專利名稱：一種自主復位輪腿式彈跳復合移動機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種自主復位輪腿式彈跳復合移動機器人，屬于機械工程與自動化 及機器人領域。
背景技術：
目前，移動機器人主要采用輪式、履帶式和腿式三種運動方式。輪式機器人具 有高速高效的特點，技術成熟，但是越障能力差，不能適應復雜地形環(huán)境。履帶式機器 人適應能力強，設計緊湊，具有良好的環(huán)境適應性，但存在重量大、摩擦阻力較大、能 耗很高的缺點。腿式機器人機動性好、越障能力強，但是自主控制復雜。作為腿式機器 人中的彈跳機器人，由于其越障能力強，可適應復雜環(huán)境等特點成為機器人研究領域的執(zhí)占。國內外有關彈跳機器人的研究有1)瑞士洛桑聯邦理工大學研發(fā)的一種微型雙 腿蚱蜢彈跳機器人，其設計靈感來自于蚱蜢。該機器人可以彈跳自身27倍的高度，成 為機器人跳高之最。通過在外部增加一個球形籠子裝置來轉向和減震，但是增加后由于 質量增大，實驗表明彈跳性能都有明顯減小。2)由日本東京大學的RyumaNiiyama研發(fā) 的仿生雙足氣動跳躍機器人Mowgli。該彈跳機器人的驅動器采用的是人工氣動肌肉，能 夠較為逼真地模擬生物體的起跳過程。跳躍的高度為其自身高度的50%以上，并且落地 時對地面的沖擊力較小。該機器人沒有考慮轉向功能和傾倒后自主復位功能，不能實現 自主連續(xù)跳躍，并且人工氣動肌肉體積大、價格昂貴，目前這項技術還處在研發(fā)實驗階 段，沒能投入到工程應用。3)在專利(公告號201446986U)中公開了一種仿生彈跳機 器人。該仿生彈跳機器人是基于儲能可調的齒輪_五桿仿生彈跳機構，起跳角度、桿長 和儲能均可調并且能夠實現自主控制，但彈跳不能平穩(wěn)落地，對地面沖擊力大，機器人 落地時發(fā)生傾倒不能自主復位，不能重復跳躍。越障能力提高，但是機動性能降低。將彈跳運動和輪式運動相結合，提高機器人的機動性能，即在平緩地面上采用 輪式驅動，效率、可靠性和機動性能高，當遇到陡峭地勢或者輪式運動不能穿越的障礙 物時，換用彈跳模式，能適應各種復雜地形。在專利(公告號100429112)中公開了 一種輪腿彈跳復合式移動機器人。該輪腿彈跳復合式移動機器人的主體是四輪驅動機器 人，通過在車底部增加彈簧實現其彈跳，但彈簧儲能能力和彈跳高度有限，彈跳機構在 落地時有沖擊力，同樣沒有考慮彈跳平穩(wěn)落地問題。綜上所述，目前還沒有一種以彈跳移動為主，以輪式驅動為輔的環(huán)境適應能力 強，機動性能高的復合移動機器人，能實現跳躍度可調的自主跳躍，傾倒后能夠自主復 位，并且能夠減小落地沖擊力達到平穩(wěn)落地的目的。

發(fā)明內容
為增強機器人環(huán)境適應能力，提高機動性能，克服現有技術傾翻不能自主復 位、彈跳高度有限且不可調，不能平穩(wěn)落地的缺陷，本發(fā)明提出一種自主復位輪腿式彈跳復合移動機器人。為解決上述技術問題，本發(fā)明所采用的技術方案是將彈跳運動和輪式運動相結 合，提供一種自主復位輪腿式彈跳復合移動機器人，其包括彈跳裝置、復位與輪式驅動 一體裝置、扭簧儲能與落地緩沖一體裝置三部分組成。彈跳裝置主要實現彈跳能量的存 儲和釋放功能，保證單個彈跳過程自主完成。復位與輪式驅動一體裝置主要實現彈跳落 地傾倒后復位以及輪式驅動功能。扭簧儲能與落地緩沖一體裝置主要用扭簧儲存彈跳能 以及用扭簧和弧形腳底板來減小落地時地面沖擊力，達到落地緩沖的目的。所述的彈跳裝置由桿長儲能機構、扭簧儲能機構和調姿鎖死釋放機構三部分組 成，分別實現桿長儲能功能、扭簧壓縮儲能功能和調姿儲能鎖死釋放功能；桿長儲能機 構包括拉伸彈簧、絲杠電機和由后腿、絲杠螺母、滾珠絲杠、絲杠支架、機身支撐座、 大腿、小腿、腳底板通過踝關節(jié)軸、后腿軸、機身后軸、機身前軸、膝關節(jié)軸連接組成 的齒輪上置五桿機構；其中后腿、小腿和腳底板繞踝關節(jié)軸轉動；后腿軸穿過絲杠螺母 上的軸孔、絲杠支架的導槽和后腿軸孔形成轉動副，絲杠支架和機身支撐座繞機身后軸 獨立轉動，大腿和機身支撐座繞機身前軸轉動，大腿和小腿繞膝關節(jié)軸轉動；所述的絲 杠支架的兩側板設置有導槽，導槽長短決定拉伸彈簧的最大和最小的拉伸長度，絲杠支 架兩側板的一端上設置有棘輪部分和齒輪部分，棘輪部分圓周角為120度，齒輪部分的 齒輪模數為1，齒數為26，分度圓直徑為76mm;大腿不完全齒輪與絲杠支架的齒輪部分 嚙合傳動比為16 38；絲杠電機安裝在絲杠支架上，帶動滾珠絲杠轉動，滾珠絲杠的另 一端置于絲杠支架筋板上的絲杠固定孔內，絲杠螺母沿滾珠絲杠軸線移動，同時后腿軸 沿絲杠支架的導槽移動，絲杠螺母與滾珠絲杠形成具有自鎖功能的旋轉移動副，從而改 變滾珠絲杠在齒輪上置五桿機構中實際的伸長量；所述的腳底板踝關節(jié)為自由關節(jié)，腳底板繞后腿與小腿連接的踝關節(jié)軸轉動， 在腳底板與后腿、腳底板與小腿之間安裝三個扭簧，當齒輪上置五桿機構儲能時，小腿 和后腿與腳底板的角度變小，同時實現扭簧儲能功能；腳底板的前端和后端向上翹起， 呈弧形狀板，腳底板前端弧形曲率半徑與機器人落地軌跡近似，前端弧形板的曲率半徑 為150-200mm，后端弧形板的曲率半徑為70_110mm，腳底板踝關節(jié)軸孔在腳底板2/3位 置。調姿鎖死機構包括絲杠支架、調姿繞線、調姿盤、調姿舵機、機身支撐座、棘 爪、棘爪軸、棘爪彈簧固定軸、棘爪彈簧；絲杠支架通過機身后軸與機身支撐座連接， 調姿舵機安裝在機身支撐座上，調姿盤與調姿舵機的輸出軸固連，調姿繞線一端固定在 調姿盤的調姿釋放軸上，另一端固定在絲杠支架一側帶有梯形槽圓盤的繞線軸上，調姿 舵機帶動調姿盤轉動時，絲杠支架發(fā)生轉動，使絲杠支架與機身支撐座夾角發(fā)生變化， 實現調姿功能；棘爪彈簧的一端與安裝在棘爪上的棘爪彈簧固定軸連接，另一端固定 在機身后軸上，在棘爪彈簧拉力的作用下，棘爪與絲杠支架上的棘輪部分棘齒嚙合，棘 爪軸穿過機身支撐座的安裝孔將棘爪與機身支撐座連接，棘爪與絲杠支架上的棘齒嚙合 時，實現鎖死功能；棘爪與絲杠支架上的棘齒脫離時，實現能量釋放功能。所述的復位與輪式驅動一體裝置包括機身支撐座、復位支撐桿、復位驅動電 機、復位齒輪桿、電機固定架、前輪驅動電機、前驅動萬向輪、復位第一傳動齒輪和復 位第二傳動齒輪。機器人兩側結構類似，僅敘述其一側結構。所述的復位支撐桿為兩根，其中復位支撐桿的一端與機身支撐座的支撐桿安裝孔鉸接，另一端與電機固定架的 安裝孔鉸接，復位齒輪桿的齒輪軸一端懸置安裝在機身支撐座的齒輪軸孔上，另一端與 電機固定架固定連接；復位支撐桿、復位齒輪桿、電機固定架和機身支撐座形成一個平 行四桿機構，繞著機身支撐座的齒輪軸轉動，復位驅動電機的輸出軸同復位齒輪桿齒輪 端的懸置軸固連。前輪驅動電機用螺栓安裝在電機固定架上，前驅動萬向輪與前輪驅動 電機的輸出軸固連。實現輪式驅動和彈跳復合移動。所述的扭簧儲能與落地緩沖一體裝置包括腳底板、踝關節(jié)軸、扭簧、后腿和小 腿。扭簧總共有三個，踝關節(jié)軸同時穿過腳底板踝關節(jié)軸孔、小腿踝關節(jié)軸孔、后腿踝 關節(jié)軸孔和三個扭簧的內直徑軸孔；三個扭簧的一端緊靠腳底板的上平面擋住固定，其 中兩個扭簧的另一端穿過兩個后腿扭簧固定孔固定，一個扭簧的另一端穿過小腿扭簧固 定孔來固定。三個扭簧固定端的初始夾角為50-70度之間。后腿、小腿與腳底板的夾角 變小時，三個扭簧開始壓縮儲能，壓縮角度最小可以到0度。落地時，扭簧被壓縮，儲 存能量，弧形腳底板延長與地面接觸時間，減緩與地面的沖擊。本發(fā)明工作過程分為彈跳過程、落地過程、復位和輪式驅動過程、調整過程。彈跳過程分為兩個階段初始階段，調姿舵機逆時針帶動調姿盤旋轉，通過 調姿繞線拉動絲杠支架逆時針、旋轉同時，與機身鉸接的棘爪鎖死絲杠支架，防止大腿 和絲杠支架上齒輪嚙合部分在拉伸彈簧拉力的作用下反轉，絲杠支架與大腿間的夾角變 大，拉伸彈簧拉伸進行儲能，此過程機器人姿態(tài)在發(fā)生變化，實驗和仿真表明調整絲杠 支架和機身之間夾角的大小，對調整機器人起跳方向效果明顯，故稱為調姿儲能；第二 階段，為使拉伸彈簧拉伸量增大，儲存更多的能量，提高跳高和跳遠度，通過絲杠電機 旋轉滾珠絲杠，滾珠絲杠上的絲杠螺母向后移動，拉伸彈簧被拉伸展延長度，彈簧拉伸 儲能。兩種儲能方式組合使用，能夠調整機器人彈跳起跳方向和跳高跳遠度。滾珠絲 杠旋轉使與后腿鉸接的絲杠螺母向后移動，相當于絲杠桿變長，稱為桿長儲能。在前兩 種方式進行儲能的同時，小腿與腳底板、后腿與腳底板間夾角變小，安裝在小腿和腳底 板上的扭簧和后腿與腳底板兩側的扭簧均受壓縮，扭簧儲存能量，這種儲能能夠提高機 器人起跳時的速度，尤其是垂直速度，稱為扭簧儲能。起跳階段固定在機身上的調姿 舵機順時針旋轉，使棘爪驅動端向下運動，與絲杠支架上棘輪部分鎖死的棘爪端向上運 動，棘爪和絲杠支架上的棘輪部分脫離，釋放與機身鉸接的棘爪。絲杠支架上的齒輪部 分和大腿不完全齒輪部分在彈簧力的作用下旋轉，使大腿和絲杠支架間的夾角變小，扭 簧和拉伸彈簧能量釋放使機器人向前跳起。落地過程機器人借助仿生特點，采用弧形腳底板結構，落地時弧形腳底板前 端先著地，落地接觸點沿著腳底板弧形軌跡移動，延長著地時間，平衡沖擊力。后腿和 腳底板、小腿和腳底板間的扭簧在沖擊力和重力的作用下壓縮，將沖擊動能和重力勢能 轉化為彈性勢能，同時彈性腳底板發(fā)生微小變形，吸收沖擊能量，從而達到緩沖平穩(wěn)落 地的目的。復位和輪式驅動過程采用齒輪平行四桿機構實現復位，并且在復位機構上安 裝驅動輪，實現輪式驅動和彈跳復合移動。一旦機器人發(fā)生傾倒，機器人復位驅動電機 工作，帶動復位齒輪桿轉動，前驅動萬向輪與地面接觸，起支撐作用，復位齒輪桿旋轉過程中，機身逐漸恢復到水平狀態(tài)。機身恢復到水平狀態(tài)時，此時整個機器人依靠前驅 動萬向輪和后輪著地，腳底板懸空。此時為輪式驅動模式，能夠實現差速轉向和輪式驅動。調整過程調整階段主要為下一周期的再次彈跳做準備。復位驅動電機反轉， 齒輪平行四桿機構向上旋轉，前驅動萬向輪脫離與地面的接觸，機器人恢復到彈跳模 式。調整時絲杠電機旋轉滾珠絲杠帶動絲杠螺母向機架鉸接端移動，彈簧回到初始的伸 長狀態(tài)。然后調姿舵機逆時針旋轉，原本與絲杠支架的棘輪部分脫離嚙合的棘爪重新嚙 合上，為下一次儲能彈跳做準備。本發(fā)明將彈跳運動和輪式運動相結合，提高機器人的機動性能，即在平緩地面 上采用輪式驅動，效率可靠性機動性能高。當遇到陡峭地勢或者輪式運動不能穿越的障 礙物時，換用跳躍運動，調節(jié)跳躍姿態(tài)和儲能量，有效的控制跳高和跳遠度，根據環(huán)境 需要選擇不同的跳躍模式。當機器人在跳躍落地發(fā)生傾翻時，可采用復位機構對機器人 復位，重新回到直立狀態(tài)，完成下一次跳躍。與其他跳躍機器人不同的是，該機器人 借助仿生特點，采用弧形腳底板結構，可延長起跳和落地時間，從而提高彈跳機器人的 穩(wěn)定性，在后腿和腳底板鉸接處分別加裝扭簧，在儲能過程一起儲存能量，起跳時可以 提高起跳沖擊力，落地時兩扭簧具有落地緩沖功能，延長落地時間，吸收沖擊能量的特 點，起到平穩(wěn)落地的效果。本發(fā)明自主復位輪腿式彈跳復合移動機器人，采用齒輪平行四桿機構實現復 位，并且在復位機構上安裝驅動輪，實現輪式驅動和彈跳復合移動。借助于弧形腳底 板，并且在弧形腳底板和小腿、后腿安裝扭簧，壓縮時起到儲能作用，能提高跳高和跳 遠度，在彈跳落地時，弧形腳底板和扭簧同時起到落地緩沖的作用，使機器人平穩(wěn)落 地。同時在機身部位安裝CCD無線攝像頭和超聲波測距儀，對周圍環(huán)境進行監(jiān)測，以便 選擇不同的機動模式。


下面結合附圖和實施方式對本發(fā)明自主復位輪腿式彈跳復合機器人作進一步詳 細說明。圖1為本發(fā)明自主復位輪腿式彈跳復合機器人的結構示意圖。圖2為本發(fā)明自主復位輪腿式彈跳復合機器人的主視圖。圖3為本發(fā)明自主復位輪腿式彈跳復合機器人的俯視圖。圖4為本發(fā)明自主復位輪腿式彈跳復合機器人的調姿鎖死機構示意圖。圖5為本發(fā)明自主復位輪腿式彈跳復合機器人的調姿鎖死機構俯視圖。圖6為本發(fā)明自主復位輪腿式彈跳復合機器人的復位機構示意圖。圖7為本發(fā)明自主復位輪腿式彈跳復合機器人的復位機構俯視圖。圖8為本發(fā)明自主復位輪腿式彈跳復合機器人的復位機構左視圖。圖9為本發(fā)明自主復位輪腿式彈跳復合機器人的扭簧儲能落地緩沖機構俯視 圖。圖10為本發(fā)明的機身支撐座的等軸測視圖。圖11為本發(fā)明的(a)大腿結構示意圖；(b)大腿結構俯視圖。
圖12為本發(fā)明的(a)絲杠支架示意圖；(b)絲杠支架主視圖；(C)絲杠支架左視 圖。圖13為本發(fā)明的(a)腳底板的主視圖；(b)腳底板的俯視圖。圖14為本發(fā)明的小腿的三維視圖。圖15為本發(fā)明的后腿的三維視圖。圖16為本發(fā)明的調姿盤的三維視圖。圖17為本發(fā)明調姿儲能過程示意圖。圖18中(a)為本發(fā)明復合機器人的轉向過程示意圖；(b)為本發(fā)明復合機器人 傾倒復位過程示意圖；(c)為本發(fā)明復合機器人輪式驅動過程示意圖。圖中1.腳底板2.踝關節(jié)軸3.扭簧4.后腿5.后輪連接軸6.后輪7.拉伸彈簧8.后腿 軸9.絲杠螺母10.滾珠絲杠11.絲杠支架12.調姿繞線13.調姿盤14.調姿舵機15.機身 支撐座16.棘爪軸17.棘爪18.棘爪彈簧固定軸19.棘爪彈簧20.絲杠電機21.機身后軸 22.機身前軸23.大腿24.膝關節(jié)軸25.小腿26.復位支撐桿27.復位驅動電機28.復位齒 輪桿29.電機固定架30.前輪驅動電機31.前驅動萬向輪32.復位第一傳動齒輪33.復位 第二傳動齒輪34.微型攝像頭35.超聲波測距儀36.前軸孔37.后軸孔38.棘爪軸孔39.舵 機安裝孔40.支撐桿安裝孔41.齒輪軸孔42.攝像頭安裝孔43.測距儀安裝孔44.大腿膝 關節(jié)軸孔45.大腿髖關節(jié)軸孔46.大腿不完全齒輪47.繞線軸48.絲杠固定孔49.棘輪 部分50.齒輪部分51.髖關節(jié)軸孔52.導槽53.電機軸孔54.電機安裝孔55.腳底板踝關 節(jié)軸孔56.小腿扭簧固定孔57.小腿踝關節(jié)軸孔58.小腿膝關節(jié)軸孔59.后腿踝關節(jié)軸孔 60.后腿扭簧固定孔61.后輪軸孔62.后腿軸孔63.舵機軸孔64.調姿釋放軸
具體實施例方式本實施例是一種自主復位輪腿式彈跳復合移動機器人，包括桿長儲能機構、扭 簧儲能機構、調姿鎖死機構、復位輪式驅動機構和落地緩沖機構，分別實現桿長儲能功 能、扭簧壓縮儲能功能、調姿儲能鎖死釋放功能、落地傾倒復位輪式驅動功能和落地緩 沖功能。桿長儲能機構如圖1、圖2和圖3所示，本發(fā)明自主復位輪腿式彈跳復合機器 人的桿長儲能機構包括后腿4、拉伸彈簧7，后腿軸8、絲杠螺母9、滾珠絲杠10、絲 杠支架11、機身支撐座15、絲杠電機20、機身后軸21、機身前軸22、大腿23、膝關節(jié) 軸24和小腿25組成。參見圖15，后腿4的一端兩側設置有后腿踝關節(jié)軸孔59，使用踝關節(jié)軸2與腳 底板踝關節(jié)軸孔連接，形成平面轉動副；另一端設置有四個并排的側板，分別鉆有四個 后腿軸孔62，四個并排的側板間距為1 2 1，絲杠支架11位于中間兩個側板之間， 一對拉伸彈簧7位于兩邊側板中間位置，由后腿軸8與絲杠螺母9連接形成轉動副；后腿 4的中間部分全部挖空以減輕重量，在距離兩個后腿踝關節(jié)軸孔59的一端中間留有一筋 板，筋板上設置有兩個后腿扭簧固定孔60，用于固定兩個扭簧3的一端，扭簧的另一端 緊靠腳底板1上平面，筋板位置和后腿扭簧固定孔的位置根據扭簧3尺寸參數確定；在整 個后腿4長度的2/3處設置有后輪軸孔61，用于固定后輪連接軸5。
參見圖14，小腿25的一端兩側板向內靠，側板上鉆有小腿踝關節(jié)軸孔57，以便 踝關節(jié)軸2同時穿過小腿踝關節(jié)軸孔57、后腿踝關節(jié)軸孔59及扭簧3和腳底板踝關節(jié)軸 孔55形成平面轉動副；與后腿4具有類似形狀，在距離兩個小腿踝關節(jié)軸孔57的一端中 間留有一筋板，筋板上設置有一個小腿扭簧固定孔56，用于固定另一個扭簧3的一端。 小腿25的另一端的兩側板上設置有小腿膝關節(jié)軸孔58，通過膝關節(jié)軸24與大腿23形成 轉動副。如圖12所示，是本發(fā)明自主復位輪腿式彈跳復合機器人的絲杠支架結構。絲杠 支架11的一端筋板上設置有絲杠固定孔48，滾珠絲杠10的一端穿過絲杠固定孔48形成 徑向滑動副，滾珠絲杠10可在絲杠固定孔48中轉動。絲杠支架11的兩側板上留有導槽 52，以便后腿軸8能夠同時穿過絲杠螺母9、絲杠支架11和后腿4形成轉動副，并保證后 腿軸沿導槽52移 動，導槽長短決定了拉伸彈簧7的最大和最小的拉伸長度，從而影響拉 伸彈簧7的儲能的多少。另一端設置有髖關節(jié)軸孔51 ；機身后軸21同時穿過機身支撐 座15的后軸孔37和髖關節(jié)軸孔51形成轉動副。絲杠支架11 一側有一梯形槽圓盤，圓 盤徑向位置有一繞線軸47，調姿繞線12的一端固定在繞線軸47上，沿梯形槽繞著圓盤， 調姿繞線12的另一端固定在調姿盤13的調姿釋放軸64上。絲杠支架11的一端的兩側 板上有棘輪部分49和齒輪部分50。棘輪部分49圓周角度為120度，齒輪部分50的齒輪 模數為1，齒數為26，分度圓直徑為76mm。大腿的結構如圖11所示，其一端設置有大腿膝關節(jié)軸孔44，膝關節(jié)軸24同時 穿過大腿膝關節(jié)軸孔44和小腿膝關節(jié)軸孔58使大腿23和小腿25形成轉動副；另一端設 置有大腿髖關節(jié)軸孔45和大腿不完全齒輪46，大腿不完全齒輪46的齒輪模數為1，齒數 為28，分度圓直徑為32mm。兩側大腿不完全齒輪46間的距離與絲杠支架11兩側齒輪 部分50間的距離相同，保證兩側齒輪部分嚙合。中間挖空部分和折線結構主要是為了減 輕質量和防止同機身支撐座15、拉伸彈簧7以及復位第一傳動齒輪32和復位第二傳動齒 輪33的干涉。本實施例中，后腿4，絲杠螺母9、滾珠絲杠10、絲杠支架11、機身支撐座15、 大腿23和小腿25通過踝關節(jié)軸2、后腿軸8、機身后軸21、機身前軸22、膝關節(jié)軸24 連接組成一個齒輪上置五桿機構。其中大腿不完全齒輪46與絲杠支架11的齒輪部分嚙 合形成傳動比16 38的齒輪傳動；踝關節(jié)軸2同時穿過后腿踝關節(jié)軸孔59、小腿踝關 節(jié)軸孔57和腳底板踝關節(jié)軸孔55形成轉動副，后腿4、小腿25和腳底板1獨立的繞踝關 節(jié)軸2轉動；后腿軸8同時穿過絲杠螺母9上的軸孔、絲杠支架的導槽52和后腿軸孔62 形成轉動副，絲杠螺母9與滾珠絲杠10形成高精度、摩擦阻力小且具有自鎖功能的旋轉 移動副，滾珠絲杠10的一端置于絲杠固定孔48，兩者配合要求精度很高，能形成徑向滑 動，工作時在此處加潤滑油，形成滑動油膜，減小滑動摩擦。滾珠絲杠10另一端與絲杠 電機20的輸出軸固連，可采用聯軸器、膠合方式。絲杠電機20通過螺栓固定于絲杠支 架11的3個電機安裝孔54處。當絲杠電機20帶動滾珠絲杠10轉動時，絲杠螺母9沿 滾珠絲杠軸線移動，同時后腿軸8也沿絲杠支架11的導槽52移動。機身后軸21同時穿 髖關節(jié)軸孔51和后軸孔37形成轉動副，絲杠支架11和機身支撐座15繞機身后軸21獨 立轉動。機身前軸22同時穿過大腿髖關節(jié)軸孔45和機身支撐座15的前軸孔36形成轉 動副，大腿23和機身支撐座15繞機身前軸22轉動。膝關節(jié)軸24同時穿過大腿膝關節(jié)軸孔44和小腿膝關節(jié)軸孔58形成轉動副，大腿23和小腿25繞膝關節(jié)軸24轉動。本實施例中，機身支撐座15的前軸孔36和后軸孔37的位置精度決定了絲杠支 架U上齒輪部分50同大腿不完全齒輪46的嚙合程度，安裝過程中保證絲杠支架11兩側 的齒輪部分50和大腿23兩側的大腿不完全齒輪46完全能夠嚙合上。本實施例中，一對拉伸彈簧7的兩端分別緊固定于后腿軸8和膝關節(jié)軸24的兩 個安裝孔處，拉伸彈簧7的剛度影響儲能的多少，進而影響跳躍的高度和跳遠度。本實施例中，后腿4、小腿25和大腿23連接軸孔距離尺寸比例為6 7 4。扭簧儲能機構如圖1、圖2、圖3和圖9所示，本發(fā)明自主復位輪腿式彈跳復 合機器人的扭簧儲能機構包括腳底板1、踝關節(jié)軸2、扭簧3、后腿4和小腿25。扭簧3 總共有三個，踝關節(jié)軸2同時穿過腳底板踝關節(jié)軸孔55、小腿踝關節(jié)軸孔57、后腿踝關 節(jié)軸孔59和三個扭簧3的內直徑軸孔；三個扭簧3的一端緊靠腳底板1的上平面擋住固 定，其中兩個扭簧3的另一端穿過兩個后腿扭簧固定孔60固定，另一個扭簧的另一端穿 過小腿扭簧固定孔56來固定。三個扭簧3固定端的初始夾角為50-70度之間。后腿4、 小腿25與腳底板1的夾角變小時，三個扭簧3開始壓縮儲能，壓縮角度最小到0度。調姿鎖死機構如圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所示，調姿鎖死機構包括絲杠 支架11、調姿繞線12、調姿盤13、調姿舵機14、機身支撐座15、棘爪軸16、棘爪17、 棘爪彈簧固定軸18、棘爪彈簧19。如上所述，絲杠支架11通過機身后軸21與機身支撐 座15連接，調姿舵機14用螺栓固定于機身支撐座15的舵機安裝孔處。調姿繞線12 — 端固定于絲杠支架11的繞線軸47上，另一端固定于調姿盤13的調姿釋放軸64上，調姿 繞線12沿著絲杠支架11和調姿盤13的梯形槽纏繞。棘爪軸16穿過機身支撐座15的棘 爪軸孔38和棘爪17上的軸孔，在棘爪17的靠近棘爪端有一軸孔用來安裝棘爪彈簧固定 軸18，棘爪彈簧19的一端固定在棘爪彈簧固定軸18上，另一端固定在機身后軸21上， 在棘爪彈簧19拉力的作用下，保證棘爪17始終與絲杠支架11的棘輪部分49保持嚙合。復位輪式驅動機構參見圖1、圖2、圖3、圖6、圖7和圖8，本發(fā)明的復位輪 式驅動機構包括機身支撐座15、復位支撐桿26、復位驅動電機27、復位齒輪桿28、電 機固定架29、前輪驅動電機30、前驅動萬向輪31、復位第一傳動齒輪32和復位第二傳動 齒輪33。機器人兩側結構類似，僅敘述一側結構。復位支撐桿26為兩根，其中復位支 撐桿26的一端與機身支撐座15的支撐桿安裝孔40鉸接，另一端與電機固定架29的安裝 孔鉸接，復位齒輪桿28的齒輪軸一端懸置安裝在機身支撐座15的齒輪軸孔41上，另一 端與電機固定架29固定連接；復位支撐桿26、復位齒輪桿28、電機固定架29和機身支 撐座15形成一個平行四桿機構，繞著機身支撐座15的齒輪軸轉動，復位驅動電機27的 輸出軸同復位齒輪桿28齒輪端的懸置軸固連，復位驅動電機27使用帶有編碼器的減速直 流電機，轉速為3-10轉/分鐘，且能夠精確控制旋轉角度。復位第一傳動齒輪32和復 位第二傳動齒輪33懸臂連接到機身支撐座15的齒輪軸孔41處，分別與兩側的復位齒輪 桿28嚙合，與復位驅動電機27固連的復位齒輪桿28通過復位第一傳動齒輪32和復位第 二傳動齒輪33將運動傳遞到另一側的復位齒輪桿28上。前輪驅動電機30安裝在電機固 定架29上，前驅動萬向輪31與前輪驅動電機30的輸出軸固連，為保證實現差速轉向和 調速功能，前輪驅動電機30加減速齒輪后轉速控制在60-150轉/分鐘，能實現PWM控 制，加直流電機編碼器實現精確調速控制。
落地緩沖機構如圖1、圖2、圖3和圖9所示，本發(fā)明自主復位輪腿式彈跳復 合機器人的落地緩沖機構同扭簧儲能機構為同一機構。落地緩沖機構包括腳底板1、踝關 節(jié)軸2、扭簧3、后腿4和小腿25。扭簧3共有三個，踝關節(jié)軸2同時穿過腳底板踝關節(jié) 軸孔55、小腿踝關節(jié)軸孔57、后腿踝關節(jié)軸孔59和三個扭簧3的內直徑軸孔；三個扭簧 3的一端緊靠腳底板1的上平面擋住固定，其中兩個扭簧3的另一端穿過兩個后腿扭簧固 定孔60固定，另一個扭簧的另一端穿過小腿扭簧固定孔56來固定。三個扭簧3固定端 的初始夾角為50-70度之間。后腿4、小腿25與腳底板1的夾角變小時，三個扭簧3開 始壓縮儲能，壓縮角度最小到0度。如圖13所示，所述的腳底板1的前端和后端向上翹起，呈弧形狀板，采用弧形 腳底板結構，落地時弧形腳底板前端先著地，落地接觸點沿著腳底板弧形軌跡移動，延 長著地時間，平衡沖擊力。后腿和腳底板、小腿和腳底板間的扭簧在沖擊力和重力的作 用下壓縮，將沖擊動能和重力勢能轉化為彈性勢能，同時彈性腳底板發(fā)生微小變形，吸 收沖擊能量，從而達到緩沖平穩(wěn)落地的目的。腳底板前端弧形曲率半徑與機器人落地軌跡近似，前端弧形板的曲率半徑為 150-200mm，后端弧形板的曲率半徑為70_110mm，腳底板踝關節(jié)軸孔55在腳底板2/3位置。本發(fā)明自主復位輪腿式彈跳復合移動機器人，其機身支撐座15的攝像頭安裝孔 42處安裝有微型攝像頭34，在機身支撐座15的兩個測距儀安裝孔43處各自安裝有超聲 波測距儀35，如圖2、圖8、圖10所示。本發(fā)明自主復位輪腿式彈跳復合移動機器人的工作過程分為三個階段初始階 段，調姿舵機14逆時針帶動調姿盤旋轉，通過調姿繞線12拉動絲杠支架11逆時針旋轉 同時，與機身鉸接的棘爪17鎖死絲杠支架11，防止大腿23和絲杠支架11上齒輪嚙合部 分在一對拉伸彈簧7拉力的作用下反轉，絲杠支架11與大腿23之間的夾角變大，拉伸彈 簧7拉伸進行儲能，機器人姿態(tài)隨之發(fā)生變化，調整絲杠支架11和機身支撐座15之間的 角度大小，對調整機器人起跳方向效果明顯，故稱為調姿儲能；第二階段，為使拉伸彈 簧7拉伸量增大，儲存更多的能量，提高彈跳高度和跳遠度，通過絲杠電機20帶動滾珠 絲杠10旋轉，滾珠絲杠10上的絲杠螺母9向后移動，拉伸彈簧7的拉伸長度伸長，彈簧 拉伸儲能。兩種儲能方式組合使用，能夠調整機器人彈跳起跳方向和跳高跳遠度。滾珠 絲杠10旋轉使與后腿鉸接的絲杠螺母9向后移動，相當于絲杠桿變長，稱為桿長儲能。 在前兩種方式進行儲能的同時，小腿25與腳底板1、后腿4與腳底板1間夾角變小，安裝 在小腿25和腳底板1的扭簧3、后腿4與腳底板1兩側的扭簧均受壓縮，扭簧儲存能量， 這種儲能能夠提高機器人起跳時的速度，尤其是垂直速度，稱為扭簧儲能。起跳階段 固定在機身支撐座15上的調姿舵機順時針旋轉，使棘爪17驅動端向下運動，與絲杠支架 11上棘輪部分鎖死的棘爪17端向上運動，棘爪17和絲杠支架11上的棘輪部分脫離，釋 放與機身支撐座15鉸接的棘爪17。絲杠支架11上的齒輪部分和大腿不完全齒輪46在拉 伸彈簧7彈簧力的作用下旋轉，使大腿23和絲杠支架11間的夾角變小，彈簧能量釋放跳 起；調整階段調整階段主要為下一周期的再次彈跳做準備。調整時，絲杠電機20帶動 滾珠絲杠10旋轉使絲杠螺母9向機架鉸接端移動，彈簧回到初始的伸長狀態(tài)。然后調姿 舵機14逆時針旋轉，與絲杠支架11的棘輪部分脫離嚙合的棘爪17重新嚙合上。為下一次儲能彈跳做準備。復位和輪式驅動過程采用齒輪平行四桿機構實現復位，并且在復位機構上安 裝驅動輪，實現輪式驅動和彈跳復合移動。一旦機器人發(fā)生傾倒，機器人復位驅動電機 27工作，帶動復位齒輪桿28旋轉，前驅動萬向輪31與地面接觸，起支撐作用，復位齒輪 桿28旋轉過程中，機身逐漸恢復到水平狀態(tài)。機身恢復到水平狀態(tài)時，機器人依靠前驅 動萬向輪31和后輪6著地，腳底板1懸空。此時為輪式驅動模式，實現差速轉向和輪式 驅動。本實施例要實現機器人的自主彈跳和輪式驅動，除上述所述的環(huán)境監(jiān)測傳感器 微型攝像頭34和超聲波測距儀35以外，需要在機身增加觸碰傳感器以監(jiān)測機器人是否發(fā) 生傾倒，控制器同時控制4臺微型直流電機和一個舵機，控制器能夠兼容上述傳感器且 能實現無線控制。
權利要求
1.一種自主復位輪腿式彈跳復合移動機器人，其特征在于包括彈跳裝置、復位與 輪式驅動一體裝置、扭簧儲能與落地緩沖一體裝置，分別實現彈跳能量的存儲和釋放功 能，彈跳落地傾倒后復位以及輪式驅動功能，用扭簧儲存彈跳能以及用扭簧和弧形腳底 板來緩沖落地時地面沖擊力的功能，將彈跳運動和輪式運動相結合。
2.根據權利要求1所述的一種自主復位輪腿彈跳復合移動機器人，其特征在于所 述的彈跳裝置包括桿長儲能機構、扭簧儲能機構和調姿鎖死釋放機構；桿長儲能機構包括拉伸彈簧(7)、絲杠電機(20)和由后腿(4)、絲杠螺母(9)、滾珠 絲杠(10)、絲杠支架(11)、機身支撐座(15)、大腿(23)、小腿(25)、腳底板(1)通過 踝關節(jié)軸(2)、后腿軸(8)、機身后軸(21)、機身前軸(22)、膝關節(jié)軸(24)連接組成的 齒輪上置五桿機構；其中后腿(4)、小腿(25)和腳底板(1)繞踝關節(jié)軸(2)轉動；后腿 軸(8)同時穿過絲杠螺母(9)上的軸孔、絲杠支架的導槽(52)和后腿軸孔(62)形成轉動 副，絲杠支架(11)和機身支撐座(15)繞機身后軸(21)獨立轉動，大腿(23)和機身支撐 座(15)繞機身前軸(22)轉動，大腿(23)和小腿(25)繞膝關節(jié)軸(24)轉動；所述的絲 杠支架(11)的兩側板設置有導槽(52)，導槽(52)長短決定拉伸彈簧(7)的最大和最小 的拉伸長度，絲杠支架(11)兩側板的一端上設置有棘輪部分(49)和齒輪部分(50)，棘 輪部分(49)圓周角為120度，齒輪部分(50)的齒輪模數為1，齒數為26，分度圓直徑為 76mm ；大腿不完全齒輪(46)與絲杠支架(11)的齒輪部分(50)嚙合傳動比為16 38 ； 絲杠電機(20)安裝在絲杠支架(11)上，帶動滾珠絲杠(10)轉動，滾珠絲杠(10)的另一 端置于絲杠支架(11)筋板上的絲杠固定孔(48)內，絲杠螺母(9)沿滾珠絲杠軸線移動， 同時后腿軸(8)沿絲杠支架(11)的導槽(52)移動，絲杠螺母(9)與滾珠絲杠(10)形成 具有自鎖功能的旋轉移動副，從而改變滾珠絲杠(10)在齒輪上置五桿機構中實際的伸長 量；腳底板踝關節(jié)為自由關節(jié)，腳底板(1)繞后腿(4)與小腿(25)連接的踝關節(jié)軸(2) 轉動，在腳底板(1)與后腿(4)、腳底板(1)與小腿(25)之間安裝三個扭簧(3)，當齒輪 上置五桿機構儲能時，小腿(25)和后腿(4)與腳底板(1)的角度變小，同時實現扭簧儲 能功能；調姿鎖死機構包括絲杠支架(11)、調姿繞線(12)、調姿盤(13)調姿舵機(14)、機 身支撐座(15)、棘爪軸(16)、棘爪(17)、棘爪彈簧固定軸(18)、棘爪彈簧(19)；絲杠 支架(11)通過機身后軸(21)與機身支撐座(15)連接，調姿舵機(14)安裝在機身支撐 座(15)上，調姿盤(13)與調姿舵機(14)的輸出軸固連，調姿繞線(12) —端固定在調姿 盤(13)的調姿釋放軸(64)上，另一端固定在絲杠支架(11) 一側帶有梯形槽圓盤的繞線 軸(47)上，調姿舵機(14)帶動調姿盤(13)轉動時，絲杠支架(11)發(fā)生轉動，使絲杠支 架(11)與機身支撐座(15)夾角發(fā)生變化，實現調姿功能；棘爪彈簧(19)的一端與安裝 在棘爪(17)上的棘爪彈簧固定軸(18)連接，另一端固定在機身后軸(21)上，在棘爪彈 簧(19)拉力的作用下，棘爪(17)與絲杠支架(11)上的棘輪部分(49)棘齒嚙合，棘爪軸 (16)穿過機身支撐座(15)的安裝孔將棘爪(17)與機身支撐座連接，棘爪(17)與絲杠支 架(11)上的棘齒嚙合時，實現鎖死功能；棘爪(17)與絲杠支架(11)上的棘齒脫離時， 實現能量釋放功能。
3.根據權利要求1所述的一種自主復位輪腿彈跳復合移動機器人，其特征在于所述的復位與輪式驅動一體裝置包括機身支撐座(15)、復位驅動電機(27)、復位支撐桿 (26)、復位齒輪桿(28)、電機固定架(29)、前輪驅動電機(30)、前驅動萬向輪(31)、復 位第一傳動齒輪(32)和復位第二傳動齒輪(33)；復位支撐桿(26)的一端與機身支撐座 (15)的支撐桿安裝孔(40)鉸接，另一端與電機固定架(29)上的安裝孔鉸接，復位齒輪 桿(28)的齒輪軸一端懸置安裝在機身支撐座(15)的齒輪軸孔(41)上，另一端與電機固 定架(29)固定連接；復位支撐桿(26)、復位齒輪桿(28)、電機固定架(29)和機身支撐 座(15)形成一個平行四桿機構，繞著機身支撐座(15)的齒輪軸轉動，復位驅動電機(27) 的輸出軸同復位齒輪桿(28)齒輪端的懸置軸固連，復位第一傳動齒輪(32)和復位第二傳 動齒輪(33)懸臂連接到機身支撐座(15)的齒輪軸孔(41)處，分別與兩側的復位齒輪桿 (28)嚙合，前輪驅動電機(30)安裝在電機固定架(29)上，前驅動萬向輪(31)與前輪驅 動電機(30)的輸出軸固連；實現輪式驅動和彈跳復合移動。
4.根據權利要求1所述的一種自主復位輪腿彈跳復合移動機器人，其特征在于所 述的扭簧儲能與落地緩沖一體裝置包括腳底板(1)、踝關節(jié)軸(2)、扭簧(3)、后腿(4)和 小腿(25)；所述的扭簧(3)共有三個，踝關節(jié)軸(2)同時穿過腳底板踝關節(jié)軸孔(55)、 小腿踝關節(jié)軸孔(57)、后腿踝關節(jié)軸孔(59)和三個扭簧(3)的內直徑軸孔；三個扭簧 (3)的一端緊靠腳底板(1)的上平面固定，其中兩個扭簧(3)的另一端穿過兩個后腿扭簧 固定孔(60)，一個扭簧(3)的另一端穿過小腿扭簧固定孔(56)固定，三個扭簧(3)固定 端的初始夾角為50-70度之間，后腿(4)、小腿(25)與腳底板(1)的夾角變小時，三個扭 簧(3)開始壓縮儲能，壓縮角度最小到0度。
5.根據權利要求1所述的一種自主復位輪腿彈跳復合移動機器人，其特征在于所 述的腳底板(1)的前端和后端向上翹起，呈弧形狀板，腳底板前端弧形曲率半徑與機 器人落地軌跡近似，前端弧形板的曲率半徑為150-200mm，后端弧形板的曲率半徑為 70-1 IOmm,腳底板踝關節(jié)軸孔(55)在腳底板2/3位置。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種自主復位輪腿式彈跳復合移動機器人，其包括彈跳裝置、復位與輪式驅動一體裝置、扭簧儲能與落地緩沖一體裝置，分別實現彈跳能量的存儲和釋放功能，彈跳落地傾倒后復位以及輪式驅動功能，用扭簧儲存彈跳能以及用扭簧和弧形腳底板來緩沖落地時地面沖擊力的功能，將彈跳運動和輪式運動相結合，提高機器人的機動性能，即在平緩地面上采用輪式驅動，效率可靠性機動性能高。當遇到陡峭地勢或者輪式運動不能穿越的障礙物時，換用跳躍運動，調節(jié)跳躍姿態(tài)和儲存能量，有效的控制跳高和跳遠度，根據環(huán)境需要選擇不同的跳躍模式。當機器人在跳躍落地發(fā)生傾翻時，可采用復位機構對機器人復位，重新回到直立狀態(tài)，完成下一次跳躍。
文檔編號B62D57/00GK102009705SQ20101054489
公開日2011年4月13日 申請日期2010年11月11日 優(yōu)先權日2010年11月11日
發(fā)明者柴輝, 樊重慶, 葛文杰, 陳朋威, 高建, 魏敦文 申請人:西北工業(yè)大學