CN117125163A - 一种可跳跃的移动小车机器人 - Google Patents

Abstract

本发明属于移动机器人领域，具体地说是一种可跳跃的移动小车机器人，包括壳体、移动模块、支撑模块、电气系统模块及跳跃模块。移动模块包括车轮驱动组件及车轮。支撑模块支撑地面使移动小车机器人的一端抬起、并调节跳跃模式下的弹射角度。跳跃模块用于使移动小车机器人进行跳跃。本发明结合了轮式移动功能与跳跃功能，具有很强的环境适应能力；平坦路面下可以高效行驶，遇到障碍物可以开启跳跃模式，跳跃模式下选用了燃爆式线性驱动器，跳跃高度非常高，甚至可以从地面跳至屋顶；空中具有姿态调整能力，车轮采用减震轮胎的减震效果非常好，两者结合保证小车不被损坏。本发明整体结构设计精巧，功能强大，具有巨大的应用价值。

Description

一种可跳跃的移动小车机器人

技术领域

本发明属于移动机器人领域，具体地说是将跳跃移动功能与轮式移动功能结合而成的可跳跃的移动小车机器人。

背景技术

在非结构化环境中，如有高障碍物、宽沟渠和崎岖的地形环境，地面机器人的移动技术是机器人研究的重要内容，它要求机器人具有快速移动能力以及良好的环境适应性。常见的地面移动机器人种类主要包括：轮式、履带式、腿式以及跳跃式移动机器人等。其中轮式、履带式、腿式移动机器人的主要特点如下：1）轮式移动方式的优点是利用低功率的驱动装置便可以达到较高的行进速度，控制简单，移动效率高，但是该移动方式只能适应比较平坦的地形，最高只能越过车轮半径一半高度的障碍物；2）履带式移动方式的地形适应性较轮式移动有了很好的改善，可以约过高度为履带长度一半的障碍物，但是移动速度慢，行进过程对地面破坏严重；3）腿式机器人能够适应结构和非结构化环境，可以越过与腿高度相当的障碍物，移动效率较快，但是自由度多，控制复杂，行进过程中需要消耗大量能量。

以上几种移动方式的机器人都无法越过数倍于自身尺寸的障碍物，然而跳跃机器人可以。在非结构化环境中，跳跃移动方式具有更好的环境适应性。跳跃机器人在抢先救灾、军事侦查以及星球探测具有重要的应用前景。但是，跳跃机器人在较为平坦的路面行驶，消耗能量相对较大。

发明内容

轮式移动机器人越障能力差、行进效率高，跳跃机器人越障能力强，行进效率低。针对这两种移动机器人的特性，本发明提出一种可跳跃的移动小车机器人，结合了两种形式的移动机器人优点。一方面，该机器人具有跳跃功能，保证了机器人的环境适应性。另一方面，该机器人可以在平坦路面切换为行驶模式，高效移动，降低能耗，增加续航。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种可跳跃的移动小车机器人，包括壳体、移动模块、支撑模块、电气系统模块及跳跃模块；

所述移动模块包括车轮驱动组件及车轮，所述车轮驱动组件安装于壳体中，所述车轮驱动组件驱动位于所述壳体外侧的车轮转动；

所述支撑模块安装于所述壳体中，所述支撑模块支撑地面使移动小车机器人的一端抬起、并调节跳跃模式下的弹射角度；

所述跳跃模块安装于所述壳体上，所述跳跃模块用于使移动小车机器人进行跳跃；

所述电气系统模块安装于所述壳体中。

所述壳体包括底板，所述支撑模块、所述跳跃模块、所述电气系统模块及所述移动模块的车轮驱动组件均安装于所述底板上。

所述壳体还包括上盖，所述上盖安装于所述底板上，所述上盖罩住所述底板上的所述支撑模块、所述跳跃模块、所述电气系统模块及所述移动模块的车轮驱动组件。

所述壳体中左右对称设有两组配合设置的车轮驱动组件及车轮，每组所述车轮驱动组件均包括车轮驱动件、前端传动轴、传动结构及后端传动轴，每组的所述车轮驱动件安装于所述壳体中，每组的所述前端传动轴及后端传动轴分别转动安装于所述壳体中，每组的所述车轮驱动件各通过同组的传动结构带动同组的所述前端传动轴及后端传动轴转动；

每组的所述前端传动轴的一端及后端传动轴的一端各安装有所述车轮，每组的所述前端传动轴的轴向中心线及后端传动轴的轴向中心线相互平行，每组的所述前端传动轴的轴向中心线及另一组的前端传动轴的轴向中心线共线，每组的所述后端传动轴的轴向中心线及另一组的后端传动轴的轴向中心线共线；

所述车轮外周的最高点高度位置高于所述壳体外部的最高点高度位置，所述车轮外周的最低点高度位置低于所述壳体外部的最低点高度位置。

每组所述车轮驱动组件的传动结构均包括主动锥齿轮、被动锥齿轮、同步轮及同步带，每组的所述车轮驱动件的驱动端上安装有同组传动结构的所述主动锥齿轮，每组的所述前端传动轴上安装有同组传动结构的所述被动锥齿轮及同步轮，每组的所述被动锥齿轮与同组的所述主动锥齿轮啮合，每组的所述后端传动轴上安装有同组传动结构的所述同步轮，每组的所述后端传动轴上的同步轮与同组的所述前端传动轴上的同步轮之间通过所述同步带连接。

所述壳体中左右对称设有两组配合设置的所述支撑模块，每组所述支撑模块均包括伺服舵机与支撑杆，每组的所述伺服舵机均安装于所述壳体中，每组的所述支撑杆的一端均安装于同组的所述伺服舵机的输出端上；

每组的所述伺服舵机的输出端带动同组的所述支撑杆在竖直平面转动、并使两组的所述支撑杆的另一端共同支撑地面使移动小车机器人的一端抬起，所述壳体上开设有供所述支撑杆旋出的支撑杆穿过槽。

所述跳跃模块包括安装于所述壳体上的燃爆式线性驱动器，所述壳体中还安装有气路系统模块，所述燃爆式线性驱动器具有分别与所述气路系统模块相连通的进气端与排气端。

所述燃爆式线性驱动器包括橡胶垫、下端盖、磁铁、活塞杆、气缸缸体、弹簧、点火塞及上端盖，所述气缸缸体的内部具有上下两端开口的活塞杆穿设孔道，所述活塞杆穿设孔道中设有一个内肩A，所述活塞杆穿过所述活塞杆穿设孔道，所述活塞杆的上部外周面上凸设有与所述活塞杆穿设孔道内壁相配合的限位挡沿，所述限位挡沿与所述内肩A之间的所述活塞杆的外侧套有所述弹簧；所述活塞杆的内部开设有上下开口的气体通道，所述气缸缸体的上端与所述上端盖连接，所述上端盖上安装有所述点火塞、并开设有与所述活塞杆内部的气体通道相连通的进气孔，所述进气孔作为与所述气路系统模块相连通的进气端，所述点火塞的一端延伸至所述进气孔中、另一端与电气系统模块连接，所述活塞杆的下端穿出所述活塞杆穿设孔道、并与所述下端盖连接，所述下端盖开设有与所述活塞杆内部的气体通道相连通的主排气孔，所述主排气孔作为与所述气路系统模块相连通的排气端；所述下端盖的上端面上与所述气缸缸体的下端面上分别设有所述磁铁，所述下端盖的上端面上的磁铁吸引所述气缸缸体的下端面上的磁铁、进而使所述下端盖的上端面与所述气缸缸体的下端面贴合，所述橡胶垫设置于所述下端盖的下端面上；

所述燃爆式线性驱动器安装于所述壳体上时，所述活塞杆的轴向中心线平行于移动小车机器人的移动方向，所述下端盖位于所述壳体的外侧。

所述气路系统模块包括分别安装于所述壳体中的燃料储存罐、氧化剂储存罐、排气电磁阀及两组进气阀路组件；

所述排气电磁阀与所述燃爆式线性驱动器的排气端相连通，其中一组所述进气阀路组件的输入端与所述燃料储存罐相连通、输出端与所述燃爆式线性驱动器的进气端相连通，另一组所述进气阀路组件的输入端与所述氧化剂储存罐相连通、输出端与所述燃爆式线性驱动器的进气端相连通；

每组所述进气阀路组件均包括依次连通的针阀、调压阀、进气电磁阀及单向阀，所述针阀的输入端作为该组进气阀路组件的输入端，所述单向阀的输出端作为该组进气阀路组件的输出端。

所述电气系统模块包括安装于所述壳体中的控制器、电池及IMU传感器，所述控制器分别控制所述移动模块及所述跳跃模块动作，所述IMU传感器与所述控制器连接，所述IMU传感器测量移动小车机器人在空中的姿态信息、并将信息传递至控制器，所述电池为移动小车机器人提供能源。

本发明的优点与积极效果为：

本发明结合了轮式移动功能与跳跃功能，具有很强的环境适应能力；平坦路面下可以高效行驶，遇到障碍物可以开启跳跃模式，跳跃模式下选用了燃爆式线性驱动器，跳跃高度非常高，甚至可以从地面跳至屋顶；空中具有姿态调整能力，车轮采用减震轮胎的减震效果非常好，两者结合保证小车不被损坏。本发明整体结构设计精巧，功能强大，具有巨大的应用价值。

附图说明

图1为本发明可跳跃的移动小车机器人整体装配图；

图2为本发明底板与上盖轴侧视图；

图3为本发明的移动模块的轴侧视图；

图4为本发明的支撑模块的轴侧视图；

图5为本发明的跳跃模块的结构的爆炸视图；

图6为本发明的跳跃模块的燃爆式线性驱动器的剖视图；

图7为本发明的气路系统模块的轴侧视图；

图8为本发明的电气系统模块的轴侧视图。

图中：1为壳体，101为底板，102为上盖；

2为移动模块，201为车轮驱动件，202为主动锥齿轮，203为被动锥齿轮，204为车轮，205为同步轮，206为同步带，207为前端传动轴，208为后端传动轴，209为固定座A，210为固定座B，211为固定座C；

3为支撑模块，301为伺服舵机，302为支撑杆，303为固定座D；

4为电气系统模块，401为控制器，402为电池，403为保护壳，404为固定架，405为IMU传感器；

5为气路系统模块，501为固定座E，502为燃料储存罐，503为氧化剂储存罐，504为针阀，505为调压阀，506为进气电磁阀，507为单向阀，508为排气电磁阀；

6为跳跃模块，601为底座，602为压紧环，603为封闭环，604为橡胶垫，605为下端盖，606为磁铁，607为活塞杆，608为气缸缸体，609为弹簧，610为垫圈，611为点火塞，612为上端盖。

具体实施方式

下面结合附图1-8对本发明作进一步详述。

一种可跳跃的移动小车机器人，如图1-8所示，本实施例中包括壳体1、移动模块2、支撑模块3、电气系统模块4及跳跃模块6。

移动模块2包括车轮驱动组件及车轮204，车轮驱动组件安装于壳体1中，车轮驱动组件驱动位于壳体1外侧的车轮204转动。支撑模块3安装于壳体1中，支撑模块3支撑地面使移动小车机器人的一端抬起、并调节跳跃模式下的弹射角度。跳跃模块6安装于壳体1上，跳跃模块6用于使移动小车机器人进行跳跃。电气系统模块4安装于壳体1中。

具体而言，如图1和图2所示，本实施例中壳体1包括底板101，支撑模块3、跳跃模块6、电气系统模块4及移动模块2的车轮驱动组件均安装于底板101上。底板101上开设定位槽与安装孔，定位槽用于准确定位移动小车机器人内部组件的安装位置，安装孔主要用于固定移动小车机器人内部各组件，安装孔与安装槽对称布置，尽量保证移动小车机器人整体质心在中垂面上，方便移动小车机器人空中姿态调整算法的建模，定位可靠，安装精度高，拆装方便。

壳体1还包括上盖102，上盖102安装于底板101上，上盖102罩住底板101上的支撑模块3、跳跃模块6、电气系统模块4及移动模块2的车轮驱动组件，起到保护作用。上盖102前后端面开设安装孔，通过螺钉与底板101固定，左右两侧开槽方便传动轴的布置，后端面开设半圆形槽，方便跳跃模块6的布置。上盖102只需要从上到下扣合并拧紧螺钉即可完成安装。

具体而言，如图1和图3所示，本实施例中壳体1的底板101上左右对称设有两组配合设置的车轮驱动组件及车轮204，每组车轮驱动组件均包括车轮驱动件201、前端传动轴207、传动结构及后端传动轴208，每组的车轮驱动件201均安装于底板101上，每组的前端传动轴207及后端传动轴208分别转动安装于底板101上，每组的车轮驱动件201各通过同组的传动结构带动同组的前端传动轴207及后端传动轴208转动。

每组的前端传动轴207的一端及后端传动轴208的一端各安装有车轮204，每组的前端传动轴207的轴向中心线及后端传动轴208的轴向中心线相互平行，每组的前端传动轴207的轴向中心线及另一组的前端传动轴207的轴向中心线共线，每组的后端传动轴208的轴向中心线及另一组的后端传动轴208的轴向中心线共线。

车轮204外周的最高点高度位置高于壳体1外部的最高点高度位置，车轮204外周的最低点高度位置低于壳体1外部的最低点高度位置。车轮204的轮胎采用减震轮胎。

具体而言，如图3所示，本实施例中每组车轮驱动组件的传动结构均包括主动锥齿轮202、被动锥齿轮203、同步轮205及同步带206，每组的车轮驱动件201的驱动端上安装有同组传动结构的主动锥齿轮202，每组的前端传动轴207上安装有同组传动结构的被动锥齿轮203及同步轮205，每组的被动锥齿轮203与同组的主动锥齿轮202啮合，每组的后端传动轴208上安装有同组传动结构的同步轮205，每组的后端传动轴208上的同步轮205与同组的前端传动轴207上的同步轮205之间通过同步带206连接。

本实施例中车轮驱动件201采用市购的直流无刷伺服电机，其输出轴为D型轴，与对应主动锥齿轮202通过螺钉进一步压紧。车轮驱动件201与电气系统模块4的控制器401连接，由控制器401控制动作，控制器401主要发送PWM波脉冲完成电机控制。主动锥齿轮202与被动锥齿轮203啮合，带动前端传动轴207旋转，前端传动轴207进一步通过穿孔D型轴、螺钉、螺母与车轮204固定。最终车轮驱动件201旋转运动传递使得前侧的车轮204旋转，小车开启移动模式。前端传动轴207上通过螺钉与轴肩布置同步轮205，同步轮205齿形选用圆弧形，同步轮205与同步带206啮合进一步将力矩传递至后端传动轴208，进一步带动后侧的车轮204旋转。每一个车轮驱动件201通过分体式的固定座A 209压紧，进一步通过分体式的固定座A 209的底部法兰与底板101固定，左右对称共两个电机。每一根前端传动轴207通过两个T型的固定座B 210与底板101固定，左右对称共四个固定座B 210；每一根后端传动轴208通过两个T型的固定座C 211与底板101固定，左右对称共四个固定座C 211。前端传动轴207共五个功能段，以前端左侧的传动轴为例从左到右观察，五个功能段描述如下：第一功能段与车轮204固定，通过轴肩完成轴向定位，D型面防止车轮204周向窜动，同时通过螺钉螺母实现进一步紧固；第二功能段为左侧的固定座B 210提供轴肩，实现轴向定位；第三功能段用于固定被动锥齿轮203，通过轴肩实现轴向定位，螺钉螺母实现紧固；第四功能段用于同步轮205的安装与定位，通过轴肩实现轴向定位，螺钉进一步紧固；第五功能段为右侧的固定座B 210提供轴肩，实现轴向定位。后端传动轴208设计与前端传动轴207设计类似，共四个功能段，没有用于固定被动锥齿轮203的功能段，其它功能段不再赘述。从小车前进方向看，同步轮205与同步带206位于前端固定座B 210与被动锥齿轮203之间。同步带206下方留有空间用于布置气路系统模块5的相关组件，布置气路系统管路时要保证同步带运动与管路不发生空间干涉。同时相关通讯控制线缆也要整理得当，不与同步带发生空间干涉。说明书附图中没有绘出管路与线缆布置，因为它们都属于柔性体，通过合理布置即可，特此说明。本实施例车轮204的轮胎采用高强度工程塑料聚甲醛（POM）制成的减震轮胎，强度高、抗疲劳，耐腐蚀。车轮204的轮胎整体外形设计为蜂窝状，通过有限元仿真技术对外形进行受力特性优化、冲击减震测试优化等优化工作，保证轮胎具有非常好的抗冲击性能与减震性能。如此设计保证移动小车机器人弹射后落回地面的过程中不受损坏。通过同步带与同步轮实现前后车轮的驱动，对于陡峭地形攀爬能力强；前后传动轴设计精巧，分别拥有五个和四个功能段，以最少的组件、最小的空间实现最多的功能。

具体而言，如图1和图4所示，本实施例中壳体1的底板101上左右对称设有两组配合设置的支撑模块3，每组支撑模块3均包括伺服舵机301与支撑杆302，每组的伺服舵机301均通过固定座D 303安装于底板101上，每组的支撑杆302的一端均安装于同组的伺服舵机301的输出端上。

每组的伺服舵机301的输出端带动同组的支撑杆302在竖直平面转动、并使两组的支撑杆302的另一端共同支撑地面使移动小车机器人的一端抬起，底板101上开设有供支撑杆302旋出的支撑杆穿过槽。

本实施例的伺服舵机301选用robotis公司的dynamixel舵机，该舵机具有很高的功率密度，小体积实现大扭矩，内部集成微控制器，内部集成PID算法，具有位置控制模式和力矩控制模式，电气系统模块4的控制器401可以通过高层通信协议对伺服舵机301进行控制。伺服舵机301上布置舵盘，支撑杆302通过螺钉与舵盘固定，舵盘旋转将扭矩传递至支撑杆302，支撑杆旋转将移动小车机器人的一端抬起一定角度，方便位于跳跃模块6将移动小车机器人弹射至空中。行驶模式下，支撑杆302收起，支撑杆穿过槽的设置方便支撑杆302收起与支撑。支撑杆302整体呈环状，保证强度的同时最大化减轻整体机器人的质量。固定座D303通过螺钉螺母连接固定伺服舵机301与底板101。本实施例中支撑模块3可以调节移动小车机器人的跳跃角度，跳跃角度范围为5度到80度，大大提高了移动小车机器人的地形适应性。

具体而言，如图1、图5和图6所示，本实施例中跳跃模块6包括安装于壳体1的底板101上的燃爆式线性驱动器，底板101上还安装有气路系统模块5，燃爆式线性驱动器具有分别与气路系统模块5相连通的进气端与排气端。

具体而言，如图5和图6所示，本实施例中燃爆式线性驱动器包括橡胶垫604、下端盖605、磁铁606、活塞杆607、气缸缸体608、弹簧609、点火塞611及上端盖612，气缸缸体608的内部具有上下两端开口的活塞杆穿设孔道，活塞杆穿设孔道中设有一个内肩A，活塞杆607穿过活塞杆穿设孔道，活塞杆607的上部外周面上凸设有与活塞杆穿设孔道内壁相配合的限位挡沿，限位挡沿与内肩A之间的活塞杆607的外侧套有弹簧609。活塞杆607的内部开设有上下开口的气体通道，气缸缸体608的上端与上端盖612连接，上端盖612上安装有点火塞611、并开设有与活塞杆607内部的气体通道相连通的进气孔，进气孔作为与气路系统模块5相连通的进气端。点火塞611的一端延伸至进气孔中、另一端与电气系统模块4连接。活塞杆607的下端穿出活塞杆穿设孔道、并与下端盖605连接，下端盖605开设有与活塞杆607内部的气体通道相连通的主排气孔，主排气孔作为与气路系统模块5相连通的排气端。气缸缸体608上还开设有若干个与活塞杆穿设孔道相连通的辅助排气孔。下端盖605的上端面上与气缸缸体608的下端面上分别设有磁铁606，下端盖605的上端面上的磁铁606吸引气缸缸体608的下端面上的磁铁606、进而使下端盖605的上端面与气缸缸体608的下端面贴合，橡胶垫604设置于下端盖605的下端面上。

本实施例中活塞杆607内部中空设计，通过上端盖612与下端盖605形成密封腔，用以混合气体的燃烧。上端盖612设置混合气体的进气口，混合气体为燃料气体与氧化剂气体，通过气路系统模块5输送。同时上端盖612布置点火塞611，点火塞611负责产生燃烧爆炸反应所需的电火花，点燃混合气体。电火花通过电气系统模块4生成瞬间高压实现。下端盖605布置主排气孔，用以排出爆炸生成的大部分残余混合气体。这里主要是水蒸气、二氧化碳气体、氮气以及没有反应完全的丙烷气体与一氧化碳气体。排气开关控制通过电气系统模块4与排气电磁阀508实现，排气电磁阀508将爆炸生成的残余混合气体排出至壳体1外侧。橡胶垫604与下端盖605通过胶水粘合，用以缓冲爆炸生成的瞬间冲力，同时增加与地面的摩擦力，以便将移动小车机器人弹射至空中。活塞杆607外表面布置弹簧609，当弹射过程完成后，弹簧609将活塞杆607反弹至初始位置，同时一部分残余气体通过气缸缸体608的辅助排气孔排出。爆炸发生时，活塞杆607内部气体迅速膨胀，将活塞杆607推出，推出过程克服磁铁606的吸合力。磁铁606呈环形，上下共两个，通过胶水分别内嵌在气缸缸体608与下端盖605对应环形槽内。非爆炸状态下，磁铁606与弹簧609共同将活塞杆607压紧。气缸缸体608与活塞杆607的限位挡沿间隙配合，同时配有密封圈，保证气密性。气缸缸体608外表面布置环形法兰，用于将整个燃爆式线性驱动器固定在底座601对应的环形法兰上。气缸缸体608上端通过螺纹以及密封胶带与上端盖612固定密封。本实施例中气缸缸体608内部共设置三层内肩，第一层内肩防止活塞杆607弹射飞出，第二层内肩（也即前述内肩A）用于弹簧609的下端限位，第三层用于加入密封橡胶圈。垫圈610通过胶水粘合与活塞杆607的限位挡沿下侧，用于弹射过程中缓冲活塞杆607与气缸缸体608的碰撞。燃爆式线性驱动器爆炸产生的能量高，可以将小车弹射至5-10米的高度，具有很强的越障能力。

燃爆式线性驱动器安装于壳体1的底板101上时，活塞杆607的轴向中心线平行于移动小车机器人的移动方向，下端盖605位于壳体1的外侧。本实施例中底板101上安装燃爆式线性驱动器处开设有燃爆式线性驱动器安装槽，底座601安装于燃爆式线性驱动器安装槽中，底座601与压紧环602共同将燃爆式线性驱动器固定于底板101上。通过设置封闭环603以封闭燃爆式线性驱动器与底座601的下端间隙。底座601中部布置环形法兰，用于燃爆式线性驱动器的固定，底座601两侧设有法兰与底板101固定。如不采用燃爆式线性驱动器安装槽及底座601的安装结构，燃爆式线性驱动器安装重心上移，燃爆式线性驱动器的直线行程必须加长设计，否则弹射过程时活塞杆607无法触及地面，这样会导致燃爆式线性驱动器整体尺寸和重量大大增加。另外通过贯穿底板101，引入底座601，大大减少了燃爆式线性驱动器的设计尺寸与重量。

具体而言，如图1和图7所示，本实施例中气路系统模块5包括分别安装于壳体1的底板101上的燃料储存罐502、氧化剂储存罐503、排气电磁阀508及两组进气阀路组件，气路系统模块5也位于上盖102的内侧。

排气电磁阀508与燃爆式线性驱动器的排气端相连通，其中一组进气阀路组件的输入端与燃料储存罐502相连通、输出端与燃爆式线性驱动器的进气端相连通，另一组进气阀路组件的输入端与氧化剂储存罐503相连通、输出端与燃爆式线性驱动器的进气端相连通。

每组进气阀路组件均包括依次连通的针阀504、调压阀505、进气电磁阀506及单向阀507，针阀504的输入端作为该组进气阀路组件的输入端，单向阀507的输出端作为该组进气阀路组件的输出端。

本实施例中所有阀均为市购产品。本实施例中所有阀与储气罐均通过胶水与固定座E 501固定，固定座E 501通过螺钉螺母与底板101固定。若通过螺钉螺母加紧固件的形式固定，将会增加很多紧固件，整机质量增加，为了减轻整机质量，选用胶水粘合形式，并不影响固定的可靠性。同时，本实施例的固定座E 501可调整各个阀与罐连接子底座的高度，保证它们的中心轴在一个平面，这样保证管路布局更加方便与整齐。燃料储存罐502用于储存燃料气体，本实施例选用了丙烷作为燃料气体，氧化剂储存罐503用于储存氧化剂气体，本实施例选用了一氧化二氮作为氧化剂气体。两种气体在高温或者点火状态下发生反应，生成二氧化碳、水蒸气以及氮气。两种气体通过各种阀与管路进入燃爆式线性驱动器，方便燃爆式线性驱动器的燃烧与点火。针阀504用于减少气体在一定压力下单位时间内流过管路的气体流量。调压阀505可以调节管路中气体的压力。进气电磁阀506及排气电磁阀508分别受控于电气系统模块4的控制器401，起到气路开关的作用。单向阀507保证气体只可以单向流动，燃烧完成后的废气不会反向回流。整个气路系统共三路，第一路负责将氧化剂气体引入燃爆式线性驱动器，具体连接顺序为氧化剂储存罐503、针阀504、调压阀505、进气电磁阀506、单向阀507、燃爆式线性驱动器的进气端；第二路负责将燃料气体引入燃爆式线性驱动器，连接顺序与第一路基本相同，将氧化剂储存罐503更换为燃料储存罐502即可；第三路负责将燃爆式线性驱动器燃烧爆炸后的混合气体排出，连接顺序为燃爆式线性驱动器的排气端、排气电磁阀506。

具体而言，如图1和图8所示，本实施例中电气系统模块4包括安装于底板101上的控制器401、电池402及IMU传感器405，IMU传感器405与控制器401连接，IMU传感器405测量移动小车机器人在空中的姿态信息、并将信息传递至控制器401，电池402为移动小车机器人提供能源。电气系统模块4还包括保护壳403及固定架404。本实施例中控制器401的设置结构为现有技术，电池402为市购产品，IMU传感器405为市购的惯性测量单元。

本实施例电池402为长方体，电池402右端为引线端子，保护壳403因此设计成长方体中空形式，内部空间略大于电池402体积，电池402与保护壳403内空间左端与底端对齐，右端将引线端子引出，用于布置线路。电池402高度略高于保护壳403，可以通过固定架404将电池压紧。保护壳403与固定架404底端四个角点设置固定法兰，通过螺钉螺母与底板101固定。固定架404上布置IMU传感器405，IMU传感器405负责测量小车在空中的姿态信息，将信息传递至控制器401。本实施例IMU传感器405布置两个，可以通过传感器数据融合与对比，进一步提高传感精度，其四个角点有安装孔，可以通过螺套、螺钉与螺母与固定架404固定。为了防止螺钉螺母与电池402发生干涉，固定架404压紧面向电池402延伸，且压紧面避开螺钉螺母设计。控制器401主要负责负责移动模块2的指令发送、支撑模块3的指令发送、气路系统模块5的开断、跳跃模块6的点火、移动小车机器人空中姿态的调整、所有模块的协调运作等，是整个小车机器人的逻辑运算与运动规划单元。控制器401四个角点有安装孔，通过螺钉、螺套、螺母与底板101固定。移动小车机器人空中姿态的调整主要通过控制器401结合IMU传感器405的姿态信息调整移动模块2的左右两侧车轮204的转速来完成。控制器401、气路系统模块5以及跳跃模块6位于底板101中垂面。这样设计保证移动小车机器人质心尽可能接近底板101中垂面，方便数学建模。左右两侧的车轮204转速不一致，借助空气阻力，可以实现移动小车机器人空中翻转，进而保证移动小车机器人落地时底板101与地面角度小于90度。本实施例为了防止空中姿态调整失败的情况，整个车轮204的轮胎的直径设计保证轮胎上端高于上盖102上端面，下端保证底座601与地面维持一定的高度。这样设计移动小车机器人落地时，无论上盖102先接近地面还是底板101先接近底面，都可以保护移动小车机器人不受损坏。

工作原理：

当移动小车机器人处于相对平坦路面时，开启轮式移动模式。在轮式移动模式下，控制器401发送控制指令给车轮驱动件201，可以实现前进、后退、转弯、加速、减速等基本移动。车轮驱动件201收到控制指令后，具体的力矩传递过程如下。车轮驱动件201将力矩传递至主动锥齿轮202，进一步经过被动锥齿轮203、前端传动轴207最终传递至前侧的车轮204，轮胎旋转，小车行驶。同时，前端传动轴207又经过同步轮205、同步带206、后端传动轴208进一步将力矩传递至后侧的车轮204，实现前后轮同时旋转。小车转向通过左右侧车轮驱动件201差动驱动完成。

当小车需要跨越障碍物时，首先根据障碍物的高度，判断需要跳跃的高度与角度，角度通过支撑模块3调节，高度通过气路系统模块5的供气量来调节，供气量决定爆炸反应的剧烈程度，进而决定了燃爆式线性驱动器推出活塞杆607的力。这些建模与解算通过控制器401内部子程序完成。控制器401解算完成后，分别发送指令控制伺服舵机301动作、控制气路系统模块5的各电磁阀开断时间。伺服舵机301进一步带动支撑杆302旋转，将小车调整至期望的弹射角度。待气体都进入活塞杆607内部的气体通道时，控制器401通过特定加压电路产生瞬间高压，火花塞611生成电火花。电火花触发气体通道内的丙烷与一氧化二氮化学燃烧与爆炸反应，反应导致气体通道内温度升高，气体膨胀产生瞬间冲击力。瞬间冲击力克服弹簧609与磁铁606的阻力做功，将活塞杆607弹射推出，活塞杆607带动下端盖605一起被推出，橡胶垫604最先与地面接触，瞬间冲击地面将移动小车机器人整体弹射至空中。在空中阶段，控制器401打开排气电磁阀508，主排气口与辅助排气口共同将混合气体排出活塞杆607的气体通道。活塞杆607内部气体排出到一定程度后，弹簧609拉力与磁铁606吸合力将活塞杆607拉回至初始位置。同时，控制器401读取IMU传感器405返回的移动小车机器人姿态信息，调整移动小车机器人左右车轮204转速，迅速将移动小车机器人调整至底板101先接近地面的姿态。同时，控制器401发送指令至伺服舵机301，将支撑杆302收回。移动小车机器人在重力作用下落回地面，车轮204的减震轮胎卸去大部分冲击力，直到移动小车机器人平稳后。控制器401将小车切换至轮式移动模式，继续前行。

Claims (10)

1.一种可跳跃的移动小车机器人，其特征在于：包括壳体（1）、移动模块（2）、支撑模块（3）、电气系统模块（4）及跳跃模块（6）；

所述移动模块（2）包括车轮驱动组件及车轮（204），所述车轮驱动组件安装于壳体（1）中，所述车轮驱动组件驱动位于所述壳体（1）外侧的车轮（204）转动；

所述支撑模块（3）安装于所述壳体（1）中，所述支撑模块（3）支撑地面使移动小车机器人的一端抬起、并调节跳跃模式下的弹射角度；

所述跳跃模块（6）安装于所述壳体（1）上，所述跳跃模块（6）用于使移动小车机器人进行跳跃；

所述电气系统模块（4）安装于所述壳体（1）中。

2.根据权利要求1所述的可跳跃的移动小车机器人，其特征在于：所述壳体（1）包括底板（101），所述支撑模块（3）、所述跳跃模块（6）、所述电气系统模块（4）及所述移动模块（2）的车轮驱动组件均安装于所述底板（101）上。

3.根据权利要求2所述的可跳跃的移动小车机器人，其特征在于：所述壳体（1）还包括上盖（102），所述上盖（102）安装于所述底板（101）上，所述上盖（102）罩住所述底板（101）上的所述支撑模块（3）、所述跳跃模块（6）、所述电气系统模块（4）及所述移动模块（2）的车轮驱动组件。

4.根据权利要求1所述的可跳跃的移动小车机器人，其特征在于：所述壳体（1）中左右对称设有两组配合设置的车轮驱动组件及车轮（204），每组所述车轮驱动组件均包括车轮驱动件（201）、前端传动轴（207）、传动结构及后端传动轴（208），每组的所述车轮驱动件（201）安装于所述壳体（1）中，每组的所述前端传动轴（207）及后端传动轴（208）分别转动安装于所述壳体（1）中，每组的所述车轮驱动件（201）各通过同组的传动结构带动同组的所述前端传动轴（207）及后端传动轴（208）转动；

每组的所述前端传动轴（207）的一端及后端传动轴（208）的一端各安装有所述车轮（204），每组的所述前端传动轴（207）的轴向中心线及后端传动轴（208）的轴向中心线相互平行，每组的所述前端传动轴（207）的轴向中心线及另一组的前端传动轴（207）的轴向中心线共线，每组的所述后端传动轴（208）的轴向中心线及另一组的后端传动轴（208）的轴向中心线共线；

所述车轮（204）外周的最高点高度位置高于所述壳体（1）外部的最高点高度位置，所述车轮（204）外周的最低点高度位置低于所述壳体（1）外部的最低点高度位置。

5.根据权利要求4所述的可跳跃的移动小车机器人，其特征在于：每组所述车轮驱动组件的传动结构均包括主动锥齿轮（202）、被动锥齿轮（203）、同步轮（205）及同步带（206），每组的所述车轮驱动件（201）的驱动端上安装有同组传动结构的所述主动锥齿轮（202），每组的所述前端传动轴（207）上安装有同组传动结构的所述被动锥齿轮（203）及同步轮（205），每组的所述被动锥齿轮（203）与同组的所述主动锥齿轮（202）啮合，每组的所述后端传动轴（208）上安装有同组传动结构的所述同步轮（205），每组的所述后端传动轴（208）上的同步轮（205）与同组的所述前端传动轴（207）上的同步轮（205）之间通过所述同步带（206）连接。

6.根据权利要求1所述的可跳跃的移动小车机器人，其特征在于：所述壳体（1）中左右对称设有两组配合设置的所述支撑模块（3），每组所述支撑模块（3）均包括伺服舵机（301）与支撑杆（302），每组的所述伺服舵机（301）均安装于所述壳体（1）中，每组的所述支撑杆（302）的一端均安装于同组的所述伺服舵机（301）的输出端上；

每组的所述伺服舵机（301）的输出端带动同组的所述支撑杆（302）在竖直平面转动、并使两组的所述支撑杆（302）的另一端共同支撑地面使移动小车机器人的一端抬起，所述壳体（1）上开设有供所述支撑杆（302）旋出的支撑杆穿过槽。

7.根据权利要求1所述的可跳跃的移动小车机器人，其特征在于：所述跳跃模块（6）包括安装于所述壳体（1）上的燃爆式线性驱动器，所述壳体（1）中还安装有气路系统模块（5），所述燃爆式线性驱动器具有分别与所述气路系统模块（5）相连通的进气端与排气端。

8.根据权利要求7所述的可跳跃的移动小车机器人，其特征在于：所述燃爆式线性驱动器包括橡胶垫（604）、下端盖（605）、磁铁（606）、活塞杆（607）、气缸缸体（608）、弹簧（609）、点火塞（611）及上端盖（612），所述气缸缸体（608）的内部具有上下两端开口的活塞杆穿设孔道，所述活塞杆穿设孔道中设有一个内肩A，所述活塞杆（607）穿过所述活塞杆穿设孔道，所述活塞杆（607）的上部外周面上凸设有与所述活塞杆穿设孔道内壁相配合的限位挡沿，所述限位挡沿与所述内肩A之间的所述活塞杆（607）的外侧套有所述弹簧（609）；所述活塞杆（607）的内部开设有上下开口的气体通道，所述气缸缸体（608）的上端与所述上端盖（612）连接，所述上端盖（612）上安装有所述点火塞（611）、并开设有与所述活塞杆（607）内部的气体通道相连通的进气孔，所述进气孔作为与所述气路系统模块（5）相连通的进气端，所述点火塞（611）的一端延伸至所述进气孔中、另一端与电气系统模块（4）连接，所述活塞杆（607）的下端穿出所述活塞杆穿设孔道、并与所述下端盖（605）连接，所述下端盖（605）开设有与所述活塞杆（607）内部的气体通道相连通的主排气孔，所述主排气孔作为与所述气路系统模块（5）相连通的排气端；所述下端盖（605）的上端面上与所述气缸缸体（608）的下端面上分别设有所述磁铁（606），所述下端盖（605）的上端面上的磁铁（606）吸引所述气缸缸体（608）的下端面上的磁铁（606）、进而使所述下端盖（605）的上端面与所述气缸缸体（608）的下端面贴合，所述橡胶垫（604）设置于所述下端盖（605）的下端面上；

所述燃爆式线性驱动器安装于所述壳体（1）上时，所述活塞杆（607）的轴向中心线平行于移动小车机器人的移动方向，所述下端盖（605）位于所述壳体（1）的外侧。

9.根据权利要求7所述的可跳跃的移动小车机器人，其特征在于：所述气路系统模块（5）包括分别安装于所述壳体（1）中的燃料储存罐（502）、氧化剂储存罐（503）、排气电磁阀（508）及两组进气阀路组件；

所述排气电磁阀（508）与所述燃爆式线性驱动器的排气端相连通，其中一组所述进气阀路组件的输入端与所述燃料储存罐（502）相连通、输出端与所述燃爆式线性驱动器的进气端相连通，另一组所述进气阀路组件的输入端与所述氧化剂储存罐（503）相连通、输出端与所述燃爆式线性驱动器的进气端相连通；

每组所述进气阀路组件均包括依次连通的针阀（504）、调压阀（505）、进气电磁阀（506）及单向阀（507），所述针阀（504）的输入端作为该组进气阀路组件的输入端，所述单向阀（507）的输出端作为该组进气阀路组件的输出端。

10.根据权利要求1所述的可跳跃的移动小车机器人，其特征在于：所述电气系统模块（4）包括安装于所述壳体（1）中的控制器（401）、电池（402）及IMU传感器（405），所述控制器（401）分别控制所述移动模块（2）及所述跳跃模块（6）动作，所述IMU传感器（405）与所述控制器（401）连接，所述IMU传感器（405）测量移动小车机器人在空中的姿态信息、并将信息传递至控制器（401），所述电池（402）为移动小车机器人提供能源。