蛙式跳躍機器人動力系統的製作方法

2023-06-11 00:19:21 2

專利名稱：蛙式跳躍機器人動力系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及機器人動力系統，尤其涉及一種跳躍機器人動力系統。
背景技術：
隨著機器人技術的不斷 發展，在面對惡劣的環境和複雜的地形時，運用機器人的 彈跳功能來增強其地形適應和自主運動的能力，是近年來發展較快的一種機器人技術。具 有彈跳性能的機器人目前在國際尚處於研究階段，在國內也僅有個別院校進行相關研究。 由於此類機器人研製難度很大，涉及的很多關鍵技術保密性很強，故公開資料很少。國際上，最早的彈跳機器人由Raibert於1980年在麻省理工學院機器人實驗室研 製成功，該機器人屬於連續性跳躍機構，Raibert分析了單足跳躍機器人的起跳姿態控制以 及落地時的組空定位算法問題，目前已取得了一些理論研究成果，在實驗室中已實現自主 穩定跳躍、越障等功能。在國內，2003年初，南京航空航天大學主要對國際上現已公布的跳躍機器人方案 進行系統的研究，並根據部分理論做出了幾個跳躍機器人的樣機。最近幾年，西北工業大學 和哈爾濱工業大學也開展了相關的項目研究，前者主要進行仿袋鼠跳躍機器人的研究，後 者主要進行防蝗蟲跳躍機器人的研究，兩者都運用國際上較為成熟的跳躍理論進行了相關 分析。實用新型專利申請號為ZL200810017792. 8的專公開了一跳躍機器人動力系統， 將無刷直流電機與齒輪泵相連，齒輪泵的進油口與油箱相連，齒輪泵的出油口與二位四通 點此換向閥的A 口相連，二位四通電磁換向閥的B 口接入油箱，二位四通點此換向閥的P 口 與液壓缸的上腔口連接，點此換向閥的T 口與液壓缸的下腔口連接；其中液壓缸的上腔內 安裝有彈簧，彈簧一端抵靠在液壓缸上內壁，另一端抵靠在液壓缸活塞上臂上。該方案存在以下幾方面尚需完善1、動力系統工作時，需要通過油管與油箱相連，油管的長度限制了機器人活動的 範圍。2、齒輪泵、電磁閥等元件耗能太多，降低了能量的利用率。3、液壓缸的質量很大，同時液壓缸在工作時，其內部充滿了油，進一步增大了其質 量，安裝在機器人身體上勢必增加機器人的整體質量，降低了跳躍的高度和距離。4、活塞的機械運動範圍受液壓缸腔空間的制約，從而限制了機器人腿部的運動範圍。
發明內容為了使機器人在跳躍過程中能夠獲得較大爆發力，提高機器人的活動範圍，提高 動力系統能量利用率，並且實現動力系統對能量的回收與再利用等問題，本實用新型提供 了一種蛙式跳躍機器人，它的動力系統具有低功耗的特點，能夠在跳躍過程中將其他形式 的能量回收到儲能元件，並且進行再次利用，同時本機器人結構簡單，並且能夠控制機器人雙腿同步工作，提高了機器人跳躍的平穩性，適合於進行連續跳躍。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是蛙式跳躍機器人動力系統，其特徵在於，包括一動力機構，由編碼器、電機、左右髖關節、雙向超越離合器、齒形帶、帶輪、滑動 杆、彈簧、導軌和滑塊組成。在電機與雙向超越離合器通過聯軸器同軸相連，雙向超越離合 器上裝有齒形帶，齒形帶的另一端裝有帶輪，帶輪和增量式編碼器同軸相連。齒形帶的下端 和滑動杆固結，滑動杆兩端分別和滑塊相連，滑塊套於導軌上，在滑塊和髖關節中間連有彈 簧。電機通過雙向超越離合器帶動齒形帶轉動，齒形帶進而帶動滑杆前後運動。兩腿部機構，分別與動力機構的左右髖關節和滑塊相連，由大腿、大腿連杆、斜撐 杆、中間關節、膝關節、小腿連杆、小腿和踝關節組成，大腿上端和髖關節相連，下端與膝關 節相連，中間連杆上端與滑塊相連，下端與中間關節相連，中間關節位於大腿中部，小腿上 端與膝關節相連，下端與踝關節相連，大腿連杆兩端分別鉸接於中間關節和膝關節，小腿連 杆兩端分別鉸接於膝關節和踝關節；兩腳部機構，分別與雙腿的踝關節相連，採用扇形結構，底部粘貼有足墊和壓力傳 感器。一處理器，分別與電機、編碼器、壓力傳感器相連，通過計算編碼器與壓力傳感器 反饋的信號，控制電機的運動。本實用新型採用電機作為動力元件，並且利用電機直接驅動儲能元件。作為本實 用新型的優選方案，本機構電機採用伺服電機，其自身具有電流反饋、轉速反饋與位置反饋 功能，提高了控制的準確性與穩定性，並且其還具有自鎖功能，可以使拉力彈簧保持形變， 實現儲能元件實現對能量的存儲。其有益效果是精簡了動力系統的機械結構，提高了能量 利用率，提高了動力機構控制的精確性。本實用新型採用超越離合器作為電機與拉力彈簧的傳動元件，當電機逆時針旋轉 時，超越離合器處於「同步」狀態，沿逆時針方向傳遞扭矩；當電機自鎖時，超越離合器在順 時針方向處於「同步」狀態，在逆時針方向處於「超越」狀態，其此時可在逆時針方向下受外 力旋轉；當電機順時針旋轉某一角度時，雙向超越離合器在順時針方向處於「超越」狀態，使 拉力彈簧脫離電機控制，恢復形變，此時其將沿順時針方向旋轉。其有益效果是可以人為隨 意控制儲能元件的儲能與釋能動作，增加了動力系統控制的精確性。本實用新型採用的彈簧為拉力彈簧，拉力彈簧可作為作為動力系統的儲能元件， 彈簧質量輕，並且能夠在瞬間提供較大的爆發力，而且彈簧的可控性很強，可以在任意時刻 對其進行壓縮。增加了動力機構的可控性。本實用新型採用編碼器作為滑塊的的速度檢測與位置檢測元件，其通過檢測帶輪 旋轉的圈數與轉速，將信號傳送給處理器，處理器對其進行處理後可計算出滑塊當前運動 的位置與速度，進而推算出機器人雙腿當前的姿態與運動趨勢，增加反饋環節，構成位置和 速度的閉環控制系統，增加了動力系統控制的精確性，提升了控制效果。本實用新型中滑動杆的兩端分別連接左右兩個滑塊，即使用一根滑動杆同時控制 兩個滑塊同步運動，從而保證了機器人兩腿動作的協調同步。其有益效果是使跳躍運動更 加穩定，增加了機器人的穩定性。本實用新型在機器人腳底裝有壓力傳感器，其將機器人腳底的壓力信號傳送給處理器，處理器根據當前機器人腳底的壓力信號判斷當前機器人處於跳躍過程中的何種運動 狀態。處理器可以感知機器人「地面起跳階段」、「空中飛行階段」、「著陸階段」的不同運動 狀態，為相關的控制提供了信息。本實用新型在起跳離開地面後，立即進行空中姿態調整，將完全伸展的雙腿收回 至某一特定姿態。提高了機器人跳躍的離地高度，增強了機器人的越障能力。 本實用新型在著陸瞬間利用自身的重力勢能與動能使拉力彈簧完全拉伸，從而完 成腿部機構的完全收縮。其有益效果是，將自身的重力勢能和動能回收，以彈性勢能的方式 儲存在拉力彈簧中，實現了能量的回收與再利用，同時有效地緩解了落地瞬間的剛性衝擊。本實用新型工作時，具體過程如下1、蓄力階段電機逆時針旋轉，超越離合器處於「同步」狀態，在逆時針方向傳遞扭 矩，通過帶輪帶動齒形帶逆時針旋轉，此時滑動杆向遠離電機方向運動，滑塊在導軌上在滑 動杆的作用下拉伸拉力彈簧，腿部結構在滑塊的作用下開始收縮。編碼器將滑塊的位置信 號和速度信號反饋給處理器，壓力傳感器將機器人腳底壓力信號反饋給處理器。當滑塊運 動至最遠端時，拉力彈簧具有最大形變量，腿部已完成全部收縮動作，處理器根據反饋的信 號判斷出腿部已完全收縮，從而控制電機自鎖。至此，機器人處於蓄勢待發狀態2、地面起跳階段電機順時針旋轉一定角度，超越離合器在順時針方向處於「超 越」狀態，整個傳動系統不再受電機約束，彈簧迅速恢復形變，滑塊迅速向前方滑動，腿部機 構在滑塊的帶動下迅速伸展。處理器根據傳感器反饋的信號，確定當前機器人的運動狀態 為「地面起跳階段」。當拉力彈簧已完全恢復形變時，滑塊運動至導軌最前端，此時腿部機構 已完全伸展，機器人騰空而起。3、空中姿態調整階段離地瞬間，機器人足底的壓力傳感器將離地信號傳給處理 器，處理器控制電機逆時針旋轉，超越離合器在逆時針方向處於「同步」狀態，傳遞電機扭 矩，使滑動杆在齒形帶的帶動下向前支架方向運動，同時滑塊拉伸拉力彈簧，並且腿部機構 在滑塊的帶動下開始收縮。當滑塊運動至距離前支架一定位置時，編碼器將滑塊位置信號 傳給處理器，處理器控制電機自鎖，此時機器人在空中完成半收腿動作。4、著陸姿態調整階段著陸瞬間，機器人腳底的壓力傳感器將著陸信號傳給處理 器，處理器控制電機繼續自鎖，超越離合器在順時針方向處於「同步」狀態，在逆時針方向處 於「超越」狀態。機器人在著陸過程中利用自身重力使腿部機構完成繼續收縮動作，此時滑 塊在腿部機構的作用下繼續向前支架方向運動，同時齒形帶在滑動杆的帶動下順時針方向 旋轉。當腿部在自身重力作用下完全收縮時，滑塊已運動至導軌最遠端，此時機器人著陸姿 態調整階段結束。本實用新型與現有的跳躍機器人相比，可以取得如下有益效果本實用新型精簡了動力系統的機械結構，通過減少系統中耗能元件的數量，從而 提高了系統的能量利用率。本實用新型通過電機與超越離合器的相互配合，可以人為隨意控制儲能元件的儲 能與釋能動作，提高了系統的可控性與精確性。本實用新型通過壓力傳感器可以感知機器人的不同運動狀態，為相關的控制提供 了信息。最後，本實用新型通過空中姿態調整，提高了機器人跳躍的離地高度，進而增強了 越障能力；通過著陸姿態調整，實現了能量的回收與再利用，同時有效地緩解了落地瞬間的剛性衝擊，從而增加了跳躍的穩定性。

圖1為蛙式跳躍機器人動力系統示意圖圖2為蛙式跳躍機器人腳部壓力傳感器示意圖圖3為蛙式跳躍機器人動力系統完全收縮示意圖圖4為蛙式跳躍機器人動力系統完全伸展示意圖圖5為蛙式跳躍機器人動力系統控制流程圖圖6為蛙式跳躍機器人動力系統工作流程圖圖7為蛙式跳躍機器人跳躍過程示意圖圖8為蛙式跳躍機器人跳躍狀態轉移圖圖9為蛙式跳躍機器人跳躍過程分解圖圖中，1-後支架；2-髖關節，2. I-髖關節套筒2. 2_髖關節下套筒；3_電機；4_電 機座；5-聯軸器；6-超越離合器；7-離合器座；8-齒形帶；9-拉力彈簧；10-滑塊；11-滑杆 套筒；12-滑動杆；13-連接件；14-導軌；15-導軌套筒；16-前支架；17-帶輪座；18-帶輪； 19-聯軸器；20-編碼器；21-編碼器座；22-鉸鏈座；23-中間杆套筒；24-中間杆；25-中間 關節，25. 1-中間關節上套筒，25. 2-中間關節下套筒；26-大腿；27-大腿連杆；28-膝關節， 28. 1-膝關節上套筒，28. 2-膝關節下套筒；29-小腿連杆；30-小腿；31-踝關節；32-腳部； 33-足墊；34-壓力傳感器。注由於機器人身體具有左右對稱性，為避免重複表示，在圖中 以字母A表示機器人左側對稱結構，以字母B表示機器人右側對稱結構
具體實施方式
以下結合附圖和實施方式對本實用新型做進一步說明。裝置實施例如圖1所示，蛙式跳躍機器人動力系統，包括一動力機構主要由電 機3、超越離合器6、齒形帶8、帶輪18、編碼器20、滑動杆12、滑塊10、導軌14和拉力彈簧9 組成。後支架1上裝有電機座4和離合器座7，電機3和超越離合器6分別固定於電機座4 和離合器座7，電機3與超越離合器6通過聯軸器5同軸相連。後支架1兩端分別和髖關節 套筒2. 1固接。前支架16上裝有編碼器座21和帶輪座17，編碼器20和超越離合器6分別 固定於編碼器座20和帶輪座17，帶輪18與超越離合器6通過齒形帶8相連。前支架16兩 端分別固接於導軌套筒15。導軌14兩端分別周向固定於髖關節套筒2. 1和導軌套筒15。 在導軌14上套有拉力彈簧9，其兩端分別與髖關節套筒2. 1和滑塊10相連，滑塊10下部與 滑杆套筒11固接，滑杆套筒11與滑動杆12兩端周向固接。在滑動杆12中部裝有連接件 13，其將齒形帶8下端與滑動杆12固定。滑杆套筒11下端與鉸鏈座22固接，鉸鏈座22與 中間杆套筒23鉸接，中間杆24上端周向固定於中間杆套筒23，下端周向固定於中間關節上 套筒25. 1，中間關節下套筒25. 2周向固定於大腿26中部，大腿26上端周向固定於髖關節 下套筒2. 2，下端周向固定於膝關節上套筒28. 1，大腿連杆27上端鉸接於中間關節上套筒 25. 1，下端鉸接於膝關節下套筒28. 2，小腿30上端周向固定於膝關節下套筒28. 2，下端周 向固定於踝關節上套筒31. 1，小腿連杆29上端鉸接於膝關節上套筒28. 1，下端鉸接於踝關 節下套筒31. 2，腳部32上端固接於踝關節下套筒31. 2，在腳部32底側裝有足墊33，在足墊33和腳部32中間裝有壓力傳感器34，如圖2所示。如圖3所示，蛙式跳躍機器人動力系統完全收縮，此時電機3自鎖，超越離合器6 在順時針方向處於「同步」狀態，滑塊10已運動至導軌14最遠端，拉力彈簧9達到最大型 變量，髖關節2、膝關節28和踝關節31張開的角度達到最小值，機器人雙腿已經完全收縮， 重心降至最低處。如圖4所示，蛙式跳躍機器人動力系統完全伸展，在此時刻，滑塊10已運動至離髖 關節2最近距離處，拉力彈簧9已經完全恢復形變，髖關節2、膝關節28和踝關節31張開的 角度達到最大值，機器人雙腿已經完全伸展，重心升值最高處。參照圖5，蛙式跳躍機器人動力系統控制流程圖，系統上電後首先進行初始化，同 時機器人身體完全收縮，如果此時控制器接到起跳命令，則機器人進行地面起跳動作， 否則 等待命令，當起跳後處理器會根據機器人腳底的壓力傳感器信號判斷機器人是否完成起跳 動作，如果已完成起跳動作，則進行空中姿態調整。在空中姿態調整過程中，處理器會根據 當前腿部姿態判斷機器人是否完成姿態調整，如果沒有完成調整動作，則機器人將繼續進 行調整。當完成姿態調整後，處理器則根據機器人腳底的壓力信號判斷機器人是否已經開 始著陸，如果機器人已經開始著陸，則機器人進行著陸姿態調整。當機器人完成姿態調整動 作後，其身體姿態又恢復到完全收縮狀態，此時，第一個跳躍周期已經結束，機器人開始進 入下一個跳躍周期，準備接收新的起跳命令。如圖6所示，蛙式跳躍機器人動力系統工作流程圖，控制器控制伺服電機運動，同 時伺服電機通過編碼器1 (伺服電機自帶編碼器)將自身轉速信號反饋給控制器，滑塊經過 傳動裝置在電機的驅動下在導軌上運動，同時編碼器2 (圖1中編號為20所示編碼器)檢 測滑塊運動的位置與速度信息，並將其反饋給控制器，機器人雙腿在滑塊的驅動下進行伸 展與收縮運動，其實際的效果為機器人由地面向空中進行跳躍運動，此時機器人腳部的壓 力傳感器將機器人的足底的壓力信號反饋給處理器。處理器通過編碼器1、編碼器2和壓力 傳感器反饋的信息，判斷當前機器人的運動狀態，從而使電機按照控制要求進行工作，進而 使機器人完成一次完整的跳躍過程，如圖7所示。如圖8所示，一次跳躍結束後，機器人將進行下一次跳躍，在每次的跳躍的過程 中，機器人的運動狀態都分為「地面起跳」、「空中姿態調整」和「著陸姿態調整」三個狀態， 機器人連續跳躍的過程其本質就是這三個狀態不斷循環的過程，在每一次的跳躍過程中， 控制器都會根據當前狀態反饋的信息控制機器人的動作，從而使跳躍過程順利完成。如圖9中a至b，當機器人儲能完畢，腿部完全收縮(如圖中a所示)時，若機器人 接到起跳命令，則電機順時針旋轉一定角度，超越離合器處於在逆時針方向處於「超越」狀 態，整個傳動系統不再受電機約束，彈簧迅速恢復形變，滑塊迅速向前方滑動，腿部機構在 滑塊的帶動下迅速伸展。處理器根據傳感器反饋的信號，確定當前機器人的運動狀態為「地 面起跳階段」。當拉力彈簧已完全恢復形變時，滑塊運動至導軌最前端，此時腿部機構已完 全伸展，機器人整個機體與地面之間靠腳部前端的腳趾接觸(如圖中b所示)。如圖9中b至C，機器人起跳後，電機立即逆時針旋轉，此時雙向超越離合器在逆時 針方向處於「同步」狀態，超越離合器將電機扭矩傳遞給齒形帶，齒形帶逆時針旋轉，此時滑 動杆向前運動，滑塊在導軌上在滑動杆的作用下拉伸拉力彈簧，腿部結構在滑塊的作用下 開始收縮。處理器根據增量式編碼器和壓力傳感器反饋的信號，將機器人當前的運動狀態確定為「空中姿態調整階段」。電機控制滑塊運動至導軌上某一位置後，電機自鎖，機器人整 個身體保持在某一特定姿態(如圖中C所示)。 參照圖9中d至e，機器人在著陸瞬間，電機繼續自鎖，超越離合器在順時針方向處 於「同步」狀態，在逆時針方向處於「超越」狀態。機器人著陸時將腳部受到的豎直向上的 支持力轉化為滑塊沿導軌方向的拉力，滑塊沿導軌向前運動。處理器根據增量式編碼器和 壓力傳感器反饋的信號，將機器人當前的運動狀態確定為「著陸姿態調整階段」。當腿部完 全收縮時，滑塊運動 至導軌最遠端，拉力彈簧具有最大形變量，著陸姿態調整階段結束(如 圖中e所示)。
權利要求蛙式跳躍機器人動力系統，其特徵包括一動力機構，由編碼器、電機、左右髖關節、雙向超越離合器、齒形帶、帶輪、滑動杆、彈簧、導軌和滑塊組成；在電機與雙向超越離合器通過聯軸器同軸相連，雙向超越離合器上裝有齒形帶，齒形帶的另一端裝有帶輪，帶輪和增量式編碼器同軸相連；齒形帶的下端和滑動杆固結，滑動杆兩端分別和滑塊相連，滑塊套於導軌上，在滑塊和髖關節中間連有拉力彈簧；兩腿部機構，分別與動力機構的左右髖關節和滑塊相連，由大腿、大腿連杆、斜撐杆、中間關節、膝關節、小腿連杆、小腿和踝關節組成，大腿上端和髖關節相連，下端與膝關節相連，中間連杆上端與滑塊相連，下端與中間關節相連，中間關節位於大腿中部，小腿上端與膝關節相連，下端與踝關節相連，大腿連杆兩端分別鉸接於中間關節和膝關節，小腿連杆兩端分別鉸接於膝關節和踝關節；兩腳部機構，分別與雙腿的踝關節相連，採用扇形結構，底部粘貼有足墊和壓力傳感器；一處理器，分別與電機、編碼器、壓力傳感器相連。
2.根據權利要求1所述的蛙式跳躍機器人動力系統，其特徵在於動力機構所選用的 彈簧為拉力彈簧。
3.根據權利要求1所述的蛙式跳躍機器人動力系統，其特徵在於動力機構所選用的 電動機為伺服電動機。
專利摘要本實用新型公開了蛙式跳躍機器人動力系統，電機作為動力元件，超越離合器與齒形帶等裝置作為傳動機構，滑塊通過傳動裝置在電機的驅動下可以在導軌上運動，機器人雙腿則在滑塊的驅動下進行伸展與收縮從而完成跳躍動作。機器人起跳後，馬上將雙腿縮回，進行空中姿態調整，在著陸瞬間利用自身重力勢能與動能使雙腿完全收縮，再一次進行姿態調整。本實用新型提高了動力元件的能量利用率，在跳躍過程中實現了能量的回收與再利用，增加了機器人的柔性，提升了機器人的跳躍能力。
文檔編號B62D57/02GK201769932SQ201020218159
公開日2011年3月23日 申請日期2010年5月28日 優先權日2010年5月28日
發明者姜亞松, 孫榮毅, 左國玉, 朱禕, 王冠, 王愷, 王昱峰, 陶韻丞, 鞠楠, 龔道雄 申請人:北京工業大學