CN114291177B - 一种基于张拉整体结构的抗冲击滚动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于张拉整体结构的抗冲击滚动机器人，包括24根弹性索和6根刚性杆，6根刚性杆根据空间位置关系分为三组，每组内的2根刚性杆相互平行，组间相互垂直；每根刚性杆的一端与距离其最近的四个杆端通过四根弹性索相连；从而所述机器人表面包含二十个由弹性索构成的三角形，外观呈正二十面体；所述刚性杆包括配重块、电机、滑块滑轨机构；通过电机驱动滑块滑轨机构运动，滑块滑轨机构带动配重块运动，从而改变每根刚性杆上配重块的位置，改变机器人整体重心，从而使得机器人在自身重力矩的作用下进行滚动运动；本发明能够实现快速滚动，同时又保证了机器人的抗冲击能力。

Description

一种基于张拉整体结构的抗冲击滚动机器人

技术领域

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于张拉整体结构的抗冲击滚动机器人。

背景技术

张拉整体结构由连续的弹性索和离散的刚性杆构成，该结构具备较强的抗冲击能力，具有较高的质量冲击比，即：较轻的质量就能承受较大的冲击力。在张拉整体结构中，每根杆两端的受力沿杆的轴向方向，张拉整体结构内部受力均匀，结构内部不会产生扭矩。目前，张拉整体结构的应用正在从建筑和艺术领域转向机器人领域，其中，六杆张拉整体结构应用最为广泛。六杆张拉整体机器人的运动原理是：改变整个结构的重心，使重心在地面的投影面不在地面接触面内部，让结构处于不稳定状态，使得整个结构在重力力矩的作用下发生滚动。

经广泛调研发现，当前六杆张拉整体机器人的运动方式主要分为：

(1)改变结构中的绳索长度，拉动刚性杆的节点，从而改变整个结构的重心，使机器人发生滚动；

(2)动力源自于杆，改变杆的长度，杆起到推动作用，实现机器人的滚动运动；

对于第一种机器人结构：绳索长度的改变速度较慢，机器人的运动速度慢、运动效率低。

对于第二种机器人结构：降低了杆的刚性，整个结构的抗冲击能力也因此大幅度下降。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于张拉整体结构的抗冲击滚动机器人，能够实现快速滚动，同时又保证了机器人的抗冲击能力。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于张拉整体结构的抗冲击滚动机器人，包括24根弹性索和6根刚性杆，6根刚性杆根据空间位置关系分为三组，每组内的2根刚性杆相互平行，组间相互垂直；每根刚性杆的一端与距离其最近的四个杆端通过四根弹性索相连；从而所述机器人表面包含二十个由弹性索构成的三角形，其中有十二个等腰三角形、八个等边三角形，外观呈正二十面体；

所述刚性杆包括配重块、电机、滑块滑轨机构；通过电机驱动滑块滑轨机构运动，滑块滑轨机构带动配重块运动，从而改变每根刚性杆上配重块的位置，改变机器人整体重心，从而使得机器人在自身重力矩的作用下进行滚动运动。

进一步地，所述刚性杆以碳纤维杆为载体，碳纤维杆上设置滑轨、滑块、电机、同步带、主动同步轮、从动同步轮以及金属配重块；

所述电机通过电机座固定安装在碳纤维杆的一端，电机的输出轴安装主动同步轮，碳纤维杆的另一端安装轴承座并固定从动同步轮；

所述滑轨通过螺钉固定连接在碳纤维杆的一侧面，所述滑块与滑轨配合安装，通过螺钉将同步带、金属配重块和滑块从上到下固定连接；

电机使与其输出轴相连的主动同步轮转动，从而使同步带运动并改变滑块和金属配重块的位置。

进一步地，所述机器人内部中心处通过弹性索固定橡胶球形壳，球形壳内部放置单片机、电源和无线通信模块，所述无线通信模块接收外界遥控器信号，并将信号作为所述单片机的输入，所述单片机输出各个电机的控制信号，所述电源为每根杆上的电机供电。

进一步地，所述碳纤维杆的两端分别通过螺栓连接橡胶缓冲接头，所述橡胶缓冲接头为椭球体。

进一步地，所述弹性索由拉簧和鱼线通过锁线器连接而成。

进一步地，每根碳纤维杆杆端的弹性索穿过橡胶缓冲接头上的通孔并用锁线器固定连接。

有益效果：

本发明提出的基于六杆张拉整体框架的滚动机器人，通过电机移动金属配重块在滑轨上的位置，改变机器人的重心位置，使机器人在重力矩的作用下实现滚动效果。

本发明的电源以及通信、控制模块放置于机器人内部中心处，避免了运动中可能出现的冲击，使机器人具有更高的可靠性。

本发明具备较强的抗冲击能力，杆端的橡胶缓冲接头可以吸收机器人运动时的部分冲击力，能够增加机器人与地面的摩擦力，使机器人能够进行精确的滚动运动。

附图说明

图1为本发明中单个刚性杆的俯视图。

图2为本发明中单个刚性杆的主视图。

图3为本发明中位于机器人中心处，装载单片机、电源、无线通信模块的橡胶球形外壳。

图4为本发明中滑轨主视图。

图5为本发明中滑轨侧视图。

图6为本发明中杆端橡胶缓冲接头主视图。

图7为本发明中杆端橡胶缓冲接头侧视图。

图8为本发明中同步轮主视图。

图9为本发明中同步轮侧视图。

图10为本发明中同步带主视图。

图11为本发明中滑块侧视图。

图12为本发明中滑块俯视图。

图13为本发明中轴承固定座主视图。

图14为本发明中轴承固定座侧视图。

图15为本发明中碳纤维杆的主视图。

图16为本发明中碳纤维杆的侧视图。

图17为本发明中弹性索结构的主视图。

图18为本发明中锁线器连接结构的主视图。

图19为基于六杆张拉整体结构的滚动机器人整体结构图。

其中，1-刚性杆，2-电机，3-电机固定座，4-主动同步轮，5-橡胶缓冲接头，6-同步带，7-碳纤维杆，8-金属配重块，9-轴承固定座，10-滑轨，11-橡胶球形壳，12-弹性索，13-拉簧，14-鱼线，15-通孔，16-滑块，17-锁线器，18-从动同步轮。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

图1、图2显示了本发明中单根刚性杆的机械结构示意图。如图1、图2所示，刚性杆包括碳纤维杆7、电机2、电机固定座3、主动同步轮4、从动同步轮18、橡胶缓冲接头5、同步带6、配重金属块8、轴承固定座9、滑轨10、滑块16。

橡胶缓冲接头5为椭球体，可通过3D打印，打印出模具并倒模形成，通过螺栓固定在碳纤维杆7的两端。

电机2与电机固定座3通过螺栓固定相连，电机固定座3通过螺栓固定于碳纤维杆7的一端。电机2的输出轴与主动同步轮4配合固定，弹性杆的另一端固定轴承固定座9，轴承固定座与从动同步轮18通过轴承连接。

两个同步轮4、18与同步带6配合连接。滑块16固定于滑轨10上，可沿滑轨10的方向滑动，滑块16通过螺栓分别与配重金属块8和同步带6固定连接。

电机2、主动同步轮4、从动同步轮18、同步带6、滑块16、滑轨10共同组成单根杆上的传动系统。

图3显示了机器人中心位置放置电源、单片机、无线通信模块的橡胶球壳11，橡胶球壳11上下两端设置有圆形通孔，两根弹性索12分别穿过圆形通孔利用锁线器17固定连接，并连接机器人中的两根平行刚性杆，使橡胶球壳位于机器人的中心位置附近。

图4图5显示了滑轨10的主视图与侧视图，滑轨10上有螺栓孔，以及U型槽，利用螺栓将滑轨10与碳纤维杆7固定连接，利用U型槽将滑块16与滑轨10滑动配合。

图6图7显示了杆端的橡胶缓冲接头5的基本结构，利用3D打印制作出橡胶缓冲接头5的模型，进行倒模可制作出橡胶缓冲接头5，其外侧为椭球体，均匀分布四个通孔15，用于连接弹性索12，弹性索12穿过通孔利用锁线器固定；内侧为长方体，内侧有通孔，利用螺栓将橡胶缓冲接头5与碳纤维杆7固定连接。

图8图9为同步轮的主视图和侧视图，同步轮中间为D形孔，D形孔能够防止主动同步轮4与电机2输出轴产生相对滑动，保证了机器人的正常运动。图9所示同步轮内多个凹槽，凹槽能够保证同步轮与同步带6更好地贴合，不会产生相对滑动，保证了机器人的正常运动和控制精度。

图10为同步带6的结构图，同步带6内侧有凸起，能够与同步轮紧密贴合。

图11图12为滑块16的主视图和俯视图，滑块16在滑轨10上线性运动，滑块16上有通孔，用于固定配重金属块8，使配重金属块8与滑块16在电机的驱动下共同运动。

图13图14为轴承固定座9的主视图和侧视图，轴承固定座9用于安装轴承，轴承上固定从动同步轮18，在碳纤维杆7的另一端用于连接同步带6，对同步带6的转动起支持作用。

图15图16为碳纤维杆7的主视图和侧视图，碳纤维杆7为长方体柱，其上有多个通孔，用于固定滑轨10、电机固定座3、轴承固定座9以及杆端橡胶缓冲接头4。

图17图18为弹性索的结构示意图，弹性索包括拉簧13、鱼线14和锁线器17。拉簧13产生拉力，利用锁线器17实现对鱼线14的安装。其中，拉簧13两端的挂钩分别连接两段长度相同的鱼线14，鱼线14强度大，能够承受较大的拉力，鱼线14通过锁线器17与拉簧挂钩固定连接。锁线器17还用于将鱼线14和橡胶缓冲接头的连接孔15固定连接，实现弹性索和刚性杆的连接。

图19为本发明的整体结构图，每根刚性杆末端均引出四根弹性索，分别与在空间位置上距离该刚性杆末端最近的四个刚性杆末端相连接，构成高度对称的正二十面体结构。其中，刚性杆的端点A与其最近的四根刚性杆的端点E、F、I、K连接，刚性杆的端点B与端点G、H、I、K连接，刚性杆的端点C与其最近的四根刚性杆的端点E、F、J、L连接，刚性杆的端点D与其最近的四根刚性杆的端点G、H、J、L连接，端点E与其最近的四根刚性杆的端点A、C、I、J连接，刚性杆的端点F与其最近的四根刚性杆的端点A、C、K、L连接，端点G与其最近的四根刚性杆的端点J、I、B、D连接，刚性杆的端点H与其最近的四根刚性杆的端点B、D、K、L连接，端点I与其最近的四根刚性杆的端点A、B、E、G连接，刚性杆的端点J与其最近的四根刚性杆的端点C、D、E、G连接，刚性杆的端点K与其最近的四根刚性杆的端点A、B、F、H连接，刚性杆的端点L与其最近的四根刚性杆的端点C、D、F、H连接。球形橡胶壳通过弹性索固定于机器人的中心位置附近。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于张拉整体结构的抗冲击滚动机器人，其特征在于：

包括24根弹性索和6根刚性杆，6根刚性杆根据空间位置关系分为三组，每组内的2根刚性杆相互平行，组间相互垂直；每根刚性杆的一端与距离其最近的四个杆端通过四根弹性索相连；从而所述机器人表面包含二十个由弹性索构成的三角形，其中有十二个等腰三角形、八个等边三角形，外观呈正二十面体；

所述刚性杆包括碳纤维杆、电机、电机固定座、主动同步轮、从动同步轮、橡胶缓冲接头、同步带、配重金属块、轴承固定座、滑轨、滑块；

橡胶缓冲接头为椭球体，通过3D打印出模具并倒模形成，通过螺栓固定在碳纤维杆的两端；

电机与电机固定座通过螺栓固定相连，电机固定座通过螺栓固定于碳纤维杆的一端；

电机的输出轴与主动同步轮配合固定，弹性杆的另一端固定轴承固定座，轴承固定座与从动同步轮通过轴承连接；

两个同步轮与同步带配合连接，滑块固定于滑轨上，可沿滑轨的方向滑动，滑块通过螺栓分别与配重金属块和同步带固定连接；

电机、主动同步轮、从动同步轮、同步带、滑块、滑轨共同组成单根杆上的传动系统，机器人中心位置放置电源、单片机、无线通信模块的橡胶球壳，橡胶球壳上下两端设置有圆形通孔，两根弹性索分别穿过圆形通孔利用锁线器固定连接，并连接机器人中的两根平行刚性杆，使橡胶球壳位于机器人的中心位置附近，滑轨上有螺栓孔和U型槽，利用螺栓将滑轨与碳纤维杆固定连接，利用U型槽将滑块与滑轨滑动配合；杆端的橡胶缓冲接头的外侧为椭球体，均匀分布四个通孔，用于连接弹性索，弹性索穿过通孔利用锁线器固定；内侧为长方体，内侧有通孔，利用螺栓将橡胶缓冲接头与碳纤维杆固定连接；

同步轮中间为D形孔，D形孔能够防止主动同步轮与电机输出轴产生相对滑动，保证了机器人的正常运动，同步轮内多个凹槽，凹槽能够保证同步轮与同步带更好地贴合，不会产生相对滑动，保证了机器人的正常运动和控制精度，同步带内侧有凸起，能够与同步轮紧密贴合，滑块在滑轨上线性运动，滑块上有通孔，用于固定配重金属块使配重金属块与滑块在电机的驱动下共同运动，轴承固定座用于安装轴承，轴承上固定从动同步轮，在碳纤维杆的另一端用于连接同步带，对同步带的转动起支持作用，碳纤维杆为长方体柱，其上有多个通孔，用于固定滑轨、电机固定座、轴承固定座以及杆端橡胶缓冲接头，弹性索包括拉簧、鱼线和锁线器，拉簧产生拉力，利用锁线器实现对鱼线的安装，拉簧两端的挂钩分别连接两段长度相同的鱼线，鱼线强度大，能够承受较大的拉力，鱼线通过锁线器与拉簧挂钩固定连接，锁线器还用于将鱼线和橡胶缓冲接头的连接孔固定连接，实现弹性索和刚性杆的连接，每根刚性杆末端均引出四根弹性索，分别与在空间位置上距离该刚性杆末端最近的四个刚性杆末端相连接，构成高度对称的正二十面体结构，刚性杆的端点A与其最近的四根刚性杆的端点E、F、I、K连接，刚性杆的端点B与端点G、H、I、K连接，刚性杆的端点C与其最近的四根刚性杆的端点E、F、J、L连接，刚性杆的端点D与其最近的四根刚性杆的端点G、H、J、L连接，端点E与其最近的四根刚性杆的端点A、C、I、J连接，刚性杆的端点F与其最近的四根刚性杆的端点A、C、K、L连接，端点G与其最近的四根刚性杆的端点J、I、B、D连接，刚性杆的端点H与其最近的四根刚性杆的端点B、D、K、L连接，端点I与其最近的四根刚性杆的端点A、B、E、G连接，刚性杆的端点J与其最近的四根刚性杆的端点C、D、E、G连接，刚性杆的端点K与其最近的四根刚性杆的端点A、B、F、H连接，刚性杆的端点L与其最近的四根刚性杆的端点C、D、F、H连接，球形橡胶壳通过弹性索固定于机器人的中心位置附近。