一种弹跳扑翼机器人及其弹跳扑翼方法与流程

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种弹跳扑翼机器人及其弹跳扑翼方法。

背景技术：

目前单一的跳跃机器人主要有耗能大，落地冲击大和偏离预期等难点。自然界中一些小型昆虫，如蟋蟀，蚱蜢等，用腿部肌肉起跳，在空中用翅膀调整姿态，增强了起跳和落地阶段的稳定性。因此弹跳扑翼机器人成为研究的重点。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种弹跳扑翼机器人及其弹跳扑翼方法。

本发明一种弹跳扑翼机器人，包括机架、弹跳机构、复用驱动机构和扑翼机构。所述的弹跳机构包括四根传动绳和四根弹腿。四根弹腿的内端均与机架的底部连接。所述的扑翼机构包括扑翼架、扑翼输入轴、扑翼输入齿轮、第一中间齿轮、第二中间齿轮、第三中间齿轮、扑翼输出齿轮和单侧扑翼组件。扑翼架与扑翼顶板固定。轴线水平设置的扑翼输入轴支承在扑翼架的中部。扑翼输入齿轮与扑翼输入轴固定。两个扑翼输出齿轮分别支承的扑翼架的两端。第一中间齿轮、第二中间齿轮及第三中间齿轮均支承在扑翼架上。第一中间齿轮及第二中间齿轮均与扑翼输入齿轮啮合。第三中间齿轮与第二中间齿轮啮合。第一中间齿轮、第三中间齿轮与两个扑翼输出齿轮分别啮合。单侧扑翼组件包括翼板、扑翼杆和翻转块。单侧扑翼组件共有两个。两个单侧扑翼组件与两个扑翼输出齿轮分别对应。翻转块与对应扑翼输出齿轮偏心构成转动副。翼板固定在扑翼杆的外端。扑翼杆翻转块构成滑动副。两个单侧扑翼组件的扑翼杆内端均与扑翼架铰接。

所述的复用驱动机构包括弹跳传动组件、扑翼传动组件、动力源组件和传动切换组件。弹跳传动组件包括弹跳传动轴、绞车轴、传动绳、中心输入齿轮、中心输出齿轮、四个绞车齿轮、四个定滑轮和四个绞车齿轮轴。弹跳传动轴支承在机架上。中心输出齿轮及中心输入齿轮均固定在弹跳传动轴上。四根绞车轴均支承在弹跳底板的顶面，且沿中心输出齿轮的周向均布；四个绞车齿轮与四根绞车轴的底端分别固定，且均与中心输出齿轮啮合。四个定滑轮分别支承在机架上。四根绞车轴上均绕置有传动绳。四根传动绳的内端与四根绞车轴分别固定，外端分别绕过四个定滑轮，并与四根弹腿的外端分别固定。

所述的扑翼传动组件包括第一扑翼传动轴、第一扑翼齿轮和传动连接组件。第一扑翼传动轴支承的机架上。第一扑翼齿轮固定在第一扑翼传动轴上。第一扑翼传动轴与扑翼输入轴通过传动连接组件传递转矩。

所述的动力源组件包括电机、主动轴、第一主动齿轮和第二主动齿轮。主动轴支承在机架的顶部。第一主动齿轮、第二主动齿轮均与主动轴固定。主动轴由电机驱动。

所述的传动切换组件包括切换轴、第一切换齿轮、第二切换齿轮、第三切换齿轮、切换环和切换电磁铁。竖直设置的切换轴与机架构成圆柱副。切换环套置在切换轴上，且与切换轴固定。切换电磁铁与机架固定且位于切换环的上方。第一切换齿轮、第二切换齿轮、第三切换齿轮均固定在切换轴上。

所述的切换轴处于下极限位置的状态下，第二切换齿轮与第二主动齿轮啮合，第三切换齿轮与中心输入齿轮啮合。切换轴处于上极限位置的状态下，第一切换齿轮与第一主动齿轮啮合，第二切换齿轮与第一扑翼齿轮啮合。

作为优选，所述的弹跳机构还包括四个舵机。四根弹腿分别位于机架底部的四个角。四个舵机固定在机架的底部。四个舵机的输出轴与四根弹腿的内端分别固定。

作为优选，所述的切换环为磁性材料或永磁体。切换电磁铁采用环形电磁铁，套置在切换轴上。

作为优选，所述的弹腿采用的材质为橡胶。所述的弹腿呈c形。弹腿的内端均开设有穿绳孔。位于机架头端、尾端的弹腿开口方向相对设置。所述的传动绳采用钢丝绳。传动绳分别穿过四根弹腿内端的穿绳孔。

作为优选，所述的传动连接组件包括第二扑翼传动轴、第二扑翼齿轮、第三扑翼齿轮、带轮和传动带。所述的第二扑翼传动轴支承的机架上。两个带轮与第一扑翼传动轴、第二扑翼传动轴分别固定，且通过传动带连接。第一扑翼齿轮固定在第一扑翼传动轴上。第二扑翼齿轮固定在第二扑翼传动轴上。第三扑翼齿轮固定在扑翼输入轴上。第二扑翼齿轮与第三扑翼齿轮啮合。

作为优选，所述的扑翼杆由一端端部固定在一起的传动杆和翼部安装杆组成。传动杆与翼部安装杆组成一个钝角。翼板由连接在一起的主扇板和辅助板组成。主扇板与辅助板组成一个钝角。翼部安装杆与对应的主扇板固定。两个单侧扑翼组件内的翼板分别位于机架的两侧。

作为优选，所述的第一中间齿轮、第二中间齿轮及第三中间齿轮的分度圆直径相等。

作为优选，所述的机架包括依次间隔排列并固定在一起的弹跳底板、中间基础板和扑翼顶板。所述切换轴的上方及下方均设置有与机架固定的限位块。

作为优选，本发明一种弹跳扑翼机器人还包括控制传感系统。所述的控制传感系统包括控制器、扭矩传感器、电机驱动器和倾角传感器。扭矩传感器位于弹跳传动轴的中部。倾角传感器固定在弹跳底板上。扭矩传感器、倾角传感器的信号输出端均与控制器连接。四个舵机的pwm波输入端与控制器的四个舵机控制接口分别连接。电机与控制器通过电机驱动器连接。切换电磁铁的控制接口与控制器通过继电器连接。控制器采用单片机。

该弹跳扑翼机器人运动过程具体如下：

步骤一、四个舵机转动，调节起跳角度。

步骤二、切换轴切换至下极限位置，电机转动，驱动四根绞车轴同步转动。

步骤三、切换轴切换至上极限位置，第三切换齿轮与中心输入齿轮分离，四根弹腿推动机架跳起。

同时，第一切换齿轮与第一主动齿轮啮合，第二切换齿轮与第一扑翼齿轮啮合，电机驱动扑翼输入轴转动，使得扑翼机构上的两块翼板上下翻动，形成扑翼动作，保持机架在空中的平衡。

步骤四、四根弹腿重新着陆时，电机停转，切换电磁铁端点，弹跳扑翼动作完成。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明结合弹跳和扑翼功能，增强机器人的弹跳稳定性。

2、本发明仅使用一个电机驱动就能够完成对弹跳动作和扑翼动作的驱动，有效减轻装置重量，有助于提升弹跳高度。

3、本发明使用弹性材料作为蓄能元件，简单方便，有助于减轻装置质量。

4、本发明使用齿轮机构传动，控制精密，节省空间。

5、本发明采用舵机调节角度，可无级调整机器人弹跳角度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中弹跳机构的结构示意图；

图3是本发明中扑翼机构的外部结构示意图；

图4是本发明中扑翼机构的内部结构示意图；

图5是本发明中复用驱动机构的立体图；

图6是本发明中复用驱动机构的正视图；

图7是本发明中复用驱动机构的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种弹跳扑翼机器人，包括机架、弹跳机构1、复用驱动机构2、扑翼机构3和控制传感系统。机架包括依次间隔排列并固定在一起的弹跳底板5、中间基础板9和扑翼顶板31，形成三层齿轮安置位。

如图1和2所示，弹跳机构1安装在整个装置的底部，包括四个舵机6和四根弹腿4。弹跳底板5为250mm×150mm×10mm的板材。四个舵机6固定在弹跳底板5底面的四个角。四个舵机6的输出轴。弹腿4采用弹性材料，具体为橡胶。弹腿4呈c形。弹腿4的内端均开设有穿绳孔。四根弹腿4的内端与四个舵机6的输出轴分别固定。位于弹跳底板头端、尾端的弹腿4开口方向相对设置，即位于弹跳底板头端的两根弹腿4的开口朝向弹跳底板的尾端；位于弹跳底板微端的两根弹腿4的开口朝向弹跳底板的头端；

如图1和3所示，扑翼机构3安装在整个装置的顶部，包括扑翼架28、扑翼输入轴、扑翼输入齿轮32、第一中间齿轮36、第二中间齿轮33、第三中间齿轮37、扑翼输出齿轮34和单侧扑翼组件。扑翼架28与扑翼顶板31固定。轴线水平设置的扑翼输入轴支承在扑翼架28的中部。扑翼输入齿轮32与扑翼输入轴固定。两个扑翼输出齿轮34分别支承的扑翼架28的两端。第一中间齿轮36、第二中间齿轮33及第三中间齿轮37的分度圆直径相等，且均支承在扑翼架28上。第一中间齿轮36及第二中间齿轮33均与扑翼输入齿轮32啮合。第三中间齿轮37与第二中间齿轮33啮合。第一中间齿轮36、第三中间齿轮37与两个扑翼输出齿轮34分别啮合。当扑翼输入轴转动时，两个扑翼输出齿轮34反向同步转动。扑翼输出齿轮34的两端均同轴固定有转盘35。

单侧扑翼组件包括翼板26、两根扑翼杆30和两个翻转块27。单侧扑翼组件共有两个。两个单侧扑翼组件与两个扑翼输出齿轮34分别对应。同一单侧扑翼组件内的两个翻转块27与对应扑翼输出齿轮34两端面的转盘35分别偏心构成转动副，即翻转块27与对应转盘35所成转动副的公共轴线与该转盘35的轴线平行且不重合。同一单侧扑翼组件内的两个翻转块27的转动轴线重合。扑翼杆30由一端端部固定在一起的传动杆和翼部安装杆组成。传动杆与翼部安装杆组成一个钝角。翼板26由连接在一起的主扇板和辅助板组成。主扇板与辅助板组成一个钝角。同一单侧扑翼组件内两根扑翼杆30的翼部安装杆均与翼板26固定。同一单侧扑翼组件内两根扑翼杆30的传动杆与两个翻转块分别构成滑动副。两个单侧扑翼组件内扑翼杆30的传动杆内端与扑翼架28的中部同轴铰接在一起。两个单侧扑翼组件内的翼板26分别位于机架的两侧。当两个扑翼输出齿轮34反向同步转动时，两根扑翼杆30绕扑翼架28转动，实现扑翼动作。

如图1、3、4、5、6和7所示，复用驱动机构2包括弹跳传动组件、扑翼传动组件、动力源组件和传动切换组件。弹跳传动组件的主体位于弹跳底板5与中间基础板9之间。扑翼传动组件及动力源组件位于扑翼顶板31的顶部。

弹跳传动组件包括弹跳传动轴13、绞车轴14、传动绳、中心输入齿轮17、中心输出齿轮15、四个绞车齿轮16、四个定滑轮7和四个绞车齿轮轴14。传动绳采用钢丝绳。竖直设置的弹跳传动轴13支承在机架上。中心输出齿轮15固定在弹跳传动轴13的底端。中心输入齿轮17固定在弹跳传动轴13上。四根绞车轴14均支承在弹跳底板5的顶面，且沿中心输出齿轮15周向均布；四个绞车齿轮16与四根绞车轴14的底端分别固定，且均与中心输出齿轮15啮合。轴线水平设置的四个定滑轮7分别支承在弹跳底板5顶面的四个角上。四根绞车轴14上均绕置有传动绳。四根传动绳的内端与四根绞车轴14分别固定，外端分别绕过四个定滑轮7，分别穿过四根弹腿4内端的穿绳孔，并与四根弹腿4的外端分别固定。当中心输出齿轮15在动力源的作用下转动，使得四根绞车轴14分别卷入传动绳时，四根弹腿4发生弯曲，积蓄弹性势能；当中心输出齿轮15与动力源分离时，四根弹腿4的弹性势能快速释放，绞车轴14上传动绳卷出，四根弹腿4推动机架跳起；在跳起的过程前，四个舵机的转动能够分别调节四根弹腿的姿态，从而调节跳起后机架在空中的路径和状态。

扑翼传动组件包括第一扑翼传动轴、第二扑翼传动轴、第一扑翼齿轮20、第二扑翼齿轮19、第三扑翼齿轮29、带轮和传动带18。竖直设置的第一扑翼传动轴、第二扑翼传动轴均支承的机架上。两个带轮与第一扑翼传动轴、第二扑翼传动轴分别固定，且通过传动带18连接。第一扑翼齿轮20固定在第一扑翼传动轴上。第二扑翼齿轮19固定在第二扑翼传动轴上。第三扑翼齿轮29固定在扑翼输入轴上。第二扑翼齿轮19与第三扑翼齿轮29啮合。当第一扑翼传动轴在动力源的驱动下转动时，将带动扑翼输入轴转动从而实现扑翼。

动力源组件包括电机10、主动轴12、第一主动齿轮21和第二主动齿轮11。主动轴12支承在机架的顶部。主动轴12与弹跳传动轴13同轴但不连接。第一主动齿轮21、第二主动齿轮11与主动轴12顶端、底端分别固定。电机10固定在机架上，且输出轴与主动轴12固定。

传动切换组件包括切换轴8、第一切换齿轮22、第二切换齿轮23、第三切换齿轮25、切换环24和切换电磁铁。切换环24为磁性材料，即能够被永磁体吸附。竖直设置的切换轴8与机架构成圆柱副。切换轴8的上方及下方均设置有与机架固定的限位块，用于限制切换轴8的竖直位置。切换环24套置在切换轴8上，且与切换轴8固定。切换电磁铁采用环形电磁铁，套置在切换轴8上，且与机架固定。切换电磁铁位于切换环24的上方。当切换电磁铁通电时，切换环24被切换电磁铁吸附，切换轴8到达上极限位置。当切换电磁铁断电时，切换轴8的重力的作用下到达上极限位置。第一切换齿轮22、第二切换齿轮23、第三切换齿轮25均固定在切换轴8上。

第一切换齿轮22与第一主动齿轮21的分度圆半径之和、第二切换齿轮23与第二主动齿轮11的分度圆半径之和、主动轴12与切换轴8的中心距相等。第二切换齿轮23与第一扑翼齿轮20的分度圆半径之和等于切换轴8与第一扑翼传动轴的中心距。第三切换齿轮25与中心输入齿轮17的分度圆半径之和等于切换轴8与弹跳传动轴13的中心距相等。

切换轴8处于下极限位置的状态下，第二切换齿轮23与第二主动齿轮11啮合，第三切换齿轮25与中心输入齿轮17啮合，电机10的输出的转矩传递到弹跳传动轴13处，驱动弹腿弯曲变形。

切换轴8处于上极限位置的状态下，第一切换齿轮22与第一主动齿轮21啮合，第二切换齿轮23与第一扑翼齿轮20啮合，电机10的输出的转矩传递到扑翼输入轴处，驱动扑翼机构3持续做扑翼运动。

控制传感系统包括控制器、扭矩传感器、电机驱动器和倾角传感器。扭矩传感器位于弹跳传动轴13的中部，即弹跳传动轴13由同轴设置的第一弹跳轴和第二弹跳轴组成。第一弹跳轴、第二弹跳轴的相对端与扭矩传感器的两个输出端分别固定。中心输入齿轮17位于第一弹跳轴上；中心输出齿轮15位于第二弹跳轴上；扭矩传感器能够检测弹跳传动轴13受到的扭矩，从而推算出四根弹腿的弯曲程度。倾角传感器固定在弹跳底板上，用于检测弹跳底板与水平面的夹角。扭矩传感器、倾角传感器的信号输出端均与控制器连接。四个舵机的pwm波输入端与控制器的四个舵机控制接口分别连接。电机与控制器通过电机驱动器连接。切换电磁铁的控制接口与控制器通过继电器连接。控制器采用单片机。

该弹跳扑翼机器人的弹跳扑翼方法具体如下：

步骤一、控制器分别控制四个舵机6转动，调节起跳角度。机架的姿态通过倾角传感器检测得到。

步骤二、切换电磁铁不通电，切换轴8处于下极限位置，电机10转动，驱动四根绞车轴14同步转动，使得四根绞车轴14分别卷入传动绳时，四根弹腿4发生弯曲，积蓄弹性势能。

步骤三、切换电磁铁通电吸附切换环，切换轴8到达上极限位置，第三切换齿轮25与中心输入齿轮17分离，四根弹腿4的弹性势能释放，绞车轴14上传动绳卷出，四根弹腿4推动机架跳起。

同时，第一切换齿轮22与第一主动齿轮21啮合，第二切换齿轮23与第一扑翼齿轮20啮合，电机10驱动扑翼输入轴转动，使得扑翼机构3上的两块翼板上下翻动，形成扑翼动作，保持机架在空中的平衡。

步骤四、四根弹腿4重新着陆时，由于扑翼机构3的持续扑翼故产生的冲击较小，且弹腿4能够受压变形，进一步抵消冲击；此时，电机停转，切换电磁铁端点，弹跳扑翼动作完成。

实施例2

一种弹跳扑翼机器人，其与实施例1的区别在于：切换环的材质为永磁体，且其中一个磁极朝向切换电磁铁。

该弹跳扑翼机器人的弹跳扑翼方法中，通过切换电磁铁的正反向通电改变磁极方向，进而实现切换轴在上极限位置与下极限位置之间的切换。当切换电磁铁对切换环产生斥力时，切换轴处于下极限位置；当切换电磁铁对切换环产生吸力时，切换轴处于上极限位置；实施例2相对于实施例1，切换轴的位置调节不依靠重力，更加稳定可靠。