一种自主复位轮腿式弹跳复合移动机器人的制作方法

专利名称：一种自主复位轮腿式弹跳复合移动机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种自主复位轮腿式弹跳复合移动机器人，属于机械工程与自动化 及机器人领域。
背景技术：
目前，移动机器人主要采用轮式、履带式和腿式三种运动方式。轮式机器人具 有高速高效的特点，技术成熟，但是越障能力差，不能适应复杂地形环境。履带式机器 人适应能力强，设计紧凑，具有良好的环境适应性，但存在重量大、摩擦阻力较大、能 耗很高的缺点。腿式机器人机动性好、越障能力强，但是自主控制复杂。作为腿式机器 人中的弹跳机器人，由于其越障能力强，可适应复杂环境等特点成为机器人研究领域的执占。国内外有关弹跳机器人的研究有1)瑞士洛桑联邦理工大学研发的一种微型双 腿蚱蜢弹跳机器人，其设计灵感来自于蚱蜢。该机器人可以弹跳自身27倍的高度，成 为机器人跳高之最。通过在外部增加一个球形笼子装置来转向和减震，但是增加后由于 质量增大，实验表明弹跳性能都有明显减小。2)由日本东京大学的RyumaNiiyama研发 的仿生双足气动跳跃机器人Mowgli。该弹跳机器人的驱动器采用的是人工气动肌肉，能 够较为逼真地模拟生物体的起跳过程。跳跃的高度为其自身高度的50%以上，并且落地 时对地面的冲击力较小。该机器人没有考虑转向功能和倾倒后自主复位功能，不能实现 自主连续跳跃，并且人工气动肌肉体积大、价格昂贵，目前这项技术还处在研发实验阶 段，没能投入到工程应用。3)在专利(公告号201446986U)中公开了一种仿生弹跳机 器人。该仿生弹跳机器人是基于储能可调的齿轮_五杆仿生弹跳机构，起跳角度、杆长 和储能均可调并且能够实现自主控制，但弹跳不能平稳落地，对地面冲击力大，机器人 落地时发生倾倒不能自主复位，不能重复跳跃。越障能力提高，但是机动性能降低。将弹跳运动和轮式运动相结合，提高机器人的机动性能，即在平缓地面上采用 轮式驱动，效率、可靠性和机动性能高，当遇到陡峭地势或者轮式运动不能穿越的障碍 物时，换用弹跳模式，能适应各种复杂地形。在专利(公告号100429112)中公开了 一种轮腿弹跳复合式移动机器人。该轮腿弹跳复合式移动机器人的主体是四轮驱动机器 人，通过在车底部增加弹簧实现其弹跳，但弹簧储能能力和弹跳高度有限，弹跳机构在 落地时有冲击力，同样没有考虑弹跳平稳落地问题。综上所述，目前还没有一种以弹跳移动为主，以轮式驱动为辅的环境适应能力 强，机动性能高的复合移动机器人，能实现跳跃度可调的自主跳跃，倾倒后能够自主复 位，并且能够减小落地冲击力达到平稳落地的目的。

发明内容
为增强机器人环境适应能力，提高机动性能，克服现有技术倾翻不能自主复 位、弹跳高度有限且不可调，不能平稳落地的缺陷，本发明提出一种自主复位轮腿式弹跳复合移动机器人。为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是将弹跳运动和轮式运动相结 合，提供一种自主复位轮腿式弹跳复合移动机器人，其包括弹跳装置、复位与轮式驱动 一体装置、扭簧储能与落地缓冲一体装置三部分组成。弹跳装置主要实现弹跳能量的存 储和释放功能，保证单个弹跳过程自主完成。复位与轮式驱动一体装置主要实现弹跳落 地倾倒后复位以及轮式驱动功能。扭簧储能与落地缓冲一体装置主要用扭簧储存弹跳能 以及用扭簧和弧形脚底板来减小落地时地面冲击力，达到落地缓冲的目的。所述的弹跳装置由杆长储能机构、扭簧储能机构和调姿锁死释放机构三部分组 成，分别实现杆长储能功能、扭簧压缩储能功能和调姿储能锁死释放功能；杆长储能机 构包括拉伸弹簧、丝杠电机和由后腿、丝杠螺母、滚珠丝杠、丝杠支架、机身支撑座、 大腿、小腿、脚底板通过踝关节轴、后腿轴、机身后轴、机身前轴、膝关节轴连接组成 的齿轮上置五杆机构；其中后腿、小腿和脚底板绕踝关节轴转动；后腿轴穿过丝杠螺母 上的轴孔、丝杠支架的导槽和后腿轴孔形成转动副，丝杠支架和机身支撑座绕机身后轴 独立转动，大腿和机身支撑座绕机身前轴转动，大腿和小腿绕膝关节轴转动；所述的丝 杠支架的两侧板设置有导槽，导槽长短决定拉伸弹簧的最大和最小的拉伸长度，丝杠支 架两侧板的一端上设置有棘轮部分和齿轮部分，棘轮部分圆周角为120度，齿轮部分的 齿轮模数为1，齿数为26，分度圆直径为76mm;大腿不完全齿轮与丝杠支架的齿轮部分 啮合传动比为16 38；丝杠电机安装在丝杠支架上，带动滚珠丝杠转动，滚珠丝杠的另 一端置于丝杠支架筋板上的丝杠固定孔内，丝杠螺母沿滚珠丝杠轴线移动，同时后腿轴 沿丝杠支架的导槽移动，丝杠螺母与滚珠丝杠形成具有自锁功能的旋转移动副，从而改 变滚珠丝杠在齿轮上置五杆机构中实际的伸长量；所述的脚底板踝关节为自由关节，脚底板绕后腿与小腿连接的踝关节轴转动， 在脚底板与后腿、脚底板与小腿之间安装三个扭簧，当齿轮上置五杆机构储能时，小腿 和后腿与脚底板的角度变小，同时实现扭簧储能功能；脚底板的前端和后端向上翘起， 呈弧形状板，脚底板前端弧形曲率半径与机器人落地轨迹近似，前端弧形板的曲率半径 为150-200mm，后端弧形板的曲率半径为70_110mm，脚底板踝关节轴孔在脚底板2/3位 置。调姿锁死机构包括丝杠支架、调姿绕线、调姿盘、调姿舵机、机身支撑座、棘 爪、棘爪轴、棘爪弹簧固定轴、棘爪弹簧；丝杠支架通过机身后轴与机身支撑座连接， 调姿舵机安装在机身支撑座上，调姿盘与调姿舵机的输出轴固连，调姿绕线一端固定在 调姿盘的调姿释放轴上，另一端固定在丝杠支架一侧带有梯形槽圆盘的绕线轴上，调姿 舵机带动调姿盘转动时，丝杠支架发生转动，使丝杠支架与机身支撑座夹角发生变化， 实现调姿功能；棘爪弹簧的一端与安装在棘爪上的棘爪弹簧固定轴连接，另一端固定 在机身后轴上，在棘爪弹簧拉力的作用下，棘爪与丝杠支架上的棘轮部分棘齿啮合，棘 爪轴穿过机身支撑座的安装孔将棘爪与机身支撑座连接，棘爪与丝杠支架上的棘齿啮合 时，实现锁死功能；棘爪与丝杠支架上的棘齿脱离时，实现能量释放功能。所述的复位与轮式驱动一体装置包括机身支撑座、复位支撑杆、复位驱动电 机、复位齿轮杆、电机固定架、前轮驱动电机、前驱动万向轮、复位第一传动齿轮和复 位第二传动齿轮。机器人两侧结构类似，仅叙述其一侧结构。所述的复位支撑杆为两根，其中复位支撑杆的一端与机身支撑座的支撑杆安装孔铰接，另一端与电机固定架的 安装孔铰接，复位齿轮杆的齿轮轴一端悬置安装在机身支撑座的齿轮轴孔上，另一端与 电机固定架固定连接；复位支撑杆、复位齿轮杆、电机固定架和机身支撑座形成一个平 行四杆机构，绕着机身支撑座的齿轮轴转动，复位驱动电机的输出轴同复位齿轮杆齿轮 端的悬置轴固连。前轮驱动电机用螺栓安装在电机固定架上，前驱动万向轮与前轮驱动 电机的输出轴固连。实现轮式驱动和弹跳复合移动。所述的扭簧储能与落地缓冲一体装置包括脚底板、踝关节轴、扭簧、后腿和小 腿。扭簧总共有三个，踝关节轴同时穿过脚底板踝关节轴孔、小腿踝关节轴孔、后腿踝 关节轴孔和三个扭簧的内直径轴孔；三个扭簧的一端紧靠脚底板的上平面挡住固定，其 中两个扭簧的另一端穿过两个后腿扭簧固定孔固定，一个扭簧的另一端穿过小腿扭簧固 定孔来固定。三个扭簧固定端的初始夹角为50-70度之间。后腿、小腿与脚底板的夹角 变小时，三个扭簧开始压缩储能，压缩角度最小可以到0度。落地时，扭簧被压缩，储 存能量，弧形脚底板延长与地面接触时间，减缓与地面的冲击。本发明工作过程分为弹跳过程、落地过程、复位和轮式驱动过程、调整过程。弹跳过程分为两个阶段初始阶段，调姿舵机逆时针带动调姿盘旋转，通过 调姿绕线拉动丝杠支架逆时针、旋转同时，与机身铰接的棘爪锁死丝杠支架，防止大腿 和丝杠支架上齿轮啮合部分在拉伸弹簧拉力的作用下反转，丝杠支架与大腿间的夹角变 大，拉伸弹簧拉伸进行储能，此过程机器人姿态在发生变化，实验和仿真表明调整丝杠 支架和机身之间夹角的大小，对调整机器人起跳方向效果明显，故称为调姿储能；第二 阶段，为使拉伸弹簧拉伸量增大，储存更多的能量，提高跳高和跳远度，通过丝杠电机 旋转滚珠丝杠，滚珠丝杠上的丝杠螺母向后移动，拉伸弹簧被拉伸展延长度，弹簧拉伸 储能。两种储能方式组合使用，能够调整机器人弹跳起跳方向和跳高跳远度。滚珠丝 杠旋转使与后腿铰接的丝杠螺母向后移动，相当于丝杠杆变长，称为杆长储能。在前两 种方式进行储能的同时，小腿与脚底板、后腿与脚底板间夹角变小，安装在小腿和脚底 板上的扭簧和后腿与脚底板两侧的扭簧均受压缩，扭簧储存能量，这种储能能够提高机 器人起跳时的速度，尤其是垂直速度，称为扭簧储能。起跳阶段固定在机身上的调姿 舵机顺时针旋转，使棘爪驱动端向下运动，与丝杠支架上棘轮部分锁死的棘爪端向上运 动，棘爪和丝杠支架上的棘轮部分脱离，释放与机身铰接的棘爪。丝杠支架上的齿轮部 分和大腿不完全齿轮部分在弹簧力的作用下旋转，使大腿和丝杠支架间的夹角变小，扭 簧和拉伸弹簧能量释放使机器人向前跳起。落地过程机器人借助仿生特点，采用弧形脚底板结构，落地时弧形脚底板前 端先着地，落地接触点沿着脚底板弧形轨迹移动，延长着地时间，平衡冲击力。后腿和 脚底板、小腿和脚底板间的扭簧在冲击力和重力的作用下压缩，将冲击动能和重力势能 转化为弹性势能，同时弹性脚底板发生微小变形，吸收冲击能量，从而达到缓冲平稳落 地的目的。复位和轮式驱动过程采用齿轮平行四杆机构实现复位，并且在复位机构上安 装驱动轮，实现轮式驱动和弹跳复合移动。一旦机器人发生倾倒，机器人复位驱动电机 工作，带动复位齿轮杆转动，前驱动万向轮与地面接触，起支撑作用，复位齿轮杆旋转过程中，机身逐渐恢复到水平状态。机身恢复到水平状态时，此时整个机器人依靠前驱 动万向轮和后轮着地，脚底板悬空。此时为轮式驱动模式，能够实现差速转向和轮式驱动。调整过程调整阶段主要为下一周期的再次弹跳做准备。复位驱动电机反转， 齿轮平行四杆机构向上旋转，前驱动万向轮脱离与地面的接触，机器人恢复到弹跳模 式。调整时丝杠电机旋转滚珠丝杠带动丝杠螺母向机架铰接端移动，弹簧回到初始的伸 长状态。然后调姿舵机逆时针旋转，原本与丝杠支架的棘轮部分脱离啮合的棘爪重新啮 合上，为下一次储能弹跳做准备。本发明将弹跳运动和轮式运动相结合，提高机器人的机动性能，即在平缓地面 上采用轮式驱动，效率可靠性机动性能高。当遇到陡峭地势或者轮式运动不能穿越的障 碍物时，换用跳跃运动，调节跳跃姿态和储能量，有效的控制跳高和跳远度，根据环境 需要选择不同的跳跃模式。当机器人在跳跃落地发生倾翻时，可采用复位机构对机器人 复位，重新回到直立状态，完成下一次跳跃。与其他跳跃机器人不同的是，该机器人 借助仿生特点，采用弧形脚底板结构，可延长起跳和落地时间，从而提高弹跳机器人的 稳定性，在后腿和脚底板铰接处分别加装扭簧，在储能过程一起储存能量，起跳时可以 提高起跳冲击力，落地时两扭簧具有落地缓冲功能，延长落地时间，吸收冲击能量的特 点，起到平稳落地的效果。本发明自主复位轮腿式弹跳复合移动机器人，采用齿轮平行四杆机构实现复 位，并且在复位机构上安装驱动轮，实现轮式驱动和弹跳复合移动。借助于弧形脚底 板，并且在弧形脚底板和小腿、后腿安装扭簧，压缩时起到储能作用，能提高跳高和跳 远度，在弹跳落地时，弧形脚底板和扭簧同时起到落地缓冲的作用，使机器人平稳落 地。同时在机身部位安装CCD无线摄像头和超声波测距仪，对周围环境进行监测，以便 选择不同的机动模式。


下面结合附图和实施方式对本发明自主复位轮腿式弹跳复合机器人作进一步详 细说明。图1为本发明自主复位轮腿式弹跳复合机器人的结构示意图。图2为本发明自主复位轮腿式弹跳复合机器人的主视图。图3为本发明自主复位轮腿式弹跳复合机器人的俯视图。图4为本发明自主复位轮腿式弹跳复合机器人的调姿锁死机构示意图。图5为本发明自主复位轮腿式弹跳复合机器人的调姿锁死机构俯视图。图6为本发明自主复位轮腿式弹跳复合机器人的复位机构示意图。图7为本发明自主复位轮腿式弹跳复合机器人的复位机构俯视图。图8为本发明自主复位轮腿式弹跳复合机器人的复位机构左视图。图9为本发明自主复位轮腿式弹跳复合机器人的扭簧储能落地缓冲机构俯视 图。图10为本发明的机身支撑座的等轴测视图。图11为本发明的(a)大腿结构示意图；(b)大腿结构俯视图。
图12为本发明的(a)丝杠支架示意图；(b)丝杠支架主视图；(C)丝杠支架左视 图。图13为本发明的(a)脚底板的主视图；(b)脚底板的俯视图。图14为本发明的小腿的三维视图。图15为本发明的后腿的三维视图。图16为本发明的调姿盘的三维视图。图17为本发明调姿储能过程示意图。图18中(a)为本发明复合机器人的转向过程示意图；(b)为本发明复合机器人 倾倒复位过程示意图；(c)为本发明复合机器人轮式驱动过程示意图。图中1.脚底板2.踝关节轴3.扭簧4.后腿5.后轮连接轴6.后轮7.拉伸弹簧8.后腿 轴9.丝杠螺母10.滚珠丝杠11.丝杠支架12.调姿绕线13.调姿盘14.调姿舵机15.机身 支撑座16.棘爪轴17.棘爪18.棘爪弹簧固定轴19.棘爪弹簧20.丝杠电机21.机身后轴 22.机身前轴23.大腿24.膝关节轴25.小腿26.复位支撑杆27.复位驱动电机28.复位齿 轮杆29.电机固定架30.前轮驱动电机31.前驱动万向轮32.复位第一传动齿轮33.复位 第二传动齿轮34.微型摄像头35.超声波测距仪36.前轴孔37.后轴孔38.棘爪轴孔39.舵 机安装孔40.支撑杆安装孔41.齿轮轴孔42.摄像头安装孔43.测距仪安装孔44.大腿膝 关节轴孔45.大腿髋关节轴孔46.大腿不完全齿轮47.绕线轴48.丝杠固定孔49.棘轮 部分50.齿轮部分51.髋关节轴孔52.导槽53.电机轴孔54.电机安装孔55.脚底板踝关 节轴孔56.小腿扭簧固定孔57.小腿踝关节轴孔58.小腿膝关节轴孔59.后腿踝关节轴孔 60.后腿扭簧固定孔61.后轮轴孔62.后腿轴孔63.舵机轴孔64.调姿释放轴
具体实施例方式本实施例是一种自主复位轮腿式弹跳复合移动机器人，包括杆长储能机构、扭 簧储能机构、调姿锁死机构、复位轮式驱动机构和落地缓冲机构，分别实现杆长储能功 能、扭簧压缩储能功能、调姿储能锁死释放功能、落地倾倒复位轮式驱动功能和落地缓 冲功能。杆长储能机构如图1、图2和图3所示，本发明自主复位轮腿式弹跳复合机器 人的杆长储能机构包括后腿4、拉伸弹簧7，后腿轴8、丝杠螺母9、滚珠丝杠10、丝 杠支架11、机身支撑座15、丝杠电机20、机身后轴21、机身前轴22、大腿23、膝关节 轴24和小腿25组成。参见图15，后腿4的一端两侧设置有后腿踝关节轴孔59，使用踝关节轴2与脚 底板踝关节轴孔连接，形成平面转动副；另一端设置有四个并排的侧板，分别钻有四个 后腿轴孔62，四个并排的侧板间距为1 2 1，丝杠支架11位于中间两个侧板之间， 一对拉伸弹簧7位于两边侧板中间位置，由后腿轴8与丝杠螺母9连接形成转动副；后腿 4的中间部分全部挖空以减轻重量，在距离两个后腿踝关节轴孔59的一端中间留有一筋 板，筋板上设置有两个后腿扭簧固定孔60，用于固定两个扭簧3的一端，扭簧的另一端 紧靠脚底板1上平面，筋板位置和后腿扭簧固定孔的位置根据扭簧3尺寸参数确定；在整 个后腿4长度的2/3处设置有后轮轴孔61，用于固定后轮连接轴5。
参见图14，小腿25的一端两侧板向内靠，侧板上钻有小腿踝关节轴孔57，以便 踝关节轴2同时穿过小腿踝关节轴孔57、后腿踝关节轴孔59及扭簧3和脚底板踝关节轴 孔55形成平面转动副；与后腿4具有类似形状，在距离两个小腿踝关节轴孔57的一端中 间留有一筋板，筋板上设置有一个小腿扭簧固定孔56，用于固定另一个扭簧3的一端。 小腿25的另一端的两侧板上设置有小腿膝关节轴孔58，通过膝关节轴24与大腿23形成 转动副。如图12所示，是本发明自主复位轮腿式弹跳复合机器人的丝杠支架结构。丝杠 支架11的一端筋板上设置有丝杠固定孔48，滚珠丝杠10的一端穿过丝杠固定孔48形成 径向滑动副，滚珠丝杠10可在丝杠固定孔48中转动。丝杠支架11的两侧板上留有导槽 52，以便后腿轴8能够同时穿过丝杠螺母9、丝杠支架11和后腿4形成转动副，并保证后 腿轴沿导槽52移 动，导槽长短决定了拉伸弹簧7的最大和最小的拉伸长度，从而影响拉 伸弹簧7的储能的多少。另一端设置有髋关节轴孔51 ；机身后轴21同时穿过机身支撑 座15的后轴孔37和髋关节轴孔51形成转动副。丝杠支架11 一侧有一梯形槽圆盘，圆 盘径向位置有一绕线轴47，调姿绕线12的一端固定在绕线轴47上，沿梯形槽绕着圆盘， 调姿绕线12的另一端固定在调姿盘13的调姿释放轴64上。丝杠支架11的一端的两侧 板上有棘轮部分49和齿轮部分50。棘轮部分49圆周角度为120度，齿轮部分50的齿轮 模数为1，齿数为26，分度圆直径为76mm。大腿的结构如图11所示，其一端设置有大腿膝关节轴孔44，膝关节轴24同时 穿过大腿膝关节轴孔44和小腿膝关节轴孔58使大腿23和小腿25形成转动副；另一端设 置有大腿髋关节轴孔45和大腿不完全齿轮46，大腿不完全齿轮46的齿轮模数为1，齿数 为28，分度圆直径为32mm。两侧大腿不完全齿轮46间的距离与丝杠支架11两侧齿轮 部分50间的距离相同，保证两侧齿轮部分啮合。中间挖空部分和折线结构主要是为了减 轻质量和防止同机身支撑座15、拉伸弹簧7以及复位第一传动齿轮32和复位第二传动齿 轮33的干涉。本实施例中，后腿4，丝杠螺母9、滚珠丝杠10、丝杠支架11、机身支撑座15、 大腿23和小腿25通过踝关节轴2、后腿轴8、机身后轴21、机身前轴22、膝关节轴24 连接组成一个齿轮上置五杆机构。其中大腿不完全齿轮46与丝杠支架11的齿轮部分啮 合形成传动比16 38的齿轮传动；踝关节轴2同时穿过后腿踝关节轴孔59、小腿踝关 节轴孔57和脚底板踝关节轴孔55形成转动副，后腿4、小腿25和脚底板1独立的绕踝关 节轴2转动；后腿轴8同时穿过丝杠螺母9上的轴孔、丝杠支架的导槽52和后腿轴孔62 形成转动副，丝杠螺母9与滚珠丝杠10形成高精度、摩擦阻力小且具有自锁功能的旋转 移动副，滚珠丝杠10的一端置于丝杠固定孔48，两者配合要求精度很高，能形成径向滑 动，工作时在此处加润滑油，形成滑动油膜，减小滑动摩擦。滚珠丝杠10另一端与丝杠 电机20的输出轴固连，可采用联轴器、胶合方式。丝杠电机20通过螺栓固定于丝杠支 架11的3个电机安装孔54处。当丝杠电机20带动滚珠丝杠10转动时，丝杠螺母9沿 滚珠丝杠轴线移动，同时后腿轴8也沿丝杠支架11的导槽52移动。机身后轴21同时穿 髋关节轴孔51和后轴孔37形成转动副，丝杠支架11和机身支撑座15绕机身后轴21独 立转动。机身前轴22同时穿过大腿髋关节轴孔45和机身支撑座15的前轴孔36形成转 动副，大腿23和机身支撑座15绕机身前轴22转动。膝关节轴24同时穿过大腿膝关节轴孔44和小腿膝关节轴孔58形成转动副，大腿23和小腿25绕膝关节轴24转动。本实施例中，机身支撑座15的前轴孔36和后轴孔37的位置精度决定了丝杠支 架U上齿轮部分50同大腿不完全齿轮46的啮合程度，安装过程中保证丝杠支架11两侧 的齿轮部分50和大腿23两侧的大腿不完全齿轮46完全能够啮合上。本实施例中，一对拉伸弹簧7的两端分别紧固定于后腿轴8和膝关节轴24的两 个安装孔处，拉伸弹簧7的刚度影响储能的多少，进而影响跳跃的高度和跳远度。本实施例中，后腿4、小腿25和大腿23连接轴孔距离尺寸比例为6 7 4。扭簧储能机构如图1、图2、图3和图9所示，本发明自主复位轮腿式弹跳复 合机器人的扭簧储能机构包括脚底板1、踝关节轴2、扭簧3、后腿4和小腿25。扭簧3 总共有三个，踝关节轴2同时穿过脚底板踝关节轴孔55、小腿踝关节轴孔57、后腿踝关 节轴孔59和三个扭簧3的内直径轴孔；三个扭簧3的一端紧靠脚底板1的上平面挡住固 定，其中两个扭簧3的另一端穿过两个后腿扭簧固定孔60固定，另一个扭簧的另一端穿 过小腿扭簧固定孔56来固定。三个扭簧3固定端的初始夹角为50-70度之间。后腿4、 小腿25与脚底板1的夹角变小时，三个扭簧3开始压缩储能，压缩角度最小到0度。调姿锁死机构如图1、图2、图3、图4和图5所示，调姿锁死机构包括丝杠 支架11、调姿绕线12、调姿盘13、调姿舵机14、机身支撑座15、棘爪轴16、棘爪17、 棘爪弹簧固定轴18、棘爪弹簧19。如上所述，丝杠支架11通过机身后轴21与机身支撑 座15连接，调姿舵机14用螺栓固定于机身支撑座15的舵机安装孔处。调姿绕线12 — 端固定于丝杠支架11的绕线轴47上，另一端固定于调姿盘13的调姿释放轴64上，调姿 绕线12沿着丝杠支架11和调姿盘13的梯形槽缠绕。棘爪轴16穿过机身支撑座15的棘 爪轴孔38和棘爪17上的轴孔，在棘爪17的靠近棘爪端有一轴孔用来安装棘爪弹簧固定 轴18，棘爪弹簧19的一端固定在棘爪弹簧固定轴18上，另一端固定在机身后轴21上， 在棘爪弹簧19拉力的作用下，保证棘爪17始终与丝杠支架11的棘轮部分49保持啮合。复位轮式驱动机构参见图1、图2、图3、图6、图7和图8，本发明的复位轮 式驱动机构包括机身支撑座15、复位支撑杆26、复位驱动电机27、复位齿轮杆28、电 机固定架29、前轮驱动电机30、前驱动万向轮31、复位第一传动齿轮32和复位第二传动 齿轮33。机器人两侧结构类似，仅叙述一侧结构。复位支撑杆26为两根，其中复位支 撑杆26的一端与机身支撑座15的支撑杆安装孔40铰接，另一端与电机固定架29的安装 孔铰接，复位齿轮杆28的齿轮轴一端悬置安装在机身支撑座15的齿轮轴孔41上，另一 端与电机固定架29固定连接；复位支撑杆26、复位齿轮杆28、电机固定架29和机身支 撑座15形成一个平行四杆机构，绕着机身支撑座15的齿轮轴转动，复位驱动电机27的 输出轴同复位齿轮杆28齿轮端的悬置轴固连，复位驱动电机27使用带有编码器的减速直 流电机，转速为3-10转/分钟，且能够精确控制旋转角度。复位第一传动齿轮32和复 位第二传动齿轮33悬臂连接到机身支撑座15的齿轮轴孔41处，分别与两侧的复位齿轮 杆28啮合，与复位驱动电机27固连的复位齿轮杆28通过复位第一传动齿轮32和复位第 二传动齿轮33将运动传递到另一侧的复位齿轮杆28上。前轮驱动电机30安装在电机固 定架29上，前驱动万向轮31与前轮驱动电机30的输出轴固连，为保证实现差速转向和 调速功能，前轮驱动电机30加减速齿轮后转速控制在60-150转/分钟，能实现PWM控 制，加直流电机编码器实现精确调速控制。
落地缓冲机构如图1、图2、图3和图9所示，本发明自主复位轮腿式弹跳复 合机器人的落地缓冲机构同扭簧储能机构为同一机构。落地缓冲机构包括脚底板1、踝关 节轴2、扭簧3、后腿4和小腿25。扭簧3共有三个，踝关节轴2同时穿过脚底板踝关节 轴孔55、小腿踝关节轴孔57、后腿踝关节轴孔59和三个扭簧3的内直径轴孔；三个扭簧 3的一端紧靠脚底板1的上平面挡住固定，其中两个扭簧3的另一端穿过两个后腿扭簧固 定孔60固定，另一个扭簧的另一端穿过小腿扭簧固定孔56来固定。三个扭簧3固定端 的初始夹角为50-70度之间。后腿4、小腿25与脚底板1的夹角变小时，三个扭簧3开 始压缩储能，压缩角度最小到0度。如图13所示，所述的脚底板1的前端和后端向上翘起，呈弧形状板，采用弧形 脚底板结构，落地时弧形脚底板前端先着地，落地接触点沿着脚底板弧形轨迹移动，延 长着地时间，平衡冲击力。后腿和脚底板、小腿和脚底板间的扭簧在冲击力和重力的作 用下压缩，将冲击动能和重力势能转化为弹性势能，同时弹性脚底板发生微小变形，吸 收冲击能量，从而达到缓冲平稳落地的目的。脚底板前端弧形曲率半径与机器人落地轨迹近似，前端弧形板的曲率半径为 150-200mm，后端弧形板的曲率半径为70_110mm，脚底板踝关节轴孔55在脚底板2/3位置。本发明自主复位轮腿式弹跳复合移动机器人，其机身支撑座15的摄像头安装孔 42处安装有微型摄像头34，在机身支撑座15的两个测距仪安装孔43处各自安装有超声 波测距仪35，如图2、图8、图10所示。本发明自主复位轮腿式弹跳复合移动机器人的工作过程分为三个阶段初始阶 段，调姿舵机14逆时针带动调姿盘旋转，通过调姿绕线12拉动丝杠支架11逆时针旋转 同时，与机身铰接的棘爪17锁死丝杠支架11，防止大腿23和丝杠支架11上齿轮啮合部 分在一对拉伸弹簧7拉力的作用下反转，丝杠支架11与大腿23之间的夹角变大，拉伸弹 簧7拉伸进行储能，机器人姿态随之发生变化，调整丝杠支架11和机身支撑座15之间的 角度大小，对调整机器人起跳方向效果明显，故称为调姿储能；第二阶段，为使拉伸弹 簧7拉伸量增大，储存更多的能量，提高弹跳高度和跳远度，通过丝杠电机20带动滚珠 丝杠10旋转，滚珠丝杠10上的丝杠螺母9向后移动，拉伸弹簧7的拉伸长度伸长，弹簧 拉伸储能。两种储能方式组合使用，能够调整机器人弹跳起跳方向和跳高跳远度。滚珠 丝杠10旋转使与后腿铰接的丝杠螺母9向后移动，相当于丝杠杆变长，称为杆长储能。 在前两种方式进行储能的同时，小腿25与脚底板1、后腿4与脚底板1间夹角变小，安装 在小腿25和脚底板1的扭簧3、后腿4与脚底板1两侧的扭簧均受压缩，扭簧储存能量， 这种储能能够提高机器人起跳时的速度，尤其是垂直速度，称为扭簧储能。起跳阶段 固定在机身支撑座15上的调姿舵机顺时针旋转，使棘爪17驱动端向下运动，与丝杠支架 11上棘轮部分锁死的棘爪17端向上运动，棘爪17和丝杠支架11上的棘轮部分脱离，释 放与机身支撑座15铰接的棘爪17。丝杠支架11上的齿轮部分和大腿不完全齿轮46在拉 伸弹簧7弹簧力的作用下旋转，使大腿23和丝杠支架11间的夹角变小，弹簧能量释放跳 起；调整阶段调整阶段主要为下一周期的再次弹跳做准备。调整时，丝杠电机20带动 滚珠丝杠10旋转使丝杠螺母9向机架铰接端移动，弹簧回到初始的伸长状态。然后调姿 舵机14逆时针旋转，与丝杠支架11的棘轮部分脱离啮合的棘爪17重新啮合上。为下一次储能弹跳做准备。复位和轮式驱动过程采用齿轮平行四杆机构实现复位，并且在复位机构上安 装驱动轮，实现轮式驱动和弹跳复合移动。一旦机器人发生倾倒，机器人复位驱动电机 27工作，带动复位齿轮杆28旋转，前驱动万向轮31与地面接触，起支撑作用，复位齿轮 杆28旋转过程中，机身逐渐恢复到水平状态。机身恢复到水平状态时，机器人依靠前驱 动万向轮31和后轮6着地，脚底板1悬空。此时为轮式驱动模式，实现差速转向和轮式 驱动。本实施例要实现机器人的自主弹跳和轮式驱动，除上述所述的环境监测传感器 微型摄像头34和超声波测距仪35以外，需要在机身增加触碰传感器以监测机器人是否发 生倾倒，控制器同时控制4台微型直流电机和一个舵机，控制器能够兼容上述传感器且 能实现无线控制。
权利要求
1.一种自主复位轮腿式弹跳复合移动机器人，其特征在于包括弹跳装置、复位与 轮式驱动一体装置、扭簧储能与落地缓冲一体装置，分别实现弹跳能量的存储和释放功 能，弹跳落地倾倒后复位以及轮式驱动功能，用扭簧储存弹跳能以及用扭簧和弧形脚底 板来缓冲落地时地面冲击力的功能，将弹跳运动和轮式运动相结合。
2.根据权利要求1所述的一种自主复位轮腿弹跳复合移动机器人，其特征在于所 述的弹跳装置包括杆长储能机构、扭簧储能机构和调姿锁死释放机构；杆长储能机构包括拉伸弹簧(7)、丝杠电机(20)和由后腿(4)、丝杠螺母(9)、滚珠 丝杠(10)、丝杠支架(11)、机身支撑座(15)、大腿(23)、小腿(25)、脚底板(1)通过 踝关节轴(2)、后腿轴(8)、机身后轴(21)、机身前轴(22)、膝关节轴(24)连接组成的 齿轮上置五杆机构；其中后腿(4)、小腿(25)和脚底板(1)绕踝关节轴(2)转动；后腿 轴(8)同时穿过丝杠螺母(9)上的轴孔、丝杠支架的导槽(52)和后腿轴孔(62)形成转动 副，丝杠支架(11)和机身支撑座(15)绕机身后轴(21)独立转动，大腿(23)和机身支撑 座(15)绕机身前轴(22)转动，大腿(23)和小腿(25)绕膝关节轴(24)转动；所述的丝 杠支架(11)的两侧板设置有导槽(52)，导槽(52)长短决定拉伸弹簧(7)的最大和最小 的拉伸长度，丝杠支架(11)两侧板的一端上设置有棘轮部分(49)和齿轮部分(50)，棘 轮部分(49)圆周角为120度，齿轮部分(50)的齿轮模数为1，齿数为26，分度圆直径为 76mm ；大腿不完全齿轮(46)与丝杠支架(11)的齿轮部分(50)啮合传动比为16 38 ； 丝杠电机(20)安装在丝杠支架(11)上，带动滚珠丝杠(10)转动，滚珠丝杠(10)的另一 端置于丝杠支架(11)筋板上的丝杠固定孔(48)内，丝杠螺母(9)沿滚珠丝杠轴线移动， 同时后腿轴(8)沿丝杠支架(11)的导槽(52)移动，丝杠螺母(9)与滚珠丝杠(10)形成 具有自锁功能的旋转移动副，从而改变滚珠丝杠(10)在齿轮上置五杆机构中实际的伸长 量；脚底板踝关节为自由关节，脚底板(1)绕后腿(4)与小腿(25)连接的踝关节轴(2) 转动，在脚底板(1)与后腿(4)、脚底板(1)与小腿(25)之间安装三个扭簧(3)，当齿轮 上置五杆机构储能时，小腿(25)和后腿(4)与脚底板(1)的角度变小，同时实现扭簧储 能功能；调姿锁死机构包括丝杠支架(11)、调姿绕线(12)、调姿盘(13)调姿舵机(14)、机 身支撑座(15)、棘爪轴(16)、棘爪(17)、棘爪弹簧固定轴(18)、棘爪弹簧(19)；丝杠 支架(11)通过机身后轴(21)与机身支撑座(15)连接，调姿舵机(14)安装在机身支撑 座(15)上，调姿盘(13)与调姿舵机(14)的输出轴固连，调姿绕线(12) —端固定在调姿 盘(13)的调姿释放轴(64)上，另一端固定在丝杠支架(11) 一侧带有梯形槽圆盘的绕线 轴(47)上，调姿舵机(14)带动调姿盘(13)转动时，丝杠支架(11)发生转动，使丝杠支 架(11)与机身支撑座(15)夹角发生变化，实现调姿功能；棘爪弹簧(19)的一端与安装 在棘爪(17)上的棘爪弹簧固定轴(18)连接，另一端固定在机身后轴(21)上，在棘爪弹 簧(19)拉力的作用下，棘爪(17)与丝杠支架(11)上的棘轮部分(49)棘齿啮合，棘爪轴 (16)穿过机身支撑座(15)的安装孔将棘爪(17)与机身支撑座连接，棘爪(17)与丝杠支 架(11)上的棘齿啮合时，实现锁死功能；棘爪(17)与丝杠支架(11)上的棘齿脱离时， 实现能量释放功能。
3.根据权利要求1所述的一种自主复位轮腿弹跳复合移动机器人，其特征在于所述的复位与轮式驱动一体装置包括机身支撑座(15)、复位驱动电机(27)、复位支撑杆 (26)、复位齿轮杆(28)、电机固定架(29)、前轮驱动电机(30)、前驱动万向轮(31)、复 位第一传动齿轮(32)和复位第二传动齿轮(33)；复位支撑杆(26)的一端与机身支撑座 (15)的支撑杆安装孔(40)铰接，另一端与电机固定架(29)上的安装孔铰接，复位齿轮 杆(28)的齿轮轴一端悬置安装在机身支撑座(15)的齿轮轴孔(41)上，另一端与电机固 定架(29)固定连接；复位支撑杆(26)、复位齿轮杆(28)、电机固定架(29)和机身支撑 座(15)形成一个平行四杆机构，绕着机身支撑座(15)的齿轮轴转动，复位驱动电机(27) 的输出轴同复位齿轮杆(28)齿轮端的悬置轴固连，复位第一传动齿轮(32)和复位第二传 动齿轮(33)悬臂连接到机身支撑座(15)的齿轮轴孔(41)处，分别与两侧的复位齿轮杆 (28)啮合，前轮驱动电机(30)安装在电机固定架(29)上，前驱动万向轮(31)与前轮驱 动电机(30)的输出轴固连；实现轮式驱动和弹跳复合移动。
4.根据权利要求1所述的一种自主复位轮腿弹跳复合移动机器人，其特征在于所 述的扭簧储能与落地缓冲一体装置包括脚底板(1)、踝关节轴(2)、扭簧(3)、后腿(4)和 小腿(25)；所述的扭簧(3)共有三个，踝关节轴(2)同时穿过脚底板踝关节轴孔(55)、 小腿踝关节轴孔(57)、后腿踝关节轴孔(59)和三个扭簧(3)的内直径轴孔；三个扭簧 (3)的一端紧靠脚底板(1)的上平面固定，其中两个扭簧(3)的另一端穿过两个后腿扭簧 固定孔(60)，一个扭簧(3)的另一端穿过小腿扭簧固定孔(56)固定，三个扭簧(3)固定 端的初始夹角为50-70度之间，后腿(4)、小腿(25)与脚底板(1)的夹角变小时，三个扭 簧(3)开始压缩储能，压缩角度最小到0度。
5.根据权利要求1所述的一种自主复位轮腿弹跳复合移动机器人，其特征在于所 述的脚底板(1)的前端和后端向上翘起，呈弧形状板，脚底板前端弧形曲率半径与机 器人落地轨迹近似，前端弧形板的曲率半径为150-200mm，后端弧形板的曲率半径为 70-1 IOmm,脚底板踝关节轴孔(55)在脚底板2/3位置。
全文摘要
本发明公开了一种自主复位轮腿式弹跳复合移动机器人，其包括弹跳装置、复位与轮式驱动一体装置、扭簧储能与落地缓冲一体装置，分别实现弹跳能量的存储和释放功能，弹跳落地倾倒后复位以及轮式驱动功能，用扭簧储存弹跳能以及用扭簧和弧形脚底板来缓冲落地时地面冲击力的功能，将弹跳运动和轮式运动相结合，提高机器人的机动性能，即在平缓地面上采用轮式驱动，效率可靠性机动性能高。当遇到陡峭地势或者轮式运动不能穿越的障碍物时，换用跳跃运动，调节跳跃姿态和储存能量，有效的控制跳高和跳远度，根据环境需要选择不同的跳跃模式。当机器人在跳跃落地发生倾翻时，可采用复位机构对机器人复位，重新回到直立状态，完成下一次跳跃。
文档编号B62D57/00GK102009705SQ20101054489
公开日2011年4月13日 申请日期2010年11月11日 优先权日2010年11月11日
发明者柴辉, 樊重庆, 葛文杰, 陈朋威, 高建, 魏敦文 申请人:西北工业大学