CN115056874B - 可变刚度弹跳机器人 - Google Patents

Abstract

可变刚度弹跳机器人，涉及室内巡视、野外侦查、救援搜寻、太空环境探测等领域。解决了现有的弹跳机器人弹跳能力受弹性元件尺寸限制、系统刚度不可调节的问题。本发明包括上基板、下基板、两套滑动机构、绕线机构、扩展机构、N个扭转电机、N个弹性梁和拉线，采用扩展机构与绕线机构结合的方式进行两次使弹性梁形变进行弹性储能，提高储能上限，且限定弹性梁的形变方向，保证储能顺利进行，通过滑动机构改变弹性梁的周向位置分布对弹跳机器人的起跳方向进行调节，通过扭转电机对弹性梁的扭转角度进行控制，从而对系统刚度进行调节。本发明主要用于对机器人跳跃能力进行弹性可控。

Description

可变刚度弹跳机器人

技术领域

本发明涉及室内巡视、野外侦查、救援搜寻、太空环境探测等领域。

背景技术

在非结构化环境下，由于跳跃运动具有着地点离散性、发力突发性和爆发性的特点，弹跳机器人相比于轮履或爬行机器人对地形有着更好的适应性，具有更强的越障能力，一直是国内外的研究热点。

目前弹跳机器人主要分为两大类，一种是对一些自然界生物的弹跳运动进行研究，仿照其跳跃机理研制的仿生弹跳机构，如模仿夜猴运动的跳跃机器人，能够实现连续快速跳跃，运动灵敏，但通常自由度较多，结构较复杂；另一种是利用连杆与弹性元件(如弹簧、扭簧)配合产生弹力，如采用弹簧六杆机构的微重力探测机器人，其自由度较少，结构和原理相对简单，但起跳方向不能调节，灵敏度较差。且上述两种类型弹跳机器人均存在着弹跳能力受弹性元件尺寸限制、系统刚度不可调节的问题。因此，以上问题亟需解决。

发明内容

本发明目的是为了解决现有的弹跳机器人弹跳能力受弹性元件尺寸限制、系统刚度不可调节的问题，本发明提供了一种可变刚度弹跳机器人。

可变刚度弹跳机器人，包括上基板、下基板、两套滑动机构、绕线机构、扩展机构、N个扭转电机、N个弹性梁和拉线，N为整数；

N个弹性梁设置在上基板和下基板之间，并且周向布设；

两套滑动机构分别设置在上基板的下表面和下基板上表面上；

N个扭转电机固定在上基板上的滑动机构上，且N个扭转电机的输出轴分别与N个弹性梁的一端固定连接，N个弹性梁的另一端通过第二套滑动机构与下基板连接；

扭转电机，用于控制弹性梁的扭转角度；

滑动机构，用于控制N个弹性梁的周向分布位置；

扩展机构设置在N个弹性梁合围的空间内，并通过支撑架固定在下基板上；

扩展机构处于收缩状态时，与N个弹性梁非接触；

扩展机构处于径向伸展状态时，使N个弹性梁向外扩张；

绕线机构设置在上基板上，拉线的一端固定在绕线机构上，另一端固定在下基板；

绕线机构通过对拉线进行缠绕或释放实现对上基板和下基板之间的N个弹性梁进行挤压或释放，从而实现机器人弹跳。

优选的是，扩展机构包括槽盘、基座、滑杆、支撑片和中空电机；

基座固定在支撑架的上端面，槽盘位于基座上，中空电机固定在支撑架上，且中空电机的输出法兰盘穿过基座与槽盘底面固定连接；

拉线由上至下依次穿过槽盘、基座和中空电机的输出法兰盘；

槽盘包括M个弧形滑槽，M为整数；

基座上包括M个相交、且向周向均匀辐射的滑道，且M个滑道分别与M个弧形滑槽对应；每个滑道内设有一个滑杆，滑杆上表面设有销杆，销杆伸入所对应的弧形滑槽内，并与其对应的弧形滑槽滑动连接；

每个滑杆的自由端固定有一个支撑片；

通过中空电机的输出法兰盘带动槽盘转动，从而使弧形滑槽内的销杆所在的滑杆沿其所在的滑道滑动，实现扩展机构的径向伸展和收缩。

优选的是，支撑片为弧形板。

优选的是，支撑片为三段式台阶式结构，且相邻两个支撑片的首段和尾段在竖直方向上存在工作间隙。

优选的是，绕线机构包括绕线电机、闩锁、弹簧、弹片、绕线支撑杆、推片和封装壳；

闩锁为条状片，且闩锁位于上基板的下方；

绕线电机封装在封装壳内，封装壳固定在上基板上；

弹片固定在封装壳的一侧，穿过上基板向下基板的方向延伸，封装壳通过连接杆与闩锁的一端铰接，闩锁的另一端用于搭载在弹片的凸台上；

弹簧的一端固定在封装壳上，其另一端固定在闩锁上；

绕线支撑杆垂直固定在闩锁的前侧面上，用于对拉线进行支撑；拉线的一端固定在绕线电机的输出轴上，用于将拉线缠绕在其输出轴上；推片固定在拉线上，用于对弹片进行推挤使闩锁与弹片的凸台脱离。

优选的是，推片为纵截面为L型的片状结构，且拉线穿过L型的片状结构的两条边。

优选的是，每个滑动机构包括滑轨和N个滑块；

滑轨为圆环形结构，且N个滑块与滑轨滑动连接；

每个弹性梁的两端分别固定在两套滑动机构上的相应的滑块上。

优选的是，弹性梁采用碳纤维或超弹镍钛合金材料实现。

本发明带来的有益效果是：

本发明所述的可变刚度弹跳机器人，采用扩展机构+绕线机构结合的方式，进行两次储能，首先通过扩展机构进行径向伸展时，N个弹性梁发生形变产生的弹性能为整个弹跳机器人提供一部分动力，其次、通过拉线的拉扯，迫使多根弹性梁被进一步的被压缩，更进一步发生形变产生的弹性能为整个弹跳机器人提供另一部分动力，相比于普通弹性元件(如弹簧、扭簧)本发明提高了储能上限，使其弹跳性能显著提高。采用扩展机构+绕线机构结合的方式，避免了单独使用绕线机构，而不采用扩展机构时，弹性梁的形变方向不可预期，控制精度低的缺陷，发明通过扩展机构可以使弹性梁克服初始状态下的死点位置，向预期方向发生形变，

通过滑动机构改变弹性梁的周向位置分布对弹跳机器人的起跳方向进行调节，通过扭转电机对弹性梁的扭转角度进行控制，从而对系统刚度进行调节，扭转程度越大，系刚性强度越强。

因此，本发明具有弹跳性能较好、跳跃能力可控、系统刚度可调的特点，对不同工况有着较好的适应性。

附图说明

图1是本发明所述的可变刚度弹跳机器人的整体结构示意图；

图2是基座52的结构示意图；

图3是扩展机构5的三维结构示意图；

图4是扩展机构5的剖视图；

图5是扩展机构5处于收缩状态时的俯视图；

图6是扩展机构5在伸展过程中瞬时状态下的俯视图；

图7是扩展机构5处于极限伸展状态时的俯视图；

图8是绕线机构4剖视图；

图9是绕线机构4的三维结构示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

参见图1说明本实施例，本实施例所述的可变刚度弹跳机器人，包括上基板1、下基板2、两套滑动机构3、绕线机构4、扩展机构5、N个扭转电机6、N个弹性梁7和拉线8，N为整数；

N个弹性梁7设置在上基板1和下基板2之间，并且周向布设；

两套滑动机构3分别设置在上基板1的下表面和下基板2上表面上；

N个扭转电机6固定在上基板1上的滑动机构3上，且N个扭转电机6的输出轴分别与N个弹性梁7的一端固定连接，N个弹性梁7的另一端通过第二套滑动机构3与下基板2连接；

扭转电机6，用于控制弹性梁7的扭转角度；

滑动机构3，用于控制N个弹性梁7的周向分布位置；

扩展机构5设置在N个弹性梁7合围的空间内，并通过支撑架9固定在下基板2上；

扩展机构5处于收缩状态时，与N个弹性梁7非接触；

扩展机构5处于径向伸展状态时，使N个弹性梁7向外扩张；

绕线机构4设置在上基板1上，拉线8的一端固定在绕线机构4上，另一端固定在下基板2；

绕线机构4通过对拉线8进行缠绕或释放实现对上基板1和下基板2之间的N个弹性梁7进行挤压或释放，从而实现机器人弹跳。

可变刚度弹跳机器人在应用时进行两次储能，首先通过扩展机构5进行径向伸展时，推动N个弹性梁7向外扩张，N个弹性梁7发生形变产生的弹性能为整个弹跳机器人提供一部分动力，其次、通过拉线8的拉扯，迫使多根弹性梁7被进一步的被压缩，更进一步发生形变产生的弹性能为整个弹跳机器人提供另一部分动力，相比于普通弹性元件如弹簧、扭簧本发明提高了储能上限，使其弹跳性能显著提高。通过扩展机构5可以使弹性梁7克服初始状态下的死点位置，向预期方向发生形变。

通过滑动机构3改变弹性梁7的周向位置分布对弹跳机器人的起跳方向进行调节，通过扭转电机6对弹性梁7的扭转角度进行控制，从而对系统刚度进行调节，扭转程度越大，系刚性强度越强。因此，本发明具有弹跳性能较好、跳跃能力可控、系统刚度可调的特点，对不同工况有着较好的适应性。

弹性梁7采用碳纤维、超弹镍钛合金材料、或根据需求选用其他超弹性材料实现。

进一步的，参见图2至图4，扩展机构5包括槽盘51、基座52、滑杆53、支撑片54和中空电机55；

基座52固定在支撑架9的上端面，槽盘51位于基座52上，中空电机55固定在支撑架9上，且中空电机55的输出法兰盘穿过基座52与槽盘51底面固定连接；

拉线8由上至下依次穿过槽盘51、基座52和中空电机55的输出法兰盘；

槽盘51包括M个弧形滑槽51-1，M为整数；

基座52上包括M个相交、且向周向均匀辐射的滑道52-1，且M个滑道52-1分别与M个弧形滑槽51-1对应；每个滑道52-1内设有一个滑杆53，滑杆53上表面设有销杆56，销杆56伸入所对应的弧形滑槽51-1内，并与其对应的弧形滑槽51-1滑动连接；

每个滑杆53的自由端固定有一个支撑片54；

通过中空电机55的输出法兰盘带动槽盘51转动，从而使弧形滑槽51-1内的销杆56所在的滑杆53沿其所在的滑道52-1滑动，实现扩展机构5的径向伸展和收缩。

本优选实施方式中给出了扩展机构5的具体结构，具体应用时，扩展机构5处于收缩状态时，参见图5，扩展机构5上的N个支撑片54与N个弹性梁7非接触；扩展机构5处于径向伸展状态时，参见图6和图7，其中，图7为极限伸展状态时的示意图，处于径向伸展状态时N个支撑片54与N个弹性梁7接触，使N个弹性梁7向外扩张，N个弹性梁7发生形变，实现弹性储能；通过扩展机构5可以使弹性梁7克服初始状态下的死点位置，向预期方向发生形变，也即：N个弹性梁7向外扩张。所提供的扩展机构5的结构简单，且N个支撑片54沿周向均匀布设，保证了施力的均匀性。

当滑杆53上的销杆56受槽盘51上的弧形滑槽51-1约束，当槽盘51转动时，销杆56在弧形滑槽51-1的约束下运动，进而使滑杆53沿其所在的滑道52-1运动。

更进一步的，参见图3，支撑片54为弧形板。

本优选实施方式中，由于N个弹性梁7周向分布，弹性梁7在水平方向上的运动轨迹为弧形，故将每个故将支撑片54设置成弧形板，使得弹性梁7能沿其弧形板的弧度方向滑动。

更进一步的，参见图3，支撑片54为三段式台阶式结构，且相邻两个支撑片54的首段和尾段在竖直方向上存在工作间隙。

具体应用时，三段式台阶式结构的每一段台阶为一个弧形片，三个弧形片沿径向方向一体连接形成弧形板，且三个弧形片沿轴向方向依次升高设置，具体见图3，其这种三段式台阶式结构设置方式，其一、为了拓展支撑片54的周向长度，保证扩展机构5在径向伸展状态下，弹性梁7由于受到支撑片54的推力发生形变，使每个弹性梁7其沿所接触的个支撑片54的弧形方向上移动，具有更加大的移动空间，其二、支撑片54为三段式台阶式结构+相邻两个支撑片54的首段和尾段在竖直方向上存在工作间隙相结合的形式，避免了相邻两个支撑片54之间的干涉与接触，使得扩展机构5更为顺利的展开。且扩展机构5收缩状态、还是径向伸展状态，相邻两个支撑片54的首段和尾段在竖直方向上存在工作间隙。

更进一步的，参见图8和图9，绕线机构4包括绕线电机41、闩锁42、弹簧43、弹片44、绕线支撑杆45、推片46和封装壳47；

闩锁42为条状片，且闩锁42位于上基板1的下方；

绕线电机41封装在封装壳47内，封装壳47固定在上基板1上；

弹片44固定在封装壳47的一侧，穿过上基板1向下基板2的方向延伸，封装壳47通过连接杆与闩锁42的一端铰接，闩锁42的另一端用于搭载在弹片44的凸台上；

弹簧43的一端固定在封装壳47上，其另一端固定在闩锁42上；

绕线支撑杆45垂直固定在闩锁42的前侧面上，用于对拉线8进行支撑；拉线8的一端固定在绕线电机41的输出轴上，用于将拉线8缠绕在其输出轴上；推片46固定在拉线8上，用于对弹片44进行推挤使闩锁42与弹片44的凸台脱离。

更进一步的，具体参见图1和图8，推片46为纵截面为L型的片状结构，且，且拉线8穿过L型的片状结构的两条边。

本优选实施方式中，拉线8穿过L型的片状结构的两条边，使得推片46成倾斜的状态，利用其倾斜的角度对弹片44进行推挤，使闩锁42与弹片44的凸台脱离后，绕线电机41的输出轴无法对拉线8进行缠绕，拉线8解除对下基板2的拉力，此时，弹性梁7的由于形变产生的弹性能被解除，机器人发生弹跳。

更进一步的，具体参见图1，每个滑动机构3包括滑轨31和N个滑块32；

滑轨31为圆环形结构，且N个滑块32与滑轨31滑动连接；

每个弹性梁7的两端分别固定在两套滑动机构3上的相应的滑块32上。

工作原理：

初始状态下，弹性梁7尚未发生变形，在中空电机55的驱动下，扩展机构5开始运动，滑杆53向外移动，滑杆53的自由端上的支撑片54顶在弹性梁7上，使其克服竖直处的死点位置，产生向外的弯曲变形，当扩展机构5运动到极限位置时，绕线机构4中的绕线电机41转动，使拉线8缠绕在绕线电机41的输出轴上，当拉线8处于绷直状态后会带动上基板1下移，缩短上基板1与下基板2间的距离，从而迫使弹性梁7进一步向外弯曲，增大其形变程度，此时滑杆53缩回，扩展机构5复到初始状态。

当拉线8缠绕到一定程度时，推片46与弹片44和闩锁42接触，迫使弹片44与闩锁42分离，缺少弹片44的限制，闩锁42无法对拉线8提供支撑，在拉线8上力的作用下，闩锁42向一侧偏离，缠绕在绕线电机41的输出轴上的拉线8迅速脱落，拉线8上的力消失，弹性梁7形变恢复，存储的能量释放，从而使弹跳机器人发生跳跃，而闩锁42在弹簧43的作用下回到初始位置，重新被弹片44卡住。

通过滑动机构3可以控制弹性梁7的分布状态，当弹性梁7处于对称分布时，弹性形变产生的合力沿竖直方向，故可进行竖直跳跃；当弹性梁7处于非对称分布时，弹性形变产生的合力存在水平分量，故会发生沿该分量方向的跳跃。弹性梁7发生扭转时会改变其相对于坐标系的惯性矩，进而改变其轴向刚度和各方向径向刚度的大小，故通过扭转电机6控制弹性梁7的扭转角度，进而对整个系统刚度进行调节。刚度改变时，弹性梁7发生相同形变产生的弹性力也会改变，进而可以通过其控制跳跃高度。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (6)

1.可变刚度弹跳机器人，其特征在于，包括上基板（1）、下基板（2）、两套滑动机构（3）、绕线机构（4）、扩展机构（5）、N个扭转电机（6）、N个弹性梁（7）和拉线（8），N为整数；

N个弹性梁（7）设置在上基板（1）和下基板（2）之间，并且周向布设；

两套滑动机构（3）分别设置在上基板（1）的下表面和下基板（2）上表面上；

N个扭转电机（6）固定在上基板（1）上的滑动机构（3）上，且N个扭转电机（6）的输出轴分别与N个弹性梁（7）的一端固定连接，N个弹性梁（7）的另一端通过第二套滑动机构（3）与下基板（2）连接；

扭转电机（6），用于控制弹性梁（7）的扭转角度；

滑动机构（3），用于控制N个弹性梁（7）的周向分布位置；

扩展机构（5）设置在N个弹性梁（7）合围的空间内，并通过支撑架（9）固定在下基板（2）上；

扩展机构（5）处于收缩状态时，与N个弹性梁（7）非接触；

扩展机构（5）处于径向伸展状态时，使N个弹性梁（7）向外扩张；

绕线机构（4）设置在上基板（1）上，拉线（8）的一端固定在绕线机构（4）上，另一端固定在下基板（2）；

绕线机构（4）通过对拉线（8）进行缠绕或释放实现对上基板（1）和下基板（2）之间的N个弹性梁（7）进行挤压或释放，从而实现机器人弹跳；

扩展机构（5）包括槽盘（51）、基座（52）、滑杆（53）、支撑片（54）和中空电机（55）；

基座（52）固定在支撑架（9）的上端面，槽盘（51）位于基座（52）上，中空电机（55）固定在支撑架（9）上，且中空电机（55）的输出法兰盘穿过基座（52）与槽盘（51）底面固定连接；

拉线（8）由上至下依次穿过槽盘（51）、基座（52）和中空电机（55）的输出法兰盘；

槽盘（51）包括M个弧形滑槽（51-1），M为整数；

基座（52）上包括M个相交、且向周向均匀辐射的滑道（52-1），且M个滑道（52-1）分别与M个弧形滑槽（51-1）对应；每个滑道（52-1）内设有一个滑杆（53），滑杆（53）上表面设有销杆（56），销杆（56）伸入所对应的弧形滑槽（51-1）内，并与其对应的弧形滑槽（51-1）滑动连接；

每个滑杆（53）的自由端固定有一个支撑片（54）；

通过中空电机（55）的输出法兰盘带动槽盘（51）转动，从而使弧形滑槽（51-1）内的销杆（56）所在的滑杆（53）沿其所在的滑道（52-1）滑动，实现扩展机构（5）的径向伸展和收缩；

绕线机构（4）包括绕线电机（41）、闩锁（42）、弹簧（43）、弹片（44）、绕线支撑杆（45）、推片（46）和封装壳（47）；

闩锁（42）为条状片，且闩锁（42）位于上基板（1）的下方；

绕线电机（41）封装在封装壳（47）内，封装壳（47）固定在上基板（1）上；

弹片（44）固定在封装壳（47）的一侧，穿过上基板（1）向下基板（2）的方向延伸，

封装壳（47）通过连接杆与闩锁（42）的一端铰接，闩锁（42）的另一端用于搭载在弹片（44）的凸台上；

弹簧（43）的一端固定在封装壳（47）上，其另一端固定在闩锁（42）上；

绕线支撑杆（45）垂直固定在闩锁（42）的前侧面上，用于对拉线（8）进行支撑；拉线（8）的一端固定在绕线电机（41）的输出轴上，用于将拉线（8）缠绕在其输出轴上；推片（46）固定在拉线（8）上，用于对弹片（44）进行推挤使闩锁（42）与弹片（44）的凸台脱离。

2.根据权利要求1所述的可变刚度弹跳机器人，其特征在于，支撑片（54）为弧形板。

3.根据权利要求2所述的可变刚度弹跳机器人，其特征在于，支撑片（54）为三段式台阶式结构，且相邻两个支撑片（54）的首段和尾段在竖直方向上存在工作间隙。

4.根据权利要求1所述的可变刚度弹跳机器人，其特征在于，推片（46）为纵截面为L型的片状结构，且拉线（8）穿过L型的片状结构的两条边。

5.根据权利要求1所述的可变刚度弹跳机器人，其特征在于，每个滑动机构（3）包括滑轨（31）和N个滑块（32）；

滑轨（31）为圆环形结构，且N个滑块（32）与滑轨（31）滑动连接；

每个弹性梁（7）的两端分别固定在两套滑动机构（3）上的相应的滑块（32）上。

6.根据权利要求1所述的可变刚度弹跳机器人，其特征在于，弹性梁（7）采用碳纤维或超弹镍钛合金材料实现。