆(14)组成，扭簧(13)的一端固定连接在连杆(14)的外端部上。

3.根据权利要求1或2所述的一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人，其特征是：所述的弧形弹性元件(15)选用镍钛合金片制备而成。

4.根据权利要求1所述的一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人，其特征是：所述的离合器机构(2)还包括系杆(7)和单向轴承(9)，弹跳舵机(12)的输出轴与主动轮(8)直接相连，主动轮(8)与从动轮(6)啮合，主动轮(8)的末端伸进单向轴承内圈与单向轴承(9)连接，单向轴承(9)的外圈安装在系杆(7)下部的孔内且过盈连接，系杆(7)的上部与从动轮(6)连接。

5.根据权利要求4所述的一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人，其特征是：所述的支架体包括支腿和支撑平台(10)，离合器机构(2)安装在支撑平台(10)上，支撑平台(10)通过支腿固定在半球形底座(19)的底面上。

6.根据权利要求1或2所述的一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人，其特征是：所述的行走机构包括至少两个驱动轮(21)，每个驱动轮(21)配备一个行走舵机(20)。

7.根据权利要求6所述的一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人，其特征是：在所述的半球形底座(19)下部还安装有若干个辅助轮(22)，辅助轮(22)选用球形万向轮。

8.根据权利要求4所述的一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人，其特征是：所述的半球形底座(19)由底面和侧曲面组成，侧曲面上形成有镂空结构。

9.根据权利要求8所述的一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人，其特征是：所述的镂空结构包括竖条形镂空和横条镂空，二者成组排列、交替对称排布。

10.根据权利要求4所述的一种多运动模式可调轨迹的仿生弹跳机器人，其特征是：所述的碳纤维杆(17)的上端固定连接在顶盖(18)的下周边，其下端通过连接块以可拆卸地方式安装到半球形底座(19)的上周边。

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