CN105584555B - 基于电容的磁阻式跳跃机构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电容的磁阻式跳跃机构，包括爬行部分、跳跃部分以及电路部分，其中，电路部分分别控制电机实现爬行功能、跳跃部分的跳跃功能以及跳跃部分的升降功能。控制该机构爬行时，电路控制第一电机正向转动，使得伸缩杆中的内杆伸出外杆，带动电磁铁筒体上升，提升跳跃部分的前后足，同时电路控制第二电机转动，实现该机构的爬行功能。控制该机构跳跃时，电路控制第一电机逆向转动，使得伸缩杆中的内杆缩回外杆，带动电磁铁筒体下降，使跳跃部分的前后足着地，再通过电容为电磁铁供电，产生瞬间拉力，拉动跳跃机构的连杆，实现该机构的跳跃功能。

Description

基于电容的磁阻式跳跃机构

技术领域

本发明涉及机器人领域，特别涉及一种机器人的跳跃机构。

背景技术

跳跃机器人具有可通过复杂地形、活动范围大、适应能力强等优点，成为机器人领域研究开发的热点。按照机器人实现跳跃方式的不同，机器人可以分为间歇式跳跃机器人和连续性跳跃机器人；按照跳跃足的多少，可将机器人分为单足跳跃机器人和多足跳跃机器人；按照机械结构的不同，可以分为伸缩筒型机器人和关节型跳跃机器人。

最早的跳跃机器人是1980年MIT研制的一种单足跳跃机器人，之后比较有代表性的跳跃机器人包括NASA的三代跳跃机器人、弓形单足跳跃机构、摆动关节跳跃机构以及各种仿生跳跃机器人。国内仿生跳跃机器人的研究还处于起步阶段，对于这一领域的研究内容主要集中于运动学、动力学、速度和力的传递性能以及其他有关仿生跳跃机器人的运动性能方面的研究。目前比较有代表性的是仿蝗虫、袋鼠、蛙机器人等方面的研究。

跳跃机器人的驱动方式直接影响跳跃机器人的性能以及结构，目前已经实现的驱动方式主要有：(1)弹力机构驱动，是指利用特定机械机构产生的弹力来实现跳跃。这是一种较易实现的跳跃式机器人构建方法，可以采用的弹性构件包括弹簧、弹性杆等。简单的跳跃机器人多采用这种构建方法。(2)内能和化学能驱动，是指利用液压、气动的内能和燃烧爆炸的化能而构建的跳跃机构，具有体积小、驱动力大和能量密度高等优点。这种构建方法可以在提升跳跃能力的同时，减小跳跃机器人的体积，从而大大增加跳跃机器人的活动范围。

但是目前大多数以弹力机构或者内能和化学能驱动的跳跃机器人都只能一直进行跳跃，而不能完成只在有需要时跳跃，其他时候非跳跃前进的目的，效率较低，灵活性能不佳，难以在复杂地形下进行运动，无法最大程度地适应各种环境下的工作，仿生的目的实现不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现仅在有需要时才进行跳跃的跳跃机构。

为了实现以上目的，本发明提供了一种基于电容的磁阻式跳跃机构，包括跳跃机构、电容、变压器和电磁铁以及第一开关；

电容、电磁铁以及第一开关之间串联形成回路，变压器与电源串联连接后，与电容的两端或电磁铁的两端相连接；

电磁铁设于电磁铁筒体内；电磁铁筒体设于基座上；

跳跃机构包括第一连杆和第二连杆；第一连杆的下端铰接于电磁铁的拉力端，第一连杆的上端与第二连杆的上端铰接，两根第二连杆的相交点通过一根转轴铰接于电磁铁筒体外表的一点上，且位于同一侧的两组第一连杆、第二连杆相对于该侧的中心轴轴对称；电磁铁用于改变第一连杆、第二连杆之间的夹角角度。

作为优选的，第二连杆的上端部呈“7”字形。

作为优选的，还包括伸缩杆；

伸缩杆包括外杆和内杆，内杆柱状表面设有的外螺纹，与外杆内表面设有的内螺纹相匹配，内杆固定于基座上，外杆固定于电磁铁筒体两侧；第一电机转动，通过传动轮传动内杆使内杆转动，进而使内杆相对于外杆伸缩。

作为优选的，还包括同步轮；

同步轮同步两组伸缩杆中内杆的旋转。

作为优选的，还包括爬行机构；爬行机构包括位于左侧的前足、后足和位于右侧的前足和后足；爬行机构的左侧结构与右侧结构相同；

前足的顶端与第三连杆的一端、曲柄相铰接，第二电机带动曲柄转动，前足的竖直方向上设有滑槽，限位杆水平贯穿于两根前足的滑槽中，并固定于基座上；第三连杆的另一端与后足的中央部相铰接，后足的顶端水平设有限位螺丝，限位螺丝铰接固定于基座上；

第二电机转动时，位于左侧的曲柄与位于右侧的曲柄错位旋转。

作为优选的，靠近前足的第二连杆的底部包覆有橡胶套。

作为优选的，靠近后足的第二连杆的底部安装有滚轮。

作为优选的，第一电机设有单刀双掷开关，拨动单刀双掷开关，控制第一电机正向或反向转动。

在本发明中，机器人整体结构精简，质量较轻，机动性能良好，两种运动方式互不干扰并且能够在有需要时进行自如的切换。爬行时平稳前进，速度适中，抗干扰能力较强；跳跃可以很快完成，跳起高度适中，既能越过一般障碍物，又不会在落下时损伤爬行结构。机器人落下后，可以进行爬行或是再次跳跃，集中了连续跳跃和间歇跳跃的功能。

相比于传统的腿式和轮式机器人，本发明提供的磁阻式跳跃机器人能够在遇到非平坦地形时完成跳跃，活动范围大，具备在复杂地形运动的能力。普通的跳跃机器人只能一直进行跳跃，效率较低，灵活性能不佳，而磁阻式跳跃机器人只在需要跳跃时进行跳跃，平时正常爬行，并且集连续跳跃和间歇跳跃于一身，运动方式灵活多变，能最大程度地适应环境。

附图说明

图1为本发明一实施方式的结构正视图。

图2为本发明一实施方式的结构俯视图。

图3为本发明一实施方式的后足部分结构图。

图4为本发明一实施方式中前足与后足连接关系结构图。

图5为本发明一实施方式的左右侧前足配合部分结构图。

图6为本发明一实施方式的电路图。

图7为本发明一实施方式的立体结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。

为解决上述技术问题，本发明的第一实施方式提供了一种基于电容的磁阻式跳跃机构，包括跳跃机构1、电容、变压器、伸缩杆3、同步轮、爬行机构4、电磁铁以及第一开关；

电容、电磁铁以及第一开关之间串联形成回路，变压器与电源串联连接后，与电容的两端或电磁铁的两端相连接；

电磁铁设于电磁铁筒体2内；电磁铁筒体2设于基座上；

跳跃机构1包括第一连杆11和上端部呈“7”字形的第二连杆12；第一连杆11的下端铰接于电磁铁的拉力端，第一连杆11的上端与第二连杆12的上端铰接，两根第二连杆12的相交点通过一根转轴铰接于电磁铁筒体2外表的一点上，且位于同一侧的两组第一连杆11、第二连杆12相对于该侧的中心轴轴对称；电磁铁用于改变第一连杆11、第二连杆12之间的夹角角度。

伸缩杆3包括外杆31和内杆32，内杆32柱状表面设有的外螺纹，与外杆31内表面设有的内螺纹相匹配，内杆32固定于基座上，外杆31固定于电磁铁筒体2两侧；第一电机转动，通过传动轮传动内杆32使内杆32转动，进而使内杆32相对于外杆31伸缩。

同步轮同步两组伸缩杆3中内杆32的旋转。

爬行机构4包括位于左侧的前足41、后足42和位于右侧的前足41和后足42；爬行机构4的左侧结构与右侧结构相同；

前足41的顶端与第三连杆43的一端、曲柄44相铰接，第二电机48带动曲柄44转动，前足41的竖直方向上设有滑槽45，限位杆46水平贯穿于两根前足41的滑槽45中，并固定于基座上；第三连杆43的另一端与后足42的中央部相铰接，后足42的顶端水平设有限位螺丝47，限位螺丝47铰接固定于基座上；

第二电机48转动时，位于左侧的曲柄44与位于右侧的曲柄44错位旋转。

较佳的，靠近前足41的第二连杆12的底部包覆有橡胶套，靠近所述后足42的所述第二连杆12的底部安装有滚轮。

较佳的，第一电机设有单刀双掷开关，拨动单刀双掷开关，控制第一电机正向或反向转动。

在本实施方式中，机器人电路部分并不复杂，如图6所示，分为三个共用电源的并联独立电路，整体采用线控的方式控制机器人的各个动作运行。电路元件用到电源一个，升压器一个，单刀单掷开关三个，单刀双掷开关一个，电机两个，电磁铁一个和电容一个。

电路所用电源电压为3.7V，选用的电磁铁是SA-2602交流牵引电磁铁。电磁铁额定电压220V，额定频率50Hz，适用于交流50/60Hz、额定电压为380V及以下的电路中，净重0.52Kg，具有体积小、重量轻、吸合释放快、耗电省等优点。电磁铁额定吸力20N，衔铁额定行程15mm，每小时额定操作次数1200次，能够很好地满足电路各项数据的要求。电容容量根据机器人的整体重量、预期跳跃高度和电路其他元件相关参数计算而得，最终确定为1000uF，该电容额定电压为450V。

在本发明中，各分路互不干扰，由同一个电源供电，开关不放在机器人身上，而是集中在一块控制面板上，减轻了机器人自身的重量，同时便于手动操控。

在跳跃部分电路中，电池电压大约3.7V，而电容额定电压为450V，因此需要先通过升压器升到高电压，再接通开关1对电容进行充电。电容充满后，在需要跳跃的情况下，为防止电路短路发生危险，先断开电源侧的开关，再接通第一开关，此时电容对电磁铁放电，电磁铁线圈通过很大电流，带动衔铁产生冲力，经过连杆将力进行转换，借助地面的反作用力使机器人跳起。

爬行部分电路中，仅通过开关控制电机的运行和停止，电机驱动爬行部分的连杆结构，从而达到操控爬行运动的目的。

伸缩杆3部分电路中，由电池直接为电机供电，单刀双掷开关的作用是进行电机正转反转的切换，控制内杆32的旋转方向，从而操控伸缩杆3的伸缩。

在本发明中，采用电磁铁来提供跳跃时所需要的力。电磁铁结构和工作原理决定了它只能提供拉力，所以要在电磁铁外部加装连杆结构将拉力转换成推力。

从图1中可以看到，跳跃结构由一个电磁铁、四根相同的第一连杆11和四根相同的第二连杆12组成，各个组成部分之间相互铰接，所有的关节连接处都使用轴承以便减小摩擦。左右两边杆之间的距离略大于电磁铁的宽度，第二连杆12中部留有中心轴，中心轴固定在底板上，第二连杆12可以绕中心轴旋转。所有杆都由3mm钢板切割制成，机械强度很大，用来承受住电磁铁较大的冲力和地面较大的反作用力。

在跳跃部分电路中，当电源侧的开关断开，再接通跳跃回路侧的开关时，电容放电，电磁铁线圈通过很大电流，衔铁迅速向下运动，拉动第一连杆11向下移动，带动第二连杆12绕中心轴旋转，使跳跃腿夹角变小，产生向下的冲击力，地面的反作用力使机器人完成跳跃。

由于机器人在跳跃时具有一定的初速度，因此跃起后会向前跳出一定距离，但是实践表明依靠机器人向前的初速度达到的跳跃距离很小。为了让机器人向前跳出较大距离，我们在两根跳跃前腿处加装橡胶套，即在靠近前足41侧的两根第二连杆12底部假装橡胶套，两根跳跃后腿处加装小轮子，跳跃瞬间前后腿产生摩擦力的差异能够让机器人向前跳更远的距离。

为了在爬行过程中不让跳跃部分擦到地面，防止其与地面之间的摩擦干扰爬行运动，在本发明中，设计了伸缩杆3结构以便在爬行过程中收起跳跃部分，同时也能在需要跳跃时将跳跃部分放下，达到两种运动都能高效率进行的目的，也使两种运动相互间能够切换自如。例如，在收起跳跃部分时，正方向转动第一电机，使电磁铁筒体2上升，此时第一连杆11之间的夹角变大，进而带动第二连杆12之间的夹角变大，使第二连杆12的下端上升。在放下跳跃部分时，反方向转动第一电极，使电磁铁筒体2下降，此时第一连杆11之间的夹角变小，进而带动第二连杆12之间的夹角变小，使第二连杆12的下端下降。

伸缩杆3分为内杆32和外杆31，内杆32外侧和外杆31内侧都有螺纹，外杆31中心镂空，放入内杆32，相互间无缝贴合，通过相对旋转运动达到伸缩的效果。内杆32通过轴承固定在底板上，外杆31固定在电磁铁前后两侧。我们使用了前后两个高度对称的伸缩杆3，两个内杆32通过同步轮时刻保持相同的运动状态，通过电机来控制内杆32转动以达到使伸缩杆3伸缩的目的。伸缩杆3所采用的电机规格与爬行部分使用的电机规格相同。

爬行过程中，电机正转驱动内杆32正向旋转，使伸缩杆3伸长，由于内杆32固定在底板上确保无上下位移，故外杆31向上运动从而带动电磁铁向上移动，同时因为跳跃部分第二连杆12的中心轴固定在底板上，电磁铁会带动第二连杆12绕中心轴转动，导致跳跃腿夹角增大，以达到收起的目的；反之，在需要跳跃的情况下，电机反转驱动内杆32反向旋转，使伸缩杆3缩短，从而则达到放下的目的。

由于电磁铁本身无法进行再加工，为了让伸缩杆3外杆31能够固定在电磁铁上，我们在电磁铁的外面加装定制的钢板，做成一个类似套的电磁铁筒体2将电磁铁包裹，伸缩杆3外杆31通过螺钉固定在钢板上。

机器人爬行结构由四足构成，左右两边各有一条前足41和一条后足42，前足41略高于后足42，各足由钢板制成。通过一个电机驱动整个爬行结构的运动，普通电机转速过快，我们增加了齿轮组来降低转速。同时还能让扭力增大，防止运动过程中发生卡住的问题。

后足42部分的结构图如图3所示，爬行结构两边的后足42最上方是与基板铰接的限位螺丝47，约束了摆动范围，中间部分与第三连杆43相铰接，进而通过第三连杆43与前足41相连接。

在本发明中，采用了“摆动曲柄44滑块机构”，即一种能够将旋转运动转换为往复摆动运动的连杆机构，如图4所示，其主要结构是：摆杆一头固定在一个曲柄44的一侧，摆杆带有导向槽。前足41的最上方是关节铰链，上面连接有曲柄44，下部分是滑槽45，由限位杆46控制其摆动的范围。同一边的前足41和后足42通过中间的第三连杆43铰接在一起，前足41的曲柄44和后足42相连，能够一同完成爬行动作。

为了使机器人能够让左右两组二足交替向前迈步行走，在本发明中，使用了左右两套相同的连杆机构，且以同轴的方式安装，如图5所示，两个连杆的铰链结合部分的位置正好相反，即分别位于转盘一条直径线上的两头，形成一个错位，也就是曲柄44与转盘连接的位置正好相反，使得左右两套连杆机构在同一时间上运动的状态刚好相反，例如，一个位于最左边的位置的时候另一个正好位于最右边的位置，一个位于最高的位置的时候另一个正好位于最低的位置，从而完成交替前进的运动。曲柄44滑块机构直接驱动四足的两个前足41，对于两个后足42则是通过简单的连杆机构进行联动的。两个前足41以“拖动”的方式向前迈步，则任何时候都有三条腿着地以保持身体平衡。

上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，本领域的普通技术人员可以理解，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种基于电容的磁阻式跳跃机构，其特征在于，包括跳跃机构(1)、电容、变压器和电磁铁以及第一开关；

所述电容、电磁铁以及第一开关之间串联形成回路，所述变压器与电源串联连接后，与所述电容的两端或所述电磁铁的两端相连接；

所述电磁铁设于电磁铁筒体(2)内；所述电磁铁筒体(2)设于基座上；

所述跳跃机构(1)包括第一连杆(11)和第二连杆(12)；所述第一连杆(11)的下端铰接于所述电磁铁的拉力端，所述第一连杆(11)的上端与所述第二连杆(12)的上端铰接，两根所述第二连杆(12)的相交点通过一根转轴铰接于所述电磁铁筒体(2)外表的一点上，且位于同一侧的两组所述第一连杆(11)、第二连杆(12)相对于该侧的中心轴轴对称；所述电磁铁用于改变所述第一连杆(11)、第二连杆(12)之间的夹角角度。

2.根据权利要求1所述的基于电容的磁阻式跳跃机构，其特征在于，所述第二连杆(12)的上端部呈“7”字形。

3.根据权利要求1所述的基于电容的磁阻式跳跃机构，其特征在于，还包括伸缩杆(3)；

所述伸缩杆(3)包括外杆(31)和内杆(32)，所述内杆(32)柱状表面设有的外螺纹，与所述外杆(31)内表面设有的内螺纹相匹配，所述内杆(32)固定于基座上，所述外杆(31)固定于所述电磁铁筒体(2)两侧；第一电机转动，通过传动轮传动所述内杆(32)使所述内杆(32)转动，进而使所述内杆(32)相对于所述外杆(31)伸缩。

4.根据权利要求3所述的基于电容的磁阻式跳跃机构，其特征在于，还包括同步轮；

所述同步轮同步两组所述伸缩杆(3)中内杆(32)的旋转。

5.根据权利要求1所述的基于电容的磁阻式跳跃机构，其特征在于，还包括爬行机构(4)；所述爬行机构(4)包括位于左侧的前足(41)、后足(42)和位于右侧的前足(41)和后足(42)；所述爬行机构(4)的左侧结构与右侧结构相同；

所述前足(41)的顶端与第三连杆(43)的一端、曲柄(44)相铰接，第二电机(48)带动所述曲柄(44)转动，所述前足(41)的竖直方向上设有滑槽(45)，限位杆(46)水平贯穿于两根前足(41)的所述滑槽(45)中，并固定于所述基座上；所述第三连杆(43)的另一端与后足(42)的中央部相铰接，所述后足(42)的顶端水平设有限位螺丝(47)，所述限位螺丝(47)铰接固定于所述基座上；

所述第二电机(48)转动时，位于左侧的所述曲柄(44)与位于右侧的所述曲柄(44)错位旋转。

6.根据权利要求5所述的基于电容的磁阻式跳跃机构，其特征在于，靠近所述前足(41)的所述第二连杆(12)的底部包覆有橡胶套。

7.根据权利要求5所述的基于电容的磁阻式跳跃机构，其特征在于，靠近所述后足(42)的所述第二连杆(12)的底部安装有滚轮。

8.根据权利要求3所述的基于电容的磁阻式跳跃机构，其特征在于，所述第一电机设有单刀双掷开关，拨动所述单刀双掷开关，控制所述第一电机正向或反向转动。