專利名稱：一種具備輪動功能的彈跳機器人的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種彈跳機器人，尤其是能實現輪動、跳躍運動功能且正反面著地后均能繼續(xù)運動的一種具備輪動功能的彈跳機器人。
背景技術：
隨著星際探索活動的增加，傳統(tǒng)的機器人及其運動形式，已經不能適應星際探索中日益復雜的工作環(huán)境。由于星球探索中很多星球具有低重力加速度的特性，采用跳躍運動形式有利提高越障能力。因此，跳躍機器人作為非結構環(huán)境下運動裝置已成為廣泛關注的研究熱點。此外，跳躍機器人在環(huán)境監(jiān)測、城市反恐、地震救災等方面也有廣泛的實用意義。國外在跳躍機器人方面已有一些研究成果。如:由Carnegie-Mellon University的Raibert等人研制的單腿跳躍機器人，由兩汽缸驅動，通過汽缸控制腿部伸縮實現三維的跳躍運動；Fredkin發(fā)明的“Hinge”,由關節(jié)驅動,可進行姿態(tài)控制和調整；美國CarmegieMellon University研制的bow leg hopping robot利用電機拉動繩索驅動弓形彈性腿儲能實現跳躍；在實驗室中已實現跳躍功能，但該類設計中機器人存在靜態(tài)不穩(wěn)定、外接大量設備等問題而難以實際應用；NASA已研制出三代跳躍機器人，其中第一代能為球形機器人，能實現跳躍功能，但其起跳方向調整系統(tǒng)魯棒性不夠，起跳角不可調；第二代蛙形跳躍機人，在跳躍功能的基礎上添加了落地后姿態(tài)調整功能，但其能量利用率不夠高，且運動形式單一；第三代輪式跳躍機器人可以實現輪動和跳躍兩種運動形式，但是落地后減振和翻轉等存在問題。日本針對MUSES-C計劃研制的Minerva、意大利研制的Grillo系列機器人等均存在運動形式單一、落地翻轉后不能繼續(xù)運動等問題。國內有部分院校展開了跳躍機器人的相關項目。如:西北工業(yè)大學葛文杰等對袋鼠跳躍運動及其仿生機器人進行了研究、哈爾濱工業(yè)大學從理論上對連續(xù)彈跳機器人進行了研究、同時提出了仿青蛙跳躍機器人和仿蝗蟲跳躍機器人、上海交通大學提出了一種單腿跳躍機器人，南京航空 航天大學針對彈跳式機器人及其落地沖擊進行了研究，浙江大學研制了仿葉蟬的小型跳躍機器人。跳躍機器人的研究已成為解決機器人在非結構環(huán)境下運動的一個廣泛關注的研究熱點。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于提供一種具備輪動功能的彈跳機器人，利用輪動驅動電機和齒輪傳動實現輪式運動；利用跳躍驅動電機和缺齒齒輪與齒輪嚙合階段儲存彈性能；利用缺齒齒輪與齒輪脫離嚙合時，釋放儲存的彈性能實現跳躍運動。本實用新型所采用的技術方案是:本實用新型在機體上安裝有輪動機構和彈跳機構。其中:I)所述的機體:機體為U形框架結構，兩豎邊上前后兩端分別對稱開有兩個圓形通孔，兩豎邊上中間分別對稱開有兩個螺紋孔，橫邊內沿兩豎邊方向依次有三根橫梁，第一根橫梁上開有與第一根橫梁平行的矩形通孔、遠離橫邊的一端開有圓形通孔，第二根橫梁上開有弧形通孔，第三根橫梁上開有圓形通孔；2)所述的輪動機構:包括第一驅動電機、第一齒輪、第二齒輪、第一轉軸、第一轉軸齒輪、第一滾動輪、第二轉軸、第二轉軸齒輪、第二滾動輪、從動輪、第一驅動電機軸；在機體U形框架一豎邊內側中間裝有第一驅動電機，第一驅動電機軸上依次裝有第一齒輪和第二齒輪，第一驅動電機軸支承在第一根橫梁的圓形通孔內，第一驅動電機軸與機體橫邊間的一豎邊內側裝有第一轉軸，第一轉軸的兩端分別支承在機體一豎邊圓形通孔和第三根橫梁上圓形通孔內，伸出機體一豎邊外的第一轉軸上裝有第一滾動輪，位于機體內的第一轉軸上裝有第一轉軸齒輪，第一轉軸齒輪和第一齒輪嚙合，第一根橫梁與機體的另一豎邊內側裝有第二轉軸，第二轉軸的一端支承在機體另一豎邊圓形通孔內，第二轉軸的另一端穿過與第一根橫梁平行的矩形通孔支承在第二根橫梁的弧形通孔內，在第二根橫梁和第一根橫梁間的第二轉軸上裝有第二轉軸齒輪，第二轉軸齒輪和第二齒輪嚙合，第一齒輪和第二齒輪大小相同，第一轉軸齒輪和第二轉軸齒輪大小相同；3)所述的彈跳機構:包括第二驅動電機、第二驅動電機軸、缺齒齒輪、第三轉軸、第三轉軸齒輪、第二扭轉彈簧、第二撥桿、第二彈跳腿、第二鋼絲繩、滑動桿、第一扭轉彈簧、第一撥桿、第一彈跳腿、第一鋼絲繩、第二彈跳腿彈簧、第一彈跳腿彈簧；機體另一豎邊內側中間裝有第二驅動電機，第二驅動電機軸上裝有缺齒齒輪并支承在第一根橫梁的圓形通孔內，在機體遠離橫邊的兩豎邊圓形通孔內安裝第三轉軸，從靠近第二滾動輪到靠近第一滾動輪的第三轉軸上依次安裝有第二扭轉彈簧、第二彈跳腿、第二撥桿、第三轉軸齒輪、第一撥桿、第一彈跳腿、第一扭轉彈簧；第一扭轉彈簧一端與第一彈跳腿固連，另一端與機體上靠近第一滾動輪的豎邊固連，第二扭轉彈簧一端與第二彈跳腿固連，另一端與機體上靠近第二滾動輪的豎邊固連，缺齒齒輪與第三轉軸齒輪嚙合，滑動桿的一端穿過第一彈跳腿側面的矩形槽，該矩形槽內靠近機體的一端和滑動桿之間安裝有第一彈跳腿彈簧，滑動桿的另一端穿過第二彈跳腿側面的矩形槽，該矩形槽內靠近機體的一端和滑動桿之間安裝有第二彈跳腿彈簧，第一鋼絲繩的兩端分別固定于第一驅動電機和滑動桿上，第二鋼絲繩的兩端分別固定第二驅動電機和滑動桿上，從動輪安裝于第一鋼絲繩和第二鋼絲繩之間的滑動桿上。本實用新型具有的有益效果是:(I)通過機體上弧形支撐孔結構和輪動機構第一轉軸與第二轉軸的兩段式結構設計，實現了在單個電機驅動下的單側輪動和雙側同步輪動功能，有利于減輕機體重量、增加運動靈活性和精確調整彈跳方向。(2)通過缺齒齒輪結構設計，實現了嚙合角度的精確控制，有利于精確控制彈跳腿轉動角度；并實現了儲能構件瞬間爆發(fā)性釋放，有利于提高機構的彈跳性能。(3)采用鋼絲繩、撥桿和彈跳腿彈簧的結構設計，通過滑動桿和從動輪的滑移，滿足了輪式運動時，從動輪實現支撐功能，同時有利于避免起跳階段從動輪與地面的干涉。(4)采用輪動與彈跳兩種運動功能的綜合設計，實現了多種運動形式的復合，有利于根據路面情況選擇 運動形式，并有利于提高定位精度和能量利用率。(5)采用正反面對稱結構設計，當正反面著地時，無需復位均能再次起跳，避免了過多的冗余復位機構的添加，同時有利于節(jié)省復位調整時間，和提高運動效率。[0017]本實用新型適用于環(huán)境監(jiān)測、城市反恐、軍事偵察、地震救災、科學探險等領域。

圖1是本實用新型的機器人總體機構示意圖。圖2是本實用新型的機體結構示意圖。圖3是圖2中A的含圓形支撐孔的橫梁結構放大圖。圖4是圖2中B的含弧形支撐孔的橫梁結構放大圖。圖5是本實用新型的彈跳腿機構示意圖。圖6是本實用新型的輪動機構示意圖。圖7是本實用新型的撥桿機構示意圖。圖8是本實用新型的彈跳機構缺齒齒輪與彈跳機構第三轉軸齒輪嚙合示意圖。圖中:101、第一驅動電機，102、第一齒輪，103、第二齒輪，104,第一轉軸，105、第一轉軸齒輪，106、第一滾動輪，107、第二轉軸，108、第二轉軸齒輪，109、第二滾動輪，110、從動輪，111、第一驅動電機軸，201、第二驅動電機，202、第二驅動電機軸，203、缺齒齒輪，204、第三轉軸，205、第三轉軸齒輪，206、第二扭轉彈簧，207、第二撥桿，208、第二彈跳腿，209、第二鋼絲繩，210、滑動桿，211、第一扭轉彈簧，212、第一撥桿，213、第一彈跳腿，214、第一鋼絲繩，215、第二彈跳腿彈簧，216、第一彈跳腿彈簧，301、機體。
具體實施方式
以下結合附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。如圖1所示，本實用新型在機體301上安裝有輪動機構和彈跳機構。其中:I)如圖1、圖2、圖3和圖4所示，機體301為U形框架結構，兩豎邊上前后兩端分別對稱開有兩個圓形通孔，兩豎邊上中間分別對稱開有兩個螺紋孔，橫邊內沿兩豎邊方向依次有三根橫梁，第一根橫梁上開有與第一根橫梁平行的矩形通孔、遠離橫邊的一端開有圓形通孔，第二根橫梁上開有弧形通孔，弧形通孔的中心線與第一根橫梁上圓形通孔的中心線重合，弧形孔在機體豎邊上的投影的一端為半圓，且與機體前端圓形通孔的弧線重合，第三根橫梁上開有圓形通孔，該圓形通孔在機體豎邊上的投影，與機體前端圓形通孔的弧線重合。2)如圖1和圖6所示，輪動機構:包括第一驅動電機101、第一齒輪102、第二齒輪103、第一轉軸104、第一轉軸齒輪105、第一滾動輪106、第二轉軸107、第二轉軸齒輪108、第二滾動輪109、從動輪110、第一驅動電機軸111 ;在機體301U形框架一豎邊內側中間螺紋孔處，通過螺釘固定安裝第一驅動電機101，第一驅動電機軸111上依次裝有第一齒輪102和第二齒輪103,第一驅動電機軸111支承在第一根橫梁的圓形通孔內，第一驅動電機軸111與機體301橫邊間的一豎邊內側裝有第一轉軸104，第一轉軸104的兩端分別支承在機體301 —豎邊圓形通孔和第三根橫梁上圓形通孔內，伸出機體301—豎邊外的第一轉軸104上裝有第一滾動輪106，位于機體301內的第一轉軸104上裝有第一轉軸齒輪105，第一轉軸齒輪105和第一齒輪102嚙合，第一根橫梁與機體301的另一豎邊內側裝有第二轉軸107，第二轉軸107的一端支承在機體301另一豎邊圓形通孔內，第二轉軸107的另一端穿過與第一根橫梁平行的矩形通孔支承在第二根橫梁的弧形通孔內，在第二根橫梁和第一根橫梁間的第二轉軸107上裝有第二轉軸齒輪108，第二轉軸齒輪108和第二齒輪103嚙合，第一齒輪102和第二齒輪103大小相同,第一轉軸齒輪105和第二轉軸齒輪108大小相同。3)如圖1、圖5、圖7和圖8所示，彈跳機構:包括第二驅動電機201、第二驅動電機軸202、缺齒齒輪203、第三轉軸204、第三轉軸齒輪205、第二扭轉彈簧206、第二撥桿207、第二彈跳腿208、第二鋼絲繩209、滑動桿210、第一扭轉彈簧211、第一撥桿212、第一彈跳腿213、第一鋼絲繩214、第二彈跳腿彈簧215、第一彈跳腿彈簧216 ;機體301U形框架另一豎邊內側中間螺紋孔處，通過螺釘固定安裝第二驅動電機201，第二驅動電機軸202上裝有缺齒齒輪203并支承在第一根橫梁的圓形通孔內，在機體301遠離橫邊的兩豎邊圓形通孔內安裝第三轉軸204，從靠近第二滾動輪109到靠近第一滾動輪106的第三轉軸204上依次安裝有第二扭轉彈簧206、第二彈跳腿208、第二撥桿207、第三轉軸齒輪205、第一撥桿212、第一彈跳腿213、第一扭轉彈簧211 ;第一扭轉彈簧211 —端與第一彈跳腿213固連，另一端與機體301上靠近第一滾動輪106的豎邊固連,第二扭轉彈簧206 —端與第二彈跳腿208固連，另一端與機體301上靠近第二滾動輪109的豎邊固連，缺齒齒輪203與第三轉軸齒輪205嚙合，滑動桿210的一端穿過第一彈跳腿213側面的矩形槽，該矩形槽內靠近機體301的一端和滑動桿210之間安裝有第一彈跳腿彈簧216，滑動桿210的另一端穿過第二彈跳腿208側面的矩形槽，該矩形槽內靠近機體301的一端和滑動桿210之間安裝有第二彈跳腿彈簧215，第一鋼絲繩214的兩端分別固定于第一驅動電機101和滑動桿210上，第二鋼絲繩209的兩端分別固定第二驅動電機201和滑動桿210上，從動輪110安裝于第一鋼絲繩214和第二鋼絲繩209之間的滑動桿210上。本實用新型的工作原理如下:在本實施例中，可以通過第一滾動輪106的單獨運動實現運動方向的調整，如圖1所示狀態(tài)，當第一驅動電機101逆時針轉動時，通過第一驅動電機軸111，使第一齒輪102和第二齒輪103同步轉動，該狀態(tài)下第一齒輪102與第一轉軸齒輪105嚙合，該狀態(tài)下，由于第二齒輪103作用，使第二轉軸107 位于含弧形支撐孔凸起的軸端，沿機體301上含弧形支撐孔凸起上的弧形槽向下滑動，從而使第二齒輪103與第二轉軸齒輪108脫離嚙合，因而，只有第一轉軸齒輪105通過第一轉軸104，帶動第一滾動輪106滾動，進而實現第一滾動輪106的單獨運動。在本實施例中，可以通過第一滾動輪106與第二滾動輪109的同步運動實現輪式移動，如圖1所示狀態(tài)，當第一驅動電機101順時針轉動時，通過第一驅動電機軸111，使第一齒輪102和第二齒輪103同步轉動，又由于該狀態(tài)下第一齒輪102與第一轉軸齒輪105嚙合，第二齒輪103與第二轉軸齒輪108嚙合，因而，第一轉軸齒輪105通過第一轉軸104，帶動第一滾動輪106滾動，同時，第二轉軸齒輪108通過第二轉軸107，帶動第二滾動輪109滾動，進而實現第一與第二滾動輪的同步運動。在本實施例中，可以實現跳躍運動，如圖1所示，第二驅動電機201逆時針轉動，帶動第二驅動電機軸202及固連在上面的缺齒齒輪203轉動，當缺齒齒輪203與第三轉軸齒輪205開始嚙合時，第一彈跳腿213與第二彈跳腿208均位于機體正后方，此時，第三轉軸204及固連在上面的第二彈跳腿208、第二撥桿207、第一撥桿212、第一彈跳腿213轉動并靠近機體正下方，第一彈跳腿213和第二彈跳腿208相對機體屈曲，使第一扭轉彈簧211和第二扭轉彈簧206變形儲存彈性能，第一撥桿212和第二撥桿207的轉動，使第一鋼絲繩214和第二鋼絲繩209逐漸拉緊，在鋼絲繩的作用下，滑動桿210的兩端分別沿第一彈跳腿213和第二彈跳腿208上的矩形槽向靠近第三轉軸204的方向滑動，并分別壓縮第一彈跳腿彈簧216和第二彈跳腿彈簧215，有利于避免起跳階段從動輪與地的干涉，當缺齒齒輪203與第三轉軸齒輪205即將解除嚙合時，所有扭轉彈簧均處于最大扭轉狀態(tài)，所有線性彈簧均處于最大壓縮狀態(tài)，缺齒齒輪203的進一步微小轉動，即與第三轉軸齒輪205解除嚙合，瞬間釋放第一扭轉彈簧211和第二扭轉彈簧206儲能，使機器人實現跳躍，跳躍過程中，第三轉軸204帶動第一撥桿212和第二撥桿207轉動，使第一鋼絲繩214和第二鋼絲繩209放松，第三轉軸204在扭轉彈簧作用下恢復起跳前狀態(tài)，有利于保證輪動時從動輪110與地面接觸。在本實施例中，該結構設計有利于在大多數條件下實現落地后的再次跳躍，當如上所述機器人落地時， 處于正面或反面著地狀態(tài)，均可以實現再次起跳或輪式運動。
權利要求1.一種具備輪動功能的彈跳機器人，其特征在于:包括水平放置的機體(301)、輪動機構和彈跳機構；其中: 1)水平放置的機體(301):機體(301)為U形框架結構，兩豎邊上前后兩端分別對稱開有兩個圓形通孔，兩豎邊上中間分別對稱開有兩個螺紋孔，橫邊內沿兩豎邊方向依次有三根橫梁，第一根橫梁上開有與第一根橫梁平行的矩形通孔、遠離橫邊的一端開有圓形通孔，第二根橫梁上開有弧形通孔，第三根橫梁上開有圓形通孔； 2)輪動機構:包括第一驅動電機(101)、第一齒輪(102)、第二齒輪(103)、第一轉軸(104)、第一轉軸齒輪(105)、第一滾動輪(106)、第二轉軸(107)、第二轉軸齒輪(108)、第二滾動輪(109 )、從動輪(110 )、第一驅動電機軸(111);在機體(301) U形框架一豎邊內側中間裝有第一驅動電機(101 )，第一驅動電機軸(111)上依次裝有第一齒輪(102)和第二齒輪(103)，第一驅動電機軸(111)支承在第一根橫梁的圓形通孔內，第一驅動電機軸(111)與機體(301)橫邊間的一豎邊內側裝有第一轉軸(104)，第一轉軸(104)的兩端分別支承在機體(301) —豎邊圓形通孔和第三根橫梁上圓形通孔內，伸出機體(301)—豎邊外的第一轉軸(104)上裝有第一滾動輪(106)，位于機體(301)內的第一轉軸(104)上裝有第一轉軸齒輪(105),第一轉軸齒輪(105)和第一齒輪(102)卩齒合,第一根橫梁與機體(301)的另一豎邊內側裝有第二轉軸(107)，第二轉軸(107)的一端支承在機體(301)另一豎邊圓形通孔內，第二轉軸(107)的另一端穿過與第一根橫梁平行的矩形通孔支承在第二根橫梁的弧形通孔內，在第二根橫梁和第一根橫梁間的第二轉軸(107)上裝有第二轉軸齒輪(108)，第二轉軸齒輪(108)和第二齒輪(103)嚙合，第一齒輪(102)和第二齒輪(103)大小相同，第一轉軸齒輪(105)和第二轉軸齒輪(108)大小相同； 3)彈跳 機構:包括第二驅動電機(201)、第二驅動電機軸(202)、缺齒齒輪(203)、第三轉軸(204)、第三轉軸齒輪(205)、第二扭轉彈簧(206)、第二撥桿(207)、第二彈跳腿(208)、第二鋼絲繩(209 )、滑動桿(210)、第一扭轉彈簧(211)、第一撥桿(212)、第一彈跳腿(213)、第一鋼絲繩(214)、第二彈跳腿彈簧(215)、第一彈跳腿彈簧(216);機體(301)另一豎邊內側中間裝有第二驅動電機(201)，第二驅動電機軸(202 )上裝有缺齒齒輪(203 )并支承在第一根橫梁的圓形通孔內，在機體(301)遠離橫邊的兩豎邊圓形通孔內安裝第三轉軸(204)，從靠近第二滾動輪(109)到靠近第一滾動輪(106)的第三轉軸(204)上依次安裝有第二扭轉彈簧(206)、第二彈跳腿(208)、第二撥桿(207)、第三轉軸齒輪(205)、第一撥桿(212)、第一彈跳腿(213)、第一扭轉彈簧(211);第一扭轉彈簧(211)—端與第一彈跳腿(213)固連，另一端與機體(301)上靠近第一滾動輪(106)的豎邊固連,第二扭轉彈簧(206) —端與第二彈跳腿(208)固連，另一端與機體(301)上靠近第二滾動輪(109)的豎邊固連，缺齒齒輪(203)與第三轉軸齒輪(205)嚙合，滑動桿(210)的一端穿過第一彈跳腿(213)側面的矩形槽，該矩形槽內靠近機體(301)的一端和滑動桿(210)之間安裝有第一彈跳腿彈簧(216)，滑動桿(210)的另一端穿過第二彈跳腿(208)側面的矩形槽，該矩形槽內靠近機體(301)的一端和滑動桿(210)之間安裝有第二彈跳腿彈簧(215)，第一鋼絲繩(214)的兩端分別固定于第一驅動電機(101)和滑動桿(210)上，第二鋼絲繩(209)的兩端分別固定第二驅動電機(201)和滑動桿(210)上，從動輪(110)安裝于第一鋼絲繩(214)和第二鋼絲繩(209)之間的滑動桿(210)上。
專利摘要本實用新型公開了一種具備輪動功能的彈跳機器人。包括水平放置的機體、輪動機構和彈跳機構；機體內裝有輪動機構，機體開口端裝有彈跳機構。采用正反對稱結構設計，有利于落地后不管正反兩面著地均能再次起跳，降低了落地翻轉對再次起跳的影響；機體橫邊上含弧形支撐孔的凸起中，通過弧形通孔結構的設計，實現單個電機驅動下兩滾動輪的同步運動和異步運動；采用輪式移動與跳躍功能使機器人具備多種運動形式；采用缺齒齒輪與齒輪嚙合的結構，實現儲能構件的瞬間無約束釋放，有利于提高機構的彈跳性能。本實用新型作為機載儀器的運動載體，通過添加機載傳感器后可應用于環(huán)境監(jiān)測、城市反恐、軍事偵察、地震救災、科學探險等領域。
文檔編號B62D57/028GK203111341SQ20132012478
公開日2013年8月7日 申請日期2013年3月19日 優(yōu)先權日2013年3月19日
發(fā)明者倪虹, 梅德慶, 汪延成, 陳子辰 申請人:浙江大學