CN111591369B - 一种储能大小和起跳角度可控的跳跃机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种储能大小和起跳角度可控的跳跃机器人，包括机架、可控收卷/松放单元、跳跃腿单元、调姿腿单元。其中可控收卷/松放单元可将主驱动器沿两个方向的转动分别用于拉线轮对拉线的收卷和松放。跳跃腿单元位于机架后部，包括两个结构相同的分支，每个分支由连接板、支撑杆、脚杆、小腿杆、大腿杆和储能弹簧组成，其中支撑杆与脚杆、小腿杆、大腿杆共同构成平面四杆机构，储能弹簧两端分别与支撑杆和小腿杆相连，可通过拉线将其拉伸，实现能量的存储。调姿腿单元安装于机架前端，在舵机的驱动下可实现前肢杆相对于机架的摆动，从而改变起跳角度。本发明储能大小和起跳角度可调节，弹跳力具有仿生特性，结构紧凑，控制简单，质量轻便。

Description

一种储能大小和起跳角度可控的跳跃机器人

技术领域

本发明涉及一种跳跃机器人，具体来说，是一种储能大小和起跳角度可控的轻小型仿生跳跃机器人。

背景技术

跳跃机器人可分为非仿生跳跃机器人和仿生跳跃机器人两类，其中非仿生跳跃机器人主要通过利用机械弹性能、化学释放能以及场力作用能实现跳跃运动；仿生跳跃机器人则通过模拟脊椎动物(如袋鼠、夜猴和青蛙等)和无脊椎动物(如蝗虫、沫蝉、跳蚤和叩头甲等)的跳跃机理来达到跳跃的目的。随着研究的不断深入，高度仿生化将是跳跃机器人未来的发展趋势。

***梅隆大学RAIBERT等在弹簧倒立摆模型基础上研制了单足、双足和四足跳跃机器人，并由此开启跳跃机器人的研究序幕。BROWN等提出的平面弓形机器人和三维弓形机器人利用绳索机构在腾空阶段实现弓形腿蓄能并能够通过尾巴实现机体平衡完成连续跳跃。瑞士洛桑联邦理工学院提出的7g仿蝗虫跳跃机器人利用微小型电动机以及减速箱驱动离心凸轮转动，对髋关节处的扭簧进行缓慢加载和快速释放完成跳跃过程。以色列特拉维夫大学模仿沙漠蝗虫的半月板在跳跃中的作用，设计了在关节处利用扭簧蓄能的微小型跳跃机器人。韩国建国大学通过模仿蝗虫起跳过程中股节中拉伸肌和屈曲肌的配合作用，用拉伸弹簧模拟拉伸肌肉，利用钢丝绳模拟屈曲肌并结合微小型电动机、减速齿轮箱和离心凸轮，设计了仿蝗虫跳跃机器人。

现有的跳跃机器人在跳跃可控性上研究甚少，包括对起跳速度、起跳角度和起跳方向的调节，这极大地限制了跳跃机器人的运动灵活性和活动空间的多样性，严重阻碍了其实际应用。目前尚没有能够同时实现起跳速度和起跳角度自主调节的仿生跳跃机器人面世。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种储能大小和起跳角度可控的跳跃机器人，参考四足跳跃生物的生理构造，实现储能大小和起跳角度的可控。

本发明跳跃机器人包括机架以及安装于机架上的可控收卷/松放单元、跳跃腿单元、调姿腿单元。

所述可控收卷/松放单元包括主驱动器、小齿轮、双联齿轮、齿轮轴、大齿轮、销钉、传动轴、圆柱凸轮、触发销、触发销复位弹簧、棘轮、单向轴承、棘爪、拉线轮、限位弹簧与拉线。

其中，主驱动器的输出轴上同轴固定安装小齿轮；传动轴与主驱动器的输出轴同轴固定，传动轴输入端固定大齿轮；输出端固定圆柱凸轮。双联齿轮中的大直径齿轮与小直径齿轮分别与小齿轮和大齿轮啮合。棘轮位于大齿轮与圆柱凸轮之间，通过单向轴承同轴安装于传动轴上；棘爪与棘轮的外齿啮合。当主驱动器正转时，棘轮在单向轴承的带动下正转，此时棘爪可在棘轮的外齿齿背上滑动；当主驱动器停止转动时，棘爪便***棘轮的外齿齿槽中，阻止棘轮因拉线的拉力发生逆转。

触发销的触发端与圆柱凸轮含有曲线轮廓的端面接触，插接端***棘轮端面的通孔内。触发销复位弹簧套在触发销上。拉线轮套在传动轴上，位于棘轮和大齿轮之间；限位弹簧套在传动轴上，两端分别与大齿轮和拉线轮相接。拉线轮上缠绕有两根拉线；两根拉线的固定端分别固定于拉线轮上，另一端分别连接两个跳跃腿单元。拉线轮上还开有用于触发销传入的通孔。

所述两个跳跃腿单元左右对称设置，包括连接板、支撑杆、脚杆、小腿杆、大腿杆和储能弹簧。

其中，支撑杆的A端向上设计有连接头，用于与连接板固连；支撑杆B端向下弯曲。上述连接板固定于机架底面，实现跳跃腿单元与机架间的固定；大腿杆的A端与支撑杆铰接，形成转动副，铰接位置靠近连接头。脚杆分为前中后三段；其中后段端部与支撑杆的B端铰接形成转动副；脚杆的中端向下弯折，前段向上弯折，小腿杆的A端向上弯曲，端部与大腿杆的B端铰接，形成转动副。小腿杆的B端与脚杆铰接，形成转动副。储能弹簧的一端与支撑杆固定，固定位置靠近支撑杆的B端处；储能弹簧的另一端与小腿杆固定，固定位置靠近小腿杆A端处。

所述调姿腿单元安装于机架前部，包括舵机、左前肢杆、右前肢杆、前肢连杆、前肢支座。其中，左前肢杆与右前肢杆左右对称设置，底端之间通过前肢连杆固定；左前肢杆顶端固定于舵机的输出轴上，右前肢杆顶端通过转轴与机架底面安装的前肢支座间转动连接。

本发明跳跃机器人起跳前，圆柱凸轮处于即将越过远休止段的临界状态，触发销的插接端伸入拉线轮上的通孔内，限制了拉线轮的转动；此时由拉线向脚杆施加拉力，拉长支撑杆和小腿杆之间的距离，使储能弹簧压缩变形储能，储能大小可由拉线所对脚杆所施加的压力进行调节。

起跳时，主驱动器通过齿轮系和传动轴带动圆柱凸轮反转，越过圆柱凸轮远休止段；此时触发销在触发销复位弹簧的作用下回弹，离开拉线轮侧面上的通孔，此时拉线轮无约束转动，拉线松放，储能弹簧瞬间释放能量，脚杆前段快速向后下方蹬地，机器人起跳。

跳跃机器人落地时，左前肢杆与右前肢杆可起到一定的缓冲作用；此时主驱动器继续反转，直至触发销被圆柱凸轮推入拉线轮侧面的通孔内；随后主驱动器正转，棘轮在单向轴承的作用下与圆柱凸轮同步同向转动，使触发销带动拉线轮收卷拉线，储能弹簧拉伸到所需长度。最后，前肢杆在舵机的驱动下，控制左前肢杆与右前肢杆前后同步摆动，调整起跳姿态到所需的角度，准备再次起跳。

本发明的优点在于：

1、本发明储能大小和起跳角度可控的跳跃机器人，在满足弹跳力具有仿生特性的同时，实现了储能大小和起跳角度的可控，提高了微小型跳跃机器人对复杂地形的适应性。

2、本发明储能大小和起跳角度可控的跳跃机器人，储能大小和起跳角度可调节，弹跳力具有仿生特性，结构紧凑，控制简单，质量轻便。

附图说明

图1为本发明跳跃机器人的整体结构示意图。

图2为本发明跳跃机器人的可控收卷/松放单元结构示意图。

图3为本发明跳跃机器人的可控收卷/松放单元布局示意图。

图4为本发明跳跃机器人的可控收卷/松放单元装配示意图。

图5为本发明跳跃机器人的跳跃腿单元中左后跳跃腿分支结构示意图。

图6为本发明跳跃机器人的调姿腿单元结构示意图。

图中：

1-机架 2-可控收卷/松放单元 3-跳跃腿单元

4-调姿腿单元 5-电池 6-控制器

201-主驱动器 202-主驱动器支座 203-小齿轮

204-双联齿轮 205-齿轮轴 206-双联齿轮支座

207-大齿轮 208-销钉 209-传动轴

210-传动轴支座 211-圆柱凸轮 212-触发销

213-触发销复位弹簧 214-棘轮 215-单向轴承

216-棘爪 217-棘爪支座 218-拉线轮

219-限位弹簧 220-拉线 301-连接板

302-支撑杆 303-脚杆 304-小腿杆

305-大腿杆 306-储能弹簧 401-舵机

402-舵机支座 403-左前肢杆 404-右前肢杆

405-前肢连杆 406-前肢支座

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供一种储能大小和起跳角度可控的跳跃机器人，如图1所示，包括机架1、可控收卷/松放单元2、跳跃腿单元3、调姿腿单元4、电池5及控制器6。

所述机架1为长方形薄板，材料为碳纤维，其上设计有安装孔，用于固定可控收卷/松放单元2，跳跃腿单元3，调姿腿单元4，前肢支座406以及电池5和控制器6。

所述可控收卷/松放单元2包括主驱动器201、主驱动器支座202、小齿轮203、双联齿轮204、齿轮轴205、双联齿轮支座206、大齿轮207、销钉208、传动轴209、传动轴支座210、圆柱凸轮211、触发销212、触发销复位弹簧213、棘轮214、单向轴承215、棘爪216、棘爪支座217、拉线轮218、限位弹簧219、拉线220，如图2～图4所示。

其中，主驱动器支座202、双联齿轮支座206、传动轴支座210、棘爪支座217均固定于机架1上表面。主驱动器201固定于主驱动器支座202上；主驱动器201的输出轴平行于机架1，输出轴上同轴固定安装小齿轮203。传动轴与主驱动器201的输出轴同轴设置，传动轴的输入端与输出端分别安装于传动轴支座210上；且输入端处通过销钉208同轴固定大齿轮。输出端通过销钉208固定圆柱凸轮211。

双联齿轮204同轴固定安装于齿轮轴205上，齿轮轴205两端分别与双联齿轮支座206两侧相连；且双联齿轮204中的大直径齿轮与小直径齿轮分别与小齿轮203和大齿轮207啮合。

棘轮214位于大齿轮207与圆柱凸轮211之间，通过单向轴承215同轴安装于传动轴209上；棘轮214与单向轴承215外圈固连，单向轴承215内圈与传动轴209固连。

棘爪216固定安装于棘爪轴上，棘爪轴平行于传动轴209设置，分别与棘爪支座217两侧相连，可转动。上述棘爪216与棘轮214的外齿啮合，当主驱动器201正转时，棘轮214在单向轴承215的带动下正转，此时棘爪216可在棘轮214的外齿齿背上滑动；当主驱动器201停止转动时，棘爪216便***棘轮214的外齿齿槽中，阻止棘轮214因拉线的拉力发生逆转。

触发销212为两个，位于圆柱凸轮211和棘轮214之间；两个触发销212对称分布在棘轮轴线两侧，触发端与圆柱凸轮211含有曲线轮廓的端面接触，插接端***棘轮214端面的通孔内。触发销复位弹簧213套在触发销212上，一端与触发销212中部周向的环形台肩接触定位，另一端与棘轮214端面的通孔内的环形台肩接触定位。

拉线轮218同轴空套在传动轴209上，位于棘轮214和大齿轮204之间。限位弹簧219套在传动轴209上，一端与大齿轮204接触限位，另一端与拉线轮218接触限位。拉线220有两根，均缠绕在拉线轮218上。两根拉线的固定端分别固定于拉线轮218周相侧壁上相对位置，并同向缠绕，另一端分别穿过机架1左右两侧上的通孔后，用于连接跳跃腿单元3。上述拉线轮218两侧面周相上等角度间隔开有通孔，用于触发销212穿入。

所述跳跃腿单元3包括左后跳跃腿分支和右后跳跃腿分支，分别对称安装在机架1底面后部左右两侧，位于圆柱凸轮211下方。左后跳跃腿分支和右后跳跃腿分支结构相同，包括连接板301、支撑杆302、脚杆303、小腿杆304、大腿杆305和储能弹簧306，如图5所示。

其中，支撑杆302的A端向上设计有连接头，用于与连接板301固连；支撑杆B端向下弯曲；上述连接板固定于机架1底面，实现跳跃腿单元与机架间的固定。大腿杆305的A端与支撑杆302铰接，形成转动副，铰接位置靠近连接头，此处另该铰接位置为位置a。脚杆303分为前中后三段；其中后段端部与支撑杆302的B端铰接形成转动副，此处令该铰接位置为位置b；脚杆303的中端向下弯折，与后段间形成160度夹角，前段向上弯折，与后段间形成120度夹角。小腿杆304的A端向上弯曲，端部与大腿杆305的B端铰接，形成转动副，此处另该铰接位置为位置d；小腿杆304的B端与脚杆303铰接，形成转动副，铰接位置位于脚杆303后段与中段相接处，此处另该铰接位置为位置c。则通过上述结构，使ab、bc、cd、da四段间形成平行四杆结构。储能弹簧306的一端与支撑杆302固定，固定位置靠近支撑杆201的B端处；储能弹簧306的另一端与小腿杆304固定，固定位置靠近小腿杆A端处。上述结构的两套左后跳跃腿分支和右后跳跃腿分支，分别于前述拉线轮218上缠绕的两根拉线相连。

所述调姿腿单元4安装于机架1前部，包括舵机401、舵机支座402、左前肢杆403、右前肢杆404、前肢连杆405、前肢支座406，如图6所示。

其中，舵机支座402与机架1底面固定，舵机401固定在舵机支座402上，其输出轴平行于机架1，沿左右方向设置。左前肢杆403与右前肢杆404左右对称设置，均为下部向前弯曲的弧形杆。左前肢杆403与右前肢杆403底端之间通过前肢连杆405固定。左前肢杆顶端固定于舵机401的输出轴上，右前肢杆404顶端通过转轴与机架1底面安装的前肢支座406间转动连接。上述转轴与舵机401的输出轴轴线同轴。

上述结构的跳跃机器人起跳前，圆柱凸轮211处于即将越过远休止段的临界状态，即此时触发销212被圆柱凸轮211推出到最远位置，触发销212的插接端伸入拉线轮218上的通孔内，限制了拉线轮218的转动；此时由拉线220向脚杆303施加拉力，拉长支撑杆302和小腿杆304之间的距离，使储能弹簧306压缩变形储能，储能大小可由拉线220所对脚杆303所施加的压力进行调节。

跳跃机器人起跳时，主驱动器201通过齿轮系和传动轴209带动圆柱凸轮211反转，越过圆柱凸轮211远休止段；此时触发销212在触发销复位弹簧213的作用下回弹，离开拉线轮128侧面上的通孔，此时拉线轮无约束转动，拉线松放，储能弹簧306瞬间释放能量，脚杆303前段快速向后下方蹬地，机器人起跳。

跳跃机器人落地时，左前肢杆403与右前肢杆404可起到一定的缓冲作用；此时主驱动器201继续反转，直至触发销212被圆柱凸轮211推入拉线轮218侧面的通孔内。随后主驱动器201正转，棘轮214在单向轴承215的作用下与圆柱凸轮211同步同向转动，使触发销212带动拉线轮218收卷拉线220，储能弹簧306拉伸到所需长度。最后，前肢杆在舵机401的驱动下，控制左前肢杆403与右前肢杆404前后同步摆动，调整起跳姿态到所需的角度，准备再次起跳。

本发明中电池5用于为控制器6提供电压；控制器6分别用于控制主驱动器201和舵机401的转动。

Claims (2)

1.一种储能大小和起跳角度可控的跳跃机器人，其特征在于：包括机架以及安装于机架上的可控收卷/松放单元、跳跃腿单元、调姿腿单元；

所述可控收卷/松放单元包括主驱动器、小齿轮、双联齿轮、齿轮轴、大齿轮、销钉、传动轴、圆柱凸轮、触发销、触发销复位弹簧、棘轮、单向轴承、棘爪、拉线轮、限位弹簧、拉线；

其中，主驱动器的输出轴上同轴固定安装小齿轮；传动轴与主驱动器的输出轴同轴固定，传动轴输入端固定大齿轮；输出端固定圆柱凸轮；双联齿轮中的大直径齿轮与小直径齿轮分别与小齿轮和大齿轮啮合；棘轮位于大齿轮与圆柱凸轮之间，通过单向轴承同轴安装于传动轴上；棘爪与棘轮的外齿啮合，当主驱动器正转时，棘轮在单向轴承的带动下正转，此时棘爪可在棘轮的外齿齿背上滑动；当主驱动器停止转动时，棘爪便***棘轮的外齿齿槽中，阻止棘轮因拉线的拉力发生逆转；

触发销的触发端与圆柱凸轮含有曲线轮廓的端面接触，插接端***棘轮端面的通孔内；触发销复位弹簧套在触发销上；拉线轮套在传动轴上，位于棘轮和大齿轮之间；限位弹簧套在传动轴上，两端分别与大齿轮和拉线轮相接；拉线轮上缠绕有两根拉线；两根拉线的固定端分别固定于拉线轮上，另一端分别连接两个跳跃腿单元；拉线轮上还开有用于触发销传入的通孔；

所述两个跳跃腿单元左右对称设置，包括连接板、支撑杆、脚杆、小腿杆、大腿杆和储能弹簧；

其中，支撑杆的A端向上设计有连接头，用于与连接板固连；支撑杆B端向下弯曲；上述连接板固定于机架底面，实现跳跃腿单元与机架间的固定；大腿杆的A端与支撑杆铰接，形成转动副，铰接位置靠近连接头；脚杆分为前中后三段；其中后段端部与支撑杆的B端铰接形成转动副；脚杆的中端向下弯折，前段向上弯折，小腿杆的A端向上弯曲，端部与大腿杆的B端铰接，形成转动副；小腿杆的B端与脚杆铰接，形成转动副；储能弹簧的一端与支撑杆固定，固定位置靠近支撑杆的B端处；储能弹簧的另一端与小腿杆固定，固定位置靠近小腿杆A端处；

所述调姿腿单元安装于机架前部，包括舵机、左前肢杆、右前肢杆、前肢连杆、前肢支座；

其中，左前肢杆与右前肢杆左右对称设置，底端之间通过前肢连杆固定；左前肢杆顶端固定于舵机的输出轴上，右前肢杆顶端通过转轴与机架底面安装的前肢支座间转动连接；

起跳前，圆柱凸轮处于即将越过远休止段的临界状态，触发销的插接端伸入拉线轮上的通孔内，限制了拉线轮的转动；此时由拉线向脚杆施加拉力，拉长支撑杆和小腿杆之间的距离，使储能弹簧压缩变形储能，储能大小可由拉线所对脚杆所施加的压力进行调节；

起跳时，主驱动器通过齿轮系和传动轴带动圆柱凸轮反转，越过圆柱凸轮远休止段；此时触发销在触发销复位弹簧的作用下回弹，离开拉线轮侧面上的通孔，此时拉线轮无约束转动，拉线松放，储能弹簧瞬间释放能量，脚杆前段快速向后下方蹬地，机器人起跳；

跳跃机器人落地时，左前肢杆与右前肢杆可起到一定的缓冲作用；此时主驱动器继续反转，直至触发销被圆柱凸轮推入拉线轮侧面的通孔内；随后主驱动器正转，棘轮在单向轴承的作用下与圆柱凸轮同步同向转动，使触发销带动拉线轮收卷拉线，储能弹簧拉伸到所需长度；最后，前肢杆在舵机的驱动下，控制左前肢杆与右前肢杆前后同步摆动，调整起跳姿态到所需的角度，准备再次起跳。

2.如权利要求1所述一种储能大小和起跳角度可控的跳跃机器人，其特征在于：脚杆的中端与后段间形成160度夹角，前段与后段间形成120度夹角。

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