本發(fā)明涉及機器人領域，具體地說，涉及一種可空中調姿及落地能量回收的足滾式間歇彈跳機器人。

背景技術：

在自然界中，很多小昆蟲或者動物通過跳躍能在惡劣的環(huán)境和復雜的地形中運動，有時候它們甚至能夠越過比其自身大數十倍的障礙物，它們這種獨特的運動能力已引起了世界科學家和工程師的注意。同時隨著機器人技術的不斷發(fā)展，以及人們的日常需求，仿生機器人已經成為了研究的熱點，而腿式跳躍機器人又是仿生機器人的一個重要分支。

地面移動機器人可分為三種類型:輪式機器人、行走機器人和跳躍機器人。輪式機器人能在平整的路面上高效運動，但在尺寸相同的條件下，它們在崎嶇的地面上的局限性很明顯。此外，傳統(tǒng)輪式機器人想要具有越過大障礙物的能力，就需要很復雜的設計和高昂的造價。盡管行走機器人能在復雜的地面上運動，但是越過大的障礙物對它來說同樣是一個巨大的困難，而且還需要復雜的控制系統(tǒng)和機械結構。而相比于前兩種機器人，跳躍機器人在復雜地形上的運動能力較強。近年來，腿式跳躍機器人已經取得了很大的進步，很多機器人能夠適應地形復雜的未知非結構工作環(huán)境，完成各種復雜的、靈活的、高難度的、甚至有危險性的任務。隨著結構、電控、通信和網絡技術的進步，帶有各種類型傳感器的小型跳躍機器人能夠相互之間形成感知網絡，通過這種技術，人們在搜尋營救、軍事安全監(jiān)測和環(huán)境監(jiān)控方面更加方便和高效。

專利200910023297.2中公開了一種儲能可調的齒輪仿生五桿彈跳機構，該彈跳機構能夠姿態(tài)調整以進行跳躍準備、儲能和釋放能量等功能，但該機構存在空中階段不能調整身體的姿態(tài)，落地穩(wěn)定性不高，起跳高度相對較低，落地緩沖性能差的缺陷。在專利200910218805.2中公開了一種兩自由度仿生彈跳機器人，該機器人在儲能過程中,利用絲杠螺母機構具有較大的傳動比，采用較小功率的絲杠驅動電機來完成彈簧的拉伸以實現能量存儲,通過儲能過程完成時螺母停止在絲杠上的不同位置來調整腿部裝置在起跳前的不同準備姿勢,以實現彈跳機器人起跳角度的調節(jié)，但是該機器人在落地傾倒后不具有復位功能，并且它只具有單一的跳躍功能。為了提高彈跳機器人的應用領域，彈跳機器人在遇到巨大而通過跳躍無法越過的障礙時，要能夠進行轉向以繞開障礙物，但是現有的彈跳機器人很難實現這點。

技術實現要素：

為了避免現有技術存在的不足，本發(fā)明提出一種可空中調姿及落地能量回收的足滾式間歇彈跳機器人。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:包括跳躍機構，空中調姿及落地緩沖、能量回收機構，復位、轉向、滾動一體化圓弧腿機構，

所述跳躍機構包括伺服電機、第二舵機、梯形絲桿、聯(lián)軸器、剖分螺母、凸輪、棘爪、棘輪、軀干、大腿、小腿、腳底板、腳底板支架、后支撐桿、助跳腳、第四彈簧、第五彈簧、彈簧連接件，其中，伺服電機與梯形絲桿固定在軀干內部，伺服電機輸出軸與梯形絲桿一端通過聯(lián)軸器連接，梯形絲桿的兩端裝有深溝球軸承，剖分螺母安裝在梯形絲桿上，大腿一端與軀干前端通過軸鉸接，另一端與小腿鉸接，彈簧連接件固定在大腿上，腳底板與腳底板支架固連，腳底板支架一端和小腿通過軸鉸接，另一端和后支撐桿一端通過軸鉸接，后支撐桿另一端和剖分螺母裝置通過軸鉸接，助跳腳固定在后支撐桿上，第四彈簧一端安裝在后支撐桿和剖分螺母的鉸接軸上，另一端固定在大腿和小腿的鉸接軸上；第二舵機位于軀干的前部，第二舵機的前端裝有凸輪，棘爪通過軸安裝在軀干上，且相對軀干進行轉動，棘輪通過螺釘安裝在大腿上，第五彈簧一端固定在軀干外側，另一端安裝在棘爪軸上，在第五彈簧的作用下，棘爪與棘輪嚙合，凸輪轉動時棘爪與棘輪脫開，第四彈簧存儲的能量釋放出來實現跳躍；

所述空中調姿及落地緩沖、能量回收機構包括剖分螺母裝置、第一彈簧、第一鋼絲繩、第二彈簧、推桿、推桿輪、推桿擋板、前腿、第三彈簧，剖分螺母裝置包括后滑塊、銅軸套、螺母殼體、導桿、后滑塊導軌、第六彈簧；后滑塊和螺母殼體通過銅軸套套裝在梯形絲桿上，兩個剖分螺母位于螺母殼體內，剖分螺母與殼體之間裝有導桿，在導桿的中間部位裝有第三彈簧，并通過導桿進行定位和導向，后滑塊導軌一端與后滑塊固連，另一端安裝在螺母殼體內，后滑塊導軌的導軌斜面與剖分螺母的斜面相配合，使剖分螺母壓緊，第二彈簧用于實現剖分螺母與梯形絲桿嚙合，剖分螺母上有彈簧安裝孔，第六彈簧安裝在兩個剖分螺母中間，實現剖分螺母和梯形絲桿脫開；第一彈簧一端固定在螺母殼體上，另一端通過第一鋼絲繩安裝在軀干上，推桿安裝在后滑塊上，推桿輪通過深溝球軸承安裝在推桿上，推桿擋板固定在大腿上，第三彈簧一端固定在軀干上，另一端安裝在前腿上，在落地過程中實現緩沖和蓄能的作用；

所述復位、轉向、滾動一體化圓弧腿機構包括第一步進電機、第二步進電機、第三步進電機、第四步進電機、第一舵機、固定架、同步帶輪、第一同步帶、第二同步帶、殼體、小錐齒輪、大錐齒輪、第一圓弧腿、第二圓弧腿、第三圓弧腿、第四圓弧腿、舵盤、安裝架、第二鋼絲繩、第三鋼絲繩，其中，第一圓弧腿、第二圓弧腿、第三圓弧腿和第四圓弧腿為結構相同的部件，四個圓弧腿兩兩相對固連在軀干兩側，四個步進電機分別控制對應的圓弧腿，各步進電機通過固定架安裝在安裝架上，步進電機輸出軸上安裝有深溝球軸承和同步帶輪，同步帶輪和殼體連接，小錐齒輪與大錐齒輪位于殼體內相互嚙合，小錐齒輪與步進電機輸出軸固連，大錐齒輪與傳動軸固連，傳動軸另一端與圓弧腿固連，軀干同側的兩個同步帶輪通過同步帶連接，同側的圓弧腿轉動方向相同，軀干前部兩個殼體分別通過第一鋼絲繩和第二鋼絲繩與舵盤連接，舵盤固定在第一舵機轉軸上，第一舵機和步進電機控制四個圓弧腿與軀干的角度，實現復位、轉向、滾動運動。

所述小錐齒輪與大錐齒輪嚙合，傳動比為1:2。

機器人的運動過程:

當剖分螺母裝置處于梯形絲桿的前端時，第四彈簧和第一彈簧的彈簧力較小，幾乎為零，在第二彈簧的彈簧力作用下，兩個剖分螺母被壓緊，從而使整個剖分螺母裝置與梯形絲桿處于嚙合狀態(tài)，第二舵機帶動凸輪使棘輪棘爪相互嚙合，伺服電機轉動，帶動剖分螺母裝置向梯形絲桿的后端進行運動，從而拉伸第四彈簧為跳躍階段進行儲能，同時第一彈簧也會被拉伸，但最終它的彈簧力小于第一彈簧的彈簧力，大于第二彈簧的彈簧力。當剖分螺母的后滑塊運動觸碰到限位開關，伺服電機停止轉動，此時，機器人的軀干和腳底板平行，助跳腳懸在空中。第一舵機轉動使圓弧腿包裹在機器人的外側，從而使機器人的兩側能存在圓弧線。當機器人向前運動遇到障礙物時，機器人采用跳躍模式越過障礙物，此時第二舵機帶動凸輪轉動，從而使棘爪和棘輪脫開，彈簧中的能量在瞬間爆發(fā)出來，因為第四彈簧的彈簧力遠大于第一彈簧的彈簧力，所以剖分螺母裝置和絲桿處于嚙合狀態(tài)，在第四彈簧的作用下，大腿和小腿沿著相應的軸順時針擺動，后支撐桿沿著相應的軸順時針擺動，撐開機器人在運動一定角度后，助跳腳和地面產生接觸，整個機器人沿著助跳腳的腳尖進行轉動，在達到一定速度時，機器人完成跳躍階段進入空中飛行階段。在飛行階段，第四彈簧的彈簧力接近于零，此時第一彈簧的彈簧力大于第二彈簧，所以剖分螺母裝置和梯形絲桿處于脫開狀態(tài)，從而能沿著梯形絲桿滑動；在第一彈簧的作用下，剖分螺母裝置帶著推桿向梯形絲桿的前端運動，當推桿前端的推桿輪接觸固定在大腿上的推桿擋板，從而推動大腿逆時針擺動，整個腿部機構沿著梯形絲桿向前運動，實現調姿的過程。在落地階段，在慣性的作用下，大腿先逆時針轉到原始位置，通過壓縮助跳腳，剖分螺母裝置向梯形絲桿的后端運動，從而拉伸第四彈簧進行能量的回收。在第四彈簧拉伸一定程度后，剖分螺母向后滑動的速度變?yōu)榱?，并且有向前運動的趨勢，此時第四彈簧的彈簧力大于第一彈簧的彈簧力，所以剖分螺母裝置和梯形絲桿嚙合，從而鎖住動力彈簧中的能量。因為機器人有前腿，能起到緩沖和支撐的作用，所以機器人不會向前傾倒。機器人的兩側安裝有圓弧腿，有利于防止機器人的側翻，但是主動復位機構是必要的。當機器人發(fā)生側翻時，步進電機控制圓弧腿展開，在展開的過程中，圓弧腿會和地面接觸從而使機器人繞著腳底板和地面的接觸線轉動，實現機器人腳底板和地面接觸，從而實現主動復位。當機器人運行在平坦的地面上或者有凹凸但沒有大障礙物的地面上，機器人采用滾動的運動模式，首先控制舵機旋轉90度，帶動四個圓弧腿轉動90度，從而使四個圓弧腿和機器人的兩側面相平行。四個步進電機控制四個圓弧腿使對角線的兩個圓弧腿姿態(tài)一致，機器人兩側的兩個圓弧腿姿態(tài)相差180度，機器人的圓弧腿會間歇性地和地面接觸，配合機器人的兩條前腿，因此機器人在滾動的運動過程中采用梯形步態(tài)。當機器人遇到較大而難以通過跳躍越過的障礙物時，機器人采用轉向模式繞過障礙物，首先，控制舵機轉動45度，使四條圓弧腿和機器人的兩側面成45度，步進電機控制一側的兩條圓弧腿同向轉動，另一側的兩條圓弧腿的轉動方向和它們相反，機器人能進行轉向，當轉到設定的角度后，機器人可采用滾動模式或跳躍模式。

有益效果

本發(fā)明提出的一種可空中調姿及落地能量回收的足滾式間歇彈跳機器人，機器人采用桿長可調的齒輪結構作為跳躍機構，其中能量的儲存采用剖分螺母裝置和梯形絲桿，棘輪棘爪配合舵機、凸輪作為能量釋放機構，為了增加跳躍的高度和落地能進行緩沖，在后支撐桿上固定安裝有柔性助跳腳。剖分螺母裝置根據多個彈簧力之間的關系自動地與梯形絲桿脫開或嚙合；當機器人完成跳躍在空中飛行時，在剖分螺母和推桿、推桿擋板的共同作用下，機器人能進行調姿，有利于提高落地穩(wěn)定性和進行能量的回收和二次利用。前腿起到緩沖和防止機器人前翻的作用，同時在機器人的滾動模式下起到支撐的作用。當機器人落地發(fā)生側翻時，復位機構能實現機器人的被動復位和主動復位。機器人在平坦地面上采用240度圓弧腿滾動模式，當機器人遇到難以逾越的障礙物時，機器人能進行轉向以繞過障礙物。彈跳機器人具有結構緊湊、運動模式多、地形適應性好的特點。

附圖說明

下面結合附圖和實施方式對本發(fā)明一種可空中調姿及落地能量回收的足滾式間歇彈跳機器人作進一步詳細說明。

圖1為本發(fā)明可空中調姿及落地能量回收的足滾式間歇彈跳機器人示意圖。

圖2為本發(fā)明可空中調姿及落地能量回收的足滾式間歇彈跳機器人俯視圖。

圖3為本發(fā)明可空中調姿及落地能量回收的足滾式間歇彈跳機器人左視圖。

圖4為本發(fā)明中剖分螺母裝置與梯形絲桿脫開狀態(tài)示意圖。

圖5為本發(fā)明中剖分螺母裝置與梯形絲桿脫開狀態(tài)軸測圖。

圖6為本發(fā)明中剖分螺母裝置與梯形絲桿嚙合狀態(tài)示意圖。

圖7為本發(fā)明中步進電機控制圓弧腿結構示意圖。

圖8為本發(fā)明中步進電機控制圓弧腿結構主視圖。

圖9為本發(fā)明中圓弧腿收在身體兩側起到被動復位作用的示意圖。

圖10為本發(fā)明中圓弧腿收在身體兩側起到被動復位作用的軸測圖。

圖11為本發(fā)明中機器人滾動圓弧腿梯形步態(tài)示意圖。

圖12為本發(fā)明中機器人轉向時圓弧腿分布示意圖。

圖13為本發(fā)明中剖分螺母結構示意圖。

圖14為本發(fā)明中剖分螺母殼體結構示意圖。

圖15為本發(fā)明中后滑塊結構示意圖。

圖16為本發(fā)明中錐齒輪殼體結構示意圖。

圖17為本發(fā)明中圓弧腿結構示意圖。

圖18為本發(fā)明中帶不完全齒輪小腿結構示意圖。

圖中:

1.第一舵機2.軀干3.第一步進電機4.凸輪5.伺服電機6.棘爪7.棘輪8.大腿9.安裝架10.第一鋼絲繩11.第一彈簧12.第二步進電機13.梯形絲桿14.第二彈簧15.前腿16.第三彈簧17.舵盤18.彈簧連接件19.第一圓弧腿20.小腿21.推桿擋板22.腳底板支架23.腳底板24.助跳腳25.推桿輪26.推桿27.第二圓弧腿28.后支撐桿29.第四彈簧30.第二鋼絲繩31.第三步進電機32.第三圓弧腿33.第二同步帶34.第四步進電機35.第四圓弧腿36.第三鋼絲繩37.第二舵機38.第五彈簧39.第一同步帶40.螺母殼體41.導桿42.后滑塊導軌43.后滑塊44.剖分螺母45.第六彈簧46.固定架47.同步帶輪48.小錐齒輪49.大錐齒輪50.殼體

具體實施方式

本實施例是一種可空中調姿及落地能量回收的足滾式間歇彈跳機器人。

參閱圖1～圖18，本實施例可空中調姿及落地能量回收的足滾式間歇彈跳機器人由跳躍機構，空中調姿及落地緩沖、能量回收機構，復位、轉向、滾動一體化圓弧腿機構組成；在跳躍機構中,伺服電機5和梯形絲桿13安裝在軀干2內部，梯形絲桿13的兩端裝有深溝球軸承，伺服電機5輸出軸與梯形絲桿13的一端通過聯(lián)軸器連接。剖分螺母裝置安裝在梯形絲桿13上，梯形絲桿13上套有銅軸套從螺母殼體40和后滑塊43的孔中穿過，兩個剖分螺母44安裝在螺母殼體40內，通過導桿41進行定位和導向。后滑塊導軌42一端通過螺釘安裝在后滑塊43上，另一端安裝在螺母殼體40內；后滑塊導軌42的導軌斜面和剖分螺母44的斜面相配合，使剖分螺母44壓緊，實現剖分螺母44和梯形絲桿13嚙合。剖分螺母44上有彈簧安裝孔，第六彈簧45安裝在兩個剖分螺母中間，用來實現剖分螺母44分離，從而實現剖分螺母44和梯形絲桿13的脫開。大腿8一端與軀干2前端通過軸鉸接，另一端與小腿20鉸接，彈簧連接件18固定在大腿8上，腳底板23與腳底板支架22固定連接，腳底板支架22一端和小腿20通過軸鉸接，另一端和后支撐桿28一端通過軸鉸接，后支撐桿28另一端和剖分螺母裝置通過軸鉸接，軸的兩端裝有深溝球軸承，軸承支撐在軀干的兩側腰形孔中。在小腿22的一端加工有不完全齒輪，后支撐桿28的一端加工出模數相同的不完全齒輪，兩個不完全齒輪相互嚙合從而減少系統(tǒng)的1個自由度。助跳腳24固定在后支撐桿28上，第四彈簧29一端安裝在后支撐桿28和剖分螺母44的鉸接軸上，另一端固定在大腿8和小腿20的鉸接軸上；第二舵機37安裝在軀干2的前部，第二舵機37的前端裝有凸輪4，棘爪6通過軸安裝在軀干2上，且相對軀干2進行轉動，棘輪7通過螺釘安裝在大腿8上；第五彈簧38一端固定在軀干2外側，另一端安裝在棘爪6軸上，在第五彈簧38彈簧力的作用下，棘爪6與棘輪7嚙合；凸輪4轉動時棘爪6與棘輪7脫開，第四彈簧29存儲的能量釋放出來實現跳躍。

剖分螺母裝置處在梯形絲桿13的前端時，第四彈簧29和第一彈簧11不存在拉伸量，故不存在彈簧力，此時一端固定在后滑塊43和螺母殼體40上的第二彈簧14的彈簧力大于第六彈簧45的彈簧力，剖分螺母裝置和梯形絲桿13處于嚙合狀態(tài)。伺服電機5帶動梯形絲桿13轉動，剖分螺母裝置將整體向梯形絲桿13的后端運動，因為棘爪6和棘輪7相嚙合，第四彈簧29和第一彈簧11被拉伸,從而實現能量的存儲，機器人完成能量存儲的狀態(tài)。

本實施例中，機器人在跳躍運動時，軀干2兩側的第一圓弧腿19、第二圓弧腿27、第三圓弧腿32和第四圓弧腿35收攏在兩側，不會干擾跳躍運動，同時起到被動復位的作用。當第二舵機37帶動凸輪4轉動時，棘爪6和棘輪7脫開，第四彈簧29中的彈性勢能瞬間釋放，帶動大腿8、小腿20向梯形絲桿13的后端轉動，小腿20和后支撐桿28之間組成齒輪副，后支撐桿28順時針進行轉動，使機器人的軀干2抬起。助跳腳24安裝在后支撐桿28上，當后支撐桿28轉動一定角度，助跳腳24和地面接觸，機器人繞著助跳腳24的腳尖進行轉動，在速度達到一定值時，機器人離開地面進入空中飛行階段。隨著彈性勢能的釋放，第四彈簧29的彈簧力逐漸減小到零。由于第一彈簧11的彈簧力大于第二彈簧14的彈簧力，同時在第六彈簧45的配合下，剖分螺母裝置和梯形絲桿13將處于脫開狀態(tài)；此時在第一彈簧11的作用下，整個剖分螺母裝置被第一彈簧11拉著向梯形絲桿13的前端運動，固定在剖分螺母裝置上的推桿26一起向前運動，安裝在推桿26前端的推桿輪25和推桿擋板21相接觸，大腿8被推著逆時針方向轉動，進行機器人空中的調姿運動，利于提高機器人的落地穩(wěn)定性。為防止機器人落地時向前傾倒，在軀干2的前端安裝有前腿15，在前腿15和軀干2前裝有第三彈簧16，起到緩沖和蓄能的作用。在機器人落地前，第一彈簧11的彈簧力減小到零，助跳腳24和地面進行接觸，棘爪6和棘輪7嚙合，助跳腳24通過后支撐桿28帶動后滑塊43向梯形絲桿13的后端運動，后滑塊導軌42同時向后運動，剖分螺母15處于脫開狀態(tài)。當后滑塊導軌42接觸螺母殼體40時，一起向后運動，使第四彈簧29和第一彈簧11拉長；當后滑塊43向后運動的速度變?yōu)榱銜r，剖分螺母裝置處于脫開狀態(tài)，由于第四彈簧29的彈簧力遠大于第一彈簧11的彈簧力，第四彈簧29帶動后滑塊43將剖分螺母44壓緊，實現剖分螺母裝置與梯形絲桿13的嚙合鎖死，將回收的能量鎖存住；實現落地能量的回收和二次利用，減少能量的損耗。

本實施例中，第一圓弧腿19、第二圓弧腿27、第三圓弧腿32和第四圓弧腿35為結構相同的部件，四個圓弧腿兩兩相對固連在軀干兩側，第一步進電機3、第二步進電機12、第三步進電機31和第四步進電機34分別控制對應的第一圓弧腿19、第二圓弧腿27、第三圓弧腿32和第四圓弧腿35轉動。四個步進電機分別通過固定架46安裝在安裝架9上，步進電機輸出軸上安裝有深溝球軸承和同步帶輪，同步帶輪和殼體連接；小錐齒輪48與大錐齒輪49位于殼體50內，小錐齒輪48與大錐齒輪49嚙合，傳動比為1:2。小錐齒輪48與步進電機輸出軸固連，大錐齒輪49與傳動軸固連，傳動軸另一端與圓弧腿固連，軀干2同側的兩個同步帶輪通過同步帶連接，同側的圓弧腿轉動方向相同；軀干前部兩個殼體50分別通過第二鋼絲繩30和第三鋼絲繩36與舵盤17連接，舵盤17固定在第一舵機1轉軸上，第一舵機1控制第一圓弧腿19、第二圓弧腿27、第三圓弧腿32和第四圓弧腿35與軀干2所成的角度。當機器人采用滾動模式時，第一舵機1控制第一圓弧腿19、第二圓弧腿27、第三圓弧腿32和第四圓弧腿35和軀干2相平行。在機器人落地的過程中，第一圓弧腿19、第二圓弧腿27、第三圓弧腿32和第四圓弧腿35分布在軀干的兩側，進行被動復位，使機器人落地時不易向兩側傾倒；機器人若發(fā)生向側邊傾倒的狀況，同側的兩條圓弧腿和地面接觸，由于第一步進電機3、第二步進電機12、第三步進電機31和第四步進電機34分別控制第一圓弧腿19、第二圓弧腿27、第三圓弧腿32和第四圓弧腿35轉動，圓弧腿會展開，通過作用力和反作用力，機器人沿著腳底板23和地面接觸轉動實現主動復位。當機器人運動在平坦地面上時，機器人的第一圓弧腿19和第二圓弧腿27錯開180度，第三圓弧腿32和第四圓弧腿35錯開180度，第一圓弧腿19和第四圓弧腿35的姿態(tài)相同，第二圓弧腿27和第三圓弧腿32的姿態(tài)相同，加上兩條前腿15，機器人能間斷地四個點著地，適應地形。

當機器人運動到難以逾越的障礙物時，采用轉向模式繞過障礙物，第一舵機1控制第一圓弧腿19、第二圓弧腿27、第三圓弧腿32和第四圓弧腿35與軀干2成45度角，步進電機控制前側兩條圓弧腿反向轉動，從而實現轉向。