CN201446986U - 一种仿生弹跳机器人 - Google Patents

Abstract

一种仿生弹跳机器人，伺服电机(3)固定在躯干(1)一端，其输出轴与丝杠(19)连接；丝杠上依次套装复位弹簧挡块(41)、复位弹簧(38)、小锥齿轮(11)、丝杠光杠段轴承(16)、螺母(18)和丝杠螺纹段轴承(20)。通过曲柄-滑块机构带动小锥齿轮沿丝杠移动，实现小锥齿轮与大锥齿轮(7)啮合与分离。释放舵机(2)和姿态调整舵机(9)均与躯干固连。摇杆(10)两端分别与曲柄(8)的输出端和摇杆转轴铰接。大腿(32)、小腿(29)、支撑腿(25)和脚平板(26)位于躯干下方。本实用新型通过姿态调整机构改变起跳角度，通过储能机构储存能量，通过锁定－释放机构实现机构平稳起跳，适用于复杂环境。

Description

一种仿生弹跳机器人

一、技术领域

本发明涉及的是一种弹跳机构，具体地说是一种仿生弹跳机器人。

二、背景技术

轮式移动以及仿生爬行或步行方式的机器人在有障碍的复杂环境下，如星际探索、救援、军事侦察以及反恐等领域中通常无法满足实际需要，而仿生弹跳机器人可以越过数倍甚至数十倍于自身尺寸的障碍物，特别适合于有障碍物的复杂环境。此外在星际探索中，如月球表面的重力加速度大约只有地球表面的1/6，弹跳机器人可充分利用这一特点，完成高效的运动，其在现实生活及科学研究中均有广阔的应用前景。

国外，美国国家航空宇航局与加利福尼亚技术学院联合研制了仿蛙形间歇弹跳机器人，采用对称齿轮-六杆机构和弹簧分别作为弹跳和能量储能装置；日本东京大学设计了一种采用线性弹簧和相互垂直的驱动器作为弹跳装置的弹跳机器人；加拿大航天局设计了一种柱剪式弹跳机器人，该机器人利用形状记忆合金进行储能。国内，南京航空航天大学对各种弹跳方案进行了系统研究，并采用线性弹簧弹跳机构和对称六杆弹跳机构研制了两种样机；哈尔滨工业大学和哈尔滨工程大学分别采用五杆和四杆作为机器人的弹跳机构，后者将四杆弹跳机构运用到仿蝗虫弹跳机器人中，已获国家专利(CN 101058036A)；西北工业大学在开链式仿袋鼠弹跳机器人方面进行了大量的理论研究。以上发明或研究的弹跳机器人，在每次弹跳过程中，弹性储能元件的初始状态相同，并且储能元件在每次储能结束时的形变量也相同，所以这些发明或研究均存在储能大小不可调的问题。

三、发明内容

为克服现有技术中存在的储能大小不可调的缺陷，本发明提出了一种仿生弹跳机器人。

本发明是一种杆长可调的仿生弹跳机器人，包括姿态调整机构、能量存储机构和锁定-释放机构，分别实现姿态调整，能量储存和控制起跳的功能。

姿态调整机构包括伺服电机、姿态调整舵机、丝杠、复位弹簧挡块、复位弹簧、深沟球轴承、埋头螺钉、曲柄、摇杆、大锥齿轮和小锥齿轮、传动轴、轴承和一对直齿圆柱齿轮。伺服电机固定安装在躯干一端的端头，并且伺服电机的输出轴轴线平行于躯干的中轴线；伺服电机输出轴经联轴器与丝杠连接；丝杠与联轴器连接端为无螺纹的光杠段，其长度为丝杠长度的1/2；丝杠光杠段的外圆表面上加工有与其轴线平行的导向键槽；丝杠的另一半为螺纹段，螺纹段的端头与躯干有轴承支座安装孔一端的端头对齐；从丝杠的光杠端至螺纹端，依次套装有复位弹簧挡块、复位弹簧、小锥齿轮、丝杠光杠段轴承、螺母和丝杠螺纹段轴承。

曲柄、摇杆、小锥齿轮、深沟球轴承和丝杠的光杠段共同组成曲柄-滑块机构，通过曲柄-滑块机构带动小锥齿轮沿丝杠移动，实现小锥齿轮与大锥齿轮的啮合及分离.小锥齿轮连接套上的螺纹孔垂直于小锥齿轮的轴线，并贯通小锥齿轮连接套的壳体；埋头螺钉贯通小锥齿轮的螺纹孔，伸入到光杠段的导向键槽内，并可在导向键槽内滑动.小锥齿轮连接套外表面以过盈配合的方式与深沟球轴承内圈固连；深沟球轴承外圈与摇杆转轴的一端固连；摇杆转轴的另一端和摇杆输出端铰接.摇杆的输入端与位于摇杆上方的曲柄的输出端铰接；曲柄的输入端与位于曲柄上方、与躯干相垂直的姿态调整舵机的输出轴相连.姿态调整舵机通过舵机支座与躯干固连.

能量储存机构主要包括躯干、伺服电机、联轴器、丝杠、螺母，大腿，小腿，支撑腿、脚平板，支撑腿转轴，大腿转轴，小腿转轴，支撑腿不完全齿轮转轴，小腿不完全齿轮转轴和储能弹簧。支撑腿不完全齿轮转轴和小腿不完全齿轮转轴分别固定安装在位于脚板一端的两个支座上，并通过支撑腿不完全齿轮和小腿不完全齿轮的铰接孔，分别与支撑腿和小腿的铰接；大腿转轴固定在躯干下方并与传动轴平行，其轴线和传动轴的轴线所确定的平面垂直于躯干。大腿与大腿转轴在大腿靠近躯干的一端铰接。大腿和小腿通过小腿转轴连接。螺母位于躯干的螺母导向槽内，并且两者之间滑动配合；支撑轴穿过支承轴孔，以过盈配合的方式与螺母固连，将螺母支撑在躯干平板上。支撑轴的两端以过盈方式安装有滚动轴承。支撑轴通过滚动轴承沿躯干运动，以减小支撑轴与躯干之间的摩擦。

支撑腿转轴位于躯干下方，穿过螺母上的铰接孔，并且支撑腿转轴的中部与铰接孔过盈配合；支撑腿转轴的两端分别与支撑腿远离支撑腿齿轮一端的铰接孔铰接。在躯干上通过安装孔安装有机器人的电控装置，该电控装置位于螺母和丝杠光杠段轴承之间。储能弹簧的两端分别固定在位于支撑腿一端的支撑腿转轴和小腿一端的小腿转轴上。

丝杠的螺纹段与螺母组成螺旋副，其螺旋升角为4.5°；螺母材料采用青铜，丝杠材料采用钢，丝杠和螺母之间的当量摩擦角约为8.5°。这时，丝杠和螺母之间的传动具有自锁性，相对运动停止，即实现锁定功能，这样，螺母可锁定在任意位置，实现了支撑腿转轴和大腿转轴之间距离的可调，即储能弹簧伸长量的可调，进而实现储能大小的可调。

锁定-释放机构主要包括释放舵机、拨动轴、棘爪、棘轮、拉簧和棘爪支座。大腿与大腿转轴铰接端、靠近释放舵机的一侧固连有棘轮；棘轮的轴线与大腿转轴共线。沿丝杠的轴线方向，棘爪支座位于释放舵机和棘轮之间，并通过躯干上的安装孔与躯干固连。棘爪通过其中部的轴孔与棘爪支座铰接；棘爪在与棘轮啮合的一端和棘爪支座间连接有拉簧，以保证棘爪同棘轮接触；棘爪另一端位于拨动轴的下方并与拨动轴接触。拨动轴与释放舵机输出轴固连。释放舵机通过躯干上的安装孔固连在躯干一端边缘处。

姿态调整时，首先，立放的姿态调整舵机动作，姿态调整舵机输出轴带动位于其下方的曲柄转动，曲柄输出端带动下方的摇杆运动，摇杆推动其下方的小锥齿轮沿导向键槽向复位弹簧挡块方向滑移至与大锥齿轮正确啮合位置处，此时，姿态调整舵机停止动作，曲柄和摇杆相互平行，均位于同一竖直面内，曲柄-滑块机构停在死点位置处，小锥齿轮从复位弹簧自由端一侧压紧该弹簧。接着，伺服电机动作，经联轴器、丝杠、小锥齿轮和大锥齿轮、传动轴、直齿圆柱齿轮和大腿不完全齿轮带动大腿运动，以实现起跳前姿态的调整。然后，释放舵机控制拨动轴动作，使棘轮和棘爪在拉簧作用下从分离状态进入啮合状态，防止大腿反向转动，实现对大腿位姿的锁定。最后，姿态调整舵机反转，在曲柄-滑块机构和复位弹簧共同作用下，小锥齿轮向螺母方向移动离开死点位置，姿态调整过程结束。

能量存储过程中，伺服电机动作，经联轴器，丝杠带动螺母在导向槽内移动，由于螺母与支撑腿转轴固联，大腿相对躯干的位姿在姿态调整阶段已被锁定，这样，可根据每次跳跃距离的需要，由伺服电机通过丝杠-螺母的传动拉伸弹簧并对其伸长量进行控制，实现不同能量的储存.由于丝杠-螺母传动的自锁性，正行程中螺母可被锁定在任意指定的位置处，完成能量的锁存.储能过程结束后，释放舵机开始动作，带动拨动轴向下拨动棘爪使之与棘轮分离，这时弹簧储存的能量释放，在弹簧作用力和地面支反力作用下机器人实现起跳.着地后伺服电机反转，螺母反行程，实现复位.这样，弹跳机器人依次完成一次跳跃循环.

本发明的工作过程为：姿态调整舵机动作，经曲柄-摇杆传动使一对锥齿轮啮合。伺服电机驱动姿态调整机构对躯干和大腿间的夹角进行调整，在弹簧伸长量及支撑腿不完全齿轮和小腿不完全齿轮齿数比一定的前提下，本发明中起跳角度的改变主要通过调整躯干和大腿间的夹角来实现。姿态调整结束后，在释放舵机作用下，棘轮和棘爪从分离状态进入啮合状态，将调整好的姿态锁定。接着，姿态调整舵机动作，经曲柄-摇杆传动使一对锥齿轮脱离；伺服电机再次动作，通过储能机构拉动弹簧进行能量的储存。当弹簧拉动到指定的位置后，伺服电机停止动作，螺母锁定在指定的位置处，实现能量锁存。然后，释放舵机通过锁定-释放机构使棘爪与棘轮分离，机器人实现起跳。最后，螺母在伺服电机作用下反行程，实现复位。在整个过程中，姿态调整舵机和复位弹簧控制一对锥齿轮的脱离与啮合。

本发明通过改变支撑腿不完全齿轮和小腿不完全齿轮间的齿数比使弹跳机构能够得到不同的弹跳性能，齿数比为0.2时机器人可跳过较宽沟壑，齿数比为0.5时机器人可跳过较高障碍物。齿数比介于0.2至0.5之间时，随比值的增大，跃远性能下降，跳高性能增强。本发明采用的齿数比为0.25，其它的齿数比可通过加工装配不同的支撑腿不完全齿轮和小腿不完全齿轮来实现。本发明能够平稳起跳，起跳角度，杆长和储能均可调并且能够实现自动控制，适用于复杂环境。

四、附图说明

图1是本发明弹跳机构初始状态的主视图；

图2是图1中A-A处(除去姿态调整舵机9)的俯视图；

图3是图2中B-B处螺母18的断面图；

图4是图2中C-C处的剖面图；

图5是图2中D-D处的剖面图；

图6是图1中棘轮34处的局部放大示意图；

图7是丝杠和与丝杠有装配以及传动关系的部分零件图；

图8是支撑腿25的俯视半剖面图，大腿32和小腿29具有类似的结构。

图9是躯干1的俯视图；

图10中(a)是螺母零件在图1中的主视图，(b)是螺母零件的侧视图；

图11为小锥齿轮11的零件图；

图12为脚平板零件的俯视图；

图13是本发明在一次跳跃循环过程中各阶段姿态的示意简图，其中，(a)为姿态调整阶段的初始位姿图，(b)为姿态调整结束时的位姿图，(c)为储能阶段结束时的位姿图，(d)为该弹跳机构起跳腾空过程中的位姿图。(e)为着地亦即螺母18反行程初始位姿图；

图14是该弹跳机构越障示意图，(a)为本发明跳跃沟壑时的位姿图，(b)为跳跃地面障碍物时的姿态示意简图。图中：

1.躯干      2.释放舵机  3.伺服电机      4.拨动轴  5.联轴器     6.棘爪

7.大锥齿轮  8.曲柄      9.姿态调整舵机  10.摇杆   11.小锥齿轮  12.摇杆转轴

13.深沟球轴承   14.埋头螺钉   15.导向键槽  16.丝杠光杠段轴承

17.电控装置     18.螺母       19.丝杠      20.丝杠螺纹段轴承

21.螺母支撑轴   22.支撑腿转轴 23.加强肋板  24.舵机固定支座

25.支撑腿       26.脚平板     27.支撑腿不完全齿轮 28.小腿不完全齿轮

29.小腿         30.储能弹簧   31.小腿转轴         32.大腿

33.大腿转轴     34.棘轮       35.传动轴           36.直齿圆柱齿轮

37.大腿不完全齿轮  38.复位弹簧39.滚动轴承         40.螺母导向槽

41.复位弹簧挡块    42.棘爪支座43.拉簧             44.轴承

45.转轴支座        46.支撑腿不完全齿轮转轴  47.小腿不完全齿轮转轴

48.舵机支座安装孔  49.轴承支座安装孔        50.转轴支座安装孔

五、具体实施方式

本实施例是一种储能可调的齿轮-五杆仿生弹跳机构，包括姿态调整机构、能量存储机构和锁定-释放机构，分别实现姿态调整，能量储存和控制起跳的功能。

姿态调整机构：如图1、图2、图4、图5、图6和图7所示。姿态调整机构主要包括伺服电机3、姿态调整舵机9、丝杠19、复位弹簧挡块41、复位弹簧38、深沟球轴承13、埋头螺钉14、曲柄8、摇杆10、摇杆转轴12、一对锥齿轮7和11、传动轴35、轴承44和一对直齿圆柱齿轮。

如图9所示，躯干1为一平板，主要起承载和安装固定零部件的作用。躯干1的一端有长度与螺母18移动距离相等的导向槽40，并且该端的端头处有丝杠螺纹段轴承20的支座安装孔。平板中部对称分布有四个电控装置支座的安装孔；躯干1的中部、关于躯干1中轴线对称的位置上，还分布有丝杠光杠段轴承16的支座安装孔。躯干1另一端对称于中轴线分布有四个伺服电机3的安装孔；位于该端一侧边缘对称分布有四个释放舵机2的安装孔；在伺服电机3安装孔和释放舵机2安装孔之间分布有两个平行于躯干1中轴线的安装孔，用于安装棘爪支座42；在躯干1中部一侧边缘处、丝杠光杠段轴承16的支座安装孔和棘爪支座安装孔之间，分布有两个舵机支座24的安装孔48和两个轴承44的轴承支座安装孔49，两个舵机支座安装孔48和两个轴承支座安装孔49的分布方向均与躯干中轴线方向平行；在安装孔48和安装孔49之间，分布有两个转轴支座安装孔50；转轴支座安装孔50共有四个，另外两个分布在躯干1中轴线的另一侧；四个支座安装孔50关于躯干1中轴线对称；在支座安装孔49靠近躯干1中轴线的一侧，有一矩形过孔，该过孔能够使安装在上方的大锥齿轮7避免与躯干1发生干涉。为减轻机构的重量，将躯干1做成“T”字形。

如图1、图2、图5、图6和图7所示，伺服电机3固定安装在躯干1一端的端头，并且伺服电机3的输出轴轴线平行于躯干1的中轴线；伺服电机3输出轴经联轴器5与丝杠19连接.丝杠19与联轴器5连接端为无螺纹的光杠段，其长度为丝杠长度的1/2；丝杠19的光杠段的外圆表面上加工有与其轴线平行的导向键槽15.丝杠19的另一端为螺纹段，该螺纹段的端头与躯干1有轴承支座安装孔一端的端头对齐；从丝杠19的光杠端至螺纹端，依次套装有复位弹簧挡块41、复位弹簧38、小锥齿轮11、丝杠光杠段轴承16、螺母18和丝杠螺纹段轴承20.其中，复位弹簧挡块41为圆环状，其内径和光杠段直径相同；复位弹簧挡块41的外径大于复位弹簧38的外径；复位弹簧挡块41与丝杠19的光杠段为固连.复位弹簧38的内径略大于丝杠19光杠段的直径；复位弹簧空套在丝杠19的光杠段上，并且复位弹簧38的一端与复位弹簧挡块41固连，另一端为自由端.

丝杠螺纹段轴承20采用角接触球轴承，通过其支座安装在躯干1有导向槽40一端端头处；丝杠螺纹段轴承20的内圈与丝杠19过渡配合。丝杠光杠段轴承16亦为角接触球轴承，被安装在位于躯干1中部的轴承支座上；丝杠光杠段轴承16的内圈与丝杠19的光杠段过渡配合；丝杠螺纹段轴承20与丝杠光杠段轴承16共同支撑丝杠19。

如图1、图6和图7所示，位于丝杠19光杠段的导向键槽15的一端与复位弹簧挡块41相邻；导向键槽15的长度略大于小锥齿轮11为实现与大锥齿轮7啮合/分离所要沿光杠段移动的距离；导向键槽15宽度略大于埋头螺钉14的大径，并且该导向键槽15与埋头螺钉14之间滑动配合；导向键槽15深度应满足使埋头螺钉14在该键槽内不与槽底发生干涉，如附图6所示。

本实施例中，曲柄8、摇杆10、小锥齿轮11、摇杆转轴12、深沟球轴承13和丝杠19的光杠段共同组成曲柄-滑块机构，通过曲柄-滑块机构带动小锥齿轮11沿丝杠19移动，实现小锥齿轮11与大锥齿轮7的啮合及分离。如图1、图2、图5、图6和图11所示，小锥齿轮11连接套上有螺纹孔，该螺纹孔垂直于小锥齿轮11的轴线，并贯通小锥齿轮11连接套的壳体；埋头螺钉14位于小锥齿轮11的螺纹孔内，并伸入到丝杠19上的导向键槽15内，并且该埋头螺钉在导向键槽15内滑动。小锥齿轮11连接套外表面以过盈配合的方式与深沟球轴承13内圈固连；深沟球轴承13外圈与垂直于躯干1的摇杆转轴12的一端固连；摇杆转轴12的另一端和摇杆10输出端铰接。摇杆10的输入端与位于该摇杆10上方的曲柄8的输出端铰接；曲柄8的输入端与位于该曲柄8上方、与躯干1相垂直的姿态调整舵机9的输出轴相连。姿态调整舵机9通过“L”形的舵机支座24与躯干1固连。

如图2、图4、图5和图7所示，与小锥齿轮11啮合的大锥齿轮7固连在传动轴35靠近复位弹簧的一端；传动轴另一端固连有直齿圆柱齿轮36；直齿圆柱齿轮36与大腿端部的大腿不完全齿轮37啮合。

本实施例中，大锥齿轮7和小锥齿轮11的齿数比为4/3。

传动轴35由轴承44支撑，两者之间为过渡配合；传动轴35轴线的延伸线穿过复位弹簧挡块41；并与丝杠19的轴线垂直；丝杠19的轴线和传动轴35的轴线位于同一平面内并与躯干1平行。摇杆10和躯干1之间的距离大于大锥齿轮7和小锥齿轮11大端齿顶圆最高点同躯干1间的距离。

能量存储机构：如图1、图2和图3所示。能量的存储主要通过能量存储机构实现。能量储存机构主要包括躯干1、伺服电机3、联轴器5、丝杠19、螺母18、支撑轴21、大腿32，小腿29，支撑腿25、脚平板26，支撑腿转轴22，小腿转轴31，大腿转轴33，支撑腿不完全齿轮转轴46，小腿不完全齿轮转轴47和储能弹簧30。

如图1和图8所示，支撑腿25是由两个板状连杆和与之垂直的两个加强肋板23固连而成。支撑腿25的两个板状连杆相互平行；两个加强肋板23相互平行，位于两个板状连杆之间，并与板状连杆垂直，使支撑腿25呈梯子状。在支撑腿25两板状连杆的两端，分别有转轴铰接孔；支撑腿25的连杆的中部有减重孔。支撑腿25的一端，两个板状连杆沿支撑腿不完全齿轮转轴46铰接孔径向方向突出，并且将该突出的连杆板加工成支撑腿不完全齿轮27，并以支撑腿不完全齿轮转轴46铰接孔轴线为支撑腿不完全齿轮27的转动中心，该实施例中，支撑腿不完全齿轮27的模数为1，齿数为5，分度圆直径为8。

小腿29的结构同支撑腿25，亦由两个板状连杆和与之垂直的两个加强肋板固连而成；小腿29亦呈梯子状。小腿29两板状连杆的两端，分别有转轴铰接孔；两个连杆的中部有减重孔。小腿29的一端，两个板状连杆沿脚平板不完全齿轮转轴47铰接孔径向方向突出，并且将该突出的连杆板加工成小腿不完全齿轮28，并以脚平板不完全齿轮转轴47铰接孔为小腿不完全齿轮28的转动中心。该实施例中，小腿不完全齿轮28的模数为1，齿数为5，分度圆直径为32。

大腿32的结构亦同支撑腿25，由两个板状连杆和与之垂直的两个加强肋板固连而成；大腿32亦呈梯子状。大腿32两板状连杆的两端，分别有转轴铰接孔；两个连杆的中部有减重孔。大腿32的一端，一个板状连杆沿大腿转轴33铰接孔径向方向突出，并且将该突出的连杆板加工成大腿不完全齿轮37，并以大腿转轴33铰接孔为大腿不完全齿轮37的转动中心。该实施例中，大腿不完全齿轮37的模数为1，齿数为13，分度圆直径为24。

本实施例中，支撑腿25、小腿29和大腿32各杆长的比例为1.5∶1∶2。

本实施例中，支撑腿不完全齿轮27与小腿不完全齿轮28相互啮合；大腿不完全齿轮37与直齿圆柱齿轮36相互啮合。支撑腿不完全齿轮27与小腿不完全齿轮28的齿数比为0.25；直齿圆柱齿轮36与大腿不完全齿轮37的齿数比为1.375。

如图1，图2和图5所示，支撑腿不完全齿轮转轴46和小腿不完全齿轮转轴47分别固定安装在位于脚板26一端的两个支座上，并通过支撑腿不完全齿轮27和小腿不完全齿轮28的铰接孔，分别实现与支撑腿和小腿的铰接；大腿转轴33通过转轴支座45与躯干1固连，并通过大腿不完全齿轮37一端的转轴铰接孔与大腿铰接。大腿和小腿通过小腿转轴31连接。

如图1、图7和图10所示，螺母18采用青铜制成，其横截面为矩形，其高度须满足丝杠19、躯干1和支撑腿25的装配要求；螺母18的厚度略小于导向槽40的宽度。螺母18的一端为平面，另一端为圆弧面。从螺母18的平面端至螺母18的圆弧面端，依次加工有丝杠螺纹孔、螺母支承轴孔和支撑腿转轴22的铰接孔。丝杠19的轴线垂直于螺母支承轴孔和支撑腿转轴22铰接孔的轴线；螺母支承轴孔和支撑腿转轴22铰接孔的轴线平行。支撑腿转轴22、小腿转轴31、大腿转轴33、支撑腿不完全齿轮转轴46和小腿不完全齿轮转轴47的轴线相互平行。

丝杠的螺纹段与螺母组成螺旋副，其螺旋升角为4.5°；螺母材料采用青铜，丝杠材料采用钢，丝杠和螺母之间的当量摩擦角约为8.5°。这时，丝杠和螺母之间的传动具有自锁性，相对运动停止，即实现锁定功能。这样，螺母可锁定在任意位置，实现了支撑腿转轴22和大腿转轴33之间距离的可调，即储能弹簧30伸长量的可调，进而实现储能大小的可调。

如图1、图3和图7所示，螺母18位于躯干1的螺母导向槽40内，并且两者之间滑动配合；支撑轴21穿过支承轴孔，以过盈配合的方式与螺母固连，将螺母支撑在躯干平板上。支撑轴21的两端以过盈方式安装有滚动轴承39。支撑轴21通过滚动轴承39沿躯干1运动，以减小支撑轴21与躯干1之间的摩擦。支撑腿转轴22位于躯干1下方，穿过螺母18上的铰接孔，并且支撑腿转轴22的中部与铰接孔过盈配合；支撑腿转轴22的两端分别与支撑腿远离支撑腿齿轮一端的铰接孔铰接。

如图12所示，脚平板26一端对称布置的8个小圆孔，分别为支撑腿不完全齿轮27和小腿不完全齿轮28的支座固定安装孔；脚平板26的另一端有减重孔。

在躯干1上通过安装孔安装有机器人的电控装置17，该电控装置位于螺母18和丝杠光杠段轴承16之间。储能弹簧30的两端分别固定在位于支撑腿25和小腿29一端的支撑腿转轴22和小腿转轴31上。

锁定-释放机构：如图1、图2、图5和图6所示，锁定-释放机构主要包括释放舵机2、拨动轴4、棘爪6、棘轮34、拉簧43和棘爪支座42。棘爪支座42由圆柱形支杆和支杆一端凸出的凸块组成，使其外形呈“L”形。在棘爪支座42的凸块上有与躯干1连接的安装孔，在棘爪支座42的支杆上有棘爪转轴的安装孔。拨动轴4为圆柱形，其与棘爪接触的长度等于棘爪的厚度。

大腿转轴33固定在躯干1下方并与传动轴35平行，其轴线和传动轴35的轴线所确定的平面垂直于躯干1。大腿32靠近躯干1的一端与大腿转轴33铰接。大腿32与大腿转轴33铰接端、靠近释放舵机2的一侧固连有棘轮34；棘轮34的轴线与大腿转轴33同轴。沿丝杠19的轴线方向，棘爪支座42位于释放舵机2和棘轮34之间，并通过躯干1上的安装孔与躯干1固连。棘爪6通过其中部的轴孔与棘爪支座42铰接；棘爪6在与棘轮34啮合的一端和棘爪支座42间连接有拉簧43，以保证棘爪6同棘轮34接触；棘爪6另一端位于拨动轴4的下方并与拨动轴接触。拨动轴4与释放舵机2输出轴固连。释放舵机2通过躯干1上的安装孔固连在躯干1一端的边缘处。

该弹跳机构的工作过程为：姿态调整时，首先，立放的姿态调整舵机9动作，姿态调整舵机9输出轴带动位于其下方的曲柄8转动，曲柄8输出端带动下方的摇杆10运动，摇杆10推动其下方的小锥齿轮11沿导向键槽15向复位弹簧挡块41方向滑移至与大锥齿轮7正确啮合位置处，此时，姿态调整舵机9停止动作，曲柄8和摇杆10相互平行，均位于同一竖直面内，曲柄-滑块机构停在死点位置处，小锥齿轮11从复位弹簧38自由端一侧压紧该弹簧。接着，伺服电机3动作，经联轴器5，丝杠19，小锥齿轮11和大锥齿轮7，传动轴35，直齿圆柱齿轮36和大腿不完全齿轮37带动大腿运动，以实现起跳前姿态的调整。然后，释放舵机2控制拨动轴4动作，使棘轮34和棘爪6在拉簧作用下从分离状态进入啮合状态，防止大腿32反向转动，实现对大腿位姿的锁定。最后，姿态调整舵机9反转，在曲柄-滑块机构和复位弹簧共同作用下，小锥齿轮11向螺母18方向移动离开死点位置，姿态调整过程结束(图13(b))。

能量存储过程中，伺服电机3动作，经联轴器5，丝杠19带动螺母18在导向槽40内移动，由于螺母18与支撑腿转轴22固联，大腿相对躯干1的位姿在姿态调整阶段已被锁定，这样，可根据每次跳跃距离的需要，由伺服电机3通过丝杠-螺母的传动拉伸弹簧并对其伸长量进行控制，实现不同能量的储存.由于丝杠-螺母传动的自锁性，正行程中螺母18可被锁定在任意指定的位置处，完成能量的锁存.储能过程结束后，释放舵机2开始动作，带动拨动轴4向下拨动棘爪6使之与棘轮34分离，这时弹簧储存的能量释放，在弹簧作用力和地面支反力作用下机器人实现起跳(图13(d)).着地后(图13(e))，姿态调整舵机9动作，使大锥齿轮7和小锥齿轮11啮合，伺服电机3反转，螺母18反行程，实现复位(图13(a)).这样，弹跳机器人依次经图13中(a)，(b)，(c)，(d)和(e)完成一次跳跃循环.

本实施例中，通过改变支撑腿不完全齿轮27和小腿不完全齿轮28间的齿数比使弹跳机构能够得到不同的弹跳性能，齿数比为0.2时机器人可跳过较宽沟壑(图14(a))，齿数比为0.5时机器人可跳过较高障碍物(图14(b))。齿数比介于0.2至0.5之间时，随比值的增大，越远性能下降，跳高性能增强。本发明采用的齿数比为0.25，其它的齿数比可通过加工装配不同的不完全齿轮27和28来实现。

上述元器件可通过加工定制或外购取得。

根据仿生学原理，本实施例所提出的机构符合袋鼠跳跃运动的特点，结构和控制简单。通过各电机的依次动作，即可实现仿生机器人的弹跳。

Claims (10)

1.一种仿生弹跳机器人，包括姿态调整机构、能量存储机构和锁定-释放机构，分别实现姿态调整，能量储存和控制起跳的功能，其特征在于：

a.姿态调整机构包括伺服电机(3)、姿态调整舵机(9)、丝杠(19)、复位弹簧挡块(41)、复位弹簧(38)、深沟球轴承(13)、埋头螺钉(14)、曲柄(8)、摇杆(10)、小锥齿轮(11)、大锥齿轮(7)、传动轴(35)、轴承(44)和一对直齿圆柱齿轮(36)和(37)；伺服电机(3)位于躯干(1)一端的端头，并且伺服电机(3)的输出轴轴线平行于躯干(1)的中轴线；伺服电机(3)输出轴经联轴器(5)与丝杠(19)连接；从丝杠(19)的光杠端至螺纹端，依次套装有复位弹簧挡块(41)、复位弹簧(38)、小锥齿轮(11)、丝杠光杠段轴承(16)、螺母(18)和丝杠螺纹段轴承(20)；

b.曲柄(8)、摇杆(10)、小锥齿轮(11)、摇杆转轴(12)、深沟球轴承(13)、埋头螺钉(14)和丝杠(19)的光杠段组成曲柄-滑块机构；埋头螺钉(14)位于小锥齿轮(11)的螺纹孔内，并在导向键槽(15)内滑动；小锥齿轮(11)的连接套外径与深沟球轴承(13)内圈过盈配合；深沟球轴承(13)外圈与摇杆转轴(12)的一端固连；摇杆转轴(12)的另一端和摇杆(10)输出端铰接；摇杆(10)的输入端与位于摇杆(10)上方的曲柄(8)的输出端铰接；曲柄(8)的输入端与位于曲柄(8)上方、与躯干(1)相垂直的舵机(9)的输出轴相连；舵机(9)通过舵机支座(24)与躯干(1)固连；

c.能量储存机构包括躯干(1)、伺服电机(3)、联轴器(5)、螺母(18)、丝杠(19)、支撑轴(21)、大腿(32)、小腿(29)，支撑腿(25)、脚平板(26)、支撑腿转轴(22)、小腿转轴(31)、大腿转轴(33)、支撑腿不完全齿轮转轴(46)、小腿不完全齿轮转轴(47)和储能弹簧(30)；支撑腿不完全齿轮转轴(46)和小腿不完全齿轮转轴(47)分别固定安装在位于脚板(26)一端的两个支座上，并分别与支撑腿和小腿铰接；转轴(33)通过支座(45)与躯干(1)固连，并通过大腿不完全齿轮(37)一端的转轴铰接孔与大腿铰接；螺母(18)与躯干(1)的螺母导向槽(40)滑动配合；支撑轴(21)与螺母(18)过盈配合；支撑腿转轴(22)位于躯干(1)下方，支撑腿转轴(22)的中部与螺母(18)上的铰接孔过盈配合；支撑腿转轴(22)的两端分别与支撑腿(25)一端的铰接孔铰接；机器人的电控装置(17)安装在螺母(18)和丝杠光杠段轴承(16)之间的躯干(1)上；储能弹簧(30)两端分别固定在支撑腿转轴(22)和小腿转轴(31)上；

d.丝杠的螺纹段与螺母组成螺旋副，其螺旋升角为4.5°；螺母材料采用青铜，丝杠材料采用钢，丝杠和螺母之间的当量摩擦角为8.5°；

e.锁定-释放机构包括释放舵机(2)、拨动轴(4)、棘爪(6)、棘轮(34)、拉簧(43)和棘爪支座(42)；大腿转轴(33)固定在躯干(1)下方并与传动轴(35)平行，大腿转轴(33)的轴线和传动轴(35)的轴线所确定的平面垂直于躯干(1)；大腿(32)与大腿转轴(33)在大腿(32)靠近躯干(1)一端铰接；棘轮(34)固定在大腿(32)与大腿转轴(33)铰接端、靠近释放舵机(2)的一侧；沿丝杠(19)的轴线方向，棘爪支座(42)位于舵机(2)和棘轮(34)之间，并与躯干(1)固连；棘爪(6)与棘爪支座(42)通过转轴铰接；棘爪(6)的一端与棘爪支座(42)间连接有拉簧(43)；棘爪(6)另一端位于拨动轴(4)的下方并与拨动轴接触；拨动轴(4)与释放舵机(2)输出轴固连；释放舵机(2)固连在躯干(1)一端的边缘处。

2.如权利要求1所述一种仿生弹跳机器人，其特征在于姿态调整机构中的小锥齿轮(11)连接套上的螺纹孔垂直于小锥齿轮(11)的轴线，并贯通小锥齿轮(11)连接套的壳体；丝杠(19)与联轴器(5)连接端为无螺纹的光杠段，其长度为丝杠长度的1/2；丝杠(19)的光杠段的外圆表面上加工有与其轴线平行的导向键槽(15)；导向键槽(15)的一端与复位弹簧挡块(41)相邻；导向键槽(15)的长度略大于小锥齿轮(11)为实现与大锥齿轮(7)啮合/分离所要沿光杠段移动的距离；

3.如权利要求1所述一种仿生弹跳机器人，其特征在于姿态调整机构中的复位弹簧挡块(41)的内径和光杠段直径相同，外径大于复位弹簧(38)的外径；复位弹簧挡块(41)与丝杠(19)的光杠段为固连；复位弹簧(38)的一端与复位弹簧挡块(41)固连，另一端为自由端；丝杠螺纹段轴承(20)通过其支座安装在躯干(1)有螺母导向槽(40)一端端头处，其内圈与丝杠(19)为过渡配合；丝杠光杠段轴承(16)安装在位于躯干(1)中部的轴承支座上，其内圈与丝杠(19)的光杠段为过渡配合；丝杠螺纹段轴承(20)与丝杠光杠段轴承(16)共同支撑丝杠(19)。

4.如权利要求1所述一种仿生弹跳机器人，其特征在于躯干(1)一端有长度与螺母(18)移动距离相等的螺母导向槽(40)，并且该端的端头处有丝杠螺纹段轴承(20)的支座安装孔；躯干(1)中部对称分布有电控装置支座的安装孔；躯干(1)的中部、关于躯干(1)中轴线对称的位置上，还分布有丝杠光杠段轴承(16)的支座安装孔；躯干(1)另一端对称于中轴线分布有伺服电机(3)的安装孔；位于该端一侧边缘对称分布有释放舵机(2)的安装孔；在伺服电机(3)安装孔和释放舵机(2)安装孔之间分布有平行于躯干(1)中轴线的棘爪支座(42)安装孔；在躯干(1)中部一侧边缘处、丝杠光杠段轴承(16)的支座安装孔和棘爪支座安装孔之间，分布有舵机支座安装孔(48)和轴承支座安装孔(49)；舵机支座安装孔(48)和轴承支座安装孔(49)的分布方向均与躯干中轴线平行；在安装孔(48)和安装孔(49)之间，对称分布有转轴支座安装孔(50)；支座安装孔(50)关于躯干(1)中轴线对称。

5.如权利要求1所述一种仿生弹跳机器人，其特征在于大锥齿轮(7)固连在传动轴(35)靠近复位弹簧的一端；传动轴另一端固连有直齿圆柱齿轮(36)；直齿圆柱齿轮(36)与大腿端部的大腿不完全齿轮(37)啮合；

6.如权利要求1所述一种仿生弹跳机器人，其特征在于传动轴(35)由轴承(44)支撑，两者之间为过渡配合；传动轴(35)轴线的延伸线穿过复位弹簧挡块(41)；并与丝杠(19)的轴线垂直；丝杠(19)的轴线和传动轴(35)的轴线位于同一平面内并与躯干(1)平行；摇杆(10)和躯干(1)之间的距离大于大锥齿轮(7)和小锥齿轮(11)大端齿顶圆最高点同躯干(1)间的距离。

7.如权利要求1所述一种仿生弹跳机器人，其特征在于脚平板(26)一端对称布置的8个小圆孔，分别为支撑腿不完全齿轮(27)和小腿不完全齿轮(28)的支座固定安装孔；脚平板(26)的另一端有减重孔；

8.如权利要求1所述一种仿生弹跳机器人，其特征在于支撑腿(25)由两个相互平行板状连杆和与之垂直的两个加强肋板(23)固连而成；两个加强肋板(23)位于两个板状连杆之间；在支撑腿(25)两板状连杆的两端分别有转轴铰接孔；支撑腿(25)一端的两板状连杆上有支撑腿不完全齿轮(27)；支撑腿不完全齿轮的模数为1，齿数为5，分度圆直径为8。

9.如权利要求1所述一种仿生弹跳机器人，其特征在于：

a.小腿(29)亦由两个板状连杆和与之垂直的两个加强肋板固连而成；小腿(29)两板状连杆的两端分别有转轴铰接孔，中部有减重孔；小腿(29)一端的两板状连杆上有小腿不完全齿轮(28)；小腿不完全齿轮的模数为1，齿数为5，分度圆直径为(32)；

b.大腿32亦由两个连杆和与之垂直的两个加强肋板固连而成；大腿(32)两板状连杆的两端分别有转轴铰接孔；大腿(32)一端的一个板状连杆上有大腿不完全齿轮(37)；大腿不完全齿轮的模数为1，齿数为13，分度圆直径为24；

c.支撑腿(25)、小腿(29)和大腿(32)各杆长的比例为1.5∶1∶2；

d.支撑腿不完全齿轮(27)与小腿不完全齿轮(28)相互啮合；大腿不完全齿轮(37)与姿态调整机构中的直齿圆柱齿轮(36)相互啮合；支撑腿不完全齿轮(27)与小腿不完全齿轮28的齿数比为0.25；直齿圆柱齿轮(36)与大腿不完全齿轮(37)的齿数比为1.375。

10.如权利要求1所述一种仿生弹跳机器人，其特征在于；螺母(18)一端为平面，另一端为圆弧面，从螺母(18)的平面端至螺母(18)的圆弧面端，依次加工有丝杠螺纹孔、螺母支承轴孔和支撑腿转轴(22)的铰接孔；螺母支承轴孔轴线和支撑腿转轴(22)铰接孔轴线平行，并且螺母支承轴孔轴线和支撑腿转轴(22)铰接孔轴线均与丝杠(19)的轴线垂直；支撑腿转轴(22)、小腿转轴(31)、大腿转轴(33)、支撑腿不完全齿轮转轴(46)和小腿不完全齿轮转轴(47)的轴线相互平行。

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