CN203318554U - 起跳角度可调的轮式跳跃机器人的弹跳机构 - Google Patents

Abstract

起跳角度可调的轮式跳跃机器人的弹跳机构，属于机器人技术领域。其内部包括有两个气缸固定框架，固定框架外侧板与固定框架内侧板由固定框架光轴固定连接，双作用气缸由锁紧扣固定于固定框架内侧板和固定框架外侧板之间，气缸活塞杆下部安装有气缸脚垫；移动框架内侧板和移动框架外侧板之间通过移动框架光轴固定连接构成移动框架；移动框架通过对应的控制电机的运转带动微型丝杠转动，进而调节与移动框架相连接的轻质轮之间的间距。微型舵机、舵机曲柄、传动杆和双作用气缸构成双摇杆机构，气缸可以在舵机的控制下调整机构的起跳角度，配合减压后的高压气体在电磁阀的控制下实现气缸的高效弹跳。

Description

起跳角度可调的轮式跳跃机器人的弹跳机构

技术领域：

本实用新型涉及的是一种起跳角度可调的轮式跳跃机器人的弹跳机构，属于机器人技术领域。 

背景技术：

随着机器人应用范围的不断扩大，机器人面临的环境也越来越恶劣，诸如考古探测、星际探索、军事侦察以及反恐活动等都要求机器人应具有很强的自主运动能力及生存能力。轮式跳跃机器人可以跃过几倍甚至数十倍于自身尺寸的障碍物，有较大的活动范围。弹跳运动的突然性与爆发性有助于机器人躲避危险，使其具有很强的生存能力。 

弹跳机构是决定跳跃机器人性能的关键，所以能否设计出高效可行的弹跳机构是小型两轮跳跃机器人设计成败的关键。对理想弹跳机构的评价，日本科学家提出了的四个要求：（1）尽量提高机构弹跳性能，使机构跳的更高更远；（2）能够调整弹跳的方向与角度；（3）能够控制弹跳机构空中的姿态；（4）能够控制机构平稳落地。 

目前对于轮式跳跃机器人国外尚处于研究阶段，国内的研究由于起步较晚，因此成果相对较少，同时此类机器人属于特种机器人，所涉及到关键技术保密性很强，故公开资料较少。 

专利申请号为200820040672.5名称为“弹跳机器人的弹跳机构”的专利申请，公开了一种跳跃机器人的弹跳机构，由弹性组件组成，弹性组件包括弹性钢片的下侧，固定组件包括传动机构、导向滑轮机构、钢丝绳和外壳，传动机构包括舵机、相互啮合的不完全齿轮和齿轮、传动轴以及绞盘，舵机通过舵机固定板固定于外壳内侧，不完全齿轮固定于舵机的输出转轴上，齿轮固定于传动轴上，绞盘通过紧固螺母固定于传动轴且位于齿轮的一侧，导向滑轮机构包括滑轮、轴、固定板、弹性挡圈，导向滑轮机构通过其固定板固定于外壳的内侧，滑轮的轴向位置由轴的轴肩与弹性挡圈固定，所述钢丝绳的一端与绞盘相连，另一端与弹性钢片相连，且钢丝绳位于滑轮的轮槽之中。 

该方案存在以下缺点： 

（1）无法连续弹跳，由于本方案的弹跳机构由舵机驱动齿轮进行运转，该装置由弹跳完毕到下一次弹跳需要较长的能量储备时间，因此导致该装置无法实现连续弹跳。 

（2）弹跳能力较弱，由于其弹跳动力源为钢片，而钢片的形变较难控制且最大形变非常 有限，导致其弹跳能力不足，弹跳高度有限。 

（3）起跳方向较难控制，由于钢片的安装位置相对固定，故其弹跳方向无法通过相关机构进行调节，在很大程度上限制了机器人的运动。 

（4）结构较为复杂，由于跳跃机器人的特殊性，跳跃机器人需要具有较好的抗冲击性，而该机器人主要靠齿轮间的啮合运转来实现弹跳，机械结构相对复杂，故无法保障其弹跳性能。 

实用新型内容:

为了解决跳跃机器人弹跳机构复杂、弹跳效率不高、灵活性差等问题,本实用新型提供了一种具有结构简单、弹跳效率高、适应能力强、可控性能好等优点的弹跳机构。 

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是： 

起跳角度可调的轮式跳跃机器人的弹跳机构，其内部包括有两个汽缸固定框架，在汽缸固定框架中固定框架外侧板11）与固定框架内侧板12）固定连接，双作用汽缸9）上部由锁紧扣10）固定于固定框架内侧板12）和固定框架外侧板11之间，汽缸活塞杆的下部安装有汽缸脚垫23；所述的两个汽缸固定框架均有固定框架光轴穿过；且所述的汽缸固定框架均与固定框架光轴14固连，两个固定框架内侧板12相对，两个固定框架外侧板11均位于外侧； 

双作用汽缸9顶端一侧的微型舵机8固定在固定框架外侧板11上，微型舵机8的输出端穿过固定框架外侧板上圆孔，并通过自带的舵机曲柄6与传动杆7活动连接，传动杆7的另一端接于汽缸下部的锁紧扣10；双作用汽缸9上部的锁紧扣10通过两端旋进的销钉将双作用汽缸9锁紧，销钉两端分别插入固定框架内侧板12、固定框架外侧板11上的固定孔，使得双作用汽缸的上部固定；双作用汽缸9下部的锁紧扣10通过两端旋进的销钉将双作用汽缸9锁紧，销钉的两端分别插入到固定框架内侧板12、固定 框架外侧板11的下部的弧形凹槽，所述的销钉沿所述的弧形凹槽滑动，从而调整双作用汽缸的起跳角度； 

用于盛放气体的钢瓶24通过钢瓶固定扣26固定在固定框架一侧的固定框架光轴14上，调压阀25旋进钢瓶口，调压阀25的接口通过软管与微型电磁阀进气口相连接，微型电磁阀的出气口通过软管分别与双作用汽缸9的进气口和出气口相连接； 

在所述的两个汽缸固定框架之间的光轴上安装有电机固定板15，电机固定板15上固定有微型电机16，微型电机16的输出端上套有小带轮17，小带轮17通过传送带与大带轮18进行传动，大带轮18与小带轮17水平位置相一致，大带轮18的中心位置固定有微型丝杆19，通过销钉穿过两侧的固定框架内侧板上圆孔并分别旋进所述的微型丝杠的两端，使整个丝杠固定在两侧的固定框架内侧板12上，并可在固定框架内侧板圆孔上自由转动；在所述的两个固定框架内侧板12之间分别连接有两个移动框架内侧板13，在所述的两个固定框架外侧板11的外侧设置有移动框架外侧板4，每一侧的移动框架内侧板13和移动框架外侧板4之间分别通过移动框架光轴5固定连接构成一个移动框架；所述的微型丝杠19旋进所述的两个移动框架内侧板13的中心孔，通过对丝杠旋转方向的控制使移动框架内侧板左右移动，进而带动两个移动框架向中心或者向两端运动；所述的移动框架光轴5的两端固定在所述的固定框架外侧板11和固定框架内侧板上12； 

移动框架外侧板4的内侧安装有电机1，蜗轮蜗杆电机的输出端套有联轴器3穿过移动框架外侧板的中心孔，并通过电机轴承2与轻质轮相连接。 

所述的固定框架光轴14的数量为四根，四根固定框架光轴14分别穿过固定框架内侧板12的四角上的圆孔，固定框架光轴14两端分别固定于固 定框架外侧板11上，从而形成完整内部固定框架。 

微型舵机8、舵机曲柄6、传动杆7和双作用汽缸9构成双摇杆机构，传动杆7相当于主动杆，汽缸9相当于被动摇杆，汽缸9可以在微型舵机8的控制下以固定框架上的固定点为圆心，沿着固定框架弧形凹槽滑动。 

钢瓶24内装有高压气体，通过对应的微型调压阀25的减压可使气体压强减小到0.5MPa-0.7MPa，微型电磁阀采用两位五通电磁阀，该电磁阀具有一个进气口和四个出气口，四个出气口分别控制两个汽缸9的进气口和出气口，电磁阀控制汽缸上部进气下部出气时，推动汽缸活塞向下运动实现弹跳。 

微型丝杠19与两个移动框架内侧板13连接的两端上的螺纹方向相反，移动框架内侧板中心孔内设计有螺纹并与微型丝杆上的螺纹相一致；微型电机16的运转带动小带轮17的转动，通过传送带的传动实现固定在微型丝杠上19的大带轮18的转动，移动框架内侧板13在丝杠的驱动下可以实现整个移动框架向中心或者向两端运动，进而调节与移动框架相连接的轻质轮之间的间距。 

所述的轻质轮由内侧轮毂20、外侧轮毂22和轮间填充泡沫21三部分构成。 

本实用新型工作时，具体过程如下： 

跳跃机器人移动主要依靠轮式运动，当机器人自带的传感器检测到障碍物时，将检测到的信号传输给控制器实现机器人的弹跳。 

起跳阶段：控制器将信号传输给弹跳机构，一方面通过安装于汽缸一侧的微型舵机转动带动传动杆来调整汽缸的状态实现起跳角度的调节。另一方面针刺式调压阀旋进二氧化碳钢瓶并将高压二氧化碳气体转化为适当压强，减压后的气体通过软管接于两位五通电磁阀的进气口，气体由微型电磁阀的导通来通过微型电磁阀，微型电磁阀另一端有四个接口，两两一组分别接于两个汽缸的上下进出气口，当汽缸上部进气下部出气，可以推动汽缸内部活塞向 下运动，通过调整微型电磁阀的开关时间来协调控制两个汽缸弹跳状态和弹跳高度，实现机器人的弹跳。 

空中姿态调节：当机器人整体位于空中时，微型电磁阀可通过换向使汽缸的下部进气上部出气，实现汽缸活塞的收缩，同时可通过安装的对应传感器来测量机器人的空中位姿，通过调节轮间距以及控制对应轮子转动速度的大小来辅助调整机器人的空中姿态。 

落地姿态调整：当机器人降落时，由于整体内部结构较为集中，因此机器人可以完全依靠两个较大的轮子着地，此时轮子间的轮间填充泡沫突出且耐冲压，可起到一定的的缓冲的作用，实现较为平稳的落地。同时由于钢瓶等重物安装位置偏向下部，使整个机器人的重心位于机器人的下部，从而使机器人在着陆后可以很快实现运动状态恢复，并可完全实现连续弹跳。 

本实用新型整体的有益效果： 

（1本实用新型采用长行程双作用汽缸为新型动力机构进行弹跳，其具有结构简单、反应速度快、弹跳效果好等优点，整体性能优于其他弹跳动力源，完全可以实现连续、高效弹跳； 

（2本实用新型采用新型液态二氧化碳作为驱动气源，高效而又环保，同时摒弃了传统气动元件的以大型气泵为驱动源的移动不便的缺点，实现了小巧、轻便化的弹跳； 

（3本实用新型跳跃机器人起跳角度可控，增强了机器人的灵活性和适应性，扩大了机器人的活动范围； 

（4本实用新型机械结构整体设计简单、实用，减少了各个部件之间不必要的传动装置，做到了整体的精简和轻量化。 

附图说明：

图1是本实用新型外部框架结构示意图； 

图2是本实用新型内部结构示意图； 

图3是本实用新型移动框架内侧板（图左和移动框架外侧板（图右结构示意图； 

图4是本实用新型汽缸固定框架内、外侧板结构示意图； 

图5是本实用新型汽缸角度调节图； 

图6是本实用新型整体结构示意图； 

图中，1-蜗轮蜗杆电机、2-电机轴承、3-电机联轴器、4-移动框架外侧板、5-移动框架 光轴、6-舵机曲柄、7-传动杆、8-微型舵机、9-双作用汽缸、10-锁紧扣、11-固定框架外侧板、12-固定框架内侧板、13-移动框架内侧板、14-固定框架光轴、15-电机固定板、16-微型电机、17-小带轮、18-大带轮、19-微型丝杠、20-内侧轮毂、21-轮间填充泡沫、22-外侧轮毂、23-汽缸脚垫、24-钢瓶、25-调压阀、26-钢瓶固定扣、27-固定平台。 

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。 

参照图1、2，起跳角度可调的轮式跳跃机器人的弹跳机构，其内部有两个汽缸固定框架，在固定框架中固定框架外侧板11和固定框架内侧板12固定连接，双作用汽缸9上部由锁紧扣10固定于固定框架内侧板12和固定框架外侧板11之间，汽缸活塞杆的下部安装有汽缸脚垫23；两个汽缸固定框架均有固定框架光轴穿过；并均与固定框架光轴14固连，且两个固定框架内侧板12相对，两个固定框架外侧板11均位于外侧；四根固定框架光轴14分别穿过固定框架内侧板12的四角上的圆孔，固定框架光轴14两端分别固定于固定框架外侧板11上，从而形成整体固定框架。 

双作用汽缸9顶端一侧的微型舵机8固定在固定框架外侧板11上，微型舵机8的输出端穿过固定框架外侧板上圆孔，并通过自带的舵机曲柄6与传动杆7活动连接，传动杆7的另一端接于汽缸下部的锁紧扣10；双作用汽缸上部的锁紧扣10通过两端旋进的销钉将双作用汽缸9固定，销钉的两端分别插入固定框架内侧板12、固定框架外侧板11的固定孔，使得双作用汽缸9的上部固定；双作用汽缸下部的锁紧扣10两端的销钉将双作用汽缸9下部固定，销钉的两端分别插入到固定框架内侧板12、固定框架外侧板11的下部的弧形凹槽，双作用汽缸下部的锁紧扣10上的销钉沿弧形凹槽滑动，调整双作用汽缸9的起跳角度。 

用于盛放气体的钢瓶24通过钢瓶固定扣26固定在固定框架一侧的固定框架光轴14上，调压阀25旋进钢瓶口，调压阀25的接口通过软管与微型电磁阀进气口相连接，微型电磁阀的出气口通过软管分别与双作用汽缸9的进气口和出气口相连接；钢瓶24内装有高压二氧化碳气体，通过对应的微型调压阀25的减压可使气体压强减小到0.5MPa-0.7MPa，微型电磁阀采用两位五通电磁阀，该电磁阀具有一个进气口四个出气口，四个出气口分别控制两个汽缸9的进气口和出气口，电磁阀控制当汽缸上部进气下部出气时，推动汽缸活塞向下运动实现弹跳。 

两个汽缸固定框架之间的光轴上安装有电机固定板15，电机固定板15上固定有微型电机16，微型电机16的输出端上套有小带轮17，小带轮17通过传送带与大带轮18进行传动， 大带轮18与小带轮17水平位置相一致，大带轮18的中心位置固定有微型丝杆19，通过销钉穿过所述的固定框架内侧板上圆孔并分别旋进所述的微型丝杠的两端，使整个丝杠固定在两侧的固定框架内侧板12上，并可在固定框架内侧板圆孔上自由转动；在所述的两个固定框架内侧板12之间连接有两个移动框架的移动框架内侧板13，两个固定框架外侧板11的外侧设置有移动框架外侧板4，每一侧的移动框架内侧板13和移动框架外侧板4之间分别通过移动框架光轴5固定连接构成一个移动框架；微型丝杠19旋进两个移动框架内侧板13的中心孔，微型丝杠19与两个移动框架内侧板13连接的两端上的螺纹方向相反，移动框架内侧板中心孔内设计有螺纹并与微型丝杆上的螺纹相一致；微型电机16的转动带动小带轮17的转动，通过传送带的传动实现固定在微型丝杠上19的大带轮18的转动，移动框架内侧板13在丝杠的驱动下可以实现整个移动框架左右移动。 

移动框架外侧板4的内侧安装有蜗轮蜗杆电机1，电机的输出端穿过移动框架外侧板中心孔并套有联轴器3，并通过电机轴承2与轻质轮相连接。轻质轮由内侧轮毂20、外侧轮毂22和轮间填充泡沫21三部分构成。 

参照图3、起跳角度可调的轮式跳跃机器人的弹跳机构的内侧板13、移动框架外4分别由左右两图表示，两者四角各设计有安装对应光轴的圆孔，其中移动框架内侧板13中心孔内设计有螺纹，并与微型丝杠19上的螺纹相一致，辅以固定在微型丝杠上的大带轮，通过微型电机16带动小带轮17的转动，以及传送带的传动实现固定在微型丝杠上19的大带轮18的转动，移动框架内侧板13在丝杠的驱动下可以实现整个移动框架左右移动。从而可以通过对伸缩电机16的控制来驱动微型丝杆19的转动，实现移动框架在固定框架上的滑动。移动框架外侧板4中心设计有凸起和安装孔便于蜗轮蜗杆电机1和轻质滚动轮的安装。 

参照图4、固定框架内侧板12和固定框架外侧板11上四角均设计有圆孔，用于安装对应的固定光轴。中上部位置设计有固定孔，双作用汽缸9上部的汽缸锁紧扣10通过两端旋进的销钉将双作用汽缸9锁紧，销钉两端插入固定框架内侧板12、固定框架外侧板11的固定孔，使得双作用汽缸的上部固定；下部设计有一弧形凹槽，双作用汽缸9下部的汽缸锁紧扣10通过两端的销钉将双作用汽缸9锁紧，销钉的两端插入到固定框架内侧板12、固定框架外侧板11的下部的弧形凹槽，使其下部可在凹槽内部滑动。弧形凹槽的下部设计有丝杠固定孔，可通过销钉穿过该孔旋进微型丝杠19的一端，实现对微型丝杠19的固定。 

参照图5，双作用汽缸9顶端一侧的微型舵机8固定在固定框架外侧板11上，微型舵机8的输出端穿过固定框架外侧板上圆孔，并通过自带的舵机曲柄6与传动杆7活动连接，传动杆7的另一端接于汽缸下部的锁紧扣10；双作用汽缸9上部的汽缸锁紧扣10通过两端旋 进的销钉将双作用汽缸9锁紧，销钉两端插入固定框架内侧板12、固定框架外侧板11的固定孔，使得双作用汽缸的上部固定；双作用汽缸9下部的汽缸锁紧扣10通过两端的销钉将双作用汽缸9锁紧，销钉的两端插入到固定框架内侧板12、固定框架外侧板11的下部的弧形凹槽位置；舵机曲柄6、传动杆7、微型舵机8和双作用汽缸9构成双摇杆机构，传动杆7相当于主动杆，汽缸9相当于被动摇杆，汽缸9可以在舵机的控制下以固定框架上的固定点为圆心，沿着固定框架弧形凹槽滑动，实现角度的调节。控制器通过对舵机的控制可以实现对应汽缸-15—15度的调节，扩大了机器人的活动范围。汽缸在二氧化碳的为动力源的驱动下，汽缸活塞向下运行最大行程可达100mm，完全可以实现机器人的高效率弹跳。当机器人调节到所需的弹跳角度后，控制器通过控制电磁阀的导通与闭合时间，可以实现对弹跳高度的控制。 

参照图6、起跳角度可调的轮式跳跃机器人的弹跳结构的各个部分通过合理的组装和固定后的总体结构图。其中固定框架和移动框架的上部设计有固定平台27，便于相关控制器件的安装于固定，使结构更加美观、合理。整个机构可通过相关器件的安装及配重使弹跳结构的双作用汽缸9呈竖直状态，便于机器人起跳的调节和控制。 

Claims (6)

1.起跳角度可调的轮式跳跃机器人的弹跳机构，其特征在于：其内部包括有两个汽缸固定框架，在汽缸固定框架中固定框架外侧板（11）与固定框架内侧板（12）固定连接，双作用汽缸（9）上部由锁紧扣（10）固定于固定框架内侧板（12）和固定框架外侧板（11）之间，汽缸活塞杆的下部安装有汽缸脚垫（23）；所述的两个汽缸固定框架均有固定框架光轴穿过；且所述的汽缸固定框架均与固定框架光轴（14）固连，两个固定框架内侧板（12）相对，两个固定框架外侧板（11）均位于外侧； 

双作用汽缸（9）顶端一侧的微型舵机（8）固定在固定框架外侧板（11）上，微型舵机（8）的输出端穿过固定框架外侧板上圆孔，并通过自带的舵机曲柄（6）与传动杆（7）活动连接，传动杆（7）的另一端接于汽缸下部的锁紧扣（10）；双作用汽缸（9）上部的锁紧扣（10）通过两端旋进的销钉将双作用汽缸（9）锁紧，销钉两端分别插入固定框架内侧板（12）、固定框架外侧板（11）上的固定孔，使得双作用汽缸的上部固定；双作用汽缸（9）下部的锁紧扣（10）通过两端旋进的销钉将双作用汽缸（9）锁紧，销钉的两端分别插入到固定框架内侧板（12）、固定框架外侧板（11）的下部的弧形凹槽，所述的销钉沿所述的弧形凹槽滑动，从而调整双作用汽缸的起跳角度； 

用于盛放气体的钢瓶（24）通过钢瓶固定扣（26）固定在固定框架一侧的固定框架光轴（14）上，调压阀（25）旋进钢瓶口， 调压阀（25）的接口通过软管与微型电磁阀进气口相连接，微型电磁阀的出气口通过软管分别与双作用汽缸（9）的进气口和出气口相连接； 

在所述的两个汽缸固定框架之间的光轴上安装有电机固定板（15），电机固定板（15）上固定有微型电机（16），微型电机（16）的输出端上套有小带轮（17），小带轮（17）通过传送带与大带轮（18）进行传动，大带轮（18）与小带轮（17）水平位置相一致，大带轮（18）的中心位置固定有微型丝杆（19），通过销钉穿过两侧的固定框架内侧板上圆孔并分别旋进所述的微型丝杠的两端，使整个丝杠固定在两侧的固定框架内侧板（12）上，并可在固定框架内侧板圆孔上自由转动；在所述的两个固定框架内侧板（12）之间分别连接有两个移动框架内侧板（13），在所述的两个固定框架外侧板（11）的外侧设置有移动框架外侧板（4），每一侧的移动框架内侧板（13）和移动框架外侧板（4）之间分别通过移动框架光轴（5）固定连接构成一个移动框架；所述的微型丝杠（19）旋进所述的两个移动框架内侧板（13）的中心孔，通过对丝杠旋转方向的控制使移动框架内侧板左右移动，进而带动两个移动框架向中心或者向两端运动；所述的移动框架光轴（5）的两端固定在所述的固定框架外侧板（11）和固定框架内侧板上（12）； 

移动框架外侧板（4）的内侧安装有电机（1），蜗轮蜗杆电机的输出端套有联轴器（3）穿过移动框架外侧板的中心孔，并通 过电机轴承（2）与轻质轮相连接。 

2.根据权利要求1所述的起跳角度可调的轮式跳跃机器人的弹跳机构，其特征在于：所述的固定框架光轴（14）的数量为四根，四根固定框架光轴（14）分别穿过固定框架内侧板（12）的四角上的圆孔，固定框架光轴（14）两端分别固定于固定框架外侧板（11）上，从而形成完整内部固定框架。 

3.根据权利要求1所述的起跳角度可调的轮式跳跃机器人的弹跳机构，其特征在于：微型舵机（8）、舵机曲柄（6）、传动杆（7）和双作用汽缸（9）构成双摇杆机构，传动杆（7）相当于主动杆，汽缸（9）相当于被动摇杆，汽缸（9）可以在微型舵机（8）的控制下以固定框架上的固定点为圆心，沿着固定框架弧形凹槽滑动。 

4.根据权利要求1所述的起跳角度可调的轮式跳跃机器人的弹跳机构，其特征在于：钢瓶（24）内装有高压气体，通过对应的微型调压阀（25）的减压可使气体压强减小到0.5MPa-0.7MPa，微型电磁阀采用两位五通电磁阀，该电磁阀具有一个进气口和四个出气口，四个出气口分别控制两个汽缸（9）的进气口和出气口，电磁阀控制汽缸上部进气下部出气时，推动汽缸活塞向下运动实现弹跳。 

5.根据权利要求1所述的起跳角度可调的轮式跳跃机器人的弹跳机构，其特征在于：微型丝杠（19）与两个移动框架内侧板（13）连接的两端上的螺纹方向相反，移动框架内侧板中心孔内 设计有螺纹并与微型丝杆上的螺纹相一致；微型电机（16）的运转带动小带轮（17）的转动，通过传送带的传动实现固定在微型丝杠上（19）的大带轮（18）的转动，移动框架内侧板（13）在丝杠的驱动下可以实现整个移动框架向中心或者向两端运动，进而调节与移动框架相连接的轻质轮之间的间距。 

6.根据权利要求1所述的起跳角度可调的轮式跳跃机器人的弹跳机构，其特征在于：所述的轻质轮由内侧轮毂（20）、外侧轮毂（22）和轮间填充泡沫（21）三部分构成。 

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