一种伸缩式翻滚机器人的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种伸缩式翻滚机器人。
[0002]
【背景技术】
[0003] 在行星表面环境中，存在人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合， 如火星表面的大尺度沟壑、狭窄洞穴等，而这些场合具有潜在的科学研宄价值。因此对这些 环境进行科学探索和研宄成为科学技术发展和人类社会进步的需要。
[0004] 在现有各类陆地移动机器人中，轮式、履带式以及轮腿履复合式机器人克服一般 障碍尚可，难以通过险峻陡坡、大尺度沟壑、以及狭窄洞穴等极端复杂恶劣的路面障碍，另 外腿式、蛇形和球形运动形式尚不够成熟，因此亟需探索具备超强障碍通过性能的新概念 机器人构型，以满足深空探索的需要。
[0005]
【发明内容】
[0006] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种伸缩式翻滚机器人。本发明通 过以下技术方案实现： 一种伸缩式翻滚机器人，包括：一个中心节点组件、若干伸缩杆组件以及若干柔性脚组 件，若干伸缩杆组件分别连在接中心节点组件与若干伸缩杆组件、相邻的若干伸缩杆组件 之间，构成正多面体形状，若干柔性脚组件位于正多面体形状的各顶点，通过若干伸缩杆组 件的伸缩实现伸缩式翻滚机器人的移动，以及调整中心节点组件的位置，使伸缩式翻滚机 器人在移动过程中重心位置从一个稳定区域到另一个稳定区域； 根据若干伸缩杆组件的连接位置，分为直角边伸缩杆组件、对角边伸缩杆组件，以及斜 边伸缩杆组件，直角边伸缩杆组件连接在若干柔性脚组件之间，构成正多面体形状的边线， 斜边伸缩杆组件连接在每一若干柔性脚组件与中心节点组件之间，对角边伸缩杆组件连接 在若干柔性脚组件之间，构成正多面体形状的每一面上的对角线； 伸缩杆组件包括驱动机构和丝杠-螺母传动机构，驱动机构包括：电机、一对滑轮以及 皮带，电机通过对滑轮和皮带的配合，将动力传给丝杠-螺母传动机构，实现伸缩杆组件的 伸缩； 丝杠-螺母传动机构包括三级嵌套丝杠机构和护罩，三级嵌套丝杠机构由三根互相嵌 套的丝杠以及最外层的螺母组成，二级丝杠和三级丝杠分别有与上一级丝杠相配的螺纹， 用于形成各级丝杠之间的运动关系；护罩共有四级，一级护罩是主体，其他三级护罩可轴向 移动，四级护罩的底部有与三级丝杠连接的螺母，通过四级护罩的带动，使得每一级护罩均 可从主体中伸展出来；三根丝杠的顶部各有一挡块，用于限制丝杠的运动行程。
[0007] 较佳的，柔性脚组件包括：脚板、底板、若干万向节和若干连接板，脚板由若干块相 同的小平板组成，用以接触地面；若干万向节通过底板连接在脚板上；若干连接板分别连 接若干万向节以及若干伸缩杆组件。
[0008] 较佳的，连接对角边伸缩杆组件的柔性脚组件还包括一根连接杆，连接在连接板 与万向节之间，用以抵消对角边增加的长度。
[0009] 较佳的，中心节点组件包括：空心舱、若干万向节和若干连接板，空心舱通过若干 万向节分别连接若干连接板，连接板分别连接若干伸缩杆组件。
[0010] 较佳的，万向节具有两个自由度。
[0011] 较佳的，丝杠和螺母采用梯形螺纹，用以防止反向转动，减少晃动。
[0012] 较佳的，皮带的传动减速比为1.3:1，用以降低伸缩杆组件的伸缩周期，提高移动 平稳性。
[0013] 较佳的，伸缩式翻滚机器人为正六面体结构，包括8个柔性脚组件以及26个伸缩 杆组件组成，8个柔性脚组件均匀分布在中心节点组件的周围。
[0014] 本发明由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效 果： 1、 通过电机、滑轮、皮带、丝杠-螺母配合的驱动及传动方式，本发明可以实现不同运 动步态间的切换，可以适应沟壑、峭壁、陡坡等多种恶劣地形环境，具有较大的运动灵活性 和较强的复杂地形适应能力； 2、 本发明机器人的基础机械结构是正四面体构型，正四面体是空间最为稳定的结构之 一，在此基础上进行扩展，由十二个正四面体组成正六面体结构，8个顶点均采用同类柔性 脚并且都与中心节点相连，从而稳定了机器人重心位置。机器人整体呈正六面体，对称布 局，运动单元均为正四面体的结构，从原理上保证了机器人运动稳定性，克服了传统机器人 的倾覆问题； 3、 采用了三级嵌套的丝杠-螺母传动形式，在保证机器人单步运动行程的同时，也减 小了机器人的体积； 4、 本发明机器人的基本组成是伸缩杆组件、柔性脚组件和中心节点组件，结构比较简 单，部件可以采用模块化加工，装配也较容易； 5、 本发明机器人通过伸缩杆伸缩，调整重心位置至稳定三角形区域，实现机器人翻滚 运动，避免了机器人与地面的冲击，保证了其运动的可靠性。
[0015]
【附图说明】
[0016] 图1是本发明的一种伸缩式翻滚机器人的结构图； 图2是本发明的伸缩杆组件结构剖面图； 图3是本发明的伸缩杆组件行程示意图； 图4是本发明滑轮与皮带的装配图； 图5是本发明的一种柔性脚的结构图； 图6是本发明的另一种柔性脚的结构图； 图7是本发明的中心节点的结构图； 图8至图14是本发明的运动过程示意图； 图中标记说明如下： 1一A滑轮、2-锁紧螺母、3-一级护罩、4一小轴承、5-大轴承、6-螺母、7-二级护 罩、8-三级护罩、9一四级护罩、IO-三级丝杠、11 一二级丝杠、12-一级丝杠、13-A挡块、 14一锁紧螺钉、15-顶盖、16 - C挡块、17 - B挡块、18 -电机、19--轴承支座、20-轴承顶 盖、20-后盖、22-B滑轮、23-A滑轮螺母、24-B滑轮螺母、25-脚板、26-底板、27-万向 节、28-连接板、29-连接杆、30-空心舱、31-皮带。
[0017]
【具体实施方式】
[0018] 以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述 和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明的保护范围。
[0019] 为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的 解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
[0020] 本发明提供的机器人采用电机和滑轮配合作为动力源，采用三级嵌套丝杠-螺母 的传动方式组成伸缩杆组件，采用二自由度万向节组成柔性脚组件，连接了相邻的伸缩杆 组件。该机器人基本单元是四面体，由伸缩杆组件和柔性脚组件组成的四面体结构，是空间 最稳定的结构之一；整个机器人由12个四面体组成，外观呈正六面体结构(本发明对此形 状不做限制)，从原理上保证了机器人运动的平稳性。在运动过程中，机器人可以通过伸缩 杆有规律的伸缩改变其形状，当机器人重心达到下一个稳定区域时，可实现机器人的运动。
[0021] 如图1所示，本发明提供的一种伸缩式翻滚机器人包括：一个中心节点组件Cl、26 个伸缩杆组件以及8个柔性脚组件组成的正六面体结构。其基础机械结构是正四面体构 型，正四面体是空间最为稳定的结构之一，在此基础上进行扩展，由十二个正四面体组成上 述的正六面体结构，但本发明并不以此形状为限。
[0022] 伸缩杆组件分为三类，图1中伸缩杆组件Al为机器人的正六面体直角边，连接两 个直线方向的柔性脚组件Bl、B2 ;A2为机器人的正六面体对角边，连接两个对角线方向的 柔性脚组件Bl、BI ;A3为正六面体的斜边，连接柔性脚组件和中心节点Cl。A2长度比A1、 A3长，这是由于机器人的正六面体构型使得对角边较长，因此，A2的结构相较于Al和A2需 要多加装一个连接杆来抵消对角边增加的长度。
[0023] 如图2至图4所示，伸缩杆组件的结构包括驱动机构和丝杠-螺母传动机构，驱动 机构包括：电机18、皮带31、滑轮（1、22)。电机18安装在伸缩杆组件外部，通过滑轮将运动 传递给丝杠-螺母传动机构，实现伸缩杆的伸缩。皮带传动减速比为1. 3:1，可以降低伸缩 杆的伸缩周期，放缓机器人的运动速度，提高其运动的平稳性。
[0024] 丝杠-螺母传动机构包括三级嵌套丝杠机构和护罩。三级嵌套丝杠机构由三根互 相嵌套的丝杠以及最外层的螺母组成，二级丝杠11和三级丝杠10分别有与上一级丝杠相 配的螺纹，用于形成各层丝杠之间的运动关系；护罩共有四段，一级护罩3是主体，其他三 段护罩可以轴向移动，四级护罩9的底部有与三级丝杠10配合的螺母6,直接与螺母6相 连，通过护罩的带动作用，使得每一层护罩均可从主体中伸展出来；三根丝杠的顶部各有一 个限位平垫，四级护罩9的顶部也有一个限位平垫，用于限制丝杠的运动行程。所有丝杠和 螺母均采用梯形螺纹，小升角，可以自锁，故能阻止反向转动，减少晃动。
[0025] 伸缩杆组件各部分的连接与传动关系如下：B滑轮22通过B滑轮螺母24连接电 机18,滑轮1接收到从皮带31传送来的动力，通过A滑轮螺母23直接与一级丝杠12连接， 将动力传输到丝杠-螺母传动机构上，一级丝杠12与二级丝杠11配合为移动副，将动力传 递到二级丝杠11上，二级丝杠11与三级丝杠10配合为移动副，