阅读说明：本技术 一种跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人 (Jumping robot with controllable jumping force and direction ) 是由 王巍 张敬涛 赵飞 于 2020-05-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种初始跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人,包括躯干平台、后肢模块、可控离合收放模块、前肢模块。后肢模块与躯干平台后部固连,包括两组结构相同的跳跃腿单元,每个跳跃腿单元为多连杆组成的单自由度六杆机构,其对接线处安装拉簧,可提供始终垂直拉簧的直线跳跃力。可控离合收放模块由主电机、丝杠主轴、棘轮机构、卷线轮、拉线和缓冲弹簧等组成,通过控制主电机的旋转角度而改变初始跳跃力,通过控制主电机的旋转方向而控制起跳时机。前肢模块与躯干平台前部固连,由舵机和前腿等组成,舵机驱动前腿旋转,通过控制前腿与躯干平台的夹角而调整跳跃力方向。本发明初始跳跃力大小和方向可控,跳跃力沿直线,结构紧凑,质量轻。(The invention discloses a jumping robot with controllable initial jumping force and direction. The hind limb module is fixedly connected with the rear part of the trunk platform and comprises two groups of jumping leg units with the same structure, each jumping leg unit is a single-degree-of-freedom six-rod mechanism formed by multiple connecting rods, and a tension spring is arranged at the joint line of each jumping leg unit, so that straight line jumping force vertical to the tension spring can be provided all the time. The controllable clutch releasing and releasing module consists of a main motor, a lead screw main shaft, a ratchet mechanism, a winding wheel, a pull wire, a buffer spring and the like, changes initial jumping force by controlling the rotating angle of the main motor, and controls the jumping time by controlling the rotating direction of the main motor. The forelimb module is fixedly connected with the front part of the trunk platform and comprises a steering engine, forelegs and the like, the steering engine drives the forelegs to rotate, and the jumping force direction is adjusted by controlling the included angles between the forelegs and the trunk platform. The invention has controllable initial jumping force and direction, the jumping force is along straight line, the structure is compact, and the weight is light.)

一种跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人

技术领域

本发明涉及一种跳跃机器人，具体来说，是一种轻小型、模块化、跳跃力大小和方向可控的仿生跳跃机器人。

背景技术

跳跃机器人有着常规机器人所不具备的运动特性，其具有强大的越障能力，极快的跳跃速度、广阔的移动范围等，其在星际探索、抢险救灾、军事侦察等方面具有广阔的应用前景和重要的战略意义。

麻省理工学院Raibert研制出世界上最早的跳跃机器人，类似弹簧倒立摆的单腿跳跃机器人。比萨圣安娜高等学校Sarfogliero等人，深入研究叶蝉，利用四连杆机构设计出长约50mm，质量约15g的小型四足跳跃机器人。瑞士洛桑联邦理工学院Mirko等人研制出利用附加弹性元件的四杆机构进行储能，微型电机和电池提供动力，通过多级齿轮传动给扭簧蓄能，利用凸轮快速释放能量的小型跳跃机器人。

现有小型跳跃机器人受到体型小、驱动器少的限制，无法实现跳跃力大小和方向的控制，其跳跃力大小和方向均恒定，这极大地限制了小型跳跃机器人的灵活性和环境适应性，降低了其运动性能。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种轻小型、模块化、跳跃力大小和方向可控的仿生跳跃机器人。

一种跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，包括躯干平台、后肢模块、可控离合收放模块与前肢模块。

所述后肢模块包括两个相同的跳跃腿单元，分别对称固定于躯干平台底面后部左右两侧。跳跃腿单元为由连杆构成的单自由度六杆机构，单自由度六杆机构对角线间由拉簧相连，提供始终垂直拉簧的直线跳跃力。可控离合收放模块用于控制拉线的收放，该拉线与两跳跃腿单元相连。如前肢模块安装于躯干平台前部底面，由舵机驱动前后摆动。

上述躯干平台、后肢模块、可控离合收卷模块和前肢模块的主要零件所用材料为碳纤维和树脂。

本发明的优点在于：

(1)本发明跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，通过可控离合收放机构和后肢模块配合，实现初始跳跃力大小可控，跳跃力沿直线，通过前肢模块实现跳跃力方向可控；

(2)本发明跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，可控离合收放机构使用单个电机，通过控制电机旋转角度和方向，以实现控制跳跃力大小和起跳时机，实现单个电机多用，减少了驱动电机数量，减轻了机器人质量，提高了利用效率；

(3)本发明跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，具有一个躯干平台、一个后肢模块、一个可控离合收放模块和一个前肢模块，模块化设计使机器人结构清晰、紧凑，安装方便；

(4)本发明跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，躯干平台、后肢模块、可控离合收卷模块和前肢模块的主要零件所用材料为碳纤维和树脂，在保证强度同时，减轻了机器人质量。

附图说明

图1为本发明跳跃机器人的整体结构示意图。

图2为本发明跳跃机器人的后肢模块中右后跳跃单元结构示意视图。

图3为本发明跳跃机器人的可控离合收放模块布局示意图。

图4为本发明跳跃机器人的可控离合收放模块结构示意图。

图5为本发明跳跃机器人的前肢模块结构示意图。

图中：

1-躯干平台 2-后肢模块 3-可控离合收卷模块

4-前肢模块 5-电池 6-控制器

201-后肢固定架 202-大腿杆固定架 203-齿轮大腿杆A

204-齿轮大腿杆B 205-齿轮小腿杆A 206-齿轮小腿杆B

207-小腿杆固定架 208-拉簧 301-主电机

302-主电机固定架 303-联轴器 304-丝杠主轴固定架A

305-卷线轮 306-棘轮 307-丝杠主轴固定架B

308-棘爪固定架 309-棘爪 310-丝杠主轴

311-缓冲弹簧 312-卷线轮轴承 313-扭簧

314-固定轴 315-拉线 316-销孔

317-棘轮销 401-舵机 402-舵机固定架

403-左前腿 404-右前腿固定架 405-右前腿

406-腿连杆

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供一种跳跃力大小和方向可控的跳跃机器人，如图1所示，该机器人包括躯干平台1、后肢模块2、可控离合收放模块3、前肢模块4、电池5和控制器6，如图1所示。

所述躯干平台1为近似长方形薄板，其上开设有安装孔，用于安装固定后肢模块2，可控离合收放模块3、前肢模块4电池5和控制器6。

所述后肢模块2包括两个相同的跳跃腿单元，分别对称固定于躯干平台1底面后部左右两侧。每个跳跃腿单元包括后肢固定架201、大腿杆固定架202、齿轮大腿杆A203、齿轮大腿杆B204、齿轮小腿杆A205、齿轮小腿杆B206、小腿杆固定架207、拉簧208，如图2所示。其中，后肢固定架201固定于躯干平台1的后部，用于实现后肢模块2与躯干平台间1的固定。大腿杆固定架202上部具有连接头，下部为连接架；其中连接头固定于后肢固定架201上；连接架向后倾斜设置，与竖直方向形成45度夹角。连接架前后两侧具有链接凸耳，分别用于连接齿轮大腿杆A203与齿轮大腿杆B204。

齿轮大腿杆A203和齿轮大腿杆B204均具有直线段与弧形段；其中，直线段端部为齿轮端，端部具有齿轮结构；弧形段端部为非齿轮端。齿轮大腿杆A203和齿轮大腿杆B204的齿轮端齿轮结构中心位置分别与连接架前后侧的链接凸耳铰接，形成转动副，且两者齿轮端间相互啮合。

齿轮小腿杆A205与齿轮小腿杆B206均具有直线段与弧形段；其中，直线段端部为齿轮端，端部具有齿轮结构；弧形段端部为非齿轮端。齿轮小腿杆A205的非齿轮端与齿轮大腿杆A203的非齿轮端铰接，形成转动副。齿轮小腿杆B206的非齿轮端与齿轮大腿杆B204的非齿轮端铰接，形成转动副。齿轮小腿杆A205和齿轮小腿杆B206的齿轮端用于连接小腿杆固定架207。

小腿杆固定架207具有顶部连接架、中部支撑杆与下部脚杆。其中顶部连接架位于大腿杆固定架202下部连接架相对位置，且向前倾斜设置，与竖直方向形成45度夹角。顶部固定架前后两侧同样设计有连接凸耳，分别与齿轮小腿杆A205和齿轮小腿杆B206的齿轮端齿轮结构中心位置铰接，形成转动副，且两者齿轮端间相互啮合。中部支撑杆向后倾斜设计，与竖直方向呈10度夹角；下部脚杆与水平面平行设计。

拉簧208一端固定于齿轮小腿杆A205的非齿轮端端部设计的通孔中，另一端固定于齿轮小腿杆B206的非齿轮端端部设计的通孔中。

大腿杆固定架202、齿轮大腿杆A203、齿轮大腿杆B204、齿轮小腿杆A205、齿轮小腿杆B206和小腿杆固定架207之间通过铰接构成六杆机构，由于两组齿轮端啮合，该六杆机构只有一个自由度，即大腿杆固定架202和小腿杆固定架207只可沿两者连线平移，因此该机构产生的跳跃力始终沿两者连线，且与拉簧208垂直。

所述可控离合收放模块3包括主电机301、主电机固定架302、联轴器303、丝杠主轴固定架A304、卷线轮305、棘轮306、丝杠主轴固定架B307、棘爪固定架308、棘爪309、丝杠主轴310、缓冲弹簧311、卷线轮轴承312、扭簧313、固定轴314、拉线315，如图3、图4所示。

其中，主电机301通过主电机固定架302固定于躯干平台1顶面后部，丝杠主轴固定架A304和丝杠主轴固定架B307固定于躯干平台1顶面，丝杠主轴310与主电机301输出轴同轴设置，前后两端插接于丝杠主轴固定架A304和丝杠主轴固定架B307的轴孔中，可转动。丝杠主轴310前段为无螺纹段，后段为螺纹段；前段端部通过联轴器303与主电机301输出轴固连。

卷线轮305通过轴承312同轴安装于丝杠主轴310前段，可沿轴向平移，且可在丝杠主轴310上自由旋转；卷线轮305通过丝杠主轴310上的轴肩定位，限制其后向位移。缓冲弹簧311空套在丝杠主轴310前段上，两端分别与卷线轮轴承312和丝杠主轴固定架A304相接。上述卷线轮305侧壁周向等角度间隔设计有销孔316，用于棘轮上的棘轮销穿过。

棘轮306同轴安装于丝杠主轴310的后段，棘轮306的中心孔内螺纹与丝杠主轴310后段的螺纹相啮合。棘轮306侧壁周向相对位置设计有棘轮销317，当棘轮306沿轴向向前移动时，棘轮销317可插入销孔316中。棘爪固定架308固定于躯干平台1顶面，位于在棘轮306一侧。棘爪309固定于棘爪固定轴314上，棘爪固定轴314两端铰接于棘爪固定架308两侧，形成转动副；棘爪309与棘轮306周向棘齿相接，且在棘轮306轴向移动时始终相接。扭簧313空套在棘爪固定轴314上，其两端分别插入固定于棘爪309和棘爪固定架308上的通孔中，使棘爪309具有贴向棘轮306的力。

两条拉线315一端分别固定于卷线轮305周向两对称小通孔处，同向缠绕于卷线轮305周向上的凹槽内；两条拉线315的另一端穿过躯干平台1左右两侧上的开孔，分别固定于后部两跳跃腿单元中小腿杆固定架207的中部支撑杆与下部脚杆相接处。

如图5所示，所述前肢模块4包括舵机401、舵机固定架402，左前腿403、右前腿固定架404、右前腿405、腿连杆406，如图5所示。其中，舵机401通过舵机固定架402安装于躯干平台1前部左侧，舵机的输出轴轴线左右方向设置；左前腿403顶端与舵机401输出轴固连，右前腿固定架404固定于躯干平台1前部右侧，右前腿405顶端与右前腿固定架404铰接，形成转动副，其转动轴线与舵机401输出轴轴线共线，腿连杆406两端分别与左前腿403和右前腿405固连。

上述躯干平台1采用碳纤维材料；后肢模块2、可控离合收放模块3和前肢模块4中的各腿杆结构、固定架结构、棘轮棘爪结构、卷线轮结构等均采用树脂材料3D打印而成。

本发明跳跃机器人跳跃前，棘轮306周向上的棘轮销317与卷线轮305分离，主电机301正向驱动丝杠主轴310，由于棘爪309对棘轮306有压力，棘轮306不随丝杠主轴310旋转，由于内螺纹与丝杠主轴310螺纹段啮合而平移；同时，棘轮销317插入卷线轮305的销孔316中，当棘轮306与丝杠主轴310轴肩贴合后，两者锁死；此时，棘轮306随丝杠主轴310旋转，进而通过棘轮销317驱动卷线轮305旋转，带动拉线315拉动跳跃腿单元使拉簧208拉伸，且通过控制主电机301正向旋转角度可控制拉簧208拉伸量，从而控制初始跳跃力；并通过控制舵机401可调整左前腿403和右前腿405与躯干平台1的夹角，改变后肢模块2与地面的夹角，从而控制初始跳跃力方向。

在跳跃机器人起跳时，主电机301反向驱动丝杠主轴310，棘轮306由于棘爪309锁定不随丝杠主轴310转动，其沿丝杠主轴310螺纹段平移，使棘轮销317与卷线轮305分离后，卷线轮305不受约束可自由转动，拉线315不再约束跳跃腿单元，拉簧208回弹释放能量，后肢模块2驱动躯干平台1远离地面，完成起跳；落地后，重复跳跃前动作，进行下一次跳跃。

本发明中电池5用于为主电机301、舵机401和控制器6供电，控制器6用于控制主电机301和舵机401工作。