一種具有翻滾和彈跳功能的機器人的製作方法
2023-09-10 02:30:00
專利名稱：一種具有翻滾和彈跳功能的機器人的製作方法
技術領域：
本發明屬於機器人技術領域，涉及移動機器人，為一種具有翻滾和彈跳功能的機器人。
背景技術：
目前，在移動機器人的運動機構中，普遍採用輪式、履帶式和腿式機構。輪式移動機器人具有高速高效、結構簡單的優點，缺點是越障能力差，不能適應複雜地形環境；履帶式機器人有較好的環境適應能力，設計緊湊，但存在重量大、能耗高、摩擦阻力大的缺點；腿式機器人機動性能好，較好的環境適應能力，但是，需要依靠腿交替支撐實現行走以及保持平衡，運動控制複雜並且難以越過比自身高度更高的障礙或者比自身長度更長的溝壑。相對於採用以上三種運動機構的移動機器人，彈跳機器人可以輕鬆躍過數倍於自身尺寸的障 礙或溝壑，具有較強的越障能力，但是機動性不強。上述傳統的移動機器人，運動形式單一，在運動過程中可能會因遇到不可預知障礙而發生傾覆，使機器人喪失移動能力。翻滾式機器人是一種具有新穎運動形式的移動機器人，通過自身重心調整以實現翻滾運動，不存在傳統的移動機器人難以解決的傾覆問題，有廣闊的應用前景，但是，翻滾式機器人的越障能力有限。目前，對翻滾式移動機器人的研究尚不多見，還沒有一種以翻滾移動為主，以彈跳運動為輔的環境適應能力強、機動性能高的複合式移動機器人。
發明內容
針對現有技術的不足與長處，本發明的目的在於提供一種具有翻滾和彈跳功能的機器人，該機器人既具有翻滾式機器人較好的適應不平整地形的性能，又具有彈跳機器人較高的翻越溝壑或障礙的性能。本發明的技術方案為一種具有翻滾和彈跳功能的機器人，包括機架、翻滾機構、彈跳機構、傳感模塊、通信控制模塊以及電源模塊，機架為左右對稱結構，翻轉機構設置在機架左右兩側，彈跳機構設置在機架中部，傳感單元、通信控制單元和電源模塊設置在機身內，傳感單元連接通信控制單元，通信控制單元的輸出連接至翻轉機構和彈跳機構，電源模塊向傳感單元、通信控制單元和翻轉機構供電，所述機架包括底板、雙通隔離柱及頂板，底板和頂板通過雙通隔離柱固定連接；所述翻滾機構包括結構相同的兩部分，對稱固定在底板兩側，每部分包括翻滾直流電機、翻滾電機架、翻滾傳動齒輪、翻轉臂固定架和翻轉臂，翻滾直流電機通過翻滾電機架固定在底板上，翻轉臂固定架固定在頂板或底板上，用於翻滾傳動齒輪和翻轉臂的位置固定，翻轉臂一端固定連接翻滾傳動齒輪，翻滾直流電機的輸出軸帶動翻滾傳動齒輪轉動，翻滾傳動齒輪帶動翻轉臂轉動；所述彈跳機構包括彈跳直流電機、彈跳電機架、減速齒輪組、傳動齒輪、傳動軸、至少一個拉簧、拉簧掛杆、一對彈跳上杆、一對彈跳過渡杆、過渡杆連接軸、一對彈跳下杆、下杆連接軸、拉簧架、固定架組和鋼絲繩；彈跳直流電機通過彈跳電機架固定在機架內，固定架組包括兩個結構相同的固定架，分別對稱固定在頂板與底板之間，所述一對彈跳上杆分別對稱鉸接在兩個固定架上，鉸接點位於彈跳上杆的中部，兩個彈跳上杆一端分別與拉簧掛杆的兩端固定連接，另一端分別與所述一對彈跳過渡杆的一端轉動連接，兩個彈跳過渡杆另一端分別套接在過渡杆連接軸兩端，所述一對彈跳下杆一端分別對稱鉸接在兩個固定架上，另一端分別套接在過渡杆連接軸兩端，下杆連接軸連接在兩個彈跳下杆與固定架的鉸接端之間，彈跳過渡杆、彈跳下杆與過渡杆連接軸的套接通過螺母軸向固定；彈跳直流電機通過減速齒輪組帶動傳動齒輪和傳動軸轉動，減速齒輪組的末端齒輪為缺齒齒輪，傳動軸架設在頂板和底板之間，鋼絲繩一端連接傳動軸並纏繞在傳動軸上，另一端固接於拉簧掛杆上，拉簧兩端分別連接在拉簧掛杆和拉簧架上，拉簧架固定在機架內，拉簧初始狀態為收縮狀態。翻滾機構中，所述翻滾傳動齒輪包括第一直齒圓柱齒輪和第二直齒圓柱齒輪，翻滾直流電機輸出軸上套接第一直齒圓柱齒輪，翻轉臂固定架設有定位凸臺，翻轉臂一端設有安裝孔，第二直齒圓柱齒輪和翻轉臂的安裝孔套接在翻轉臂固定架的定位凸臺上，第一直齒圓柱齒輪與第二直齒圓柱齒輪相嚙合，以定位凸臺為軸，翻轉臂隨第二直齒圓柱齒輪 的轉動而轉動，對應第二直齒圓柱齒輪和翻轉臂與定位凸臺的套接設有固定環及圓軸芯，通過螺絲將固定環軸向固定於翻轉臂固定架上，限制翻轉臂和第二直齒圓柱齒輪的軸向移動；翻轉臂固定架的定位凸臺和固定環分別設有至少兩個半通孔，所述半通孔在定位凸臺和固定環上的位置對稱，所述圓軸芯一頭插在固定環的半通孔，另一頭插在定位凸臺的半通孔中，以限制固定環的軸向轉動。機架為上窄下寬的仿生結構，翻滾機構設置在寬的一端。所述缺齒齒輪為缺少六分之一齒的齒輪。彈跳直流電機通電工作時，彈跳直流電機通過減速齒輪組帶動傳動齒輪及傳動軸轉動，鋼絲繩不斷纏繞於傳動軸上，同時拉動拉簧掛杆和拉簧，實現彈跳前的彈簧儲能。當缺齒齒輪轉動到缺齒位置，傳動軸上的鋼絲繩失去纏繞的拉力，將拉簧儲存的彈簧勢能瞬間釋放實現彈跳。機器人可緊貼地面時彈跳，也可通過機體兩側的翻轉臂適當調節起跳角度。現有的技術中還沒有直杆式翻滾機器人這一技術，現有技術雖然已經有四桿式彈跳機構，但是本發明採用的是拉動彈跳上杆的拉簧掛杆，拉動的力臂長，現有技術是拉動彈跳上杆中部設置的連接軸，拉動力臂短，效果不佳。本發明對彈跳機構進行了改進，使得效果更好，本發明結合了彈跳和翻滾兩個功能，有益效果為I)、採用翻滾結構，具有翻滾式機器人較強的適應不平整地形的能力，翻滾行進的方式不存在傳統爬行或輪式移動機器人難以解決的傾覆或傾側問題；2)、採用彈跳結構，具有彈跳機器人較好的越障能力；3)、在複雜地形下採用翻滾彈跳複合式運動方式，有較好的移動性能，提高運動效率；4)、所用的拉簧條數和剛度可以靈活選擇，通過分析機器人面對的環境，適當選取拉簧條數和剛度，從而更有效的節省電能；經過實驗測試，在彈跳機構設置兩個拉簧的情況下可以彈跳20cm，一個可以彈跳10cm，如果前方障礙是10cm，那我們就只需加一個拉簧，這樣相對加兩個拉簧可以節省電池儲存的電能，對於不同的需求可以進行靈活設置；
5)、採用鋼絲繩拉動彈跳機構上杆和拉簧的方式，有效地提高了電機的工作效率。現有的四桿式彈跳結構是拉動彈跳上杆中部設置的連接軸，拉動力臂短，效果不佳，本發明採用拉動彈跳上杆的拉簧掛杆，拉動的力臂長，同樣的拉力可以拉伸拉簧更長的長度，儲存彈性勢能更高，彈跳效果更好。
圖I是本發明的機器人立體外形圖。圖2是本發明的機器人正視圖。圖3是本發明的機器人左視圖。圖4是本發明的機器人後視圖。圖5是本發明的機器人前視圖。圖6是本發明的機器人機構裝配圖。圖7是本發明的機器人翻滾機構裝配圖。圖8是本發明的機器人彈跳機構裝配圖一。圖9是本發明的機器人彈跳機構裝配圖二。圖10是本發明的機器人系統結構圖。圖11是本發明的機器人複合式運動的一個示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明。參見圖1、2、3、4、5及10所示，本發明的一種具有翻滾和彈跳功能的機器人，包括機架、翻滾機構、彈跳機構、傳感模塊、通信控制模塊以及電源模塊，機架為左右對稱結構，翻轉機構設置在機架左右兩側，彈跳機構設置在機架中部，傳感單元、通信控制單元和電源模塊設置在機身內，傳感單元連接通信控制單元，通信控制單元的輸出連接至翻轉機構和彈跳機構，電源模塊向傳感單元、通信控制單元和翻轉機構供電，參見圖I所示，所述的機架包括頂板I、雙通隔離柱2及底板3。頂板I和底板3通過雙通隔離柱2固定連接。機架的形狀沒有特別的要求，是仿生的，所以圖中的設計為上窄下寬，機器人的形狀可以是梯形、不規則多邊形，但是不建議採用三角形，機器人形狀之所是圖示的上窄下寬，一是採用仿生結構，比如仿照青蛙；二是，不建議採用三角形是因為這種形狀不利於機器人直線行走的，三角形也可以運行，只是效果會稍有影響。參見圖6所示，所述翻滾機構包括結構相同的兩部分，對稱固定在底板3寬的一端兩側。翻滾機構每部分包括翻滾直流電機4、翻滾電機架5、翻滾傳動齒輪、翻轉臂固定架11和翻轉臂7，翻滾直流電機4通過翻滾電機架5固定在底板3上，翻轉臂固定架11固定在頂板或底板上，用於翻滾傳動齒輪和翻轉臂7的位置固定，翻轉臂7 —端固定連接翻滾傳動齒輪，翻滾直流電機4的輸出軸帶動翻滾傳動齒輪轉動，翻滾傳動齒輪帶動翻轉臂7轉動；具體實施例如圖7,所述翻滾傳動齒輪包括第一直齒圓柱齒輪6和第二直齒圓柱齒輪9,翻滾直流電機4輸出軸上套接第一直齒圓柱齒輪6，翻轉臂固定架11設有定位凸臺，翻轉臂7一端設有安裝孔，第二直齒圓柱齒輪9和翻轉臂7的安裝孔套接在翻轉臂固定架11的定位凸臺上，第一直齒圓柱齒輪6與第二直齒圓柱齒輪9相嚙合，以定位凸臺為軸，翻轉臂7隨、第二直齒圓柱齒輪9的轉動而轉動，旋轉臂7可以360°旋轉，對應第二直齒圓柱齒輪9和翻轉臂7與定位凸臺的套接設有固定環8及圓軸芯10,通過螺絲將固定環8軸向固定於翻轉臂固定架11上，限制翻轉臂7和第二直齒圓柱齒輪9的軸向移動；翻轉臂固定架11的定位凸臺和固定環8分別設有至少兩個半通孔，所述半通孔在定位凸臺和固定環8上的位置對稱，上下或是左右皆可，滿足固定環8和翻轉臂固定架11定位凸臺的半通孔的位置是對應的即可，所述圓軸芯10—頭插在固定環的半通孔，另一頭插在定位凸臺的半通孔中，以限制固定環的軸向轉動。對稱兩部分的翻滾直流電機獨立驅動各自對應的翻轉臂。參見圖6、8及9所示，所述彈跳機構包括彈跳直流電機17、彈跳電機架16、減速齒輪組18、傳動齒輪19、傳動軸27、至少一個拉簧13、拉簧掛杆20、一對彈跳上杆21、一對彈跳過渡杆23、過渡杆連接軸22、一對彈跳下杆24、下杆連接軸26、拉簧架14、固定架組12和鋼絲繩；彈跳直流電機17通過彈跳電機架16固定在機架內，固定架組12包括兩個結構相同的固定架，分別對稱固定在頂板I與底板3之間，所述一對彈跳上杆21分別對稱鉸接在兩個固定架上，鉸接點位於彈跳上杆21的中部，兩個彈跳上杆21 —端分別與拉簧掛杆20的兩端固定連接，另一端分別與所述一對彈跳過渡杆23的一端轉動連接，兩個彈跳過渡杆 23另一端分別套接在過渡杆連接軸22兩端，所述一對彈跳下杆24 —端分別鉸接在兩個固定架上，鉸接位置對稱，另一端分別套接在過渡杆連接軸22兩端，下杆連接軸26連接在兩個彈跳下杆24與固定架的鉸接端之間，通過套筒25將彈跳下杆24的一端軸向固定在下杆連接軸26上，彈跳過渡杆23、彈跳下杆24與過渡杆連接軸22的套接通過螺母軸向固定，限制彈跳過渡杆23、彈跳下杆24沿過渡杆連接軸22軸向移動；彈跳直流電機通16過減速齒輪組18帶動傳動齒輪19和傳動軸27轉動，減速齒輪組18的末端齒輪為缺齒齒輪，即正常的正齒輪缺少一部分齒，此處我們常用的是缺少六分之一的齒，傳動軸27架設在頂板I和底板3之間，鋼絲繩一端連接傳動軸27並纏繞在傳動軸27上，另一端固接於拉簧掛杆20上，拉簧13兩端分別連接在拉簧掛杆20和拉簧架14上，拉簧架14 一端通過螺釘15固定，拉簧架14固定在機架內，拉簧13初始狀態為收縮狀態。其中，彈跳上杆21、彈跳過渡杆23、彈跳下杆24、拉簧掛杆20以及固定架共同構成四桿彈跳機構，所述彈跳上杆21、彈跳下杆24設置一對，彈跳上杆21和彈跳下杆24之間由彈跳過渡杆23連接，彈跳上杆、彈跳下杆和彈跳過渡杆都是成對的，在兩邊固定架的安裝是一致對應的，保證彈跳結構的穩定性，過渡杆連接軸是為了更好的保證兩側的彈跳杆運動是一致的，也是必要的。所述彈跳機構的工作原理為彈跳直流電機17通電工作時，彈跳直流電機17通過減速齒輪組18帶動傳動齒輪19及傳動軸27轉動。鋼絲繩不斷纏繞於傳動軸27上，同時拉動拉簧掛杆20，拉簧13 —端固定，另一端隨拉簧掛杆20拉伸，實現彈跳前的彈簧儲能。當缺齒齒輪轉動到缺齒位置，傳動軸27不再受到轉動力，拉簧13將儲存的彈簧勢能瞬間釋放，拉簧13拉動拉簧掛杆20連同彈跳上杆21、彈跳過渡杆23、彈跳下杆24轉動，彈跳過渡杆23下端與地面接觸，依靠地面的反作用力，使得機器人離開地面，所述四桿彈跳機構實現彈跳。機器人可緊貼地面時彈跳，也可通過機體兩側的翻轉臂7適當調節起跳角度。參見圖10示，所述的傳感模塊用於收集環境信息，並發送該環境信息給通信控制模塊，傳感模塊包括光電傳感器、超聲波傳感器、三軸加速度傳感器，超聲波是測距的，三軸加速度是測知機器人傾倒狀態的，光電傳感器是尋光的。通信控制模塊用於接收來自傳感模塊發送的環境信息和上位機發送的控制命令，控制機器人動作；電源模塊為機器人各單元提供所需要的電能。參見圖11示，①為原始狀態，指機器人豎直立在地面上，未儲能，②的狀態為收縮彈跳機構，儲存彈性勢能，③的狀態是轉動翻轉臂接觸地面準備開始翻轉，④的狀態是開始翻轉，⑤的狀態是若干翻轉之後，機器人準備彈跳，⑥是機器人彈跳瞬間，⑦是機器人彈跳結束，靜止在地面上，之後是機器人轉動翻轉臂，立在地面上，回到①的原始狀態。機器人複合式運動的一個具體過程如下機器人接受到控制指令前處於原始狀態，接受到控制指令後，通信控制模塊控制彈跳機構拉伸拉簧，實現彈跳前的彈簧儲能。機器人儲能後通過翻轉臂的翻轉實現自主翻滾移動。在運動過程中，傳感模塊檢測到障礙物後將信息發送到通信控制模塊，通信控制模塊控制彈跳機構將儲存的彈簧勢能瞬間釋放實現彈跳。落地後，機器人通過旋轉臂調整姿態，恢復到原始狀態。由於本發明的機器人是依靠自己的不斷翻滾實現運動的，不存在正反面的要求，因此不存在傾覆問題，對應行進要求，本發明機器人可通過翻滾和彈跳靈活應對，例如在平地上翻滾，對於凹坑或突起障礙物彈跳越過等，翻滾和彈跳也可結合用於機器人姿勢位置 的調整。
權利要求
1.一種具有翻滾和彈跳功能的機器人，其特徵是包括機架、翻滾機構、彈跳機構、傳感模塊、通信控制模塊以及電源模塊，機架為左右對稱結構，翻轉機構設置在機架左右兩側，彈跳機構設置在機架中部，傳感單元、通信控制單元和電源模塊設置在機身內，傳感單元連接通信控制單元，通信控制單元的輸出連接至翻轉機構和彈跳機構，電源模塊向傳感單元、通信控制單元和翻轉機構供電， 所述機架包括底板、雙通隔離柱及頂板，底板和頂板通過雙通隔離柱固定連接； 所述翻滾機構包括結構相同的兩部分，對稱固定在底板兩側，每部分包括翻滾直流電機、翻滾電機架、翻滾傳動齒輪、翻轉臂固定架和翻轉臂，翻滾直流電機通過翻滾電機架固定在底板上，翻轉臂固定架固定在頂板或底板上，用於翻滾傳動齒輪和翻轉臂的位置固定，翻轉臂一端固定連接翻滾傳動齒輪，翻滾直流電機的輸出軸帶動翻滾傳動齒輪轉動，翻滾傳動齒輪帶動翻轉臂轉動； 所述彈跳機構包括彈跳直流電機、彈跳電機架、減速齒輪組、傳動齒輪、傳動軸、至少一個拉簧、拉簧掛杆、一對彈跳上杆、一對彈跳過渡杆、過渡杆連接軸、一對彈跳下杆、下杆連接軸、拉簧架、固定架組和鋼絲繩；彈跳直流電機通過彈跳電機架固定在機架內，固定架組包括兩個結構相同的固定架，分別對稱固定在頂板與底板之間，所述一對彈跳上杆分別對稱鉸接在兩個固定架上，鉸接點位於彈跳上杆的中部，兩個彈跳上杆一端分別與拉簧掛杆的兩端固定連接，另一端分別與所述一對彈跳過渡杆的一端轉動連接，兩個彈跳過渡杆另一端分別套接在過渡杆連接軸兩端，所述一對彈跳下杆一端分別對稱鉸接在兩個固定架上，另一端分別套接在過渡杆連接軸兩端，下杆連接軸連接在兩個彈跳下杆與固定架的鉸接端之間，彈跳過渡杆、彈跳下杆與過渡杆連接軸的套接通過螺母軸向固定；彈跳直流電機通過減速齒輪組帶動傳動齒輪和傳動軸轉動，減速齒輪組的末端齒輪為缺齒齒輪，傳動軸架設在頂板和底板之間，鋼絲繩一端連接傳動軸並纏繞在傳動軸上，另一端固接於拉簧掛杆上，拉簧兩端分別連接在拉簧掛杆和拉簧架上，拉簧架固定在機架內，拉簧初始狀態為收縮狀態。
2.根據權利要求I所述的一種具有翻滾和彈跳功能的機器人，其特徵是翻滾機構中，所述翻滾傳動齒輪包括第一直齒圓柱齒輪和第二直齒圓柱齒輪，翻滾直流電機輸出軸上套接第一直齒圓柱齒輪，翻轉臂固定架設有定位凸臺，翻轉臂一端設有安裝孔，第二直齒圓柱齒輪和翻轉臂的安裝孔套接在翻轉臂固定架的定位凸臺上，第一直齒圓柱齒輪與第二直齒圓柱齒輪相嚙合，以定位凸臺為軸，翻轉臂隨第二直齒圓柱齒輪的轉動而轉動，對應第二直齒圓柱齒輪和翻轉臂與定位凸臺的套接設有固定環及圓軸芯，通過螺絲將固定環軸向固定於翻轉臂固定架上，限制翻轉臂和第二直齒圓柱齒輪的軸向移動；翻轉臂固定架的定位凸臺和固定環分別設有至少兩個半通孔，所述半通孔在定位凸臺和固定環上的位置對稱，所述圓軸芯一頭插在固定環的半通孔，另一頭插在定位凸臺的半通孔中，以限制固定環的軸向轉動。
3.根據權利要求I或2所述的一種具有翻滾和彈跳功能的機器人，其特徵是機架為上窄下寬的仿生結構，翻滾機構設置在寬的一端。
4.根據權利要求I或2所述的一種具有翻滾和彈跳功能的機器人，其特徵是所述缺齒齒輪為缺少六分之一齒的齒輪。
全文摘要
一種具有翻滾和彈跳功能的機器人，包括機架、翻滾機構、彈跳機構、傳感模塊、通信控制模塊以及電源模塊，機架為左右對稱結構，翻轉機構設置在機架左右兩側，彈跳機構設置在機架中部，傳感單元、通信控制單元和電源模塊設置在機身內，傳感單元連接通信控制單元，通信控制單元的輸出連接至翻轉機構和彈跳機構，電源模塊向傳感單元、通信控制單元和翻轉機構供電。本發明提供一種具有翻滾和彈跳功能的機器人，該機器人既具有翻滾式機器人較好的適應不平整地形的性能，又具有彈跳機器人較高的翻越溝壑或障礙的性能。
文檔編號B62D57/02GK102642575SQ201210114989
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月18日 優先權日2012年4月18日
發明者喬貴方, 孫洪濤, 宋光明, 宋愛國, 張軍, 葛劍 申請人:東南大學