一种自主复位三档变速弹跳移动机器人的制造方法与工艺

本发明涉及机器人领域，具体地说，涉及一种自主复位三档变速弹跳移动机器人。

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，可适应复杂环境的特点成为机器人研究领域的热点。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，即包括跳高度和跳远度，都有明显减小。2)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。但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，目前该项技术还没能投入到实际应用。3)发明专利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，且能实现自主控制；但通过调节储存的能量而不是跳跃的姿态来改变跳跃高度和距离这一性能，调节幅度有限，且脚底板和小腿是一种固定运动模式传动，不具备腿部柔性特性；在与地面发生碰撞时产生较大的冲击力，对机器人本体易造成破坏，同时大的冲击载荷造成机器人落地时容易发生倾翻，倾翻后不能自主复位，导致机器人机动性能和实际应用可行性降低。4)在专利100429112中提出了“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,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。5)专利102267502中涉及“一种跳跃可调的弹跳机器人”，实现了跳跃度可调，机器人通过外部齿轮组啮合和松开实现不同传动比的调节；但变传动比的机构复杂，可靠性较低，变传动比机构的调节需要两个驱动电机，增加了机器人控制的复杂程度；同时电机的增加使得机器人总体重量增加，弹跳性能降低，且没有通过调整机器人的跳跃姿态达到跳跃高度和远度的调节。弹跳机构在落地时有冲击力，没有考虑弹跳平稳落地问题。

技术实现要素：
为增强机器人对环境适应能力，提高机动性能，克服现有技术中机器人倾翻不能自主复位，弹跳高度和距离不能调节的缺陷，本发明提出一种自主复位三档变速弹跳移动机器人。弹跳移动机器人利用凸轮实现三个档位齿轮组的啮合与脱离，使得不完全齿轮变速机构能改变关节角传动比，从而改变弹跳姿态，改变弹跳的高度和距离，并且采用一个电机来控制换挡变速和锁定释放机构的关节。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:自主复位三档变速弹跳移动机器人，包括弹跳与姿态锁定装置、变速机构与锁定释放一体装置、落地缓冲装置、倾倒复位装置，弹跳与姿态锁定装置连接为一体，实现弹跳能量的存储和释放功能，弹跳落地后将机器人的两个关节锁死；变速机构设置三个档位，分别对应不同的传动比，改变关节角比例，实现弹跳的高度和距离；锁定释放装置与变速机构由同一个角度可调的舵机驱动，完成关节角的锁定与释放功能；落地缓冲装置采用弹簧来减小落地时地面冲击力，实现落地缓冲；倾倒复位装置用于弹跳落地倾倒后使机器人复位；其特征在于所述弹跳与姿态锁定装置包括后腿杆、拉伸弹簧、弹簧轴、踝关节轴、丝杠轴、丝杠螺母、滚珠丝杠、丝杠支架、丝杠轴承后座、齿条、机身、机身连接座、丝杠电机、舵机固定架、大腿、小腿、脚底板，其中后腿杆、丝杠、丝杠支架、机身连接座、大腿、小腿、脚底板形成齿轮上置五杆机构；丝杠电机固定在舵机固定架上，丝杠电机带动滚珠丝杠转动，丝杠螺母与滚珠丝杠配合，拉伸弹簧拉长实现储能；舵机固定架与丝杠支架、踝关节轴、丝杠轴、丝杠螺母、滚珠丝杠连接，当完成跳跃后，丝杠电机带动滚珠丝杠转动，齿条沿丝杠支架移动并带动调姿外齿轮旋转，调姿外齿轮与调姿内齿轮带动锁死齿轮转动，半圆凸轮与棘爪脱离，棘爪在复位弹簧的作用下与棘轮啮合，机器人姿态被锁死；脚底板通过踝关节轴绕后腿杆转动；所述变速机构与锁定释放一体装置包括第一变传动大齿轮、第二变传动大齿轮、第三变传动大齿轮、第一变传动啮合齿轮、第二变传动啮合齿轮、第三变传动啮合齿轮、第一小齿轮、第二小齿轮、第三小齿轮、第一推杆、第二推杆、第三推杆、第一变速凸轮、第二变速凸轮、第三变速凸轮、输入轴、机身前轴、机身后轴、变传动销、调姿外齿轮、中间齿轮、调姿内齿轮、锁死齿轮、半圆凸轮、棘爪、销轴、棘轮、棘爪齿轮、变速舵机，第一变速凸轮、第二变速凸轮、第三变速凸轮依次固定在输入轴上，三个变速凸轮分别与第一推杆、第二推杆、第三推杆配合,第一小齿轮、第二小齿轮、第三小齿轮和第一变传动啮合齿轮、第二变传动啮合齿轮、第三变传动啮合齿轮分别与机身前轴连接，第一变传动大齿轮、第二变传动大齿轮、第三变传动大齿轮与机身后轴固连；第一变传动大齿轮与第一小齿轮啮合，传动比为2:1，第二变传动大齿轮与第二小齿轮啮合，传动比为3:1，第三变传动大齿轮与第三小齿轮啮合，传动比为4:1；第三变速凸轮推动第三推杆移动，第三推杆内齿与第三变传动啮合齿轮在相位0度时啮合，第二变速凸轮推动第二推杆移动，第二推杆内齿与第二变传动啮合齿轮在相位120度时啮合，第一变速凸轮推动第一推杆移动，第一推杆内齿与第一变传动啮合齿轮在相位240度时啮合，实现变速机构三个档位的传动；当处于锁定状态时，固定在大腿上的棘轮与中间齿轮啮合，中间齿轮、调姿外齿轮、调姿内齿轮通过机身后轴和机身前轴固定在丝杠支架上，棘爪与棘轮配合固定机身与丝杠支架的夹角、机身与大腿的夹角，当拉伸弹簧储能前，完成关节角的锁定；变速舵机通过棘爪齿轮、锁死齿轮带动半圆凸轮转动，半圆凸轮拨动棘爪与棘轮脱离啮合，关节角的锁定即被解除；当拉伸弹簧完成储能，机器人弹跳时进行关节的释放，拉伸弹簧释放能量机器人弹跳，实现关节的锁定与释放功能；所述倾倒复位装置包括弧形臂、复位轴、加强轴、复位舵机、复位齿轮、小带轮、机身复位架、支撑座、大带轮、舵机座，复位舵机固定在机身复位架上,且与小带轮连接,两复位轴通过支撑座分别连接在机身复位架两端上部,复位轴的两端分别与两弧形臂连接,大带轮固定在复位轴上一端,复位齿轮固定在另一复位轴上一端,两加强轴分别位于两复位轴的上方与弧形臂连接,复位舵机通过小带轮带动大带轮和同侧弧形臂转动，复位舵机通过复位齿轮带动同侧弧形臂转动，两边弧形臂转动方向相反；复位舵机通过舵机座固定在机身上；当发生倾倒时，复位舵机转动带动弧形臂向外张开，转动角度增大，一边弧形臂撑地，机身回复到水平位置，复位舵机反转，弧形臂回到原来位置；所述落地缓冲装置包括变刚度后轴、膝关节轴、变刚度前轴、连接套、变刚度腿、上滑块、下滑块、变刚度中轴、短脚底板轴座、落地弹簧，连接套位于膝关节轴的中间部位，膝关节轴两端分别与大腿、小腿连接，变刚度前轴中间与上滑块连接，变刚度前轴两端分别与变刚度腿一端连接，下滑块连接在变刚度后轴中间部位，变刚度后轴两端分别与两侧小腿连接，变刚度腿与短脚底板轴座通过变刚度中轴连接,小腿与长脚底板轴座通过踝关节轴连接,短脚底板轴座和长脚底板轴座分别固定在脚底板上；小腿、脚底板、下滑块、变刚度前轴、连接套和变刚度腿构成滑块摇杆机构；二根落地弹簧平行连接在变刚度前轴和变刚度后轴上；变刚度腿与脚底板初始夹角为60～70度；当弹跳落地时，小腿与大腿的夹角减小，变刚度前轴与上滑块沿连接套滑动，落地弹簧被拉伸并储存能量，落地缓冲装置吸收冲击能量，实现缓冲平稳落地。第一推杆、第二推杆与第三推杆内齿模数相同。第一变传动啮合齿轮、第二变传动啮合齿轮与第三变传动啮合齿轮的齿轮模数相同。第一小齿轮、第二小齿轮、第三小齿轮与第一变传动啮合齿轮、第二变传动啮合齿轮、第三变传动啮合齿轮为同心固定的齿轮组合。有益效果本发明提出的一种自主复位三档变速弹跳移动机器人，由弹跳与姿态锁定装置、变速机构与锁定释放一体装置、落地缓冲装置、倾倒复位装置组成。通过三档变速机构有效地控制跳跃的高度和距离，根据环境需要选择不同的跳跃模式。利用锁定释放机构来控制机器人的关节角，触发机器人弹跳。当机器人在跳跃落地式发生倾翻时，采用倾倒复位装置对机器人复位，重新回到直立状态，完成下一次跳跃。自主复位三档变速弹跳移动机器人借助落地缓冲装置，可延长起跳和落地时间，从而提高弹跳机器人的稳定性，落地缓冲，吸收冲击能量，起到平稳落地的功能。同时在移动机器人的机身上安装CCD无线摄像头、无线遥控模块，对周围环境进行监测，对自主复位三档变速弹跳移动机器人实时进行遥控。附图说明下面结合附图和实施方式对本发明一种自主复位三档变速弹跳移动机器人作进一步详细说明。图1为本发明弹跳移动机器人结构示意图。图2为本发明弹跳移动机器人主视图。图3为本发明弹跳移动机器人俯视图。图4为本发明弹跳移动机器人的变速机构轴测图。图5为本发明弹跳移动机器人的变速机构示意图。图6为本发明弹跳移动机器人的锁定释放机构轴测图。图7为本发明弹跳移动机器人的锁定释放机构示意图。图8为本发明弹跳移动机器人的复位机构轴测图。图9为本发明弹跳移动机器人的复位机构示意图。图10为本发明弹跳移动机器人的落地缓冲机构轴测图。图11为本发明弹跳移动机器人的落地缓冲机构示意图。图12为本发明弹跳移动机器人的落地缓冲机构左视图。图13为大腿轴测图。图14为丝杠支架示意图。图15(a)为变速凸轮组示意图。图15(b)为变速凸轮组轴测图。图16(a)为本发明的杆长储能过程中未储能状态示意图。图16(b)为本发明的杆长储能过程中储能状态示意图。图17为本发明弹跳移动机器人倾倒复位过程示意图。图中:1.大腿2.小腿3.变速舵机4.变刚度后轴5.长脚底板轴座6.踝关节轴7.脚底板8.后腿杆9.丝杠轴10.拉伸弹簧11.弹簧轴12.丝杠轴承后座13.丝杠螺母14.齿条15.丝杠支架16.舵机固定架17.丝杠电机18.弧形臂19.复位轴20.加强轴21.复位舵机22.复位齿轮23.小带轮24.机身复位架25.膝关节轴26.变刚度前轴27.连接套28.变刚度腿29.支撑座30.调姿外齿轮31.机身连接座32.中间齿轮33.调姿内齿轮34....