專利名稱:非對稱齒輪六桿仿生彈跳機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及用于深空探測中行星表面巡游探測的微小型彈跳機器人領(lǐng)域,具體地 說,涉及一種采用非對稱齒輪六桿機構(gòu)的可提供間歇式跳躍運動的彈跳機構(gòu)。
背景技術(shù):
美國專利說明書US 7168513B2公開了一種用于行星表面探測的彈跳機器人。所 涉及的彈跳機器人機構(gòu)是由四根長度相等的連桿加上兩對齒輪相互連接而組成的對稱齒 輪六桿彈跳機構(gòu),并在機構(gòu)的水平方向上加裝了拉伸彈簧作為儲能元件,其通過豎直方向 上的電機與絲杠傳動機構(gòu)壓縮跳躍機構(gòu)使彈簧被拉伸以積蓄彈性能,而通過鎖定/釋放裝 置瞬間觸發(fā)釋放彈性能使機器人產(chǎn)生跳躍運動。該彈跳機構(gòu)雖然外形仿生,形似青蛙,卻依 然只是單一運動模式的簡單彈射機構(gòu),并不具有生物合理的跳躍肢體結(jié)構(gòu)及跳躍力機理特 性,彈跳的高度、距離以及仿生技術(shù)的潛力遠未挖掘出來,該彈跳機構(gòu)不能調(diào)節(jié)起跳的角度 且起跳動作不夠穩(wěn)定。以跳躍作為運動方式的彈跳機器人可以越過數(shù)倍甚至數(shù)十倍于自身尺寸的障礙 或溝壕,且落地面積小,落腳點離散,能適應(yīng)復(fù)雜的地形地貌,尤其在行星特別是小行星表 面微小重力環(huán)境中具有明顯的優(yōu)勢。然而在具有非結(jié)構(gòu)化地形地貌的行星表面探索,對跳 躍機器人機動性、可靠性及自主與自適應(yīng)能力要求也非常高。
發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的彈跳機構(gòu)結(jié)構(gòu)及力特性不夠合理,且起跳動作不夠穩(wěn)定 等不足,本發(fā)明提出了一種連桿長度不相等及齒輪參數(shù)各不相同的非對稱齒輪六桿仿生彈 跳機構(gòu)。為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明模擬袋鼠肢體結(jié)構(gòu)其包括腳底板、腿部機構(gòu)、機身及 能量存儲與釋放裝置。機身相當于袋鼠的身體,是由五塊薄板組成的沒有下底蓋的長方體 形殼體;腿部機構(gòu)相當于袋鼠的腿,用桿件和彈簧搭接而成,位于機身下方,其頂端與機身 相連,底端與腳底板的支架相連接;腳底板為腳掌形的薄板件,相當于袋鼠的腳掌,在腳底 板的后端固定有一對L形的支架。能量存儲與釋放裝置是由電機驅(qū)動的鏈輪鏈條裝置,位 于機身內(nèi)。所述的腿部機構(gòu)采用了非對稱齒輪六桿雙腿并攏結(jié)構(gòu),包括大腿桿、小腿桿、長輔 助桿、短輔助桿、兩根彈簧和六根連接軸。大腿桿、小腿桿、長輔助桿和短輔助桿分別由形 狀完全相同且安裝位置對稱的兩個薄板狀桿件組成,每個薄板狀桿件的一端是直桿,該端 邊緣是以直桿寬度為直徑的半圓弧形,并在半圓弧的圓心處有一個通孔,另一端是不完全 齒輪,且在不完全齒輪的中心亦有一通孔。長輔助桿和大腿桿呈“ Λ,,型分布,兩者上端是 不完全齒輪且相互嚙合,通過兩根連接軸分別穿過不完全齒輪中心的通孔及機身側(cè)壁上相 應(yīng)位置的兩個通孔而與機身鉸接;短輔助桿和小腿桿呈“V”型位于大腿桿和長輔助桿的下 方,兩者上端為直桿端,分別與長輔助桿和大腿桿的直桿端內(nèi)側(cè)貼合,且對應(yīng)的直桿端通孔相互重合,并通過兩根連接軸分別穿過相應(yīng)的通孔形成鉸接,彈簧的兩端分別固定在該兩 根連接軸上;短輔助桿和小腿桿的下端是不完全齒輪且相互嚙合,通過兩根連接軸分別穿 過不完全齒輪中心的通孔及腳底板支架上相應(yīng)位置的兩個通孔而與腳底板鉸接。所述的能量存儲與釋放裝置位于機身內(nèi),包括電機、電機固定板、離合器、鏈輪、鏈 輪軸和鏈條。其中電機、離合器和鏈輪呈水平“一”字分布;電機固定在機身內(nèi)側(cè)壁上的電 機固定板上;鏈輪套在鏈輪軸上,鏈輪軸的一端穿過機身側(cè)壁上的鏈輪軸安裝孔固接。電機 的輸出軸和鏈輪分別與離合器的兩端連接;鏈條的一端套在鏈輪上與鏈輪嚙合,另一端與 穿過小腿桿不完全齒輪端通孔的連接軸固連。當彈跳機構(gòu)準備跳躍時,腳底板與地面貼合, 腿部機構(gòu)處于伸展狀態(tài),彈簧處于收攏狀態(tài)。離合器由脫開狀態(tài)轉(zhuǎn)為嚙合狀態(tài),電機啟動, 輸出軸開始運轉(zhuǎn)并通過離合器驅(qū)動鏈輪轉(zhuǎn)動,進而使與鏈輪嚙合的鏈條移動,而鏈條的另 一端與穿過小腿桿不完全齒輪端通孔的連接軸固連,從而鏈條拉動機身向腳底板運動。同 時,機身與腳底板之間距離的減小使得“Λ”型安裝的大腿桿與長輔助桿和“V”型安裝的小 腿桿與短輔助桿分別被撐開,使得彈簧被拉伸而存儲彈性能。當彈簧被拉伸到一定長度時, 電機停止運轉(zhuǎn),彈跳機構(gòu)的儲能過程完成。彈跳機構(gòu)儲能過程完成后,離合器脫開,使鏈輪處于可自由轉(zhuǎn)動狀態(tài)。彈簧開始釋 放彈性能,拉動其兩端所固連的連接軸,使得大腿桿與長輔助桿之間的夾角以及小腿桿與 短輔助桿之間的夾角迅速變小,推動機身向前上方加速運動。當彈簧彈性能釋放完全后,機 身的速度達到最大值,拉動腳底板脫離地面,實現(xiàn)跳躍運動。在騰空過程中,整個機構(gòu)的質(zhì) 心以拋物線曲線運動,下落時腳底板先著地,然后整個機構(gòu)停落在地面。本發(fā)明根據(jù)仿生學原理,采用連桿長度不相等及齒輪參數(shù)各不相同的非對稱齒輪 六桿仿生彈跳機構(gòu),其腿部機構(gòu)各連桿長度模擬袋鼠跳躍肢體結(jié)構(gòu)比例,兩對齒輪的參數(shù) 根據(jù)袋鼠跳躍運動姿態(tài)及跳躍力機理而選取,且整個機構(gòu)為閉環(huán)的并聯(lián)機構(gòu),僅一個自由 度,能夠很好的實現(xiàn)了仿袋鼠雙腿并攏的平穩(wěn)起跳過程,結(jié)構(gòu)和控制簡單,運動靈活能適應(yīng) 復(fù)雜的地形地貌,尤其適用于行星特別是小行星表面微小重力環(huán)境中的巡游探測。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明非對稱齒輪六桿仿生彈跳機構(gòu)的實施方式作進一步說明。圖1是本發(fā)明非對稱齒輪六桿仿生彈跳機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明非對稱齒輪六桿仿生彈跳機構(gòu)的腿部機構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明非對稱齒輪六桿仿生彈跳機構(gòu)腿部機構(gòu)的各桿件示意圖(a)是長輔助桿,(b)是大腿桿,(C)是短輔助桿,(d)是小腿桿。圖4是本發(fā)明非對稱齒輪六桿仿生彈跳機構(gòu)的腳底板示意圖。圖5是本發(fā)明非對稱齒輪六桿仿生彈跳機構(gòu)的機身示意圖。圖6是本發(fā)明非對稱齒輪六桿仿生彈跳機構(gòu)的能量存儲與釋放裝置示意圖(a) 是離合器嚙合狀態(tài),(b)是離合器脫開狀態(tài)。圖7是本發(fā)明能量存儲的過程示意圖(a)是起跳前姿態(tài),(b)是彈簧被拉伸以存 儲能量時姿態(tài),(c)是儲能完成時姿態(tài)。圖8是本發(fā)明跳躍過程示意圖(a)是能量存儲完成后,起跳前準備狀態(tài),(b)是起 跳離地后向上跳躍時,(c)是跳躍到達最高點時,(d)是下落過程時,(e)是著地后姿態(tài)。
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圖9是公有技術(shù)的彈跳機器人機構(gòu)原理示意圖。圖10是公有技術(shù)的彈跳機器人機構(gòu)的跳躍過程示意圖。1.腳底板2.鏈條3.短輔助桿4.長輔助桿5.機身6.鏈輪7.離合器8.電 機9.電機固定板10.大腿桿11小腿桿12.踝關(guān)節(jié)連接軸13.輔助踝關(guān)節(jié)連接軸14.輔 助膝關(guān)節(jié)連接軸15.彈簧16.輔助髖關(guān)節(jié)連接軸17.髖關(guān)節(jié)連接軸18.膝關(guān)節(jié)連接軸 19.長輔助桿直桿端通孔20.長輔助桿不完全齒輪端通孔21.大腿桿不完全齒輪端通孔 22.大腿桿直桿端通孔23.短輔助桿不完全齒輪端通孔24.短輔助桿直桿端通孔25.小 腿桿不完全齒輪端通孔26.小腿桿直桿端通孔27.腳底板支架28.踝關(guān)節(jié)連接軸安裝孔 29.輔助踝關(guān)節(jié)連接軸安裝孔30.鏈輪軸安裝孔31.輔助髖關(guān)節(jié)連接軸安裝孔32.髖關(guān)節(jié) 連接軸安裝孔33.鏈輪軸34.地面
具體實施例方式所述非對稱齒輪六桿仿生彈跳機構(gòu),包括機身5、腿部機構(gòu)、腳底板1和能量存儲
與釋放裝置。如圖1所示,機身5相當于袋鼠的身體,是由五塊薄板件組成的沒有下底蓋的長方 體形殼體;腿部機構(gòu)相當于袋鼠的腿,用薄板狀桿件和彈簧15搭接而成,位于機身下方,其 頂端與機身相連接,底端與腳底板支架27相連接;腳底板1為薄板件,相當于袋鼠的腳掌; 能量存儲與釋放裝置位于機身5內(nèi),通過鏈輪鏈條驅(qū)動腿部機構(gòu)。如圖2和圖3所示,腿部機構(gòu)包括大腿桿10、小腿桿11、長輔助桿4、短輔助桿3、 彈簧15和關(guān)節(jié)連接軸。其中大腿桿10、小腿桿11、長輔助桿4和短輔助桿3是腿部機構(gòu)中 的連桿。所述的連桿特征為各桿件分別由形狀完全相同且平行對稱安裝的兩個薄板桿組 成,每個薄板桿的一端是直桿,該端頭部形狀是以直桿寬度為直徑的半圓弧形,并在半圓弧 的圓心處有一通孔,另一端是不完全齒輪,且在不完全齒輪的中心有一通孔;各桿件厚度相 同,直桿端的寬度相同;各桿件兩端的通孔大小相同,且各桿件兩端通孔的距離之比為大腿 桿小腿桿長輔助桿短輔助桿=26 52 47 28 ;各桿件的不完全齒輪為漸開線 齒輪,其中大腿桿10和長輔助桿4的不完全齒輪的模數(shù)為1,且兩者的不完全齒輪分度圓直 徑之比為1 3. 6,小腿桿11和短輔助桿3的不完全齒輪的模數(shù)為0.8,且兩者的不完全齒 輪分度圓直徑之比為5 2。關(guān)節(jié)連接軸為光滑的細直桿,橫截面尺寸與各桿件兩端的通孔 尺寸相同,是腿部機構(gòu)中用來連接各桿件的鉸鏈軸,其包括輔助踝關(guān)節(jié)連接軸13、輔助膝關(guān) 節(jié)連接軸14、輔助髖關(guān)節(jié)連接軸16、髖關(guān)節(jié)連接軸17、膝關(guān)節(jié)連接軸18、踝關(guān)節(jié)連接軸12。 彈簧15為結(jié)構(gòu)相同的兩根拉簧。圖4為本發(fā)明非對稱齒輪六桿仿生彈跳機構(gòu)的腳底板示意圖。所述的腳底板1是 外形類似腳掌的薄板,前端寬后端窄,且在腳底板1的后端部焊接有一對腳底板支架27。腳 底板支架27是兩個對稱分布的“L”形薄板件,在“L”形薄板件的豎直部分有踝關(guān)節(jié)連接軸 安裝孔28和輔助踝關(guān)節(jié)連接軸安裝孔29,該兩孔水平分布且兩者的距離等于小腿桿11的 不完全齒輪分度圓半徑與短輔助桿3的不完全齒輪分度圓半徑之和。如圖5所示,機身5由五塊薄板件組成的沒有下底蓋的長方體形殼體,在側(cè)板中部 偏下方有兩個平行的通孔,分別為輔助髖關(guān)節(jié)連接軸安裝孔31和髖關(guān)節(jié)連接軸安裝孔32, 兩通孔之間的距離等于大腿桿10的不完全齒輪分度圓半徑與長輔助桿4的不完全齒輪分度圓半徑之和,且在兩通孔上方有一個鏈輪軸安裝孔33。如圖1和圖2所示,本發(fā)明采用非對稱齒輪六桿雙腿并攏結(jié)構(gòu)。大腿桿10和長輔 助桿4呈“ Λ ”型分布,“ Λ,,型的上端是兩桿件的不完全齒輪,所述的兩不完全齒輪相互嚙 合且貼近機身5的側(cè)板,大腿桿不完全齒輪端通孔21和長輔助桿不完全齒輪端通孔20分 別與機身5側(cè)板上的髖關(guān)節(jié)連接軸安裝孔32和輔助髖關(guān)節(jié)連接軸安裝孔31對齊。髖關(guān)節(jié) 連接軸17穿過大腿桿不完全齒輪端通孔21和髖關(guān)節(jié)連接軸安裝孔32,使得機身5和大腿 桿10形成鉸鏈連接,該鉸鏈類似于袋鼠的髖關(guān)節(jié);輔助髖關(guān)節(jié)連接軸16穿過長輔助桿不完 全齒輪端通孔20和輔助髖關(guān)節(jié)連接軸安裝孔31,使得機身5和長輔助桿4形成鉸鏈連接。 小腿桿11和短輔助桿3呈“V”型位于大腿桿10和長輔助桿4的下方,“V”型的上端是小腿 桿11和短輔助桿3的直桿端,分別與大腿桿10和長輔助桿4的直桿端內(nèi)側(cè)貼合,且小腿桿 直桿端通孔26和短輔助桿直桿端通孔24分別與大腿桿直桿端通孔22和長輔助桿直桿端 通孔19對齊。膝關(guān)節(jié)連接軸18穿過大腿桿直桿端通孔22和小腿桿直桿端通孔26,使得大 腿桿10和小腿桿11鉸鏈連接,該鉸鏈類似于袋鼠的膝關(guān)節(jié);輔助膝關(guān)節(jié)連接軸14穿過長 輔助桿直桿端通孔19和短輔助桿直桿端通孔24,使得長輔助桿4和短輔助桿3鉸鏈連接。 小腿桿11和短輔助桿3的下端是不完全齒輪,所述的兩不完全齒輪相互嚙合且貼合腳底板 支架27的內(nèi)側(cè),小腿桿不完全齒輪端通孔25和短輔助桿不完全齒輪端通孔23分別與腳底 板支架27上的踝關(guān)節(jié)連接軸安裝孔28和輔助踝關(guān)節(jié)連接軸安裝孔29對齊。踝關(guān)節(jié)連接 軸12穿過小腿桿不完全齒輪端通孔25和踝關(guān)節(jié)連接軸安裝孔28,使得小腿桿11和腳底 板支架27鉸鏈連接,該鉸鏈類似于袋鼠的踝關(guān)節(jié);輔助踝關(guān)節(jié)連接軸13穿過短輔助桿不完 全齒輪端通孔23和輔助踝關(guān)節(jié)連接軸安裝孔29,使得短輔助桿3和腳底板支架27鉸鏈連 接。彈簧15的兩端分別固定在膝關(guān)節(jié)連接軸18和輔助膝關(guān)節(jié)連接軸14上。如圖6所示,能量存儲與釋放裝置包括電機8、電機固定板9、離合器7、鏈輪6、鏈 輪軸33和鏈條2。電機固定板9為“L”形的薄板件。鏈輪6套在鏈輪軸33上,可以鏈輪 軸33為中心軸旋轉(zhuǎn)或沿著鏈輪軸33移動。電機8、離合器7和鏈輪6呈水平“一”字分布。 電機8的輸出軸和鏈輪6的端面分別與離合器7的兩端連接。電機8的機身固定在電機固 定板9的水平部位上。電機固定板9的豎直部分和鏈輪軸33分別固定在機身5的兩個側(cè) 板上,其中鏈輪軸33是通過其末端穿過機身5側(cè)板上的鏈輪軸安裝孔30而固定的。鏈條 2 一端套在鏈輪6上與鏈輪6嚙合,另一端與踝關(guān)節(jié)連接軸12繞轉(zhuǎn)動。圖7和圖8所示為本發(fā)明非對稱齒輪六桿仿生彈跳機構(gòu)的儲能和跳躍兩個階段過 程當彈跳機構(gòu)完成上一次跳躍過程后,停落在地面34上,腳底板1與地面34貼合,彈跳機 構(gòu)處于伸展狀態(tài),大腿桿10和長輔助桿4之間的夾角以及小腿桿11和短輔助桿3之間的 夾角都較小,作為儲能元件的彈簧15處于收攏狀態(tài),離合器7處于脫開狀態(tài)。當彈跳機構(gòu) 準備跳躍時,離合器7轉(zhuǎn)為嚙合狀態(tài),電機8啟動,電機8的輸出軸開始運轉(zhuǎn),通過離合器7 驅(qū)動鏈輪6旋轉(zhuǎn),與鏈輪6嚙合的鏈條2被卷繞,拉動機身5向腳底板1運動。由于腿部機 構(gòu)為齒輪六桿機構(gòu),只有一個自由度,所以機身5與腳底板1的相對運動軌跡是固定的。機 身5與腳底板1之間距離的減小使得“Λ”型安裝的大腿桿10與長輔助桿4以及“V”型安 裝的小腿桿11與短輔助桿3分別被撐開,使得彈簧15被拉伸而存儲彈性能。當彈簧15被 拉伸到一定長度時,電機8停止運轉(zhuǎn),彈跳機構(gòu)的儲能過程完成。彈跳機構(gòu)儲能過程完成后,離合器7脫開,使鏈輪6處于可自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。彈簧15
6開始釋放彈性能,拉攏膝關(guān)節(jié)連接軸18和輔助膝關(guān)節(jié)連接軸14,使得大腿桿10與長輔助桿 4之間的夾角以及小腿桿11與短輔助桿3之間的夾角迅速變小,推動機身5向前上方加速 運動。當彈簧15的彈性能釋放完全后,機身5的速度達到最大值,拉動腳底板1脫離地面, 實現(xiàn)跳躍運動。在騰空過程中,整個機構(gòu)的質(zhì)心以拋物線曲線運動,下落時,腳底板1先著 地,然后整個機構(gòu)停落在地面。圖9和圖10為公有技術(shù)的彈跳機器人機構(gòu)原理和跳躍過程示意圖。毫無疑問,本發(fā)明的機身和腳底板部分還可具有多種變換及改型,并不僅限于上 述實施方式的具體結(jié)構(gòu),如所述腳底板可采用其他的幾何形狀的方式。本發(fā)明的保護范圍 應(yīng)包括那些對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說顯而易見的變換或替代以及改變其形狀。
權(quán)利要求
一種采用非對稱齒輪六桿仿生彈跳機構(gòu),其特征在于機身(5)與腿部機構(gòu)之間、腿部機構(gòu)與腳底板(1)之間均采用連接軸鉸鏈連接,腿部機構(gòu)頂端與機身(5)相連接,底端與腳底板(1)相連接;所述的機身(5)為沒有下底蓋的長方體形殼體;所述的腳底板(1)為前端寬后端窄的腳掌形薄板;所述的腿部機構(gòu)為雙腿并攏結(jié)構(gòu)的齒輪六桿機構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱齒輪六桿仿生彈跳機構(gòu),其特征在于腿部機構(gòu)中的 大腿桿(10)、小腿桿(11)、長輔助桿(4)和短輔助桿(3)分別由形狀完全相同且平行對稱 安裝的兩兩薄板桿件組成,每一薄板桿的一端是以其桿寬度為直徑的半圓弧形,半圓弧的 圓心處有一通孔,另一端是不完全齒輪,且在不完全齒輪的中心亦有一通孔;各桿件尺寸厚 度、寬度均相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱齒輪六桿仿生彈跳機構(gòu),其特征在于所述各桿件兩 端的通孔大小相同,且兩端通孔的距離之比大腿桿(10)小腿桿(11)長輔助桿(4) 短輔助桿(3)為26 52 47 28 ;各桿件的不完全齒輪為漸開線齒輪,大腿桿(10)和 長輔助桿(4)的不完全齒輪的模數(shù)為1,且兩者的不完全齒輪分度圓直徑之比為1 3.6, 小腿桿(11)和短輔助桿(3)的不完全齒輪的模數(shù)為0.8,且兩者的不完全齒輪分度圓直徑 之比為5 2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱齒輪六桿仿生彈跳機構(gòu),其特征在于腳底板(1)的 后端部焊接有一對L形的腳底板支架(27),兩對稱分布的L形的腳底板支架(27)的豎直部 分有踝關(guān)節(jié)連接軸安裝孔(28)和輔助踝關(guān)節(jié)連接軸安裝孔(29),兩孔呈水平分布且之間 距離等于小腿桿(11)的不完全齒輪分度圓半徑與短輔助桿(3)的不完全齒輪分度圓半徑 之和。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非對稱齒輪六桿仿生彈跳機構(gòu),其特征在于所述機身(5) 的側(cè)板中部偏下方設(shè)有輔助髖關(guān)節(jié)連接軸安裝孔(31)和髖關(guān)節(jié)連接軸安裝孔(32),兩平 行通孔之間的距離等于大腿桿(10)的不完全齒輪分度圓半徑與長輔助桿(4)的不完全齒 輪分度圓半徑之和,且在兩通孔上方設(shè)有一鏈輪軸安裝孔(30)固定連接鏈輪軸(33)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種非對稱齒輪六桿仿生彈跳機構(gòu)。該機構(gòu)根據(jù)仿生學原理,采用連桿長度不相等及齒輪參數(shù)各不相同的非對稱齒輪六桿機構(gòu),其結(jié)構(gòu)包括腳底板、腿部機構(gòu)、機身和能量存儲與釋放裝置,腿部機構(gòu)各連桿長度符合袋鼠合理的跳躍肢體結(jié)構(gòu)比例,兩對齒輪的參數(shù)根據(jù)袋鼠跳躍運動姿態(tài)及跳躍力機理而選取,且整個機構(gòu)為閉環(huán)的并聯(lián)機構(gòu),僅一個自由度,能夠很好的實現(xiàn)了仿袋鼠雙腿并攏的平穩(wěn)起跳過程,結(jié)構(gòu)和控制簡單,運動靈活能適應(yīng)復(fù)雜的地形地貌,尤其適用于行星特別是小行星表面微小重力環(huán)境中的巡游探測。
文檔編號B62D57/02GK101941476SQ20091002329
公開日2011年1月12日 申請日期2009年7月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月10日
發(fā)明者張銘, 楊方, 柏龍, 葛文杰, 陳曉紅 申請人:西北工業(yè)大學