CN113002244A - 深空探测弹跳机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深空探测弹跳机器人，包括车架、安装于车架上的行走机构以及机器人弹射装置，所述机器人弹射装置包括弹射装置、蓄能装置、锁定装置和解锁装置，所述蓄能装置与弹射装置连接用于为弹射装置蓄能，所述锁定装置用于在蓄能过程中对弹射装置锁定，所述解锁装置用于在蓄能完成后触发锁定装置解锁，使得弹射装置被弹射出去撞击地面。本发明可使得机器人采用弹跳运动方式越障，利于使得机器人翻越较大障碍物，提高机器人的越障能力，保证机器人地形适应能力，而且锁定装置和闭锁装置相互关联，使得整个装置实现了弹射储能和解锁一体化，同步性高，无需单独驱动解锁，利于实现机器人的自主越障。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种深空探测弹跳机器人。
背景技术
机器人在星际探索领域的广泛应用，该应用对机器人在复杂路况下的地形适应能力要求较高。目前通常通过改进机器人的行走结构从而提高越障性能，其需要较为复杂的行走结构，且越障性能难以保证，因此本发明提出一种弹跳式越障结构，机器人通过弹跳能越过自身尺寸数倍或数十倍的障碍物，具有较强的越障性能。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种深空探测弹跳机器人，该机器人可实现跳跃式越障，可大大提供机器人的越障能力。
本发明的深空探测弹跳机器人，包括车架、安装于车架上的行走机构以及机器人弹射装置，所述机器人弹射装置以可被驱动上下摆动的方式安装于车架尾部用于为机器人提供弹跳所需的能量，所述机器人弹射装置包括弹射装置、蓄能装置、锁定装置和解锁装置，所述蓄能装置与弹射装置连接用于为弹射装置蓄能，所述锁定装置用于在蓄能过程中对弹射装置锁定，所述解锁装置用于在蓄能完成后触发锁定装置解锁，使得弹射装置被弹射出去撞击地面。
进一步，还包括支撑架，所述支撑架可被驱动上下摆动的安装于车架尾部，所述机器人弹射装置安装于支撑架上。
进一步，所述行走机构包括安装于机架上的若干个减振轮以及驱动减振轮运行的驱动件，所述减振轮的上沿高于车架顶部，所述减振轮的下沿低于车架的底部。
进一步，所述蓄能装置包括弹性件和压缩件，所述弹性件位于弹射装置与压缩件之间，所述压缩件可被向靠近或远离弹性件的方向驱动滑动以压缩弹性件。
进一步，所述锁定装置包括安装于机架上的锁止件以及可滑动安装在锁止件上的闭锁销，所述弹射装置外具有用于与闭锁销配合的闭锁卡槽，所述解锁装置与压缩件连接，蓄能过程中，所述压缩件带动解锁装置向靠近闭锁销侧移动，使得解锁装置与闭锁销接触并驱动闭锁销滑动使得闭锁销脱出闭锁卡槽。
进一步，所述减振轮包括轮毂、位于轮毂中心处并与车架转动配合的车轮连接套以及若干个连接于轮毂内圆和车轮连接套之间的减振器，若干个所述减振器以轮毂中轴线为中心对称布置。
进一步，所述减振轮还包括若干个防侧翻弹性轮条，若干个所述防侧翻弹性轮条连接于轮毂外侧并径向向内弯曲后连为一体合围成凸出于轮毂外侧的半球形结构。
进一步，所述锁定装置还包括与闭锁销连接的外臂，所述解锁装置上与外臂末端具有相互配合的楔形面，所述解锁装置被驱动可与外臂接触使得两楔形面相互贴合并驱动外臂连同闭锁销滑动使得闭锁销脱出闭锁卡槽。
进一步，所述弹射装置包括弹射头以及与弹射头后端连接的套筒，所述套筒由两半式瓦状弧形板径向拼接形成，所述两弧形板之间留有间隙形成两条滑动槽，所述解锁装置经过滑动槽穿至弹射装置外部形成用于与锁定装置接触配合以实现解锁的解锁端，所述解锁装置与滑动槽轴向滑动配合。
进一步，所述解锁装置包括位于弹射装置内并与压缩件固定连接的解锁板以及连接于解锁板两侧并分别经过两条滑动槽穿至弹射装置外的解锁外臂，楔形面位于所述解锁外臂末端。
本发明的有益效果：
本发明的通过螺杆配合弹性件的方式实现弹跳，该方式更适用于深空探测，相比于液压式蓄能，整个装置结构简单，重量轻，可实现较大的弹跳初速度，而且该弹跳方式不借助于爆燃方式产生能量，不需要借助外部空气，可避免深空探测时外部空气成分差异对弹性性能的影响，而且相比于气缸式蓄能，该装置不受外界环境变化的影响，避免由于环境变化产生复杂未知的运动情况，也避免了深空环境无法提供能量来源等情况；
本发明由于车轮高于车架顶部并低于车架底部，四个车轮将车架完全包络住，落地时避免车架受撞击，减少了内部零件的振动损伤，同时在机器人跳跃后，无论机器人处于正常状态还是翻转状态，减振轮均可与地面接触，可提高机器人的适应能力；减振轮可通过轮毂的形变将弹跳机器人落地时的冲击传递至减振器上，通过减振器的伸缩缓冲，提高车轮减振效果，而且该车轮自带减振效果，机器人弹跳后落地时，机器人无论处于正常状态或者翻转状态，均可实现减振效果，可满足机器人的起跳越障以及落地的要求；另外在机器人弹跳后落地时，可通过防侧翻弹性轮条防止侧翻，同时防侧翻弹性轮条也作为减振结构，使得机器人侧向落地时通过防侧翻弹性轮条的弹性形变实现缓冲。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1为机器人结构示意图；
图2为机器人俯视结构示意图；
图3为机器人侧视结构示意图；
图4为机器人弹射装置结构示意图；
图5为机器人弹射装置立体结构示意图；
图6为机器人弹射装置剖视结构示意图；
图7为锁定装置结构示意图；
图8为减振轮结构示意图；
图9为平面结构示意图；
图10为剖视结构示意图；
图11为减振器构示意图；
具体实施方式
如图所示：本实施例的深空探测弹跳机器人，包括车架30、安装于车架上的行走机构以及机器人弹射装置10，所述机器人弹射装置10以可被驱动上下摆动的方式安装于车架尾部用于为机器人提供弹跳所需的能量，所述机器人弹射装置10包括弹射装置11、蓄能装置12、锁定装置13和解锁装置14，所述蓄能装置与弹射装置连接用于为弹射装置蓄能，所述锁定装置用于在蓄能过程中对弹射装置锁定，所述解锁装置用于在蓄能完成后触发锁定装置解锁，使得弹射装置被弹射出去撞击地面。为保证机器人机械结构刚度，车架设计为扁形箱式整体结构，以减轻车身质量，内部空间用于放置控制元件，在需要弹跳时，使得机器人弹射装置向下摆动斜向支撑于底面，然后通过弹射装置的弹射撞击地面为机器人提供弹跳所需要的能量，蓄能装置可通过液压蓄能或者机械蓄能等方式，该结构配合机器人使用可使得机器人采用弹跳运动方式越障，利于使得机器人翻越较大障碍物，提高机器人的越障能力，保证机器人地形适应能力，而且锁定装置和闭锁装置相互关联，使得整个装置实现了弹射、储能和解锁一体化，同步性高，无需单独驱动解锁，利于实现机器人的自主越障。
本实施例中，还包括支撑架40，所述支撑架可被驱动上下摆动的安装于车架尾部，所述机器人弹射装置10安装于支撑架上。支撑架40为半开放时盒装结构，支撑架上开设有通孔，机器人弹射装置10安装于该通孔内，支撑架40与支撑架驱动轴41传动配合，支撑架驱动轴41通过轴承与车架转动配合，支撑架驱动轴41上传动配合安装有小齿轮42，舵机43安装于车架上，舵机输出轴与大齿轮传动配合，其中大齿轮与小齿轮啮合，舵机工作时可通过大齿轮、小齿轮进而带动支撑架驱动轴41转动，进而可驱动支撑架40上下摆动；当机器人采用弹跳运动方式时，首先舵机工作，带动支撑架向下摆动，支撑架触地后继续摆动，车架尾部会被抬起一定起跳角度，然后通过机器人弹射装置撞击地面实现跳跃。
本实施例中，所述蓄能装置12包括弹性件12a和压缩件12b，所述弹性件位于弹射装置与压缩件之间，所述压缩件可被向靠近或远离弹性件的方向驱动滑动以压缩弹性件。本实施例中弹性件采用圆柱螺旋弹簧，也可采用其他已知弹性结构，压缩件为带法兰圆形螺母，压缩件12b通过螺杆驱动实现直线运动，当压缩件被驱动向靠近弹射装置移动时，弹性件被压缩实现蓄能，此时弹性件具有使得弹射装置被弹射出去的弹性力，而此时由于弹射装置被锁定装置13锁定使得蓄能过程持续进行，当锁定装置13被驱动解锁时，弹射装置被释放，实现弹射装置的动作。
本实施例中，所述锁定装置13包括安装于机架上的锁止件13a以及可滑动安装在锁止件上的闭锁销13b，所述弹射装置外具有用于与闭锁销配合的闭锁卡槽11a，所述解锁装置与压缩件连接，蓄能过程中，所述压缩件带动解锁装置向靠近闭锁销侧移动，使得解锁装置与闭锁销接触并驱动闭锁销滑动使得闭锁销脱出闭锁卡槽。结合附图所示，弹射装置为圆柱形结构，闭锁卡槽为开设于弹射装置外圆的环形槽，闭锁销13b可以为方形销或者圆柱形销；在蓄能过程中，压缩件轴向向靠近弹射装置方向移动，使得压缩件带动解锁装置向靠近锁定装置13处移动，直至解锁装置与锁定装置接触，并驱动闭锁销滑动脱出闭锁卡槽，完成解锁，此时弹射装置被弹射出去完成机器人的弹跳过程。
本实施例中，所述弹射装置11为套筒结构，所述压缩件和弹性件安装于弹射装置内部且压缩件可被驱动沿轴向滑动。弹射装置的头部用于撞击地面，弹射装置内部具有安装腔，使得压缩件和弹性件可封装于套筒内部，利于对压缩件和弹性件的保护，同时利于压缩件的润滑，而且利于提高整个装置的结构紧凑性。
本实施例中，所述锁定装置13还包括与闭锁销连接的外臂13c，所述解锁装置上与外臂末端具有相互配合的楔形面13d，所述解锁装置被驱动可与外臂接触使得两楔形面相互贴合并驱动外臂13c连同闭锁销13b滑动使得闭锁销脱出闭锁卡槽。结合附图所示，外臂与闭锁销呈垂直状态，外臂与弹射装置轴向平行，闭锁销垂直于弹射装置，其中外臂末端具有楔形面，相应的解锁装置的解锁外臂14b与弹射装置轴向平行，解锁外臂的末端与外臂13c的末端轴向相对，解锁外臂的末端同样设置有楔形面，压缩件轴向向靠近弹射装置处轴向滑动时，解锁装置随着压缩件轴向向靠近锁定装置移动，解锁外臂上的楔形面与外臂的楔形面接触后，会驱动外臂以及闭锁销径向向远离弹射装置的方向移动，进而使得闭锁销脱出闭锁卡槽完成解锁，该装置将闭锁和解锁过程同蓄能过程关联，利于实现整个装置的自动锁定和解锁。
本实施例中，所述蓄能装置12还包括可被驱动转动的螺杆12c，所述螺杆与压缩件螺纹连接。结合附图所示，螺杆由电机15驱动，其中电机安装于电机支架16上，电机支架固定安装于机器人机身上，电机的输出轴通过联轴器17与螺杆传动配合，螺杆的末端通过轴承18与机器人机身转动配合，通过螺杆配合弹性件的方式实现弹跳，该方式更适用于深空探测，相比于液压式蓄能，整个装置结构简单，重量轻，可实现较大的弹跳初速度，而且该弹跳方式不借助于爆燃方式产生能量，不需要借助外部空气，可避免深空探测时外部空气成分差异对弹性性能的影响，而且相比于气缸式蓄能，该装置不受外界环境变化的影响，避免由于环境变化产生复杂未知的运动情况，也避免了深空环境无法提供能量来源等情况。
本实施例中，所述弹射装置11包括弹射头11c以及与弹射头11c后端连接的套筒，所述套筒由两半式瓦状弧形板11d径向拼接形成，所述两弧形板之间留有间隙形成两条滑动槽，所述解锁装置14经过滑动槽穿至弹射装置外部形成用于与锁定装置接触配合以实现解锁的解锁端，所述解锁装置14与滑动槽轴向滑动配合。通过滑动槽既保证了解锁装置伸至弹射装置外部，同时通过解锁装置与滑动槽的配合，可防止解锁装置和压缩件相对弹射装置转动，即保证压缩件在螺杆驱动时，可靠的沿弹射装置轴向直线运动。瓦状弧形板与弹射头可固定连接或者可拆卸连接，弹射头11c内具有与套筒内腔连通的空腔，弹射头内的空腔对螺杆形成避让，弹射装置还包括外套于套筒的导向筒11e，该导向筒用于与机器人机身固定对弹射头以及套筒的弹射形成导向，导向筒外轴向开设有与滑动槽正对的避让槽，以供解锁装置穿出，导向筒内套于支撑架上的通孔内并与支撑架固定连接。
本实施例中，所述解锁装置14包括位于弹射装置11内并与压缩件固定连接的解锁板14a以及连接于解锁板两侧并分别经过两条滑动槽穿至弹射装置外的解锁外臂14b，楔形面位于所述解锁外臂14b末端。结合附图所示，套筒的后端部位封闭式结构，套筒的后端部上开设有供螺杆穿入的开孔，解锁板外轮廓尺寸大于该开孔，使得解锁板始终位于套筒内部，同时当螺杆反转时，驱动解锁板和压缩件向后移动，解锁板抵在套筒内腔的后侧带动整个弹射装置复位。
本实施例中，所述锁定装置13还包括复位弹性件13e，所述复位弹性件位于闭锁销与锁止件之间用于为闭锁销提供向外滑动进而卡入闭锁卡槽内的弹性力。本实施例中，闭锁弹性件采用圆柱螺旋弹簧，当然也可采用其他结构形成的弹性结构，应保证闭锁销13b在滑出闭锁卡槽后，闭锁销通过复位弹性件的弹力压在弹射装置的外表面，当弹射装置被驱动复位时，闭锁卡槽的位置与闭锁销正对时，闭锁销自动滑入闭锁卡槽内完成锁定。
本实施中，所述行走机构包括安装于机架上的若干个减振轮20以及驱动减振轮20运行的驱动件，所述减振轮的上沿高于车架顶部，所述减振轮的下沿低于车架的底部。本实施例中设置有四个减振轮，分别有两个前轮和两个后轮，前轮通过安装于车架上的电机驱动转动，前轮为主动轮，后轮自由转动，实现机器人轮式运动；当机器人处于相对平坦地形时，采用轮式运动方式，两个电机旋转工作，两个前轮为主动轮来实现前进和后退的运动，以两个电机的差速旋转实现机器人的转向功能，以此低功耗、简单控制的方式实现机器人的快速运动；由于车轮高于车架顶部并低于车架底部，四个车轮将车架完全包络住，落地时避免车架受撞击，减少了内部零件的振动损伤，同时在机器人跳跃后，无论机器人处于正常状态还是翻转状态，减振轮均可与地面接触，可提高机器人的适应能力。
本实施例中，所述减振轮包括轮毂21、位于轮毂中心处并与车架转动配合的车轮连接套22以及若干个连接于轮毂内圆和车轮连接套之间的减振器23，若干个所述减振器以轮毂中轴线为中心对称布置。减振器可采用弹簧减振器、液压减振器或者其他已知减振器结构，本实施例中减振器包括减振伸缩套23a、可滑动内套于减振伸缩套内的减振伸缩杆23b和减振弹簧26c组成，减振伸缩套23a和减振伸缩杆23b形成伸缩杆，减振伸缩套23a和减振伸缩杆23b外圆处连接有压盘，减振弹簧26c外套于减振伸缩套23a和减振伸缩杆23b上并位于两个压盘之间，减振伸缩杆23b伸缩滑动时，可通过两个压盘压缩减振弹簧，车轮联接套与轮毂之间设置有三个减振器作为轮辐支撑，减振器个数可依据实际结构进行调整；车架落地或者运行时承受的冲击载荷作用于减振器上，直接通过减振器减振后再输送到车架上，这在传递冲击的过行程中极大的降低了载荷大小，减振效果相显著；减振轮运动时，车轮连接套通过减振器带动轮毂滚动；落地时，轮毂首先接触地面，惯性和冲击力使得车轮联接套与车架一起向下运动，伸缩杆与伸缩套相对运动并压缩或拉伸减振弹簧，将冲击能转换为弹簧势能，达到减振、降冲击的效果；轮辐和减振器合二为一，满足轮式运动、结构简单等基本要求时，还能缓冲减振。其中轮毂为环形薄壁结构，在机器人弹跳落地后，可通过轮毂的形变将冲击传递至减振器上，通过减振器的伸缩缓冲，提高车轮减振效果，而且该车轮自带减振效果，机器人弹跳后落地时，机器人无论处于正常状态或者翻转状态，均可实现减振效果，可满足机器人的起跳越障以及落地的要求。
本实施例中，所述减振轮还包括若干个防侧翻弹性轮条24，若干个所述防侧翻弹性轮条连接于轮毂外侧并径向向内弯曲后连为一体合围成凸出于轮毂外侧的半球形结构。轮毂内外侧以机器人车身基准，机器人机身两侧均安装有两个车轮，其中轴向靠近机身一侧为轮毂内侧，轴向远离机身一侧为轮毂外侧，结合附图所示，本实施例中设置有六个防侧翻弹性轮条，防侧翻弹性轮条的数量可依据实际情况调整，防侧翻弹性轮条为弹性片状结构，在机器人弹跳后落地时，可通过防侧翻弹性轮条防止侧翻，同时防侧翻弹性轮条也作为减振结构，使得机器人侧向落地时通过防侧翻弹性轮条的弹性形变实现缓冲。
本实施例中，所述防侧翻弹性轮条24由径向外端向内端侧宽度逐渐变小。该结构可使得防侧翻弹性轮条远端利于弹性形变，提高缓冲性能，同时可通过防侧翻弹性轮条远端的回弹性能辅助机器人从侧翻状态翻转成正常状态。
本实施例中，所述减振器23两端分别与轮毂内圆以及车轮连接套外圆转动配合。通过该结构可使得车轮连接套22转动时，减振器23两端自适应调整，提高车轮的稳定性。
本实施例中，所述减振器23与车轮连接套外圆偏心连接。结合附图所示，车轮连接套转动时，使得减振器与车轮连接套形成近似相切状态，该结构利于提高减振器的伸缩行程，进而提高减振效果，车轮连接套转动时也利于减振器的自适应调整。
本实施例中，各防侧翻弹性轮条24以轮毂轴线为中心对称设置。各相互对称设置的防侧翻弹性轮条相互形成支撑，利于受冲击时回弹复原，同时也可承受各个方向的侧向冲击。
本实施例中，各防侧翻弹性轮条24内端连接于与圆盘25，所述圆盘与防侧翻弹性轮条一体成型。通过圆盘的设置可使得各防侧翻弹性轮条连接处受力均匀，且一体成型设置可提高各防侧翻弹性轮条连接处的结构强度和塑性，保持防侧翻弹性轮条的良好形变能力。
本实施例中，所述轮毂外圆轴向排列有多个环形凸起26。通过多个环形凸起可提高轮毂的抓地行走能力。
本实施例中，所述防侧翻弹性轮条外端与轮毂内圆通过连接件固定连接，所述防侧翻弹性轮条与轮毂连接位置不与环形凸起径向投影重合。结合附图所示，在轮毂外圆处设置两个环形凸起，本实施例中连接件为螺栓，防侧翻弹性轮条外端侧与轮毂内圆轴向外侧通过螺栓固定连接，该螺栓穿设位置避开了环形凸起，便于防侧翻弹性轮条的安装，同时环形凸起接触与地面时，使得轮毂外圆与地面具有一定的空间，该空间也作为避让空间利于连接件的安装。
本实施例中，所述环形凸起26上开设有贯通于轮毂内圆的通孔。环形凸起上周向开设有多个通孔，通过多个通孔利于提高车轮的抓地能力。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种深空探测弹跳机器人，其特征在于：包括车架、安装于车架上的行走机构以及机器人弹射装置，所述机器人弹射装置以可被驱动上下摆动的方式安装于车架尾部用于为机器人提供弹跳所需的能量，所述机器人弹射装置包括弹射装置、蓄能装置、锁定装置和解锁装置，所述蓄能装置与弹射装置连接用于为弹射装置蓄能，所述锁定装置用于在蓄能过程中对弹射装置锁定，所述解锁装置用于在蓄能完成后触发锁定装置解锁，使得弹射装置被弹射出去撞击地面。
2.根据权利要求1所述的深空探测弹跳机器人，其特征在于：还包括支撑架，所述支撑架可被驱动上下摆动的安装于车架尾部，所述机器人弹射装置安装于支撑架上。
3.根据权利要求1所述的深空探测弹跳机器人，其特征在于：所述行走机构包括安装于机架上的若干个减振轮以及驱动减振轮运行的驱动件，所述减振轮的上沿高于车架顶部，所述减振轮的下沿低于车架的底部。
4.根据权利要求1所述的深空探测弹跳机器人，其特征在于：所述蓄能装置包括弹性件和压缩件，所述弹性件位于弹射装置与压缩件之间，所述压缩件可被向靠近或远离弹性件的方向驱动滑动以压缩弹性件。
5.根据权利要求4所述的深空探测弹跳机器人，其特征在于：所述锁定装置包括安装于机架上的锁止件以及可滑动安装在锁止件上的闭锁销，所述弹射装置外具有用于与闭锁销配合的闭锁卡槽，所述解锁装置与压缩件连接，蓄能过程中，所述压缩件带动解锁装置向靠近闭锁销侧移动，使得解锁装置与闭锁销接触并驱动闭锁销滑动使得闭锁销脱出闭锁卡槽。
6.根据权利要求3所述的深空探测弹跳机器人，其特征在于：所述减振轮包括轮毂、位于轮毂中心处并与车架转动配合的车轮连接套以及若干个连接于轮毂内圆和车轮连接套之间的减振器，若干个所述减振器以轮毂中轴线为中心对称布置。
7.根据权利要求6所述的深空探测弹跳机器人，其特征在于：所述减振轮还包括若干个防侧翻弹性轮条，若干个所述防侧翻弹性轮条连接于轮毂外侧并径向向内弯曲后连为一体合围成凸出于轮毂外侧的半球形结构。
8.根据权利要求5所述的深空探测弹跳机器人，其特征在于：所述锁定装置还包括与闭锁销连接的外臂，所述解锁装置上与外臂末端具有相互配合的楔形面，所述解锁装置被驱动可与外臂接触使得两楔形面相互贴合并驱动外臂连同闭锁销滑动使得闭锁销脱出闭锁卡槽。
9.根据权利要求8所述的深空探测弹跳机器人，其特征在于：所述弹射装置包括弹射头以及与弹射头后端连接的套筒，所述套筒由两半式瓦状弧形板径向拼接形成，所述两弧形板之间留有间隙形成两条滑动槽，所述解锁装置经过滑动槽穿至弹射装置外部形成用于与锁定装置接触配合以实现解锁的解锁端，所述解锁装置与滑动槽轴向滑动配合。
10.根据权利要求9所述的深空探测弹跳机器人，其特征在于：所述解锁装置包括位于弹射装置内并与压缩件固定连接的解锁板以及连接于解锁板两侧并分别经过两条滑动槽穿至弹射装置外的解锁外臂，楔形面位于所述解锁外臂末端。
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