一種活塞驅(qū)動(dòng)式跳躍機(jī)器人的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種活塞驅(qū)動(dòng)式跳躍機(jī)器人結(jié)構(gòu)，這種機(jī)器人可以在非平坦的道路、山路以及沙漠上移動(dòng)，可以跳過一定高度的障礙以及一定寬度的壕溝，有很好的路況適應(yīng)性。跳躍機(jī)器人機(jī)構(gòu)包括跳躍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、落地姿態(tài)自調(diào)整機(jī)構(gòu)和方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。跳躍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用氣缸活塞機(jī)構(gòu)，通過活塞的爆發(fā)性伸出運(yùn)動(dòng)及地面的反作用力將機(jī)器人彈射并脫離地面實(shí)現(xiàn)跳躍運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人橫向移動(dòng)方向和起跳角由機(jī)器人的方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)，橫向移動(dòng)方向和起跳角的調(diào)節(jié)分別由不同的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。機(jī)器人落地后的姿態(tài)由落地姿態(tài)自調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，使機(jī)器人每次落地后都能自動(dòng)調(diào)整到與地面垂直的狀態(tài)執(zhí)行所賦予的任務(wù)，并為下一次跳躍做準(zhǔn)備。
【專利說明】一種活塞驅(qū)動(dòng)式跳躍機(jī)器人
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種活塞驅(qū)動(dòng)式跳躍機(jī)器人，尤其涉及跳躍機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、落地姿態(tài)自調(diào)整機(jī)構(gòu)和方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，屬于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]跳躍機(jī)器人的移動(dòng)對(duì)地面環(huán)境要求低，可以在非平坦的道路、山路以及沙漠上移動(dòng)，可以越過一定高度的障礙，跳過一定寬度的壕溝，因此在惡劣環(huán)境下的探測(cè)、救災(zāi)以及國防中執(zhí)行偵察、打擊等方面有廣泛的應(yīng)用前景。跳躍機(jī)器人的主要問題之一是如何使機(jī)器人落地后在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定的狀態(tài)并準(zhǔn)備下一次跳躍?，F(xiàn)在的跳躍機(jī)器人有三種落地穩(wěn)定系統(tǒng)。第一種方法是利用平衡臂的重心移動(dòng)使機(jī)器人穩(wěn)定，這種系統(tǒng)可較好地穩(wěn)定系統(tǒng)，但需要額外的執(zhí)行器和控制系統(tǒng)，并且消耗機(jī)器人的能源。第二種方法是移動(dòng)內(nèi)部質(zhì)量塊，依靠重力產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩從而是系統(tǒng)穩(wěn)定。這種方法簡(jiǎn)單有效，但這種方法將增加額外的質(zhì)量同時(shí)也消耗機(jī)器人的能源，而且在地面坡度大時(shí)無法產(chǎn)生足夠的力矩使機(jī)器人轉(zhuǎn)動(dòng)。第三種方法是被動(dòng)方式，將機(jī)器人重心設(shè)計(jì)到整體結(jié)構(gòu)的下部，靠自身重量產(chǎn)生力矩使機(jī)器人處于與地面垂直的狀態(tài)。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種自身重力結(jié)合機(jī)身形狀的姿態(tài)調(diào)整方式，同時(shí)設(shè)計(jì)了方向調(diào)整機(jī)構(gòu)和跳躍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種活塞驅(qū)動(dòng)式跳躍機(jī)器人，這種機(jī)器人通過活塞彈出時(shí)地面的反作用力使機(jī)器人跳躍從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)在各種地面上移動(dòng)以及越過障礙和壕溝。
[0004]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的跳躍機(jī)器人的總體技術(shù)方案包括跳躍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、姿態(tài)自調(diào)整機(jī)構(gòu)和方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)三個(gè)主要部分。跳躍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過氣缸內(nèi)氣體燃料的爆燃使與地面接觸的活塞彈出，利用地面的反作用力將機(jī)器人彈射脫離地面實(shí)現(xiàn)跳躍運(yùn)動(dòng)；為了使機(jī)器人跳過指定的高度或距離并落在指定的位置，本發(fā)明設(shè)計(jì)了方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括橫向移動(dòng)方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和起跳角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，橫向移動(dòng)方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)決定機(jī)器人落地的橫向方向，起跳角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)根據(jù)跳躍的高度或距離調(diào)整機(jī)器人起跳方向與地面的夾角。為了使機(jī)器人無論以什么姿態(tài)落地都能恢復(fù)與地面垂直的狀態(tài)，本發(fā)明設(shè)計(jì)了姿態(tài)自調(diào)整機(jī)構(gòu)，利用處于底座內(nèi)部的重心和頂部及底座的形狀自動(dòng)進(jìn)行姿態(tài)的調(diào)整，為下一次跳躍做準(zhǔn)備，同時(shí)減緩落地時(shí)的沖擊。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]圖1是頂罩骨架示意圖；
[0006]圖2是底座骨架示意圖；
[0007]圖3是包含了驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；
[0008]圖4是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的氣缸活塞系統(tǒng)示意圖；[0009]圖5是橫向移動(dòng)方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)部分零件示意圖；
[0010]圖6是支架結(jié)構(gòu)示意圖；
[0011]圖7 Ca)是起跳角調(diào)節(jié)前的氣缸方向示意圖；
[0012]圖7 (b)是起跳角調(diào)節(jié)后的氣缸方向示意圖；
[0013]圖8是氣缸活塞位置示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]機(jī)器人由跳躍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)跳躍，通過活塞的爆發(fā)性伸出運(yùn)動(dòng)及地面的反作用力將機(jī)器人彈射并脫離地面實(shí)現(xiàn)跳躍運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向及跳躍高度或跳躍距離由機(jī)器人的方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)確定跳躍的橫向方向和起跳角，機(jī)器人落地后由落地姿態(tài)自調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整姿態(tài)，使機(jī)器人每次落地后都能自動(dòng)調(diào)整到與地面垂直的狀態(tài)，為下一次跳躍做準(zhǔn)備。
[0015]機(jī)器人的外部由頂罩和底座加外罩組成，圖1是頂罩骨架不意圖，圖2是底座骨架示意圖，跳躍機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要部分如圖3所示。對(duì)于跳躍機(jī)器人重要的一點(diǎn)是無論機(jī)器人以什么姿態(tài)落地都能恢復(fù)與地面垂直的狀態(tài)完成賦予的任務(wù)同時(shí)為下一次跳躍做準(zhǔn)備。在設(shè)計(jì)時(shí)使機(jī)器人的重心處于底座中，并且在機(jī)器人中心軸線附近，機(jī)器人的頂罩骨架由多根彈性材料的金屬棒I連接頂罩底板2和頂罩頂板3構(gòu)成，頂罩I的縱截面呈半圓形，橫截面為多邊形，頂罩底板2通過連接盤12與支架11連接。底座外形為碗狀，主要包括環(huán)形底板4、彈性材料制作的底座骨架5和環(huán)形導(dǎo)軌6，環(huán)形底板4與地面接觸。腰部由數(shù)根彈性骨架5作為支撐。頂罩連同支架及固定在支架上的零件可繞機(jī)器人中心軸線在環(huán)形導(dǎo)軌6上相對(duì)于底座轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)器人落地后，頂罩或底座首先著地，弧形的外部結(jié)構(gòu)將使機(jī)器人在地面上滾動(dòng)，由于重心處于機(jī)器人的底座部分，重力將使機(jī)器人停留在與地面垂直的方向上，并在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定。因此，該設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人落地后自動(dòng)調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)而不需要另外的控制系統(tǒng)。
[0016]機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中要反復(fù)起跳反復(fù)落地，要避免機(jī)器人在落地時(shí)受到?jīng)_擊而損壞。機(jī)器人跳的越高所受的沖擊越大，因此需要在設(shè)計(jì)上能吸收機(jī)器人的沖擊力，避免落地時(shí)損壞機(jī)器人。設(shè)計(jì)中使用了彈性金屬棒1、固定在環(huán)形軌道外部的硅橡膠7和彈性底座骨架5吸收沖擊。當(dāng)機(jī)器人頂罩先著地時(shí)，金屬棒I構(gòu)成的柔性骨架可吸收落地時(shí)的沖擊，硅橡膠7保護(hù)側(cè)面和底部。當(dāng)?shù)鬃糠窒嚷涞貢r(shí)，底座骨架5吸收沖擊。這些設(shè)計(jì)的主要目的是把機(jī)器人損傷的危險(xiǎn)性降到最小。
[0017]機(jī)器人的跳躍由燃料供應(yīng)能量，通過燃料在圖4所示的氣缸8中的爆燃推動(dòng)活塞9從氣缸中伸出，氣缸底部與地面接觸，依靠地面的反作用力將機(jī)器人彈射并脫離地面實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的跳躍。
[0018]機(jī)器人橫向移動(dòng)方向的調(diào)節(jié)由如圖5和圖6所示的橫向移動(dòng)方向調(diào)節(jié)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。橫向移動(dòng)方向調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要包括支架11、3個(gè)滾珠軸承構(gòu)成的支撐輪13、兩個(gè)被動(dòng)導(dǎo)向輪
14、一個(gè)驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向輪15和電機(jī)16組成。電機(jī)16是轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)元件。轉(zhuǎn)動(dòng)部分可通過支撐輪13在環(huán)形導(dǎo)軌6和軌道蓋10構(gòu)成的導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)向輪14和15用來保持支架11位于環(huán)形導(dǎo)軌6的軌道上。驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向輪15在電機(jī)16的驅(qū)動(dòng)下通過與環(huán)形導(dǎo)軌6的側(cè)壁摩擦驅(qū)動(dòng)支架轉(zhuǎn)動(dòng)。支架11的下部安裝有氣缸支撐、汽缸活塞以及未在圖中顯示的各類傳感器、控制系統(tǒng)、燃料容器等，一同隨支架轉(zhuǎn)動(dòng)，并使整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的重心位于支架11的下部，環(huán)形導(dǎo)軌6支撐所有轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量。支架11可在導(dǎo)軌中360°范圍內(nèi)做順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。由于活塞氣缸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定在支架上，活塞繞中心軸線的角度就確定了跳躍在橫向的方向，因此通過機(jī)器人橫向移動(dòng)方向的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可任意調(diào)節(jié)機(jī)器人在橫向的跳躍方向。
[0019]由于復(fù)雜路面并不是只是上坡、下坡、沙地或山地，同時(shí)還要跳過高低不同的障礙和溝壑，因此跳躍機(jī)器人在移動(dòng)過程中需要對(duì)起跳角進(jìn)行調(diào)整，使機(jī)器人跳過不同的高度或不同的距離。機(jī)器人通過如圖4所示的氣缸活塞系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跳躍，通過起跳角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)起跳角。如圖7所示的起跳角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括連接在支架11上的氣缸支撐板17、轉(zhuǎn)動(dòng)軸18、齒輪軸及軸套組件19、電機(jī)20、固定卡子21、小齒輪22、大齒輪23、調(diào)節(jié)螺桿24、聯(lián)軸節(jié)25、螺母26和氣缸卡環(huán)27。氣缸活塞系統(tǒng)通過轉(zhuǎn)動(dòng)軸18連接在氣缸支撐板17上，同時(shí)通過氣缸卡環(huán)27、聯(lián)軸節(jié)25連接到調(diào)節(jié)螺桿24上。氣缸在機(jī)器人中的位置如圖8所示。調(diào)節(jié)螺桿24在中空的齒輪軸中，電機(jī)20通過固定卡子21固定在齒輪軸及軸套組件19上，齒輪軸及軸套組件19固定在氣缸支撐板17上。小齒輪22固定在電機(jī)20的軸上，螺母26連同大齒輪23固定在齒輪軸及軸套組件21的齒輪軸上并一同轉(zhuǎn)動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)起跳角的調(diào)節(jié)，只要改變氣缸與中心軸線的夾角即可。由于支架11平行于與地面接觸的底座，氣缸支撐板17連接在支架上，因此本發(fā)明通過改變氣缸與支撐板的夾角實(shí)現(xiàn)起跳角的調(diào)節(jié)。電機(jī)20帶動(dòng)小齒輪22轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪22和大齒輪23嚙合實(shí)現(xiàn)減速，大齒輪23帶動(dòng)螺母26 —起轉(zhuǎn)動(dòng)，螺母26的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)調(diào)節(jié)螺桿24前后移動(dòng)拉動(dòng)氣缸繞轉(zhuǎn)動(dòng)軸18轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)起跳角的調(diào)節(jié)。圖7 (a)為調(diào)節(jié)前的狀態(tài)，圖7 (b)為調(diào)節(jié)后的狀態(tài)。
[0020]通過以上的橫向方向調(diào)節(jié)、起跳角的調(diào)節(jié)確定跳躍方向和起跳角，然后通過活塞的爆發(fā)性伸出運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)跳躍，落地后通過姿態(tài)自調(diào)整機(jī)構(gòu)將機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整到與地面垂直方向，完成賦予給機(jī)器人的任務(wù)，需要繼續(xù)跳躍時(shí)重復(fù)以上的動(dòng)作進(jìn)行下一次跳躍。
【權(quán)利要求】
1.一種跳躍機(jī)器人機(jī)構(gòu)包括跳躍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、姿態(tài)自調(diào)整機(jī)構(gòu)和方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。跳躍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)用來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)跳躍，落地姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)的作用是機(jī)器人落地之后自動(dòng)恢復(fù)與地面垂直的方向，方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用來調(diào)整機(jī)器人的跳躍方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種跳躍驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于采用氣缸活塞機(jī)構(gòu)，通過活塞的爆發(fā)性伸出運(yùn)動(dòng)及地面的反作用力將機(jī)器人彈射并脫離地面實(shí)現(xiàn)跳躍運(yùn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種姿態(tài)自調(diào)整機(jī)構(gòu)，其特征在于具有縱截面為半圓形、橫截面為多邊形外形的頂罩和外形為碗形的緩沖底座，借助重力使機(jī)器人落地時(shí)保持穩(wěn)定的姿態(tài)，多邊形的橫截面的頂罩外形可以減小機(jī)器人在地面上的翻滾角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于具有橫向移動(dòng)方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和起跳角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，橫向移動(dòng)方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過調(diào)整機(jī)器人活塞相對(duì)于機(jī)器人中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)橫向跳躍方向的調(diào)整，起跳角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)通過調(diào)整活塞相對(duì)于機(jī)器人中心軸線的夾角實(shí)現(xiàn)起跳角的調(diào)整。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種姿態(tài)自調(diào)整機(jī)構(gòu)，其特征在于包含頂罩和底座兩部分，頂罩由多根彈性金屬棒構(gòu)成骨架；底座外形為碗形，底部具有金屬圓環(huán)，是機(jī)器人的底面，落地時(shí)和地面接觸，腰部有數(shù)根彈性金屬骨架作為支撐，頂部具有環(huán)狀導(dǎo)軌，可使機(jī)器人的支架在環(huán)形導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人依靠處于底座內(nèi)部的重心和頂部及底座的形狀自動(dòng)進(jìn)行落地姿態(tài)的調(diào)整。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種橫向移動(dòng)方向調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于由3個(gè)支撐輪、三個(gè)導(dǎo)向輪和一個(gè)電機(jī)構(gòu)成，3個(gè)支撐輪構(gòu)成滾動(dòng)支撐，支撐輪的輪軸固定在支架上，使支架在環(huán)形導(dǎo)軌上做滾動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)；三個(gè)導(dǎo)向輪與底座上環(huán)形導(dǎo)軌的側(cè)壁接觸，保持機(jī)器人支架繞機(jī)器人中心軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，其中一個(gè)導(dǎo)向輪由電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，通過與底座環(huán)形導(dǎo)軌側(cè)壁的摩擦實(shí)現(xiàn)橫向方向在360度范圍內(nèi)順時(shí)針或逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種起跳角調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，其特征在于由一組減速齒輪、螺母、螺桿和電機(jī)構(gòu)成，螺桿一端和氣缸連接，氣缸可繞固定在支架上的轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)通過減速齒輪減速后驅(qū)動(dòng)螺母轉(zhuǎn)動(dòng)使螺桿前后運(yùn)動(dòng)拉動(dòng)氣缸轉(zhuǎn)動(dòng)從而改變活塞與中心軸線的相對(duì)角度實(shí)現(xiàn)起跳角的改變。
【文檔編號(hào)】B62D57/02GK103895727SQ201410151835
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月16日
【發(fā)明者】馬樹元, 塞夫樂 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)