專利名稱：彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械式能量存儲與釋放裝置，特別是涉及一種用于彈跳機(jī)器人的 能量存儲與釋放裝置。
背景技術(shù)：
美國專利說明書US 7 168 513 B2公開了一種用于行星表面探測的彈跳機(jī)器人。 所涉及的彈跳機(jī)器人包括彈跳機(jī)構(gòu)和能量存儲與釋放裝置，其彈跳機(jī)構(gòu)由四根等長度的連 桿、兩對參數(shù)相同的齒輪及彈簧組成，連桿和齒輪依次相互連接組成菱形對稱齒輪六桿機(jī) 構(gòu)，彈簧兩端分別固定在該六桿機(jī)構(gòu)中部兩個鉸鏈關(guān)節(jié)上。其能量存儲與釋放裝置包括電 機(jī)與絲杠傳動機(jī)構(gòu)及鎖定/釋放裝置。工作時，固定在彈跳機(jī)構(gòu)頂端的電機(jī)驅(qū)動絲杠向下 伸長，絲杠末端的掛鉤固定在彈跳機(jī)構(gòu)底端的鎖定/釋放裝置，鎖定/釋放裝置將掛鉤鎖 定，然后電機(jī)反向轉(zhuǎn)動驅(qū)動絲杠向上縮短，壓縮彈跳機(jī)構(gòu)而拉伸彈簧以儲能，當(dāng)鎖定/釋放 裝置觸發(fā)脫開絲杠掛鉤時，彈簧釋放彈性能驅(qū)動彈跳機(jī)構(gòu)迅速伸展而跳起。該彈跳機(jī)器人 的能量存儲與釋放裝置采用微小功率電機(jī)來驅(qū)動，但絲杠末端的掛鉤與鎖定/釋放裝置精 確配合極為困難，使彈跳機(jī)器人運(yùn)動不夠穩(wěn)定。在中國專利200710072236. 6中公開了一種仿蝗蟲跳躍機(jī)器人，采用繩索牽拉方 式進(jìn)行能量存儲與釋放。這種繩索牽拉式能量存儲與釋放裝置其結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)動穩(wěn)定，可在 彈簧任意拉伸長度位置釋放，然而驅(qū)動電機(jī)需要較大的功率，效率不高，不利于機(jī)器人的節(jié) 能與小型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是在于克服上述技術(shù)中彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放 裝置存在的或者需求功率大、難以小型化，或者運(yùn)動不夠穩(wěn)定等不足，提出了一種適用于彈 跳機(jī)器人的能量存儲與釋放裝置。該能量存儲與釋放裝置包括姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)、鎖定/釋放 機(jī)構(gòu)和絲杠螺母驅(qū)動機(jī)構(gòu)。所述姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)，其二級齒輪、一級齒輪和主動齒輪位于同一平面且呈“一”字 分布，二級齒輪與一級齒輪嚙合，一級齒輪與主動齒輪嚙合；二級齒輪軸和一級齒輪軸分別 穿過二級齒輪和一級齒輪的中心孔與二級齒輪和一級齒輪固定，且與主動齒輪軸相互平行 分布，主動齒輪軸穿過主動齒輪的中心孔并可相對主動齒輪中心孔軸線進(jìn)行轉(zhuǎn)動或軸向滑 動；離合器、步進(jìn)電機(jī)和主動齒輪在主動齒輪軸的中心軸線方向上呈“一”字分布，離合器設(shè) 在主動齒輪和步進(jìn)電機(jī)之間與主動齒輪和步進(jìn)電機(jī)的輸出軸固定，步進(jìn)電機(jī)固定在電機(jī)固 定板上。所述的鎖定/釋放機(jī)構(gòu)位于二級齒輪的斜上方，棘爪軸位于二級齒輪的斜上方與 二級齒輪軸平行分布。棘爪套在棘爪軸上，可繞棘爪軸轉(zhuǎn)動，棘爪的爪尖可伸入或伸出二級 齒輪上相鄰兩齒之間的間隙，與二級齒輪進(jìn)行嚙合或脫開，從而對二級齒輪的轉(zhuǎn)動進(jìn)行鎖 定或釋放。舵機(jī)位于棘爪一側(cè)，其輸出擺盤通過連桿與棘爪相連，可通過擺盤的擺動拉動棘爪繞棘爪軸轉(zhuǎn)動。所述的絲杠螺母驅(qū)動機(jī)構(gòu)位于二級齒輪的斜下方，電機(jī)固定在二級齒輪的側(cè)面電 機(jī)固定板上。絲杠通過聯(lián)軸器與電機(jī)輸出軸連接。帶軸螺母套在絲杠上與絲杠螺旋副連接。所述彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放裝置的機(jī)身是由五塊薄板組成的沒有下底部 分的長方體形殼體，能量存儲與釋放裝置的齒輪傳動機(jī)構(gòu)和棘爪機(jī)構(gòu)設(shè)置于其內(nèi)部，其中 二級齒輪軸和一級齒輪軸分別穿過機(jī)身側(cè)板上對應(yīng)位置的通孔，與機(jī)身形成鉸鏈連接；主 動齒輪軸和棘爪軸分別穿過機(jī)身側(cè)板上對應(yīng)的安裝孔，與機(jī)身固定；舵機(jī)固定在機(jī)身的后 板內(nèi)側(cè)；步進(jìn)電機(jī)固定板設(shè)置在機(jī)身側(cè)板的內(nèi)側(cè)。本發(fā)明的工作過程包括調(diào)整姿態(tài)與儲能、能量釋放與跳躍兩個階段當(dāng)彈跳機(jī)器人完成前一次跳躍過程后蹲立在地面，腳底板與地面貼合，腿部機(jī)構(gòu) 處于伸展?fàn)顟B(tài)，彈簧收攏，棘爪與二級齒輪脫開，離合器處于脫開狀態(tài)。當(dāng)彈跳機(jī)器人準(zhǔn)備 跳躍時，電機(jī)啟動，電機(jī)輸出軸運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)輸出軸的動力通過聯(lián)軸器傳遞至絲杠，絲杠轉(zhuǎn)動。 由于帶軸螺母與輔助桿連接無法跟隨絲杠一起轉(zhuǎn)動，因此帶軸螺母隨著絲杠轉(zhuǎn)動，沿著絲 杠向電機(jī)方向移動，固定在帶軸螺母的軸和膝關(guān)節(jié)軸上的彈簧長度縮短。當(dāng)帶軸螺母接近 電機(jī)時，電機(jī)停止。此時，離合器由脫開狀態(tài)轉(zhuǎn)為嚙合狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)啟動，步進(jìn)電機(jī)的輸出 軸開始運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)輸出軸的動力通過離合器傳遞給主動齒輪，主動齒輪開始繞主動齒 輪軸轉(zhuǎn)動。主動齒輪的轉(zhuǎn)動帶動與之嚙合的一級齒輪轉(zhuǎn)動，一級齒輪帶動二級齒輪轉(zhuǎn)動，一 級齒輪和二級齒輪的轉(zhuǎn)動方向相反。一級齒輪的轉(zhuǎn)動帶動與之固定的一級齒輪軸轉(zhuǎn)動，一 級齒輪軸的轉(zhuǎn)動帶動與之固定的大腿桿相對于機(jī)身擺動；二級齒輪的轉(zhuǎn)動帶動與之固定的 絲杠螺母機(jī)構(gòu)相對于機(jī)身擺動。大腿桿和絲杠相對于機(jī)身分別向相反方向擺動，兩者之間 的夾角增大。當(dāng)大腿桿和絲杠之間的夾角增大到一定大小時，步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，舵機(jī)運(yùn) 轉(zhuǎn)，通過連桿推動棘爪轉(zhuǎn)動，棘爪與二級齒輪由脫開狀態(tài)轉(zhuǎn)為嚙合狀態(tài)，離合器由嚙合狀態(tài) 轉(zhuǎn)為脫開狀態(tài)，姿態(tài)調(diào)整階段完成。姿態(tài)調(diào)整階段完成后，電機(jī)反向啟動，電機(jī)輸出軸相對于姿態(tài)調(diào)整階段的轉(zhuǎn)動方 向相反。電機(jī)輸出軸通過聯(lián)軸器驅(qū)動絲杠反向轉(zhuǎn)動，帶軸螺母沿著絲杠向遠(yuǎn)離電機(jī)方向移 動，彈簧被拉伸而存儲彈性能。當(dāng)帶軸螺母移動到絲杠末端時，電機(jī)停止，彈簧被拉伸到一 定長度，彈跳機(jī)器人的儲能階段完成。彈跳機(jī)器人儲能過程完成后，舵機(jī)反向運(yùn)轉(zhuǎn)，舵機(jī)擺盤通過拉桿拉動棘爪轉(zhuǎn)動，棘 爪與二級齒輪脫開，彈簧開始釋放彈性能，拉動其兩端所固定的帶軸螺母軸和膝關(guān)節(jié)軸，使 得大腿桿與絲杠之間的夾角以及小腿桿與輔助桿之間的夾角迅速變小，推動機(jī)身向前上方 加速運(yùn)動。當(dāng)彈簧彈性能釋放完全后，機(jī)身的速度達(dá)到最大值，拉動腳底板脫離地面，實(shí)現(xiàn) 跳躍運(yùn)動。在騰空過程中，整個機(jī)器人的質(zhì)心以拋物線曲線運(yùn)動，下落時，腳底板先著地，然 后整個彈跳機(jī)器人停落在地面。本發(fā)明根據(jù)結(jié)構(gòu)變形構(gòu)造原理，在姿態(tài)調(diào)整過程中，采用絲杠螺母機(jī)構(gòu)，將帶軸螺 母移動到絲杠頂端，使彈簧長度縮短，因而彈簧的彈性力很小，加上主動齒輪比一級齒輪齒 數(shù)要少，因此可采用較小功率的步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動來完成絲杠與大腿桿跳躍準(zhǔn)備姿態(tài)；在 儲能過程中，利用絲杠螺母機(jī)構(gòu)具有較大的傳動比，因而可采用較小功率的電機(jī)作為驅(qū)動 完成彈簧的拉伸以實(shí)現(xiàn)能量存儲；在鎖定與釋放方面，利用舵機(jī)驅(qū)動棘爪完成彈跳機(jī)構(gòu)的 鎖定與釋放，響應(yīng)速度快且動作可靠。本發(fā)明通過順序逐步完成動作，電源在每個時間段內(nèi)只需對一個驅(qū)動供電，有利于降低電源功率要求。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單可靠，只需要小功率的電 機(jī)驅(qū)動即可完成彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放，適用于行星探測的跳躍機(jī)器人。


下面結(jié)合附圖對本發(fā)明彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放裝置的實(shí)施方式作進(jìn)一步 詳細(xì)的說明。圖1是本發(fā)明彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放裝置安裝在彈跳機(jī)器人中的結(jié)構(gòu)圖。圖3是本發(fā)明彈跳機(jī)器人腿部的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是彈跳機(jī)器人腿部各桿件的結(jié)構(gòu)示意圖，(a)大腿桿(b)輔助桿(C)小腿桿。圖5是本發(fā)明彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放裝置的帶軸螺母結(jié)構(gòu)圖。圖6是彈跳機(jī)器人腳底板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7是彈跳機(jī)器人機(jī)身的結(jié)構(gòu)示意圖。圖8是本發(fā)明彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放裝置的棘爪和二級齒輪嚙合與脫開 的結(jié)構(gòu)示意圖，(a)是棘爪和二級齒輪嚙合狀態(tài)，(b)是棘爪和二級齒輪脫開狀態(tài)。圖9是本發(fā)明彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放裝置的離合器嚙合與脫開示意圖， (a)是離合器嚙合時狀態(tài)，(b)是離合器脫開時狀態(tài)。圖10是彈跳機(jī)器人姿態(tài)調(diào)整與儲能過程的示意圖，(a)準(zhǔn)備狀態(tài)，(b)彈簧收攏過 程，(c)彈簧收攏過程完成時，(d)大腿桿和絲杠姿態(tài)調(diào)整，(e)拉伸彈簧存儲能量過程。圖11是彈跳機(jī)器人能量釋放及跳躍過程的示意圖，(a)儲能完成后準(zhǔn)備起跳狀 態(tài)，(b)棘爪脫開彈簧開始釋放，(c)機(jī)構(gòu)騰空跳起，(d)跳躍到最高點(diǎn)，(e)下落過程，(f) 著地狀態(tài)。1.帶軸螺母2.絲杠3.棘爪軸4.舵機(jī)5.連桿6.棘爪7.電機(jī)固定板 8. 二級齒輪9. 一級齒輪10.步進(jìn)電機(jī)11.步進(jìn)電機(jī)固定板12.離合器13.主動齒 輪14.主動齒輪軸 15. —級齒輪軸16. 二級齒輪軸 17.電機(jī)18.聯(lián)軸器19.機(jī)身 20.大腿桿21.小腿桿 22.腳底板 23.輔助桿 24.彈簧 25.膝關(guān)節(jié)軸26.踝關(guān)節(jié) 軸27.輔助踝關(guān)節(jié)軸28.大腿桿底端通孔四.大腿桿頂端通孔30.輔助桿半圓弧端通 孔31.輔助桿不完全齒輪端通孔32.小腿桿不完全齒輪端通孔33.小腿桿半圓弧端通 孔34.腳底板支架35.輔助踝關(guān)節(jié)軸安裝孔36.踝關(guān)節(jié)軸安裝孔37.主動齒輪軸安裝 孔38. 二級齒輪軸安裝孔39. —級齒輪軸安裝孔40.機(jī)身側(cè)板41.機(jī)身后板42.機(jī)身 蓋板43.機(jī)身前板44.棘爪軸安裝孔45.地面
具體實(shí)施例方式在這些圖中可以看到彈跳機(jī)器入的能量存儲與釋放裝置包括姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)、鎖定 /釋放機(jī)構(gòu)和絲杠螺母驅(qū)動機(jī)構(gòu)。如圖1、圖2中所示的姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)包括二級齒輪8、二級齒輪軸16、一級齒輪9、 一級齒輪軸15、主動齒輪13、主動齒輪軸14、離合器12、步進(jìn)電機(jī)10和步進(jìn)電機(jī)固定板 11。其中二級齒輪8、一級齒輪9和主動齒輪13呈“一”字分布、模數(shù)為1及齒數(shù)之比為 7.2 2 1的三個標(biāo)準(zhǔn)直齒齒輪。一級齒輪9位于二級齒輪8和主動齒輪13中間，二級5齒輪8與一級齒輪9嚙合，一級齒輪9與主動齒輪13嚙合。二級齒輪軸16、一級齒輪軸15 和主動齒輪軸14為相互平行分布、粗細(xì)相同光滑的細(xì)直桿。二級齒輪軸16和一級齒輪軸 15的長度相等，主動齒輪軸14的長度為一級齒輪軸15長度的一半。二級齒輪8固定在二 級齒輪軸16中間，一級齒輪9固定在一級齒輪軸15中間，主動齒輪13套在主動齒輪軸14 的末端可相對主動齒輪軸14轉(zhuǎn)動或軸向滑動。如圖9所示，主動齒輪13、離合器12和步進(jìn) 電機(jī)10沿主動齒輪軸14的軸線方向上“一”字分布。離合器12位于主動齒輪13和步進(jìn) 電機(jī)10之間，其兩端分別與主動齒輪13的端面和步進(jìn)電機(jī)10的輸出軸固定連接。步進(jìn)電 機(jī)固定板11為“L”形的薄板。步進(jìn)電機(jī)10的機(jī)身固定在步進(jìn)電機(jī)固定板11的水平位置 上。鎖定/釋放機(jī)構(gòu)位于二級齒輪8的斜上方，包括棘爪6、棘爪軸3、舵機(jī)4和連桿5。 其中棘爪軸3是與二級齒輪軸16尺寸相同的光滑細(xì)直桿，位于二級齒輪的斜上方，與二級 齒輪軸平行分布。棘爪6為月牙形薄鋼板，套在棘爪軸3中間，可繞棘爪軸3轉(zhuǎn)動。如圖8 所示，棘爪6通過轉(zhuǎn)動，其爪尖可伸入或伸出二級齒輪8上相鄰兩齒之間，與二級齒輪8進(jìn) 行嚙合或脫開，從而對二級齒輪8的轉(zhuǎn)動進(jìn)行鎖定或釋放。舵機(jī)4位于棘爪6—側(cè)，其輸出 擺盤的末端與連桿5鉸接。連桿5是兩末端帶孔的細(xì)直桿，一端與舵機(jī)4的輸出擺盤末端 鉸接，另一端與棘爪6中部鉸接。舵機(jī)4啟動時，其輸出擺盤偏轉(zhuǎn)，通過連桿5可拉動棘爪 6繞棘爪軸3轉(zhuǎn)動。絲杠螺母驅(qū)動機(jī)構(gòu)位于二級齒輪8的斜下方，包括電機(jī)17、電機(jī)固定板7、聯(lián)軸器 18、絲杠2、帶軸螺母1。其中電機(jī)固定板7是“U”形板，底板貼合并固定在二級齒輪8的側(cè) 面。電機(jī)17固定在電機(jī)固定板7的“U”形板內(nèi)側(cè)。絲杠2是細(xì)長的普通尖牙螺紋絲杠，其 通過聯(lián)軸器18與電機(jī)17的輸出軸連接。如圖5所示，帶軸螺母1為加工成一體的螺母和 兩根光滑的軸，螺母的螺紋牙型與絲杠一致，兩根軸粗細(xì)與二級齒輪軸16相同，兩根軸位 于一條直線并對稱固定在螺母的中部外側(cè)。帶軸螺母1套在絲杠2上，與絲杠2螺旋副連 接。本實(shí)施例彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放裝置與彈跳機(jī)器人的機(jī)身19、腿部機(jī)構(gòu)和 腳底板22連接如圖3、圖4、圖6、圖7所示，機(jī)身19是由五塊薄板組成的沒有下蓋的長方體 形殼體，包括機(jī)身前板43、機(jī)身后板41、兩面機(jī)身側(cè)板40和機(jī)身蓋板42，在機(jī)身側(cè)板40有 棘爪軸安裝孔44、二級齒輪軸安裝孔38、一級齒輪軸安裝孔39和主動齒輪安裝孔37，各孔 的尺寸及位置與相應(yīng)的軸對應(yīng)配合。能量存儲與釋放裝置的姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)和鎖定/釋放機(jī) 構(gòu)安裝在機(jī)身內(nèi)部，其中二級齒輪軸16和一級齒輪軸15分別穿過二級齒輪軸安裝孔38和 一級齒輪軸安裝孔39與機(jī)身19形成鉸鏈連接；主動齒輪軸14和棘爪軸3分別穿過主動齒 輪安裝孔37和棘爪軸安裝孔44，與機(jī)身19固定；舵機(jī)4固定在機(jī)身后板41內(nèi)側(cè)；步進(jìn)電 機(jī)固定板11固定在機(jī)身側(cè)板40內(nèi)側(cè)。如圖3和圖4所示，腿部機(jī)構(gòu)位于機(jī)身19下方，由并排對稱安裝的兩組連桿機(jī)構(gòu) 組成，包括大腿桿20、小腿桿21、輔助桿23、膝關(guān)節(jié)軸25、踝關(guān)節(jié)軸沈、輔助踝關(guān)節(jié)軸27和 彈簧M。大腿桿20、小腿桿21和輔助桿23分別由形狀完全相同且平行對稱安裝的兩個薄 片桿組成。大腿桿20的兩個薄片桿為直桿，直桿的兩個末端形狀是以直桿寬度為直徑的半 圓弧形，并在兩末端半圓弧形的圓心處各有一個通孔，分別為大腿桿底端通孔觀和大腿桿 頂端通孔四。小腿桿21和輔助桿23的薄板桿中間部分是直桿，其中一個末端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個通孔，另一個末端是不完全齒輪，且 在不完全齒輪的中心有一個通孔。小腿桿21上的兩個通孔分別對應(yīng)為小腿桿半圓弧端通 孔33和小腿桿不完全齒輪端32 ；輔助桿23上的兩個通孔分別對應(yīng)為輔助桿半圓弧端通孔 30和輔助桿不完全齒輪端通孔31。大腿桿20、小腿桿21和輔助桿23的各桿厚度相同、直 桿部分的寬度相同、兩端的通孔大小相同、各桿長度之比為大腿桿20 小腿桿21 輔助桿 23為13 沈14。小腿桿21和輔助桿23的不完全齒輪是模數(shù)為0.8的標(biāo)準(zhǔn)直齒齒輪， 兩者不完全齒輪的分度圓直徑之比為5 2。膝關(guān)節(jié)軸25、踝關(guān)節(jié)軸沈和輔助踝關(guān)節(jié)軸27 為光滑的細(xì)直桿，粗細(xì)與各桿兩端的通孔尺寸對應(yīng)，是腿部機(jī)構(gòu)中用來連接各桿的鉸鏈軸。 彈簧M為結(jié)構(gòu)相同的兩根拉簧。如圖6所示，腳底板22是外形類似腳掌的薄板，前端寬后端窄。在腳底板22的后 端固定了腳底板支架34。腳底板支架34是兩個對稱分布的L形薄板，在L形薄板的豎直部 分中間有踝關(guān)節(jié)軸安裝孔36和輔助踝關(guān)節(jié)軸安裝孔35，該兩孔水平分布且兩孔的距離等 于小腿桿21的不完全齒輪分度圓半徑與輔助桿23的不完全齒輪分度圓半徑之和。如圖3所示，腿部機(jī)構(gòu)采用非對稱齒輪六桿雙腿并攏結(jié)構(gòu)。大腿桿20與絲杠2呈 “八”字分布，大腿桿20上端緊貼機(jī)身側(cè)板40外側(cè)。主動齒輪軸15穿過大腿桿頂端通孔 29與大腿桿20固定。小腿桿21和輔助桿23呈“V”型位于大腿桿20和絲杠2的下方，兩 者的上端是半圓弧端、下端是不完全齒輪端。小腿桿21的上端緊貼大腿桿20的下端內(nèi)側(cè)， 小腿桿半圓弧端通孔33和大腿桿底端通孔28對齊。膝關(guān)節(jié)軸25穿過大腿桿底端通孔28 和小腿桿半圓弧端通孔33，使大腿桿20和小腿桿21形成鉸鏈連接。小腿桿21下端的不 完全齒輪與輔助桿23的不完全齒輪嚙合，并緊貼腳底板支架34側(cè)面，小腿桿不完全齒輪端 通孔32與踝關(guān)節(jié)軸安裝孔36對齊。膝關(guān)節(jié)軸沈穿過小腿桿不完全齒輪端通孔32和踝關(guān) 節(jié)軸安裝孔36，使得小腿桿21和腳底板支架34形成鉸鏈連接。輔助桿23上端的輔助桿 半圓弧端通孔30被帶軸螺母1的兩根光滑的軸穿過，與帶軸螺母1形成鉸鏈連接。輔助桿 23下端的不完全齒輪與小腿桿21的不完全齒輪嚙合并緊貼腳底板支架34，輔助桿不完全 齒輪端通孔31與輔助關(guān)節(jié)軸安裝孔35對齊。輔助關(guān)節(jié)軸27穿過輔助桿不完全齒輪端通 孔31和輔助關(guān)節(jié)軸安裝孔35，使得輔助桿23和腳底板支架34形成鉸鏈連接。彈簧M的 兩端分別固定在膝關(guān)節(jié)連接軸25和帶軸螺母1兩側(cè)的軸上。本實(shí)施例的工作過程包括調(diào)整姿態(tài)與儲能、能量釋放與跳躍兩個階段。如圖10所示，當(dāng)彈跳機(jī)器人完成前一次跳躍過程后蹲立在地面45上，腳底板22 與地面45貼合，腿部機(jī)構(gòu)處于伸展?fàn)顟B(tài)，大腿桿20和絲杠2之間的夾角以及小腿桿21和 輔助桿23之間的夾角都較小，作為儲能元件的彈簧M處于收攏狀態(tài)，棘爪6與二級齒輪8 處于脫開狀態(tài)，離合器12處于脫開狀態(tài)。當(dāng)彈跳機(jī)器人準(zhǔn)備跳躍時，電機(jī)17啟動，電機(jī)17 的輸出軸運(yùn)轉(zhuǎn)。電機(jī)17輸出軸的動力通過聯(lián)軸器18傳遞至絲杠2，絲杠2轉(zhuǎn)動。由于帶軸 螺母1與輔助桿23連接無法跟隨絲杠2 —起轉(zhuǎn)動，因此絲杠2的轉(zhuǎn)動使得帶軸螺母1沿著 絲杠2向電機(jī)17方向移動。帶軸螺母1的移動帶動與之鉸接的輔助桿23以輔助踝關(guān)節(jié)軸 27為轉(zhuǎn)動軸向如圖10中的順時針方向偏轉(zhuǎn)，輔助桿23的偏轉(zhuǎn)進(jìn)而帶動與之齒輪副連接的 小腿桿21以踝關(guān)節(jié)軸沈?yàn)檗D(zhuǎn)動軸向逆時針方向偏轉(zhuǎn)。輔助桿23和小腿桿21之間的夾角 變小，兩端固定在帶軸螺母1和膝關(guān)節(jié)軸25上的彈簧M長度縮短。當(dāng)帶軸螺母1移動到 接近電機(jī)17位置時，電機(jī)17停止。此時，離合器12由脫開狀態(tài)轉(zhuǎn)為嚙合狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)10啟動，步進(jìn)電機(jī)10的輸出軸開始運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)10的輸出軸動力通過離合器12傳遞給主 動齒輪13，主動齒輪13開始繞主動齒輪軸14如圖10中的順時針方向轉(zhuǎn)動。主動齒輪13 的順時針方向轉(zhuǎn)動帶動與之嚙合的一級齒輪9逆時針方向轉(zhuǎn)動，一級齒輪9的逆時針方向 轉(zhuǎn)動帶動與之嚙合的二級齒輪8順時針方向轉(zhuǎn)動。一級齒輪9的逆時針方向轉(zhuǎn)動帶動與之 固定的一級齒輪軸15逆時針方向轉(zhuǎn)動，一級齒輪軸15的逆時針方向轉(zhuǎn)動帶動與之固定的 大腿桿20相對于機(jī)身19逆時針方向擺動；二級齒輪8的順時針方向轉(zhuǎn)動帶動與之固定的 電機(jī)17進(jìn)而帶動絲杠2相對于機(jī)身19順時針方向擺動。因此，大腿桿20和絲杠2相對于 機(jī)身19分別向相反方向擺動，兩者之間的夾角增大。當(dāng)大腿桿20和絲杠2之間的夾角增 大到一定大小時，步進(jìn)電機(jī)10停止轉(zhuǎn)動。舵機(jī)4運(yùn)轉(zhuǎn)，其輸出擺盤如圖10中的逆時針方向 擺動，通過連桿5推動棘爪6繞棘爪軸3逆時針方向轉(zhuǎn)動，棘爪6與二級齒輪8由脫開狀態(tài) 轉(zhuǎn)為嚙合狀態(tài)，二級齒輪8和一級齒輪9被鎖定。離合器12由嚙合狀態(tài)轉(zhuǎn)為脫開狀態(tài)，使 主動齒輪13脫離步進(jìn)電機(jī)10的驅(qū)動。姿態(tài)調(diào)整階段完成。姿態(tài)調(diào)整階段完成后，電機(jī)17反向啟動，電機(jī)17的輸出軸運(yùn)轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)動方向相對 于姿態(tài)調(diào)整階段的轉(zhuǎn)動方向相反。電機(jī)17的輸出軸通過聯(lián)軸器18驅(qū)動絲杠2反向轉(zhuǎn)動， 帶軸螺母1沿著絲杠2向遠(yuǎn)離電機(jī)17方向移動。帶軸螺母1的移動帶動輔助桿23向逆時 針方向偏轉(zhuǎn)，輔助桿23帶動小腿桿21向順時針方向偏轉(zhuǎn)。輔助桿23和小腿桿21之間的 夾角變大，兩端固定在帶軸螺母1和膝關(guān)節(jié)軸25上的彈簧M被拉伸而存儲彈性能。當(dāng)帶 軸螺母1移動到絲杠2末端時，電機(jī)17停止，彈簧M被拉伸到一定長度，彈跳機(jī)器人的儲 能階段完成。彈跳機(jī)器人儲能過程完成后，舵機(jī)4反向運(yùn)轉(zhuǎn)，舵機(jī)4的輸出擺盤順時針方向擺 動，通過拉桿5拉動棘爪6順時針方向轉(zhuǎn)動，棘爪6與二級齒輪8脫開，二級齒輪8和一級 齒輪9被釋放。彈簧M開始釋放彈性能，拉動其兩端所固定的帶軸螺母1和膝關(guān)節(jié)軸25， 使得大腿桿20與絲杠2之間的夾角以及小腿桿21與輔助桿23之間的夾角迅速變小，推動 機(jī)身19向前上方加速運(yùn)動。當(dāng)彈簧M的彈性能釋放完全后，機(jī)身19的速度達(dá)到最大值， 拉動腳底板22脫離地面，整個彈跳機(jī)構(gòu)離地跳起。在騰空過程中，彈跳機(jī)器人的質(zhì)心以拋 物線曲線運(yùn)動，下落時，腳底板22先著地，然后整個彈跳機(jī)器人停落在地面。上述具體實(shí)施方式
用來解釋說明本發(fā)明，而不是對本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的 權(quán)利要求范圍內(nèi)，對本發(fā)明作出的任何修改和改變，都屬本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放裝置，包括姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)、鎖定/釋放機(jī)構(gòu) 和絲杠螺母驅(qū)動機(jī)構(gòu)，其特征在于齒輪傳動機(jī)構(gòu)和棘爪機(jī)構(gòu)設(shè)置于是由五塊薄板組成的 沒有下底部分的長方體形殼體的機(jī)身(19)內(nèi)部，其中二級齒輪軸(16)和一級齒輪軸(15) 分別穿過機(jī)身側(cè)板GO)上對應(yīng)位置的通孔與機(jī)身(19)形成鉸鏈連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放裝置，其特征在于二級齒輪 (8)、一級齒輪(9)和主動齒輪(1 是位于同一平面內(nèi)呈一字分布、其模數(shù)為1、齒數(shù)之比為 7.2 2 1的三個標(biāo)準(zhǔn)直齒齒輪。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放裝置，其特征在于二級齒輪 軸(16)、一級齒輪軸(1 和主動齒輪軸(14)是相互平行分布、粗細(xì)相同、光滑的細(xì)直桿，離 合器(12)、步進(jìn)電機(jī)(10)和主動齒輪(1 在主動齒輪軸(14)的中心軸線方向上呈一字分 布。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放裝置，其特征在于所述的鎖 定/釋放機(jī)構(gòu)的棘爪(6)為一端有通孔的月牙形薄板片，可繞棘爪軸C3)轉(zhuǎn)動，棘爪(6)與 二級齒輪(8)進(jìn)行嚙合或脫開，對二級齒輪(8)的轉(zhuǎn)動進(jìn)行鎖定或釋放。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放裝置，其特征在于所述的絲 杠螺母驅(qū)動機(jī)構(gòu)位于二級齒輪(8)的斜下方，電機(jī)(17)固定在“U”形的電機(jī)固定板(7)上， 電機(jī)固定板固定在二級齒輪的側(cè)面，絲杠( 通過聯(lián)軸器(18)與電機(jī)的輸出軸連接受電機(jī) 驅(qū)動；帶軸螺母(1)由一個螺母和兩根對稱固定在螺母中部外側(cè)的光滑軸組成，帶軸螺母 (1)套在絲杠( 上，與絲杠螺旋副連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放裝置。其包括姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)、鎖定/釋放機(jī)構(gòu)和絲杠螺母驅(qū)動機(jī)構(gòu)，姿態(tài)調(diào)整機(jī)構(gòu)和鎖定/釋放機(jī)構(gòu)位于機(jī)身內(nèi)部，機(jī)身與機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)連接。根據(jù)結(jié)構(gòu)變形構(gòu)造原理，在姿態(tài)調(diào)整過程中采用絲杠螺母機(jī)構(gòu)，將帶軸螺母移動到絲杠頂端使彈簧縮短，采用小功率電機(jī)作驅(qū)動完成絲杠與大腿桿跳躍準(zhǔn)備；在儲能過程中利用絲杠螺母機(jī)構(gòu)具有較大的傳動比，采用小功率電機(jī)作驅(qū)動完成彈簧的拉伸實(shí)現(xiàn)能量存儲；在鎖定與釋放過程利用舵機(jī)驅(qū)動棘爪完成彈跳機(jī)構(gòu)的鎖定與釋放，響應(yīng)速度快且動作可靠。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單可靠，只需小功率電機(jī)驅(qū)動即可完成彈跳機(jī)器人的能量存儲與釋放，適用于行星探測的跳躍機(jī)器人。
文檔編號B62D51/06GK102050157SQ20091021880
公開日2011年5月11日 申請日期2009年11月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月5日
發(fā)明者張永紅, 柏龍, 柴輝, 葛文杰, 陳曉紅 申請人:西北工業(yè)大學(xué)