CN113443044A - 一种具有腿式结构的缓冲装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有腿式结构的缓冲装置，包括装置放置板和多条缓冲吸能腿，借鉴蝗虫腿部生理结构和跳跃特性，解决飞行器与目标航天器间接触反弹现象，将动能吸收转化为弹性势能以耗散碰撞接触时的冲击能量，可适应复杂表面特征且具有较高的效率，能够有效解决小型飞行器柔顺接触与稳定着陆的关键问题，本发明在装置放置板(I)圆周方向上均布6个缓冲吸能腿。缓冲吸能腿通过扭簧和单向轴承缓冲吸震，避免出现反弹，采用六腿构型增大缓冲的负载能力，使缓冲装置能够满足非正向碰撞接触缓冲的需求，在此基础上，球副连接的足部具有多个自由度，能够适应目标物的不规则的表面。本发明具有通用性，可为其他领域的缓冲吸震提供应用前景和借鉴。

Description

一种具有腿式结构的缓冲装置

技术领域

本发明涉及一种具有腿式结构的缓冲装置，属于机器人领域。

背景技术

随着中国空间技术的深刻发展，深空探索与空间站建造稳步进行，将会有更多飞行器与探测器被送往空间，飞行器间的安全交互、探测器的稳定着陆等是航天器执行空间操作、提升效率的前提。在空间机器人领域，如何将高速飞行的飞行器平稳附着在航天器上，具有较高的科研价值。空间飞行器在高速运动时会产生较大的冲量，这使得在无重力的空间环境中，飞行器与航天器接触时会产生巨大的瞬时能量，导致飞行器被迅速弹开，使得飞行器无法稳定地附着在航天器上。因此采用一种具有吸收能量且稳定高效的缓冲机构，使得飞行器软着陆在航天器表面。利用柔性材料或者柔顺机构的柔性变形进行储能和缓冲，不仅能够实现接触过程的柔性化，实现碰撞能量的吸收及柔性振动的抑制，还能通过合理的设计与之适配的柔顺碰撞策略分配各关节受到的冲击力矩。

在自然界，许多昆虫采用跳跃的方式越过崎岖路面或障碍，其中，蝗虫具有较强的弹跳能力，是仿生机器人重要的模仿对象之一，蝗虫的跳跃过程为间歇性跳跃，每次跳跃后需具有良好的缓冲性能，蝗虫腿部结构可简化为腿节、胫节和跗节结构，通过肌肉的收缩来实现能量的吸收，借鉴该类机器人的生理结构与跳跃特性，设计具有良好的着陆缓冲特性的机器人，将动能转化为弹性势能以有效地吸收冲击，可适应复杂地形且具有较高的效率，能够有效解决小型飞行器柔顺接触与稳定着陆在航天器的关键问题，这对机器人应用领域具有重要意义。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种具有腿式结构的缓冲装置，借鉴蝗虫的生理结构特点，实现缓冲装置腿部运动灵活、储能高效的特点，有效消耗并存储运动能量，避免与目标物刚性接触造成的结构或功能损坏，具有结构简单、缓冲高效、稳定可靠等特点。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有腿式结构的缓冲装置，包括装置放置板和多条缓冲吸能腿，所述的缓冲吸能腿上有连接板通过螺栓连接在装置放置板上；每条缓冲吸能腿有多个关节，每个关节处有扭簧；当缓冲装置与目标表面碰撞接触时，缓冲吸能腿的各关节角度发生变化，使得位于关节处的扭簧发生变形，将动能转化为弹性势能，关节只能发生单向旋转运动，避免弹性势能转化为动能导致反弹运动，造成缓冲失败；缓冲装置采用多条腿构型，能够适应目标物复杂的表面特征，提升稳定性与缓冲负载能力。

优选地，所述装置放置板，为圆盘结构，适应一般小型航天器的外形结构，用于安装飞行器等航天设备，中心处预留连接孔，可进行快速安装，六组用于安装缓冲吸能腿的螺栓成周向均匀分布在所述装置放置板上，所述装置放置板上具有与之相对应的螺纹孔。

优选地，所述缓冲吸能腿包含上支撑腿、中支撑腿、下支撑腿和单向吸能结构组成，单向缓冲结构有两组，上支撑腿和中支撑腿之间一组，中支撑和下支撑腿一组。

所述缓冲吸能腿，通过螺栓与所述装置放置板连接，是缓冲装置的关键功能部分，根据机器人稳定性判据ZMP理论，为实现碰撞接触过程中，缓冲装置的重心处于支撑区域内以避免产生倾覆现象，综合缓冲装置的结构尺寸和稳定性判据，采用六条相同的缓冲吸能腿周向安装在所述装置放置板上。

进一步优选地，所述上支撑腿通过连接板与所述装置放置板相连接，连接板呈凹字形结构，与两个侧板通过螺栓固连，上支撑腿垂直于装置放置板，两侧板上设置吸能机构的连接孔；与侧板垂直位置固定有扭簧固定板，扭簧的一侧通过一个压板固定在扭簧固定板甲上，限制了扭簧的移动自由度，上支撑腿和一根轴为间隙配合，保证上支撑腿与中支撑腿间具有相对运动，上支撑腿旋转运动时，由于轴固定在中支撑腿上成为一体化结构，从而形成旋转关节。

进一步优选地，所述的中支撑腿两侧为腿板，腿板两侧有轴孔且两端固定有扭簧固定板，扭簧的另一侧通过压板固定在扭簧固定板乙上，中支撑腿上端和轴为过盈配合，下端和轴为间隙配合。

更进一步优选地，所述中支撑腿，其长度大于上支撑腿，支撑腿上的两个腿板外侧与上支撑板的内侧配合形成面接触，腿板两侧有具有同轴度较高的轴孔，两端通过螺栓安装与腿板垂直的扭簧固定板，防止腿板轴向运动，扭簧的另一侧通过压板固定在扭簧固定板上，中支撑腿上端和轴为过盈配合，使轴与中支撑腿形成一体化结构，配合单向轴承的使用形成具有单向运动的关节，从而实现有效储存运动能量，避免产生反弹。下端和轴为间隙配合，形成腿部关节。

进一步优选地，所述的下支撑腿包含支撑件、转轴、球副和足部，下支撑腿中支撑件通过转轴和球副连接，球副下端与足部固定；其中支撑件上不仅有对应的轴孔，还有扭簧固定槽；下支撑腿和转轴为过盈配合。

更进一步优选地，所述下支撑腿的支撑件呈U型结构，通过镂空设计减轻因自身质量带来的惯性影响，通过转轴和球面副一面连接，球副下端通过顶丝与足部固连。其中支撑件上具有对应的轴孔，设置扭簧固定槽，通过压板将扭簧的另一端与支撑件固定，限制其轴向运动。所述下支撑腿的支撑件和转轴为间隙配合，形成旋转关节。

进一步优选地，所述的单向吸能结构包含扭簧、螺钉、轴、键、轴承盖、单向轴承以及固定螺母，所述的单向吸能结构中扭簧套在轴上，扭簧的两端分别通过压板固定在不同支撑腿上，单向轴承通过键与轴承盖和销轴连接并通过固定螺母和轴上的阶梯面对键的进行轴向定位，轴上有螺钉孔与一侧支撑腿连接，轴承盖通过螺钉固定在支撑腿上。

所述单向吸能结构的单向轴承为本领域常用技术，其只能实现一个单个方向的旋转，将单向轴承内环通过键与轴连接，单向轴承内环与轴之间采用间隙配合以方便拆装与维修；轴上设置键槽，并在轴端加工螺纹，轴为阶梯轴，作为定位基准面与侧板和腿板连接，轴承盖上设置键槽，键安装在轴承盖与单向轴承外环得键槽上，限制单向轴承的外环与轴承盖之间的相对转动，轴承盖通过螺栓与侧板或腿板固定，实现单向轴承内、外环分别与所述缓冲吸能腿的各部分连接，通过固定螺母和轴上的阶梯面对轴承进行轴向定位。

优选地，支撑腿之间的相对运动具有单向性，随着支撑腿的相对转动，捕获装置上多余的相对动能储存在扭簧上且扭簧上的能量由于轴上固定有单向轴承不能反向输出。

优选地，球副具有三个自由度，其运动空间为锥角15°的圆锥体，能构成缓冲结构，有效解决目标物表面复杂的缓冲难题。

优选地，所述位于下支撑腿与中支撑腿关节处的扭簧刚度系数小于上支撑腿与中支撑腿关节处的扭簧刚度系数，实现两关节同时作动，构成吸收储存能量装置，高效吸收储存能量。

优选地，初始接触前，上支撑腿的中心线与中支撑腿的中心线所成的角度，中支撑腿的中心线与下支撑腿的中心线所成的角度，均为120°，各缓冲腿的状态保持一致。

优选地，采用六支撑腿构型，能有效保证吸收各个方向的能量，提高装置执行的可靠性。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明采用扭簧和单向缓冲结构配合，关节吸收储存能量，能量正向输入，关节的单向运动避免输出扭簧的势能而产生的反弹现象；

2.本发明具有通用性，能适应不同尺寸功能的装置；

3.本发明的足端采用球副结构，能够适应目标物表面的不规则特征，具有环境适应性；

4.本发明装置有6个缓冲支脚，结构简单、缓冲效果好、效率高，能够满足非法向接触碰撞的缓冲需求；本发明方法简单易行，成本低，适合推广使用。

附图说明

图1是本发优选实施例的具有腿式结构的缓冲装置的总体结构示意图。

图2是本发优选实施例的装置放置板和缓冲吸能腿布局示意图。

图3是本发优选实施例的缓冲吸能腿总体结构示意图。

图4是本发优选实施例的单向缓冲结构组成示意图。

图5是本发优选实施例的上支撑腿结构示意图。

图6是本发优选实施例的扭簧连接方式示意图。

图7是本发优选实施例的中支撑腿结构示意图。

图8是本发优选实施例的下支撑退结构示意图。

图9是本发优选实施例的具有腿式结构的缓冲装置工作后的立体视图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1，一种具有腿式结构的缓冲装置，包括装置放置板I和多条缓冲吸能腿II，所述的缓冲吸能腿II上有连接板2通过螺栓1连接在装置放置板I上；每条缓冲吸能腿II有多个关节，每个关节处有扭簧7；当缓冲装置与目标表面碰撞接触时，缓冲吸能腿II的各关节角度发生变化，使得位于关节处的扭簧7发生变形，将动能转化为弹性势能，关节只能发生单向旋转运动，避免弹性势能转化为动能导致反弹运动，造成缓冲失败；缓冲装置采用多条腿构型，能够适应目标物复杂的表面特征，提升稳定性与缓冲负载能力。

本实施例具有腿式结构的缓冲装置，借鉴蝗虫的生理结构特点，实现缓冲装置腿部运动灵活、储能高效的特点，有效消耗并存储运动能量，避免与目标物刚性接触造成的结构或功能损坏，具有结构简单、缓冲高效、稳定可靠等特点。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，所述缓冲吸能腿II包含上支撑腿3、中支撑腿4、下支撑腿6和单向吸能结构5组成，单向缓冲结构5有两组，上支撑腿3和中支撑腿4之间一组，中支撑4和下支撑腿6一组。

在本实施例中，所述上支撑腿3通过连接板2与所述装置放置板I相连接，连接板2呈凹字形结构，与两个侧板16通过螺栓8固连，上支撑腿3垂直于装置放置板I，两侧板16上设置吸能机构的连接孔；与侧板16垂直位置固定有扭簧固定板15，扭簧7的一侧通过一个压板14固定在扭簧固定板甲15上，限制了扭簧7的移动自由度，上支撑腿3和一根轴9为间隙配合，保证上支撑腿3与中支撑腿4间具有相对运动，上支撑腿3旋转运动时，由于轴9固定在中支撑腿4上成为一体化结构，从而形成旋转关节。

在本实施例中，所述的中支撑腿4两侧为腿板18，腿板18两侧有轴孔且两端固定有扭簧固定板17，扭簧7的另一侧通过压板14固定在扭簧固定板乙17上，中支撑腿4上端和轴9为过盈配合，下端和轴9为间隙配合。

在本实施例中，所述的下支撑腿6包含支撑件19、转轴20、球副21和足部22，下支撑腿6中支撑件19通过转轴30和球副21连接，球副21下端与足部22固定；其中支撑件19上不仅有对应的轴孔，还有扭簧固定槽；下支撑腿6和转轴20为过盈配合。

在本实施例中，所述的单向吸能结构包含扭簧7、螺钉8、轴9、键10、轴承盖11、单向轴承12以及固定螺母13，所述的单向吸能结构5中扭簧7套在轴上，扭簧的两端分别通过压板14固定在不同支撑腿上，单向轴承12通过键10与轴承盖11和销轴连接并通过固定螺母13和轴上的阶梯面对键10的进行轴向定位，轴9上有螺钉孔与一侧支撑腿连接，轴承盖11通过螺钉8固定在支撑腿上。

在本实施例中，支撑腿之间的相对运动具有单向性，随着支撑腿的相对转动，捕获装置上多余的相对动能储存在扭簧7上且扭簧7上的能量由于轴9上固定有单向轴承13不能反向输出。

本实施例采用扭簧和单向缓冲结构配合，关节吸收储存能量，能量正向输入，关节的单向运动避免输出扭簧的势能而产生的反弹现象；本实施例具有通用性，能适应不同尺寸功能的装置；本实施例的足端采用球副结构，能够适应目标物表面的不规则特征，具有环境适应性；本实施例装置有6个缓冲支脚，结构简单、缓冲效果好、效率高，能够满足非法向接触碰撞的缓冲需求；本发明方法简单易行，成本低，适合推广使用。

实施例三：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，球副21具有三个自由度，其运动空间为锥角15°的圆锥体，构成缓冲结构。

在本实施例中，所述位于中支撑腿4和下支撑腿6的关节处的扭簧7刚度系数小于上支撑腿3和中支撑腿4的关节处的扭簧7刚度系数，实现两关节同时作动，构成吸收储存能量装置。

在本实施例中，初始接触前，上支撑腿3的中心线与中支撑腿4的中心线所成的角度，中支撑腿4的中心线与下支撑腿6的中心线所成的角度，均为120°，各缓冲腿的状态保持一致。

本实施例具有腿式结构的缓冲装置易于控制，结构简单、缓冲效果好、效率高，能够满足非法向接触碰撞的缓冲需求；本发明方法简单易行，成本低，适合推广使用。

实施例四：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，如图2所示，一种具有腿式结构的缓冲装置，包括装置放置板I、缓冲吸能腿II，六条相同的缓冲吸能腿II呈圆周式布置在装置放置板I上，装置放置板上通过沉头螺钉1与上支撑腿3上的连接板2固连。

在本实施例中，所述缓冲吸能腿II上的上支撑腿3的中心线与中支撑腿4的中心线的夹角，中支撑腿4的中心线与下支撑腿6的中心线的夹角，均为120°。扭簧7处于自然状态，两端通过压板14固定在扭簧固定板15、17上。初始状态时，将单向轴承12的键槽与轴承盖11的键槽对齐，安装键10限制单向轴承12外环运动，内环通过键10与轴9形成整体。

在本实施例中，当装置的与目标表面碰撞接触时：

足部22与目标表面接触，六条缓冲吸能腿处于相同状态，同时产生沿着下支撑腿6中心线的正向碰撞接触力，装置放置板I在惯性力的作用下继续向下运动，上支撑腿3处的关节发生旋转，上支撑腿3相对中支撑腿4转动，固定在侧板16上的轴承盖11带动单向轴承12转动，由于上支撑腿3的侧板16与轴9为间隙配合，中支撑腿4的腿板18的上部轴孔与轴9为过盈配合，单向轴承12的内环与轴9通过键10安装，因此在上支撑腿的关节处只产生单向旋转运动，上支撑腿3与中支撑腿4的夹角减小，部分动能储存在扭簧7处。类似地，下支撑腿6与中支撑腿4之间的关节夹角减小，下支撑腿6上的支撑件19与轴9为过盈配合，中支撑腿4上的腿板18的下部轴孔与轴9为间隙配合，中支撑腿4与下部轴9之间能够相对转动，能量储存在关节扭簧7处。

在本实施例中，所述位于下支撑腿6与中支撑腿4关节处的扭簧9刚度系数小于上支撑腿3与中支撑腿4关节处的扭簧刚度系数，可以理解，由于球副21，下支撑腿6在缓冲阶段的中心线会向内偏移，导致缓冲吸能腿II下关节的合力矩小于上关节的合力矩，因此在下关节使用刚度系数较小的扭簧9能够充分发挥下关节的工作空间。

在本实施例中，所述缓冲吸能腿II共有六条，当目标表面为平面，碰撞方向为正向时，缓冲吸能腿II几乎同时接触表面，能够充分发挥缓冲效能；在进行斜面碰撞缓冲时，由于球副21具有三自由度，在接触表面时，与下支撑腿6形成一定角度，将接触力传递到关节变形。

上述实施例具有腿式结构的缓冲装置。它包括装置放置板I和多条缓冲吸能腿II，借鉴蝗虫腿部生理结构和跳跃特性，解决飞行器与目标航天器间接触反弹现象，将动能吸收转化为弹性势能以耗散碰撞接触时的冲击能量，可适应复杂表面特征且具有较高的效率，能够有效解决小型飞行器柔顺接触与稳定着陆的关键问题，技术方案是：在装置放置板I圆周方向上均布6个缓冲吸能腿II。缓冲吸能腿II通过扭簧和单向轴承缓冲吸震，避免出现反弹，采用六腿构型增大缓冲的负载能力，使缓冲装置能够满足非正向碰撞接触缓冲的需求，在此基础上，球副连接的足部具有多个自由度，能够适应目标物的不规则的表面。上述实施例装置具有通用性，可为其他领域的缓冲吸震提供应用前景和借鉴。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有腿式结构的缓冲装置，包括装置放置板(I)和多条缓冲吸能腿(II)，其特征在于：所述的缓冲吸能腿(II)上有连接板(2)通过螺栓(1)连接在装置放置板(I)上；每条缓冲吸能腿(II)有多个关节，每个关节处有扭簧(7)；当缓冲装置与目标表面碰撞接触时，缓冲吸能腿(II)的各关节角度发生变化，使得位于关节处的扭簧(7)发生变形，将动能转化为弹性势能，关节只能发生单向旋转运动，避免弹性势能转化为动能导致反弹运动，造成缓冲失败；缓冲装置采用多条腿构型，能够适应目标物复杂的表面特征，提升稳定性与缓冲负载能力。

2.根据权利要求1所述的具有腿式结构的缓冲装置，其特征在于：所述缓冲吸能腿(II)包含上支撑腿(3)、中支撑腿(4)、下支撑腿(6)和单向吸能结构(5)组成，单向缓冲结构(5)有两组，上支撑腿(3)和中支撑腿(4)之间一组，中支撑(4)和下支撑腿(6)一组。

3.根据权利要求2所述的具有腿式结构的缓冲装置，其特征在于：所述上支撑腿(3)通过连接板(2)与所述装置放置板(I)相连接，连接板(2)呈凹字形结构，与两个侧板(16)通过螺栓(8)固连，上支撑腿(3)垂直于装置放置板(I)，两侧板(16)上设置吸能机构的连接孔；与侧板(16)垂直位置固定有扭簧固定板(15)，扭簧(7)的一侧通过一个压板(14)固定在扭簧固定板甲(15)上，限制了扭簧(7)的移动自由度，上支撑腿(3)和一根轴(9)为间隙配合，保证上支撑腿(3)与中支撑腿(4)间具有相对运动，上支撑腿(3)旋转运动时，由于轴(9)固定在中支撑腿(4)上成为一体化结构，从而形成旋转关节。

4.根据权利要求2或3所述的具有腿式结构的缓冲装置，其特征在于：所述的中支撑腿(4)两侧为腿板(18)，腿板(18)两侧有轴孔且两端固定有扭簧固定板(17)，扭簧(7)的另一侧通过压板(14)固定在扭簧固定板乙(17)上，中支撑腿(4)上端和轴(9)为过盈配合，下端和轴(9)为间隙配合。

5.根据权利要求2所述的具有腿式结构的缓冲装置，其特征在于：所述的下支撑腿(6)包含支撑件(19)、转轴(20)、球副(21)和足部(22)，下支撑腿(6)中支撑件(19)通过转轴(30)和球副(21)连接，球副(21)下端与足部(22)固定；其中支撑件(19)上不仅有对应的轴孔，还有扭簧固定槽；下支撑腿(6)和转轴(20)为过盈配合。

6.根据权利要求5所述的具有腿式结构的缓冲装置，其特征在于：球副(21)具有三个自由度，其运动空间为锥角15°的圆锥体，构成缓冲结构。

7.根据权利要求2所述的具有腿式结构的缓冲装置，其特征在于：所述的单向吸能结构包含扭簧(7)、螺钉(8)、轴(9)、键(10)、轴承盖(11)、单向轴承(12)以及固定螺母(13)，所述的单向吸能结构(5)中扭簧(7)套在轴上，扭簧的两端分别通过压板(14)固定在不同支撑腿上，单向轴承(12)通过键(10)与轴承盖(11)和销轴连接并通过固定螺母(13)和轴上的阶梯面对键(10)的进行轴向定位，轴(9)上有螺钉孔与一侧支撑腿连接，轴承盖(11)通过螺钉(8)固定在支撑腿上。

8.根据权利要求1或2所述的具有腿式结构的缓冲装置，其特征在于：支撑腿之间的相对运动具有单向性，随着支撑腿的相对转动，捕获装置上多余的相对动能储存在扭簧(7)上且扭簧(7)上的能量由于轴(9)上固定有单向轴承(13)不能反向输出。

9.根据权利要求2所述的具有腿式结构的缓冲装置，其特征在于：所述位于中支撑腿(4)和下支撑腿(6)的关节处的扭簧(7)刚度系数小于上支撑腿(3)和中支撑腿(4)的关节处的扭簧(7)刚度系数，实现两关节同时作动，构成吸收储存能量装置。

10.根据权利要求2所述的具有腿式结构的缓冲装置，其特征在于：初始接触前，上支撑腿(3)的中心线与中支撑腿(4)的中心线所成的角度，中支撑腿(4)的中心线与下支撑腿(6)的中心线所成的角度，均为120°，各缓冲腿的状态保持一致。

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