專利名稱：基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生跳躍機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生跳躍機(jī)器人，屬于仿生機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著當(dāng)代仿生機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，一系列的仿生機(jī)器人已經(jīng)出現(xiàn)在人們的視野， 像機(jī)器魚、機(jī)器蛇、雙足、四足、六足等行進(jìn)方式的仿生機(jī)器人的出現(xiàn)，不但引起了人們廣泛 的興趣，而且有一些已被開發(fā)成玩具，有一些被開發(fā)成了探測(cè)器或運(yùn)載器等具有實(shí)際工程 應(yīng)用價(jià)值的設(shè)備。在國外，麻省理工學(xué)院機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室在1980年研制成功了最早的彈跳機(jī)器人，該 機(jī)器人可以連續(xù)跳躍，在實(shí)驗(yàn)室中已實(shí)現(xiàn)自主穩(wěn)定跳躍、越障、翻跟斗等功能。美國國家航 空宇航局(NASA)下屬的噴氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(JPL)與加利福尼亞技術(shù)學(xué)院聯(lián)合研制了系列彈 跳機(jī)，用于擴(kuò)大星際探索中漫游車的活動(dòng)范圍，其中一種蛙形彈跳機(jī)重量為1. 3公斤，最大 跳躍高度可達(dá)1. 8米，預(yù)計(jì)最大跳躍高度可達(dá)5-6米，這一成果被刊登于美國當(dāng)年的《發(fā)現(xiàn)》 雜志上。美國明尼蘇達(dá)大學(xué)在2000年也研制出一種彈跳機(jī)器人，直徑4厘米，可以實(shí)現(xiàn)跳 躍和滾動(dòng)功能，其中跳躍由機(jī)器人腿內(nèi)的彈簧機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，類似人的單腿跳動(dòng)。這種機(jī)器人可 以登樓梯，也可以跳過小的障礙物，還有兩個(gè)獨(dú)立的輪子幫助機(jī)器人進(jìn)行普通的移動(dòng)。此外 美國麻省理工學(xué)院，瑞士蘇黎世大學(xué)也分別試制出具有彈跳功能的機(jī)器人。美國猶他州大 學(xué)2001年還專門舉辦過彈跳機(jī)器人大賽。在國內(nèi)，2003年初，南京航空航天大學(xué)朱劍英教授率先帶領(lǐng)其工作隊(duì)伍開始進(jìn)行 跳躍機(jī)器人的相關(guān)研究，其主要對(duì)國際上現(xiàn)已公布的跳躍機(jī)器人方案進(jìn)行系統(tǒng)的研究，并 根據(jù)部分理論做出了幾個(gè)跳躍機(jī)器人的樣機(jī)，進(jìn)行測(cè)試，但效果并不是很好。西北工業(yè)大學(xué) 和哈爾濱工業(yè)大學(xué)近兩年也開展了相關(guān)的研究項(xiàng)目，前者主要進(jìn)行仿袋鼠的跳躍機(jī)理，受 國家自然科學(xué)基金資助，開展了大量的理論研究，運(yùn)用國際上較為成熟的跳躍理論開展運(yùn) 動(dòng)分析，得到不少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是其根據(jù)理論制作的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)跳躍效果相差較大。后者從原 理上設(shè)計(jì)了一種仿生蝗蟲跳躍機(jī)器人，其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，采用卷線輪滾動(dòng)拉線從而拉 動(dòng)小腿收回蓄能的方法，落地后再收腿儲(chǔ)能；在控制上，需要卷線電機(jī)反復(fù)正反轉(zhuǎn)動(dòng)來收攏 和釋放拉線，需要用舵機(jī)扳動(dòng)“卡勾”釋放能量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生跳躍機(jī)器人，是一款具有較強(qiáng)越 障能力的跳躍機(jī)器人。一方面機(jī)器人能越過較高的障礙和跳上較高的臺(tái)階；另一方面擯棄 了單純地、完全地模仿理念，機(jī)器人的跳躍方式與方便快捷、地形適應(yīng)性強(qiáng)的機(jī)器履帶行進(jìn) 方式相結(jié)合，達(dá)到了仿生機(jī)器人具有超強(qiáng)越障能力的目的。本發(fā)明采用模塊化設(shè)計(jì)，僅僅借助一個(gè)普通減速電機(jī)作為動(dòng)力，單向轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以 順利可循環(huán)地完成儲(chǔ)能、快速釋放、蹬腿、身體離地并保持姿態(tài)穩(wěn)定、空中平穩(wěn)滑行、空中自 動(dòng)收腿、帶緩沖平穩(wěn)落地的一系列動(dòng)作。
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本發(fā)明具體結(jié)構(gòu)包括(a)機(jī)體，由兩片近似梯形的四邊形鏤空金屬板組成，用于固定安裝機(jī)器人的其他 部件；其中平行的兩邊中的長(zhǎng)邊朝上稱為“上邊”、短邊朝下稱為“下邊”，短斜邊的一側(cè)為機(jī) 器人前進(jìn)的方向，即前方；兩片金屬板通過尾軸、上邊栓軸、頭部的彈簧拉軸以及下邊的兩 根履帶輪輪軸等部件連接在一起。(b)履帶行進(jìn)模塊。主要包括兩個(gè)減震銷，分別插在位于機(jī)體下邊前部的孔槽 中；一對(duì)減震彈簧，分別頂在機(jī)體和兩個(gè)減震銷之間的兩個(gè)孔槽中；三對(duì)履帶輪；兩兩對(duì) 稱，分別安裝在機(jī)體的兩側(cè)，下邊的兩對(duì)履帶輪是從動(dòng)輪，分別通過滾動(dòng)軸承固定在兩根 “履帶輪輪軸”上；其中，所述的兩根履帶輪輪軸，一根安裝于減震銷上，一根安裝在下邊的 后部；另外一對(duì)履帶輪安裝于機(jī)體的短斜邊上，是主動(dòng)輪，由減速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，與下邊上 的履帶輪有一定的高度差；每一側(cè)的三個(gè)履帶輪通過其上的履帶實(shí)現(xiàn)連動(dòng)。其中，在減震銷的上方，還設(shè)有一根履帶壓軸，作用是把履帶往下壓，以便給機(jī)體 內(nèi)部的其他零部件讓出空間。其工作過程是當(dāng)前方障礙不高于短斜邊上履帶輪的高度時(shí)，通過電機(jī)帶動(dòng)短斜 邊上履帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，可以直接越過障礙；當(dāng)機(jī)器人跳起后落地時(shí)，下邊前方的履帶輪的轉(zhuǎn)軸可 以延機(jī)體的孔槽上下滑動(dòng)，從而帶動(dòng)減震銷在機(jī)體的孔槽中頂著減震彈簧運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到減 震的目的。(c)跳躍機(jī)構(gòu)模塊。主要包括大腿、小腿、腳掌、腳連桿，小腿連桿；其中，大腿的 一端固定在不完全齒輪主軸上，另一端與小腿的設(shè)定位置鉸接；小腿的一端與小腿連桿鉸 接，小腿連桿的另一端與機(jī)體鉸接；腳掌分別與小腿的另一端及腳連桿的一端鉸接；腳連 桿的另一端鉸接在大腿的預(yù)定位置；其中，所述的小腿的設(shè)定位置靠近小腿與小腿連桿的鉸接點(diǎn)。其中，所述的大腿的預(yù)定位置靠近大腿與小腿的鉸接點(diǎn)。其中，設(shè)大腿與小腿連桿在機(jī)體上的鉸接點(diǎn)的距離為a，大腿在機(jī)體上的固定點(diǎn) 到大腿與腳連桿的鉸接點(diǎn)的距離為b，大腿與腳連桿的鉸接點(diǎn)到大腿與小腿的鉸接點(diǎn)的 距離為c，小腿連桿的長(zhǎng)度為d，小腿與小腿連桿的鉸接點(diǎn)到大腿與小腿的鉸接點(diǎn)的距離 為e，大腿與小腿的鉸接點(diǎn)到小腿與腳掌的鉸接點(diǎn)的距離為f，腳連桿的長(zhǎng)度為g，則有 a:b:c:d:e:f: g = 5. 7737 11.5 1 12.785 3.295 12. 5 12.7013 2.2 5，各部分長(zhǎng)度在士 10 %幅度內(nèi)變化均可實(shí)現(xiàn)跳躍動(dòng)作。工作過程是當(dāng)不完全齒輪主軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)大腿轉(zhuǎn)動(dòng)，由于所設(shè)計(jì)的連桿機(jī)構(gòu)原 理，小腿帶動(dòng)腳掌向機(jī)體的后下方約45°蹬出，同時(shí)腳連桿可以使腳掌與機(jī)體的角度保持 基本不變，從而使機(jī)體穩(wěn)定的離開地面，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)跳躍。(d)動(dòng)力模塊。動(dòng)力模塊可分為兩個(gè)子模塊，即單向傳動(dòng)齒輪組和自動(dòng)儲(chǔ)能放能機(jī) 構(gòu)子模塊。1)單向傳動(dòng)齒輪組，單向傳動(dòng)齒輪組主要包括主動(dòng)齒輪，與減速電機(jī)的輸出軸 固連；游動(dòng)卡槽，是開在機(jī)體上的與水平面有傾斜角度的一個(gè)兩頭圓的長(zhǎng)槽，游動(dòng)軸，可以 在游動(dòng)卡槽內(nèi)游動(dòng)；游動(dòng)齒輪，與游動(dòng)軸連接并且與主動(dòng)齒輪嚙合；大齒輪，與游動(dòng)齒輪嚙 合。其中，該傾斜角度是與游動(dòng)齒輪和主動(dòng)齒輪的連心線垂直，而與游動(dòng)齒輪和大齒輪的連 心線夾角為135° —180°以上即可；
其工作過程是一方面，當(dāng)減速電機(jī)輸出軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)游動(dòng)齒輪延游動(dòng)卡槽向斜下方移動(dòng)到極限位置，進(jìn)而與大齒輪嚙合并傳遞動(dòng)力；當(dāng)減速電機(jī)輸出軸順時(shí)針 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，游動(dòng)齒輪會(huì)延游動(dòng)卡槽向斜上方移動(dòng)，進(jìn)而與大齒輪脫離嚙合，從而無法傳遞動(dòng) 力。另一方面，當(dāng)大齒輪被帶動(dòng)著逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以與游動(dòng)齒輪很好地嚙合傳動(dòng)，當(dāng)大齒 輪主動(dòng)的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)游動(dòng)齒輪延游動(dòng)卡槽向斜上方移動(dòng)，從而與游動(dòng)齒輪脫離 嚙合，這樣大齒輪可以自由的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在整個(gè)過程中游動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪都沒有脫離， 只要主動(dòng)齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度大于大齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度，就可以帶動(dòng)游動(dòng)齒輪 回到與大齒輪嚙合的位置。2)自動(dòng)儲(chǔ)能放能機(jī)構(gòu)子模塊，該子模塊主要包括不完全齒輪曲軸，與單向傳動(dòng) 齒輪組中的大齒輪固連；不完全齒輪主軸，與大腿固連并且與不完全齒輪曲軸嚙合；彈簧 拉片，繞在不完全齒輪曲軸上；自動(dòng)收腿彈簧，一端固定履帶壓軸上，另一端拉在不完全齒 輪主軸上；主彈簧，一端拉在彈簧拉片上，另一端拉在調(diào)節(jié)螺栓上；調(diào)節(jié)螺母，與該調(diào)節(jié)螺 栓配合，將主彈簧與一連接片固定；該連接片的另一端固定在機(jī)體頭部的彈簧拉軸上。其中，自動(dòng)收腿彈簧可以用扭簧替代來實(shí)現(xiàn)其相同的功能。其工作過程是在初始狀態(tài)，主彈簧處于最短極限位置，不完全齒輪曲軸的齒與不 完全齒輪主軸的齒是處于脫離嚙合狀態(tài)的，此時(shí)，大齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)不完全齒輪 曲軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)不完全齒輪曲軸會(huì)把主彈簧拉長(zhǎng)，在彈簧被拉長(zhǎng)到最長(zhǎng)極限位置之 前，不完全齒輪曲軸的齒與不完全齒輪主軸的齒開始嚙合，不完全齒輪主軸隨之開始轉(zhuǎn)動(dòng)， 從而帶動(dòng)大腿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)跳躍機(jī)構(gòu)模塊的連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使腳掌先著地，并把機(jī)體撐起 一點(diǎn)，主彈簧會(huì)拉動(dòng)不完全齒輪曲軸主動(dòng)地繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，游動(dòng)齒輪會(huì)與大齒輪脫離嚙 合，從而主彈簧的能量會(huì)很快的釋放，帶動(dòng)不完全齒輪曲軸做快速的逆時(shí)針軸快速順時(shí)針 轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)腳掌向機(jī)體斜后方約45°快速蹬出，推動(dòng)機(jī)器人躍起。當(dāng)機(jī)體還在空中時(shí)， 由于主彈簧已經(jīng)達(dá)到最短極限位置，不完全齒輪曲軸的齒與不完全齒輪主軸的齒重新處于 脫離嚙合的狀態(tài)，自動(dòng)收腿彈簧會(huì)拉動(dòng)不完全齒輪主軸回到初始位置，進(jìn)而帶動(dòng)跳躍機(jī)構(gòu) 模塊收回到初始狀態(tài)。最后機(jī)體靠慣性在空中運(yùn)動(dòng)完之后，利用履帶行進(jìn)模塊的減震裝置 緩沖落地。至此，機(jī)器人所有的機(jī)械部件經(jīng)歷了一個(gè)完整的循環(huán)過程，并回到初始狀態(tài)，可 以進(jìn)行下一個(gè)周期的動(dòng)作。本發(fā)明一種基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生跳躍機(jī)器人，其優(yōu)點(diǎn)及功效在于所述的功能都 已經(jīng)過了所制作的實(shí)物的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿生跳躍機(jī)器人順利完成了履帶前行、跳躍欄桿、跳上 臺(tái)階等一系列試驗(yàn)項(xiàng)目。一方面機(jī)器人能越過較高的障礙和跳上較高的臺(tái)階；另一方面擯 棄了單純地、完全地模仿理念。機(jī)器人的跳躍方式與方便快捷、地形適應(yīng)性強(qiáng)的機(jī)器履帶行 進(jìn)方式相結(jié)合，達(dá)到了仿生機(jī)器人具有超強(qiáng)越障能力。本發(fā)明設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)具有工程實(shí)用價(jià) 值，在星際探測(cè)、軍事偵查、新型玩具開發(fā)等方面具有很好的應(yīng)有前景。


圖1仿生跳躍機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)圖；圖2不完全齒輪曲軸結(jié)構(gòu)示意圖；圖2a為圖2的A向剖視圖；圖2b為圖2的B向剖視圖2c為圖2的C向剖視圖；圖3跳躍機(jī)構(gòu)模塊的腳掌平動(dòng)曲線原理圖；圖4跳躍機(jī)構(gòu)模塊的腳掌轉(zhuǎn)動(dòng)姿態(tài)原理圖；圖中具體標(biāo)號(hào)如下1、機(jī)體2、上邊3、下邊4、短斜邊5、尾軸6、上邊栓軸7、彈簧拉軸8、履帶輪輪軸9、減震銷10、減震彈簧11、履帶輪12、履帶13、履帶壓軸14、大腿15、小腿16、腳 掌17、腳連桿18、小腿連桿19、主動(dòng)齒輪20、減速電機(jī)的輸出軸21、游動(dòng)卡槽22、游動(dòng)軸 23、游動(dòng)齒輪24、大齒輪25、不完全齒輪曲軸26、不完全齒輪主軸27、彈簧拉片28、自動(dòng) 收腿彈簧29、主彈簧30、調(diào)節(jié)螺栓31、調(diào)節(jié)螺母32、連接片P、腳的平動(dòng)軌跡Z、腳的姿態(tài) 軌跡
具體實(shí)施方案下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明。本發(fā)明一種基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生跳躍機(jī)器人，采用模塊化設(shè)計(jì)，僅僅借助一個(gè)普 通減速電機(jī)作為動(dòng)力，單向轉(zhuǎn)動(dòng)，就可以順利可循環(huán)地完成儲(chǔ)能、快速釋放、蹬腿、身體離地 并保持姿態(tài)穩(wěn)定、空中平穩(wěn)滑行、空中自動(dòng)收腿、帶緩沖平穩(wěn)落地的一系列動(dòng)作。如圖1所示，本發(fā)明具體機(jī)構(gòu)包括(a)機(jī)體1，由兩片近似梯形的四邊形鏤空金屬板組成，用于固定安裝機(jī)器人的其 他部件；其中平行的兩邊中的長(zhǎng)邊朝上稱為“上邊” 2、短邊朝下稱為“下邊” 3，短斜邊4的 一側(cè)為機(jī)器人前進(jìn)的方向，即前方；兩片金屬板通過尾軸5、上邊栓軸6、頭部的彈簧拉軸7 以及下邊的兩根履帶輪輪軸8等部件連接在一起。(b)履帶行進(jìn)模塊；主要包括兩個(gè)減震銷9，分別插在位于機(jī)體1下邊前部的孔 槽中；一對(duì)減震彈簧10，分別頂在機(jī)體1和兩個(gè)減震銷9之間的兩個(gè)孔槽中；三對(duì)履帶輪 11 ；兩兩對(duì)稱，分別安裝在機(jī)體1的兩側(cè)，下邊3的兩對(duì)履帶輪是從動(dòng)輪，分別通過滾動(dòng)軸承 固定在兩根“履帶輪輪軸”8上；其中，所述的兩根履帶輪輪軸8，一根安裝于減震銷9上，一 根安裝在下邊3的后部；另外一對(duì)履帶輪11安裝于機(jī)體1的短斜邊4上，是主動(dòng)輪，由減速 電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，與下邊3上的履帶輪有一定的高度差；每一側(cè)的三個(gè)履帶輪通過其上的履 帶12實(shí)現(xiàn)連動(dòng)。其中，在減震銷9的上方，還設(shè)有一根履帶壓軸13，作用是把履帶往下壓，以便給 機(jī)體內(nèi)部的其他零部件讓出空間。其工作過程是當(dāng)前方障礙不高于短斜邊上履帶輪的高度時(shí)，通過電機(jī)帶動(dòng)短斜 邊上履帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，可以直接越過障礙；當(dāng)機(jī)器人跳起后落地時(shí)，下邊前方的履帶輪的轉(zhuǎn)軸可 以延機(jī)體的孔槽上下滑動(dòng)，從而帶動(dòng)減震銷在機(jī)體的孔槽中頂著減震彈簧運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到減 震的目的。(c)跳躍機(jī)構(gòu)模塊主要包括大腿14、小腿15、腳掌16、腳連桿17，小腿連桿18 ； 其中，大腿14的一端固定在不完全齒輪主軸26上，另一端與小腿15的設(shè)定位置鉸接；小腿 的一端與小腿連桿鉸接，小腿連桿的另一端與機(jī)體鉸接；腳掌16分別與小腿15的另一端及 腳連桿17的一端鉸接；腳連桿17的另一端鉸接在大腿14的預(yù)定位置；其中，所述的小腿的設(shè)定位置靠近小腿與小腿連桿的鉸接點(diǎn)。
其中，所述的大腿的預(yù)定位置靠近大腿與小腿的鉸接點(diǎn)。其中，設(shè)大腿與小腿連桿在機(jī)體上的鉸接點(diǎn)的距離為a，大腿在機(jī)體上的固定點(diǎn) 到大腿與腳連桿的鉸接點(diǎn)的距離為b，大腿與腳連桿的鉸接點(diǎn)到大腿與小腿的鉸接點(diǎn)的 距離為c，小腿連桿的長(zhǎng)度為d，小腿與小腿連桿的鉸接點(diǎn)到大腿與小腿的鉸接點(diǎn)的距離 為e，大腿與小腿的鉸接點(diǎn)到小腿與腳掌的鉸接點(diǎn)的距離為f，腳連桿的長(zhǎng)度為g，則有 a:b:c:d:e:f: g = 5. 7737 11. 5 1 12.785 3.295 12. 5 12.7013 2. 25，各部分長(zhǎng)度在士 10%幅度內(nèi)變化均可實(shí)現(xiàn)跳躍動(dòng)作。本發(fā)明具體實(shí)施例的取值如圖4 所示。
工作過程是當(dāng)不完全齒輪主軸26轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)大腿14轉(zhuǎn)動(dòng)，由于所設(shè)計(jì)的連桿機(jī) 構(gòu)原理，小腿15帶動(dòng)腳掌16向機(jī)體1的后下方約45°蹬出，同時(shí)腳連桿17可以使腳掌16 與機(jī)體1的角度保持基本不變，從而使機(jī)體1穩(wěn)定的離開地面，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)跳躍。(d)動(dòng)力模塊動(dòng)力模塊可分為兩個(gè)子模塊，即單向傳動(dòng)齒輪組和自動(dòng)儲(chǔ)能放能 機(jī)構(gòu)子模塊。1)單向傳動(dòng)齒輪組，單向傳動(dòng)齒輪組主要包括主動(dòng)齒輪19，與減速電機(jī)的輸出 軸20固連；游動(dòng)卡槽21，是開在機(jī)體上的與水平面有傾斜角度的一個(gè)兩頭圓的長(zhǎng)槽，游動(dòng) 軸22，可以在游動(dòng)卡槽21內(nèi)游動(dòng)；游動(dòng)齒輪23，與游動(dòng)軸22連接并且與主動(dòng)齒輪19嚙合； 大齒輪24，與游動(dòng)齒輪23嚙合。其中，該傾斜角度是與游動(dòng)齒輪和主動(dòng)齒輪的連心線垂直， 而與游動(dòng)齒輪和大齒輪的連心線夾角為135°——120°以上即可.其工作過程是一方面，當(dāng)減速電機(jī)輸出軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)帶動(dòng)游動(dòng)齒輪延游動(dòng) 卡槽向斜下方移動(dòng)到極限位置，進(jìn)而與大齒輪嚙合并傳遞動(dòng)力；當(dāng)減速電機(jī)輸出軸順時(shí)針 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，游動(dòng)齒輪會(huì)延游動(dòng)卡槽向斜上方移動(dòng)，進(jìn)而與大齒輪脫離嚙合，從而無法傳遞動(dòng) 力。另一方面，當(dāng)大齒輪被帶動(dòng)著逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以與游動(dòng)齒輪很好地嚙合傳動(dòng)，當(dāng)大齒 輪主動(dòng)的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)帶動(dòng)游動(dòng)齒輪延游動(dòng)卡槽向斜上方移動(dòng)，從而與游動(dòng)齒輪脫離 嚙合，這樣大齒輪18可以自由的逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。在整個(gè)過程中游動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪都沒有脫 離，只要主動(dòng)齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度大于大齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度，就可以帶動(dòng)游動(dòng) 齒輪回到與大齒輪嚙合的位置。2)自動(dòng)儲(chǔ)能放能機(jī)構(gòu)子模塊，該子模塊主要包括不完全齒輪曲軸25，與單向傳 動(dòng)齒輪組中的大齒輪24固連；不完全齒輪主軸26，與大腿14同連并且與不完全齒輪曲軸 25嚙合；彈簧拉片27，繞在不完全齒輪曲軸25上；自動(dòng)收腿彈簧28，一端固定履帶壓軸13 上，另一端拉在不完全齒輪主軸26上；主彈簧29，一端拉在彈簧拉片27上，另一端拉在調(diào) 節(jié)螺栓30上；調(diào)節(jié)螺母31，與該調(diào)節(jié)螺栓30配合，將主彈簧29與一連接片32固定；該連 接片32的另一端固定在機(jī)體頭部的彈簧拉軸7上。其中，自動(dòng)收腿彈簧可以用扭簧替代來實(shí)現(xiàn)其相同的功能。其工作過程是在初始狀態(tài)，主彈簧處于最短極限位置，不完全齒輪曲軸的齒與不 完全齒輪主軸的齒是處于脫離嚙合狀態(tài)的，此時(shí)，大齒輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)可以帶動(dòng)不完全齒輪 曲軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)不完全齒輪曲軸會(huì)把主彈簧拉長(zhǎng)，在彈簧被拉長(zhǎng)到最長(zhǎng)極限位置之 前，不完全齒輪曲軸的齒與不完全齒輪主軸的齒開始嚙合，不完全齒輪主軸隨之開始轉(zhuǎn)動(dòng)， 從而帶動(dòng)大腿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)跳躍機(jī)構(gòu)模塊的連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使腳掌先著地，并把機(jī)體撐起 一點(diǎn)，主彈簧會(huì)拉動(dòng)不完全齒輪曲軸主動(dòng)地繼續(xù)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，游動(dòng)齒輪會(huì)與大齒輪脫離嚙合，從而主彈簧的能量會(huì)很快的釋放，帶動(dòng)不完全齒輪曲軸做快速的逆時(shí)針軸快速順時(shí)針 轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)腳掌向機(jī)體斜后方約45°快速蹬出，推動(dòng)機(jī)器人躍起。當(dāng)機(jī)體還在空中時(shí)， 由于主彈簧已經(jīng)達(dá)到最短極限位置，不完全齒輪曲軸的齒與不完全齒輪主軸的齒重新處于 脫離嚙合的狀態(tài)，自動(dòng)收腿彈簧會(huì)拉動(dòng)不完全齒輪主軸回到初始位置，進(jìn)而帶動(dòng)跳躍機(jī)構(gòu) 模塊收回到初始狀態(tài)。最后機(jī)體靠慣性在空中運(yùn)動(dòng)完之后，利用履帶行進(jìn)模塊的減震裝置 緩沖落地。至此，機(jī)器人所有的機(jī)械部件經(jīng)歷了一個(gè)完整的循環(huán)過程，并回到初始狀態(tài)，可 以進(jìn)行下一個(gè)周期的動(dòng)作。參閱圖2，不完全齒輪曲軸19設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于不完全齒輪的齒與曲軸的曲柄方向 的相對(duì)位置，合理的設(shè)計(jì)可以保證滿足前述自動(dòng)儲(chǔ)能放能機(jī)構(gòu)模塊中兩個(gè)不完全齒輪相互 嚙合與脫離的時(shí)間要求。參閱圖3，大腿14由圖1中的不完全齒輪主軸26帶動(dòng)，當(dāng)大腿14轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，小腿15 末端的運(yùn)動(dòng)軌跡如圖所示，這條軌跡近似一條向斜下方45°的直線，這樣，就模仿了昆蟲蹬 腿的動(dòng)作。參閱圖4，在大腿上14增加一個(gè)鉸接點(diǎn)，通過腳連桿17與腳掌16上的一個(gè)鉸接 點(diǎn)鏈接可以保證在蹬腿的過程中，腳掌16相對(duì)于機(jī)體1的位置和姿態(tài)如圖4所示，只要身 體的重心偏離圖4中所示的“腳的運(yùn)動(dòng)軌跡”的延長(zhǎng)線不多，在蹬腿過程中就可以保證腳掌 16的腳跟和腳尖同時(shí)著地，這樣，腳掌16的姿態(tài)保證了身體在騰空時(shí)是平穩(wěn)的。
權(quán)利要求
一種基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生跳躍機(jī)器人，其特征在于該機(jī)器人具體結(jié)構(gòu)包括(a)機(jī)體，由兩片近似梯形的四邊形鏤空金屬板組成，用于固定安裝機(jī)器人的其他部件；其中平行的兩邊中的長(zhǎng)邊朝上稱為“上邊”、短邊朝下稱為“下邊”，短斜邊的一側(cè)為機(jī)器人前進(jìn)的方向，即前方；兩片金屬板通過尾軸、上邊栓軸、頭部的彈簧拉軸以及下邊的兩根履帶輪輪軸等部件連接在一起；(b)履帶行進(jìn)模塊主要包括兩個(gè)減震銷，分別插在位于機(jī)體下邊前部的孔槽中；一對(duì)減震彈簧，分別頂在機(jī)體和兩個(gè)減震銷之間的兩個(gè)孔槽中；三對(duì)履帶輪；兩兩對(duì)稱分別安裝在機(jī)體的兩側(cè)，下邊的兩對(duì)履帶輪是從動(dòng)輪，分別通過滾動(dòng)軸承固定在兩根“履帶輪輪軸”上；其中，所述的兩根履帶輪輪軸，一根安裝于減震銷上，一根安裝在下邊的后部；另外一對(duì)履帶輪安裝于機(jī)體的短斜邊上，是主動(dòng)輪，由減速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，與下邊上的履帶輪有一定的高度差；每一側(cè)的三個(gè)履帶輪通過其上的履帶實(shí)現(xiàn)連動(dòng)；(c)跳躍機(jī)構(gòu)模塊主要包括大腿、小腿、腳掌、腳連桿，小腿連桿；其中，大腿的一端固定在不完全齒輪主軸上，另一端與小腿的設(shè)定位置鉸接；小腿的一端與小腿連桿鉸接，小腿連桿的另一端與機(jī)體鉸接；腳掌分別與小腿的另一端及腳連桿的一端鉸接；腳連桿的另一端鉸接在大腿的預(yù)定位置；(d)動(dòng)力模塊動(dòng)力模塊可分為兩個(gè)子模塊，即單向傳動(dòng)齒輪組和自動(dòng)儲(chǔ)能放能機(jī)構(gòu)子模塊1)單向傳動(dòng)齒輪組，單向傳動(dòng)齒輪組主要包括主動(dòng)齒輪，與減速電機(jī)的輸出軸固連；游動(dòng)卡槽，是開在機(jī)體上的與水平面有傾斜角度的一個(gè)兩頭圓的長(zhǎng)槽，游動(dòng)軸，可以在游動(dòng)卡槽內(nèi)游動(dòng)；游動(dòng)齒輪，與游動(dòng)軸連接并且與主動(dòng)齒輪嚙合；大齒輪，與游動(dòng)齒輪嚙合；2)自動(dòng)儲(chǔ)能放能機(jī)構(gòu)子模塊，該子模塊主要包括不完全齒輪曲軸，與單向傳動(dòng)齒輪組中的大齒輪固連；不完全齒輪主軸，與大腿固連并且與不完全齒輪曲軸嚙合；彈簧拉片，繞在不完全齒輪曲軸上；自動(dòng)收腿彈簧，一端固定履帶壓軸上，另一端拉在不完全齒輪主軸上；主彈簧，一端拉在彈簧拉片上，另一端拉在調(diào)節(jié)螺栓上；調(diào)節(jié)螺母，與該調(diào)節(jié)螺栓配合，將主彈簧與一連接片固定；該連接片的另一端固定在機(jī)體頭部的彈簧拉軸上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生跳躍機(jī)器人，其特征在于在所述的減 震銷的上方，還設(shè)有一根履帶壓軸，以把履帶往下壓，以便給機(jī)體內(nèi)部的其他零部件讓出空 間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生跳躍機(jī)器人，其特征在于所述的小腿 的設(shè)定位置靠近小腿與小腿連桿的鉸接點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生跳躍機(jī)器人，其特征在于所述的大腿 的預(yù)定位置靠近大腿與小腿的鉸接點(diǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生跳躍機(jī)器人，其特征在于設(shè)大腿與小 腿連桿在機(jī)體上的固定點(diǎn)的距離為a，大腿在機(jī)體上的固定點(diǎn)到大腿與腳連桿的鉸接點(diǎn)的 距離為b，大腿與腳連桿的鉸接點(diǎn)到大腿與小腿的鉸接點(diǎn)的距離為c，小腿連桿的長(zhǎng)度為d， 小腿與小腿連桿的鉸接點(diǎn)到大腿與小腿的鉸接點(diǎn)的距離為e，大腿與小腿的鉸接點(diǎn)到小腿 與腳掌的鉸接點(diǎn)的距離為f，腳連桿的長(zhǎng)度為g，則有a b c d e f g = 5. 773 7 11. 5 1 12.785 3.295 12. 5 12.7013 2. 25，各部分長(zhǎng)度在士 10%幅度內(nèi)變化均 可實(shí)現(xiàn)跳躍動(dòng)作。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生跳躍機(jī)器人，其特征在于所述的游動(dòng) 卡槽的斜角度是與游動(dòng)齒輪和主動(dòng)齒輪的連心線垂直，而與游動(dòng)齒輪和大齒輪的連心線夾 角為135°——180°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生跳躍機(jī)器人，其特征在于所述的自動(dòng) 收腿彈簧可以為扭簧。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于連桿機(jī)構(gòu)的仿生跳躍機(jī)器人，其特征在于該機(jī)器人具體結(jié)構(gòu)包括(a)機(jī)體，由兩片近似梯形的四邊形鏤空金屬板組成，用于固定安裝機(jī)器人的其他部件；(b)履帶行進(jìn)模塊主要包括兩個(gè)減震銷，一對(duì)減震彈簧，三對(duì)履帶輪；(c)跳躍機(jī)構(gòu)模塊主要包括大腿、小腿、腳掌、腳連桿，小腿連桿；(d)動(dòng)力模塊動(dòng)力模塊可分為兩個(gè)子模塊，即單向傳動(dòng)齒輪組和自動(dòng)儲(chǔ)能放能機(jī)構(gòu)子模塊。本發(fā)明機(jī)器人一方面能越過較高的障礙和跳上較高的臺(tái)階；另一方面擯棄了單純地、完全地模仿理念。機(jī)器人的跳躍方式與方便快捷、地形適應(yīng)性強(qiáng)的機(jī)器履帶行進(jìn)方式相結(jié)合，達(dá)到了仿生機(jī)器人具有超強(qiáng)越障能力。
文檔編號(hào)A63H11/06GK101797937SQ20101014648
公開日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2010年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月12日
發(fā)明者蘭星, 姜易陽, 楊天光, 王新升, 魏東輝, 黃海 申請(qǐng)人:北京航空航天大學(xué)