CN101850794A - 一种蛙式跳跃机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蛙式跳跃机器人，电机作为动力元件，超越离合器与齿形带等装置作为传动机构，滑块通过传动装置在电机的驱动下可以在导轨上运动，机器人双腿则在滑块的驱动下进行伸展与收缩从而完成跳跃动作。机器人起跳后，马上将双腿缩回，进行空中姿态调整，在着陆瞬间利用自身重力势能与动能使双腿完全收缩，再一次进行姿态调整。本发明提高了动力元件的能量利用率，在跳跃过程中实现了能量的回收与再利用，增加了机器人的柔性，提升了机器人的跳跃能力。

Description

一种蛙式跳跃机器人

技术领域

本发明涉及机器人装置，尤其涉及一种可跳跃的机器人装置。

背景技术

随着机器人技术的不断发展，在面对恶劣的环境和复杂的地形时，运用机器人的弹跳功能来增强其地形适应和自主运动的能力，是近年来发展较快的一种机器人技术。具有弹跳性能的机器人目前在国际尚处于研究阶段，在国内也仅有个别院校进行相关研究。由于此类机器人研制难度很大，涉及的很多关键技术保密性很强，故公开资料很少。

国际上，最早的弹跳机器人由Raibert于1980年在麻省理工学院机器人实验室研制成功，该机器人属于连续性跳跃机构，Raibert分析了单足跳跃机器人的起跳姿态控制以及落地时的组空定位算法问题，目前已取得了一些理论研究成果，在实验室中已实现自主稳定跳跃、越障等功能。

在国内，2003年初，南京航空航天大学主要对国际上现已公布的跳跃机器人方案进行***的研究，并根据部分理论做出了几个跳跃机器人的样机。最近几年，西北工业大学和哈尔滨工业大学也开展了相关的项目研究，前者主要进行仿袋鼠跳跃机器人的研究，后者主要进行防蝗虫跳跃机器人的研究，两者都运用国际上较为成熟的跳跃理论进行了相关分析。

发明专利申请号为ZL200810017792.8的专公开了一跳跃机器人动力***，将无刷直流电机与齿轮泵相连，齿轮泵的进油口与油箱相连，齿轮泵的出油口与二位四通点此换向阀的A口相连，二位四通电磁换向阀的B口接入油箱，二位四通点此换向阀的P口与液压缸的上腔口连接，点此换向阀的T口与液压缸的下腔口连接；其中液压缸的上腔内安装有弹簧，弹簧一端抵靠在液压缸上内壁，另一端抵靠在液压缸活塞上臂上。

该方案存在以下几方面尚需完善：

1、动力***工作时，需要通过油管与油箱相连，油管的长度限制了机器人活动的范围。

2、齿轮泵、电磁阀等元件耗能太多，降低了能量的利用率。

3、液压缸的质量很大，同时液压缸在工作时，其内部充满了油，进一步增大了其质量，安装在机器人身体上势必增加机器人的整体质量，降低了跳跃的高度和距离。

4、活塞的机械运动范围受液压缸腔空间的制约，从而限制了机器人腿部的运动范围。

发明内容

为了使机器人在跳跃过程中能够获得较大爆发力，提高机器人的活动范围，提高动力***能量利用率，并且实现动力***对能量的回收与再利用等问题，本发明提供了一种蛙式跳跃机器人，它的动力***具有低功耗的特点，能够在跳跃过程中将其他形式的能量回收到储能元件，并且进行再次利用，同时本机器人结构简单，并且能够控制机器人双腿同步工作，提高了机器人跳跃的平稳性，适合于进行连续跳跃。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种蛙式跳跃机器人，其特征在于，包括：

一动力机构，由编码器、电机、左右髋关节、双向超越离合器、齿形带、带轮、滑动杆、弹簧、导轨和滑块组成。在电机与双向超越离合器通过联轴器同轴相连，双向超越离合器上装有齿形带，齿形带的另一端装有带轮，带轮和增量式编码器同轴相连。齿形带的下端和滑动杆固结，滑动杆两端分别和滑块相连，滑块套于导轨上，在滑块和髋关节中间连有弹簧。电机通过双向超越离合器带动齿形带转动，齿形带进而带动滑杆前后运动。

两腿部机构，分别与动力机构的左右髋关节和滑块相连，由大腿、大腿连杆、斜撑杆、中间关节、膝关节、小腿连杆、小腿和踝关节组成，大腿上端和髋关节相连，下端与膝关节相连，中间连杆上端与滑块相连，下端与中间关节相连，中间关节位于大腿中部，小腿上端与膝关节相连，下端与踝关节相连，大腿连杆两端分别铰接于中间关节和膝关节，小腿连杆两端分别铰接于膝关节和踝关节；

两脚部机构，分别与双腿的踝关节相连，采用扇形结构，底部粘贴有足垫和压力传感器。

一处理器，分别与电机、编码器、压力传感器相连，通过计算编码器与压力传感器反馈的信号，控制电机的运动。

本发明采用电机作为动力元件，并且利用电机直接驱动储能元件。作为本发明的优选方案，本机构电机采用伺服电机，其自身具有电流反馈、转速反馈与位置反馈功能，提高了控制的准确性与稳定性，并且其还具有自锁功能，可以使拉力弹簧保持形变，实现储能元件实现对能量的存储。其有益效果是精简了动力***的机械结构，提高了能量利用率，提高了动力机构控制的精确性。

本发明采用超越离合器作为电机与拉力弹簧的传动元件，当电机逆时针旋转时，超越离合器处于“同步”状态，沿逆时针方向传递扭矩；当电机自锁时，超越离合器在顺时针方向处于“同步”状态，在逆时针方向处于“超越”状态，其此时可在逆时针方向下受外力旋转；当电机顺时针旋转某一角度时，双向超越离合器在顺时针方向处于“超越”状态，使拉力弹簧脱离电机控制，恢复形变，此时其将沿顺时针方向旋转。其有益效果是可以人为随意控制储能元件的储能与释能动作，增加了动力***控制的精确性。

本发明采用的弹簧为拉力弹簧，拉力弹簧可作为作为动力***的储能元件，弹簧质量轻，并且能够在瞬间提供较大的爆发力，而且弹簧的可控性很强，可以在任意时刻对其进行压缩。增加了动力机构的可控性。

本发明采用编码器作为滑块的的速度检测与位置检测元件，其通过检测带轮旋转的圈数与转速，将信号传送给处理器，处理器对其进行处理后可计算出滑块当前运动的位置与速度，进而推算出机器人双腿当前的姿态与运动趋势，增加反馈环节，构成位置和速度的闭环控制***，增加了动力***控制的精确性，提升了控制效果。

本发明中滑动杆的两端分别连接左右两个滑块，即使用一根滑动杆同时控制两个滑块同步运动，从而保证了机器人两腿动作的协调同步。其有益效果是使跳跃运动更加稳定，增加了机器人的稳定性。

本发明在机器人脚底装有压力传感器，其将机器人脚底的压力信号传送给处理器，处理器根据当前机器人脚底的压力信号判断当前机器人处于跳跃过程中的何种运动状态。处理器可以感知机器人“地面起跳阶段”、“空中飞行阶段”、“着陆阶段”的不同运动状态，为相关的控制提供了信息。

本发明在起跳离开地面后，立即进行空中姿态调整，将完全伸展的双腿收回至某一特定姿态。提高了机器人跳跃的离地高度，增强了机器人的越障能力。

本发明在着陆瞬间利用自身的重力势能与动能使拉力弹簧完全拉伸，从而完成腿部机构的完全收缩。其有益效果是，将自身的重力势能和动能回收，以弹性势能的方式储存在拉力弹簧中，实现了能量的回收与再利用，同时有效地缓解了落地瞬间的刚性冲击。

本发明工作时，具体过程如下：

1、蓄力阶段：电机逆时针旋转，超越离合器处于“同步”状态，在逆时针方向传递扭矩，通过带轮带动齿形带逆时针旋转，此时滑动杆向远离电机方向运动，滑块在导轨上在滑动杆的作用下拉伸拉力弹簧，腿部结构在滑块的作用下开始收缩。编码器将滑块的位置信号和速度信号反馈给处理器，压力传感器将机器人脚底压力信号反馈给处理器。当滑块运动至最远端时，拉力弹簧具有最大形变量，腿部已完成全部收缩动作，处理器根据反馈的信号判断出腿部已完全收缩，从而控制电机自锁。至此，机器人处于蓄势待发状态

2、地面起跳阶段：电机顺时针旋转一定角度，超越离合器在顺时针方向处于“超越”状态，整个传动***不再受电机约束，弹簧迅速恢复形变，滑块迅速向前方滑动，腿部机构在滑块的带动下迅速伸展。处理器根据传感器反馈的信号，确定当前机器人的运动状态为“地面起跳阶段”。当拉力弹簧已完全恢复形变时，滑块运动至导轨最前端，此时腿部机构已完全伸展，机器人腾空而起。

3、空中姿态调整阶段：离地瞬间，机器人足底的压力传感器将离地信号传给处理器，处理器控制电机逆时针旋转，超越离合器在逆时针方向处于“同步”状态，传递电机扭矩，使滑动杆在齿形带的带动下向前支架方向运动，同时滑块拉伸拉力弹簧，并且腿部机构在滑块的带动下开始收缩。当滑块运动至距离前支架一定位置时，编码器将滑块位置信号传给处理器，处理器控制电机自锁，此时机器人在空中完成半收腿动作。

4、着陆姿态调整阶段：着陆瞬间，机器人脚底的压力传感器将着陆信号传给处理器，处理器控制电机继续自锁，超越离合器在顺时针方向处于“同步”状态，在逆时针方向处于“超越”状态。机器人在着陆过程中利用自身重力使腿部机构完成继续收缩动作，此时滑块在腿部机构的作用下继续向前支架方向运动，同时齿形带在滑动杆的带动下顺时针方向旋转。当腿部在自身重力作用下完全收缩时，滑块已运动至导轨最远端，此时机器人着陆姿态调整阶段结束。

本发明与现有的跳跃机器人相比，可以取得如下有益效果：

本发明精简了动力***的机械结构，通过减少***中耗能元件的数量，从而提高了***的能量利用率。

本发明通过电机与超越离合器的相互配合，可以人为随意控制储能元件的储能与释能动作，提高了***的可控性与精确性。

本发明通过压力传感器可以感知机器人的不同运动状态，为相关的控制提供了信息。最后，本发明通过空中姿态调整，提高了机器人跳跃的离地高度，进而增强了越障能力；通过着陆姿态调整，实现了能量的回收与再利用，同时有效地缓解了落地瞬间的刚性冲击，从而增加了跳跃的稳定性。

附图说明

图1为一种蛙式跳跃机器人结构示意图

图2为一种蛙式跳跃机器人脚部压力传感器示意图

图3为一种蛙式跳跃机器人完全收缩示意图

图4为一种蛙式跳跃机器人完全伸展示意图

图5为蛙式跳跃机器人控制流程图

图6为蛙式跳跃机器人动力***工作流程图

图7为蛙式跳跃机器人跳跃过程示意图

图8为蛙式跳跃机器人跳跃状态转移图

图9为蛙式跳跃机器人跳跃过程分解图

图中，1-后支架；2-髋关节，2.1-髋关节套筒2.2-髋关节下套筒；3-电机；4-电机座；5-联轴器；6-超越离合器；7-离合器座；8-齿形带；9-拉力弹簧；10-滑块；11-滑杆套筒；12-滑动杆；13-连接件；14-导轨；15-导轨套筒；16-前支架；17-带轮座；18-带轮；19-联轴器；20-编码器；21-编码器座；22-铰链座；23-中间杆套筒；24-中间杆；25-中间关节，25.1-中间关节上套筒，25.2-中间关节下套筒；26-大腿；27-大腿连杆；28-膝关节，28.1-膝关节上套筒，28.2-膝关节下套筒；29-小腿连杆；30-小腿；31-踝关节；32-脚部；33-足垫；34-压力传感器。注：由于机器人身体具有左右对称性，为避免重复表示，在图中以字母A表示机器人左侧对称结构，以字母B表示机器人右侧对称结构

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明做进一步说明。

装置实施例：如图1所示，本发明的一种蛙式跳跃机器人，包括：一动力机构：主要由电机3、超越离合器6、齿形带8、带轮18、编码器20、滑动杆12、滑块10、导轨14和拉力弹簧9组成。后支架1上装有电机座4和离合器座7，电机3和超越离合器6分别固定于电机座4和离合器座7，电机3与超越离合器6通过联轴器5同轴相连。后支架1两端分别和髋关节套筒2.1固接。前支架16上装有编码器座21和带轮座17，编码器20和超越离合器6分别固定于编码器座20和带轮座17，带轮18与超越离合器6通过齿形带8相连。前支架16两端分别固接于导轨套筒15。导轨14两端分别周向固定于髋关节套筒2.1和导轨套筒15。在导轨14上套有拉力弹簧9，其两端分别与髋关节套筒2.1和滑块10相连，滑块10下部与滑杆套筒11固接，滑杆套筒11与滑动杆12两端周向固接。在滑动杆12中部装有连接件13，其将齿形带8下端与滑动杆12固定。滑杆套筒11下端与铰链座22固接，铰链座22与中间杆套筒23铰接，中间杆24上端周向固定于中间杆套筒23，下端周向固定于中间关节上套筒25.1，中间关节下套筒25.2周向固定于大腿26中部，大腿26上端周向固定于髋关节下套筒2.2，下端周向固定于膝关节上套筒28.1，大腿连杆27上端铰接于中间关节上套筒25.1，下端铰接于膝关节下套筒28.2，小腿30上端周向固定于膝关节下套筒28.2，下端周向固定于踝关节上套筒31.1，小腿连杆29上端铰接于膝关节上套筒28.1，下端铰接于踝关节下套筒31.2，脚部32上端固接于踝关节下套筒31.2，在脚部32底侧装有足垫33，在足垫33和脚部32中间装有压力传感器34，如图2所示。

如图3所示，蛙式跳跃机器人完全收缩，此时电机3自锁，超越离合器6在顺时针方向处于“同步”状态，滑块10已运动至导轨14最远端，拉力弹簧9达到最大型变量，髋关节2、膝关节28和踝关节31张开的角度达到最小值，机器人双腿已经完全收缩，重心降至最低处。

如图4所示，蛙式跳跃机器人完全伸展，在此时刻，滑块10已运动至离髋关节2最近距离处，拉力弹簧9已经完全恢复形变，髋关节2、膝关节28和踝关节31张开的角度达到最大值，机器人双腿已经完全伸展，重心升值最高处。

参照图5，蛙式跳跃机器人控制流程图，***上电后首先进行初始化，同时机器人身体完全收缩，如果此时控制器接到起跳命令，则机器人进行地面起跳动作，否则等待命令，当起跳后处理器会根据机器人脚底的压力传感器信号判断机器人是否完成起跳动作，如果已完成起跳动作，则进行空中姿态调整。在空中姿态调整过程中，处理器会根据当前腿部姿态判断机器人是否完成姿态调整，如果没有完成调整动作，则机器人将继续进行调整。当完成姿态调整后，处理器则根据机器人脚底的压力信号判断机器人是否已经开始着陆，如果机器人已经开始着陆，则机器人进行着陆姿态调整。当机器人完成姿态调整动作后，其身体姿态又恢复到完全收缩状态，此时，第一个跳跃周期已经结束，机器人开始进入下一个跳跃周期，准备接收新的起跳命令。

如图6所示，为蛙式机器人动力***工作流程图，控制器控制伺服电机运动，同时伺服电机通过编码器1(伺服电机自带编码器)将自身转速信号反馈给控制器，滑块经过传动装置在电机的驱动下在导轨上运动，同时编码器2(图1中编号为20所示编码器)检测滑块运动的位置与速度信息，并将其反馈给控制器，机器人双腿在滑块的驱动下进行伸展与收缩运动，其实际的效果为机器人由地面向空中进行跳跃运动，此时机器人脚部的压力传感器将机器人的足底的压力信号反馈给处理器。处理器通过编码器1、编码器2和压力传感器反馈的信息，判断当前机器人的运动状态，从而使电机按照控制要求进行工作，进而使机器人完成一次完整的跳跃过程，如图7所示。

如图8所示，一次跳跃结束后，机器人将进行下一次跳跃，在每次的跳跃的过程中，机器人的运动状态都分为“地面起跳”、“空中姿态调整”和“着陆姿态调整”三个状态，机器人连续跳跃的过程其本质就是这三个状态不断循环的过程，在每一次的跳跃过程中，控制器都会根据当前状态反馈的信息控制机器人的动作，从而使跳跃过程顺利完成。

如图9中a至b，当机器人储能完毕，腿部完全收缩(如图中a所示)时，若机器人接到起跳命令，则电机顺时针旋转一定角度，超越离合器处于在逆时针方向处于“超越”状态，整个传动***不再受电机约束，弹簧迅速恢复形变，滑块迅速向前方滑动，腿部机构在滑块的带动下迅速伸展。处理器根据传感器反馈的信号，确定当前机器人的运动状态为“地面起跳阶段”。当拉力弹簧已完全恢复形变时，滑块运动至导轨最前端，此时腿部机构已完全伸展，机器人整个机体与地面之间靠脚部前端的脚趾接触(如图中b所示)。

如图9中b至c，机器人起跳后，电机立即逆时针旋转，此时双向超越离合器在逆时针方向处于“同步”状态，超越离合器将电机扭矩传递给齿形带，齿形带逆时针旋转，此时滑动杆向前运动，滑块在导轨上在滑动杆的作用下拉伸拉力弹簧，腿部结构在滑块的作用下开始收缩。处理器根据增量式编码器和压力传感器反馈的信号，将机器人当前的运动状态确定为“空中姿态调整阶段”。电机控制滑块运动至导轨上某一位置后，电机自锁，机器人整个身体保持在某一特定姿态(如图中c所示)。

参照图9中d至e，机器人在着陆瞬间，电机继续自锁，超越离合器在顺时针方向处于“同步”状态，在逆时针方向处于“超越”状态。机器人着陆时将脚部受到的竖直向上的支持力转化为滑块沿导轨方向的拉力，滑块沿导轨向前运动。处理器根据增量式编码器和压力传感器反馈的信号，将机器人当前的运动状态确定为“着陆姿态调整阶段”。当腿部完全收缩时，滑块运动至导轨最远端，拉力弹簧具有最大形变量，着陆姿态调整阶段结束(如图中e所示)。

Claims (3)

1.一种蛙式跳跃机器人，其特征包括：

一动力机构，由编码器、电机、左右髋关节、双向超越离合器、齿形带、带轮、滑动杆、弹簧、导轨和滑块组成。在电机与双向超越离合器通过联轴器同轴相连，双向超越离合器上装有齿形带，齿形带的另一端装有带轮，带轮和增量式编码器同轴相连。齿形带的下端和滑动杆固结，滑动杆两端分别和滑块相连，滑块套于导轨上，在滑块和髋关节中间连有拉力弹簧。

两腿部机构，分别与动力机构的左右髋关节和滑块相连，由大腿、大腿连杆、斜撑杆、中间关节、膝关节、小腿连杆、小腿和踝关节组成，大腿上端和髋关节相连，下端与膝关节相连，中间连杆上端与滑块相连，下端与中间关节相连，中间关节位于大腿中部，小腿上端与膝关节相连，下端与踝关节相连，大腿连杆两端分别铰接于中间关节和膝关节，小腿连杆两端分别铰接于膝关节和踝关节；

两脚部机构，分别与双腿的踝关节相连，采用扇形结构，底部粘贴有足垫和压力传感器。

一处理器，分别与电机、编码器、压力传感器相连。

2.根据权利要求1所述的蛙式机器人的动力机构，其特征在于：所选用的弹簧为拉力弹簧。

3.根据权利要求1所述的蛙式机器人的动力机构，其特征在于：所选用的电机为伺服电动机。

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