一种可空中调姿及落地能量回收的足滚式间歇弹跳机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域，具体地说，涉及一种可空中调姿及落地能量回收的足滚式间歇弹跳机器人。

背景技术：

在自然界中，很多小昆虫或者动物通过跳跃能在恶劣的环境和复杂的地形中运动，有时候它们甚至能够越过比其自身大数十倍的障碍物，它们这种独特的运动能力已引起了世界科学家和工程师的注意。同时随着机器人技术的不断发展，以及人们的日常需求，仿生机器人已经成为了研究的热点，而腿式跳跃机器人又是仿生机器人的一个重要分支。

地面移动机器人可分为三种类型:轮式机器人、行走机器人和跳跃机器人。轮式机器人能在平整的路面上高效运动，但在尺寸相同的条件下，它们在崎岖的地面上的局限性很明显。此外，传统轮式机器人想要具有越过大障碍物的能力，就需要很复杂的设计和高昂的造价。尽管行走机器人能在复杂的地面上运动，但是越过大的障碍物对它来说同样是一个巨大的困难，而且还需要复杂的控制系统和机械结构。而相比于前两种机器人，跳跃机器人在复杂地形上的运动能力较强。近年来，腿式跳跃机器人已经取得了很大的进步，很多机器人能够适应地形复杂的未知非结构工作环境，完成各种复杂的、灵活的、高难度的、甚至有危险性的任务。随着结构、电控、通信和网络技术的进步，带有各种类型传感器的小型跳跃机器人能够相互之间形成感知网络，通过这种技术，人们在搜寻营救、军事安全监测和环境监控方面更加方便和高效。

专利200910023297.2中公开了一种储能可调的齿轮仿生五杆弹跳机构，该弹跳机构能够姿态调整以进行跳跃准备、储能和释放能量等功能，但该机构存在空中阶段不能调整身体的姿态，落地稳定性不高，起跳高度相对较低，落地缓冲性能差的缺陷。在专利200910218805.2中公开了一种两自由度仿生弹跳机器人，该机器人在储能过程中,利用丝杠螺母机构具有较大的传动比，采用较小功率的丝杠驱动电机来完成弹簧的拉伸以实现能量存储,通过储能过程完成时螺母停止在丝杠上的不同位置来调整腿部装置在起跳前的不同准备姿势,以实现弹跳机器人起跳角度的调节，但是该机器人在落地倾倒后不具有复位功能，并且它只具有单一的跳跃功能。为了提高弹跳机器人的应用领域，弹跳机器人在遇到巨大而通过跳跃无法越过的障碍时，要能够进行转向以绕开障碍物，但是现有的弹跳机器人很难实现这点。

技术实现要素：

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种可空中调姿及落地能量回收的足滚式间歇弹跳机器人。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括跳跃机构，空中调姿及落地缓冲、能量回收机构，复位、转向、滚动一体化圆弧腿机构，

所述跳跃机构包括伺服电机、第二舵机、梯形丝杆、联轴器、剖分螺母、凸轮、棘爪、棘轮、躯干、大腿、小腿、脚底板、脚底板支架、后支撑杆、助跳脚、第四弹簧、第五弹簧、弹簧连接件，其中，伺服电机与梯形丝杆固定在躯干内部，伺服电机输出轴与梯形丝杆一端通过联轴器连接，梯形丝杆的两端装有深沟球轴承，剖分螺母安装在梯形丝杆上，大腿一端与躯干前端通过轴铰接，另一端与小腿铰接，弹簧连接件固定在大腿上，脚底板与脚底板支架固连，脚底板支架一端和小腿通过轴铰接，另一端和后支撑杆一端通过轴铰接，后支撑杆另一端和剖分螺母装置通过轴铰接，助跳脚固定在后支撑杆上，第四弹簧一端安装在后支撑杆和剖分螺母的铰接轴上，另一端固定在大腿和小腿的铰接轴上；第二舵机位于躯干的前部，第二舵机的前端装有凸轮，棘爪通过轴安装在躯干上，且相对躯干进行转动，棘轮通过螺钉安装在大腿上，第五弹簧一端固定在躯干外侧，另一端安装在棘爪轴上，在第五弹簧的作用下，棘爪与棘轮啮合，凸轮转动时棘爪与棘轮脱开，第四弹簧存储的能量释放出来实现跳跃；

所述空中调姿及落地缓冲、能量回收机构包括剖分螺母装置、第一弹簧、第一钢丝绳、第二弹簧、推杆、推杆轮、推杆挡板、前腿、第三弹簧，剖分螺母装置包括后滑块、铜轴套、螺母壳体、导杆、后滑块导轨、第六弹簧；后滑块和螺母壳体通过铜轴套套装在梯形丝杆上，两个剖分螺母位于螺母壳体内，剖分螺母与壳体之间装有导杆，在导杆的中间部位装有第三弹簧，并通过导杆进行定位和导向，后滑块导轨一端与后滑块固连，另一端安装在螺母壳体内，后滑块导轨的导轨斜面与剖分螺母的斜面相配合，使剖分螺母压紧，第二弹簧用于实现剖分螺母与梯形丝杆啮合，剖分螺母上有弹簧安装孔，第六弹簧安装在两个剖分螺母中间，实现剖分螺母和梯形丝杆脱开；第一弹簧一端固定在螺母壳体上，另一端通过第一钢丝绳安装在躯干上，推杆安装在后滑块上，推杆轮通过深沟球轴承安装在推杆上，推杆挡板固定在大腿上，第三弹簧一端固定在躯干上，另一端安装在前腿上，在落地过程中实现缓冲和蓄能的作用；

所述复位、转向、滚动一体化圆弧腿机构包括第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机、第四步进电机、第一舵机、固定架、同步带轮、第一同步带、第二同步带、壳体、小锥齿轮、大锥齿轮、第一圆弧腿、第二圆弧腿、第三圆弧腿、第四圆弧腿、舵盘、安装架、第二钢丝绳、第三钢丝绳，其中，第一圆弧腿、第二圆弧腿、第三圆弧腿和第四圆弧腿为结构相同的部件，四个圆弧腿两两相对固连在躯干两侧，四个步进电机分别控制对应的圆弧腿，各步进电机通过固定架安装在安装架上，步进电机输出轴上安装有深沟球轴承和同步带轮，同步带轮和壳体连接，小锥齿轮与大锥齿轮位于壳体内相互啮合，小锥齿轮与步进电机输出轴固连，大锥齿轮与传动轴固连，传动轴另一端与圆弧腿固连，躯干同侧的两个同步带轮通过同步带连接，同侧的圆弧腿转动方向相同，躯干前部两个壳体分别通过第一钢丝绳和第二钢丝绳与舵盘连接，舵盘固定在第一舵机转轴上，第一舵机和步进电机控制四个圆弧腿与躯干的角度，实现复位、转向、滚动运动。

所述小锥齿轮与大锥齿轮啮合，传动比为1:2。

机器人的运动过程:

当剖分螺母装置处于梯形丝杆的前端时，第四弹簧和第一弹簧的弹簧力较小，几乎为零，在第二弹簧的弹簧力作用下，两个剖分螺母被压紧，从而使整个剖分螺母装置与梯形丝杆处于啮合状态，第二舵机带动凸轮使棘轮棘爪相互啮合，伺服电机转动，带动剖分螺母装置向梯形丝杆的后端进行运动，从而拉伸第四弹簧为跳跃阶段进行储能，同时第一弹簧也会被拉伸，但最终它的弹簧力小于第一弹簧的弹簧力，大于第二弹簧的弹簧力。当剖分螺母的后滑块运动触碰到限位开关，伺服电机停止转动，此时，机器人的躯干和脚底板平行，助跳脚悬在空中。第一舵机转动使圆弧腿包裹在机器人的外侧，从而使机器人的两侧能存在圆弧线。当机器人向前运动遇到障碍物时，机器人采用跳跃模式越过障碍物，此时第二舵机带动凸轮转动，从而使棘爪和棘轮脱开，弹簧中的能量在瞬间爆发出来，因为第四弹簧的弹簧力远大于第一弹簧的弹簧力，所以剖分螺母装置和丝杆处于啮合状态，在第四弹簧的作用下，大腿和小腿沿着相应的轴顺时针摆动，后支撑杆沿着相应的轴顺时针摆动，撑开机器人在运动一定角度后，助跳脚和地面产生接触，整个机器人沿着助跳脚的脚尖进行转动，在达到一定速度时，机器人完成跳跃阶段进入空中飞行阶段。在飞行阶段，第四弹簧的弹簧力接近于零，此时第一弹簧的弹簧力大于第二弹簧，所以剖分螺母装置和梯形丝杆处于脱开状态，从而能沿着梯形丝杆滑动；在第一弹簧的作用下，剖分螺母装置带着推杆向梯形丝杆的前端运动，当推杆前端的推杆轮接触固定在大腿上的推杆挡板，从而推动大腿逆时针摆动，整个腿部机构沿着梯形丝杆向前运动，实现调姿的过程。在落地阶段，在惯性的作用下，大腿先逆时针转到原始位置，通过压缩助跳脚，剖分螺母装置向梯形丝杆的后端运动，从而拉伸第四弹簧进行能量的回收。在第四弹簧拉伸一定程度后，剖分螺母向后滑动的速度变为零，并且有向前运动的趋势，此时第四弹簧的弹簧力大于第一弹簧的弹簧力，所以剖分螺母装置和梯形丝杆啮合，从而锁住动力弹簧中的能量。因为机器人有前腿，能起到缓冲和支撑的作用，所以机器人不会向前倾倒。机器人的两侧安装有圆弧腿，有利于防止机器人的侧翻，但是主动复位机构是必要的。当机器人发生侧翻时，步进电机控制圆弧腿展开，在展开的过程中，圆弧腿会和地面接触从而使机器人绕着脚底板和地面的接触线转动，实现机器人脚底板和地面接触，从而实现主动复位。当机器人运行在平坦的地面上或者有凹凸但没有大障碍物的地面上，机器人采用滚动的运动模式，首先控制舵机旋转90度，带动四个圆弧腿转动90度，从而使四个圆弧腿和机器人的两侧面相平行。四个步进电机控制四个圆弧腿使对角线的两个圆弧腿姿态一致，机器人两侧的两个圆弧腿姿态相差180度，机器人的圆弧腿会间歇性地和地面接触，配合机器人的两条前腿，因此机器人在滚动的运动过程中采用梯形步态。当机器人遇到较大而难以通过跳跃越过的障碍物时，机器人采用转向模式绕过障碍物，首先，控制舵机转动45度，使四条圆弧腿和机器人的两侧面成45度，步进电机控制一侧的两条圆弧腿同向转动，另一侧的两条圆弧腿的转动方向和它们相反，机器人能进行转向，当转到设定的角度后，机器人可采用滚动模式或跳跃模式。

有益效果

本发明提出的一种可空中调姿及落地能量回收的足滚式间歇弹跳机器人，机器人采用杆长可调的齿轮结构作为跳跃机构，其中能量的储存采用剖分螺母装置和梯形丝杆，棘轮棘爪配合舵机、凸轮作为能量释放机构，为了增加跳跃的高度和落地能进行缓冲，在后支撑杆上固定安装有柔性助跳脚。剖分螺母装置根据多个弹簧力之间的关系自动地与梯形丝杆脱开或啮合；当机器人完成跳跃在空中飞行时，在剖分螺母和推杆、推杆挡板的共同作用下，机器人能进行调姿，有利于提高落地稳定性和进行能量的回收和二次利用。前腿起到缓冲和防止机器人前翻的作用，同时在机器人的滚动模式下起到支撑的作用。当机器人落地发生侧翻时，复位机构能实现机器人的被动复位和主动复位。机器人在平坦地面上采用240度圆弧腿滚动模式，当机器人遇到难以逾越的障碍物时，机器人能进行转向以绕过障碍物。弹跳机器人具有结构紧凑、运动模式多、地形适应性好的特点。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种可空中调姿及落地能量回收的足滚式间歇弹跳机器人作进一步详细说明。

图1为本发明可空中调姿及落地能量回收的足滚式间歇弹跳机器人示意图。

图2为本发明可空中调姿及落地能量回收的足滚式间歇弹跳机器人俯视图。

图3为本发明可空中调姿及落地能量回收的足滚式间歇弹跳机器人左视图。

图4为本发明中剖分螺母装置与梯形丝杆脱开状态示意图。

图5为本发明中剖分螺母装置与梯形丝杆脱开状态轴测图。

图6为本发明中剖分螺母装置与梯形丝杆啮合状态示意图。

图7为本发明中步进电机控制圆弧腿结构示意图。

图8为本发明中步进电机控制圆弧腿结构主视图。

图9为本发明中圆弧腿收在身体两侧起到被动复位作用的示意图。

图10为本发明中圆弧腿收在身体两侧起到被动复位作用的轴测图。

图11为本发明中机器人滚动圆弧腿梯形步态示意图。

图12为本发明中机器人转向时圆弧腿分布示意图。

图13为本发明中剖分螺母结构示意图。

图14为本发明中剖分螺母壳体结构示意图。

图15为本发明中后滑块结构示意图。

图16为本发明中锥齿轮壳体结构示意图。

图17为本发明中圆弧腿结构示意图。

图18为本发明中带不完全齿轮小腿结构示意图。

图中:

1.第一舵机2.躯干3.第一步进电机4.凸轮5.伺服电机6.棘爪7.棘轮8.大腿9.安装架10.第一钢丝绳11.第一弹簧12.第二步进电机13.梯形丝杆14.第二弹簧15.前腿16.第三弹簧17.舵盘18.弹簧连接件19.第一圆弧腿20.小腿21.推杆挡板22.脚底板支架23.脚底板24.助跳脚25.推杆轮26.推杆27.第二圆弧腿28.后支撑杆29.第四弹簧30.第二钢丝绳31.第三步进电机32.第三圆弧腿33.第二同步带34.第四步进电机35.第四圆弧腿36.第三钢丝绳37.第二舵机38.第五弹簧39.第一同步带40.螺母壳体41.导杆42.后滑块导轨43.后滑块44.剖分螺母45.第六弹簧46.固定架47.同步带轮48.小锥齿轮49.大锥齿轮50.壳体

具体实施方式

本实施例是一种可空中调姿及落地能量回收的足滚式间歇弹跳机器人。

参阅图1～图18，本实施例可空中调姿及落地能量回收的足滚式间歇弹跳机器人由跳跃机构，空中调姿及落地缓冲、能量回收机构，复位、转向、滚动一体化圆弧腿机构组成；在跳跃机构中,伺服电机5和梯形丝杆13安装在躯干2内部，梯形丝杆13的两端装有深沟球轴承，伺服电机5输出轴与梯形丝杆13的一端通过联轴器连接。剖分螺母装置安装在梯形丝杆13上，梯形丝杆13上套有铜轴套从螺母壳体40和后滑块43的孔中穿过，两个剖分螺母44安装在螺母壳体40内，通过导杆41进行定位和导向。后滑块导轨42一端通过螺钉安装在后滑块43上，另一端安装在螺母壳体40内；后滑块导轨42的导轨斜面和剖分螺母44的斜面相配合，使剖分螺母44压紧，实现剖分螺母44和梯形丝杆13啮合。剖分螺母44上有弹簧安装孔，第六弹簧45安装在两个剖分螺母中间，用来实现剖分螺母44分离，从而实现剖分螺母44和梯形丝杆13的脱开。大腿8一端与躯干2前端通过轴铰接，另一端与小腿20铰接，弹簧连接件18固定在大腿8上，脚底板23与脚底板支架22固定连接，脚底板支架22一端和小腿20通过轴铰接，另一端和后支撑杆28一端通过轴铰接，后支撑杆28另一端和剖分螺母装置通过轴铰接，轴的两端装有深沟球轴承，轴承支撑在躯干的两侧腰形孔中。在小腿22的一端加工有不完全齿轮，后支撑杆28的一端加工出模数相同的不完全齿轮，两个不完全齿轮相互啮合从而减少系统的1个自由度。助跳脚24固定在后支撑杆28上，第四弹簧29一端安装在后支撑杆28和剖分螺母44的铰接轴上，另一端固定在大腿8和小腿20的铰接轴上；第二舵机37安装在躯干2的前部，第二舵机37的前端装有凸轮4，棘爪6通过轴安装在躯干2上，且相对躯干2进行转动，棘轮7通过螺钉安装在大腿8上；第五弹簧38一端固定在躯干2外侧，另一端安装在棘爪6轴上，在第五弹簧38弹簧力的作用下，棘爪6与棘轮7啮合；凸轮4转动时棘爪6与棘轮7脱开，第四弹簧29存储的能量释放出来实现跳跃。

剖分螺母装置处在梯形丝杆13的前端时，第四弹簧29和第一弹簧11不存在拉伸量，故不存在弹簧力，此时一端固定在后滑块43和螺母壳体40上的第二弹簧14的弹簧力大于第六弹簧45的弹簧力，剖分螺母装置和梯形丝杆13处于啮合状态。伺服电机5带动梯形丝杆13转动，剖分螺母装置将整体向梯形丝杆13的后端运动，因为棘爪6和棘轮7相啮合，第四弹簧29和第一弹簧11被拉伸,从而实现能量的存储，机器人完成能量存储的状态。

本实施例中，机器人在跳跃运动时，躯干2两侧的第一圆弧腿19、第二圆弧腿27、第三圆弧腿32和第四圆弧腿35收拢在两侧，不会干扰跳跃运动，同时起到被动复位的作用。当第二舵机37带动凸轮4转动时，棘爪6和棘轮7脱开，第四弹簧29中的弹性势能瞬间释放，带动大腿8、小腿20向梯形丝杆13的后端转动，小腿20和后支撑杆28之间组成齿轮副，后支撑杆28顺时针进行转动，使机器人的躯干2抬起。助跳脚24安装在后支撑杆28上，当后支撑杆28转动一定角度，助跳脚24和地面接触，机器人绕着助跳脚24的脚尖进行转动，在速度达到一定值时，机器人离开地面进入空中飞行阶段。随着弹性势能的释放，第四弹簧29的弹簧力逐渐减小到零。由于第一弹簧11的弹簧力大于第二弹簧14的弹簧力，同时在第六弹簧45的配合下，剖分螺母装置和梯形丝杆13将处于脱开状态；此时在第一弹簧11的作用下，整个剖分螺母装置被第一弹簧11拉着向梯形丝杆13的前端运动，固定在剖分螺母装置上的推杆26一起向前运动，安装在推杆26前端的推杆轮25和推杆挡板21相接触，大腿8被推着逆时针方向转动，进行机器人空中的调姿运动，利于提高机器人的落地稳定性。为防止机器人落地时向前倾倒，在躯干2的前端安装有前腿15，在前腿15和躯干2前装有第三弹簧16，起到缓冲和蓄能的作用。在机器人落地前，第一弹簧11的弹簧力减小到零，助跳脚24和地面进行接触，棘爪6和棘轮7啮合，助跳脚24通过后支撑杆28带动后滑块43向梯形丝杆13的后端运动，后滑块导轨42同时向后运动，剖分螺母15处于脱开状态。当后滑块导轨42接触螺母壳体40时，一起向后运动，使第四弹簧29和第一弹簧11拉长；当后滑块43向后运动的速度变为零时，剖分螺母装置处于脱开状态，由于第四弹簧29的弹簧力远大于第一弹簧11的弹簧力，第四弹簧29带动后滑块43将剖分螺母44压紧，实现剖分螺母装置与梯形丝杆13的啮合锁死，将回收的能量锁存住；实现落地能量的回收和二次利用，减少能量的损耗。

本实施例中，第一圆弧腿19、第二圆弧腿27、第三圆弧腿32和第四圆弧腿35为结构相同的部件，四个圆弧腿两两相对固连在躯干两侧，第一步进电机3、第二步进电机12、第三步进电机31和第四步进电机34分别控制对应的第一圆弧腿19、第二圆弧腿27、第三圆弧腿32和第四圆弧腿35转动。四个步进电机分别通过固定架46安装在安装架9上，步进电机输出轴上安装有深沟球轴承和同步带轮，同步带轮和壳体连接；小锥齿轮48与大锥齿轮49位于壳体50内，小锥齿轮48与大锥齿轮49啮合，传动比为1:2。小锥齿轮48与步进电机输出轴固连，大锥齿轮49与传动轴固连，传动轴另一端与圆弧腿固连，躯干2同侧的两个同步带轮通过同步带连接，同侧的圆弧腿转动方向相同；躯干前部两个壳体50分别通过第二钢丝绳30和第三钢丝绳36与舵盘17连接，舵盘17固定在第一舵机1转轴上，第一舵机1控制第一圆弧腿19、第二圆弧腿27、第三圆弧腿32和第四圆弧腿35与躯干2所成的角度。当机器人采用滚动模式时，第一舵机1控制第一圆弧腿19、第二圆弧腿27、第三圆弧腿32和第四圆弧腿35和躯干2相平行。在机器人落地的过程中，第一圆弧腿19、第二圆弧腿27、第三圆弧腿32和第四圆弧腿35分布在躯干的两侧，进行被动复位，使机器人落地时不易向两侧倾倒；机器人若发生向侧边倾倒的状况，同侧的两条圆弧腿和地面接触，由于第一步进电机3、第二步进电机12、第三步进电机31和第四步进电机34分别控制第一圆弧腿19、第二圆弧腿27、第三圆弧腿32和第四圆弧腿35转动，圆弧腿会展开，通过作用力和反作用力，机器人沿着脚底板23和地面接触转动实现主动复位。当机器人运动在平坦地面上时，机器人的第一圆弧腿19和第二圆弧腿27错开180度，第三圆弧腿32和第四圆弧腿35错开180度，第一圆弧腿19和第四圆弧腿35的姿态相同，第二圆弧腿27和第三圆弧腿32的姿态相同，加上两条前腿15，机器人能间断地四个点着地，适应地形。

当机器人运动到难以逾越的障碍物时，采用转向模式绕过障碍物，第一舵机1控制第一圆弧腿19、第二圆弧腿27、第三圆弧腿32和第四圆弧腿35与躯干2成45度角，步进电机控制前侧两条圆弧腿反向转动，从而实现转向。