[发明专利]储能可调的齿轮-五杆仿生弹跳机构

说明书

一、技术领域

本发明涉及的是一种弹跳机构，具体地说是一种储能可调的齿轮-五杆仿生弹跳机构。

二、背景技术

轮式移动以及仿生爬行或步行方式的机器人在有障碍的复杂环境下，如星际探索、救援、军事侦察以及反恐等领域中通常无法满足实际需要，而仿生弹跳机器人可以越过数倍甚至数十倍于自身尺寸的障碍物，特别适合于有障碍物的复杂环境。此外在星际探索中，如月球表面的重力加速度大约只有地球表面的1/6，弹跳机器人可充分利用这一特点，完成高效的运动，其在现实生活及科学研究中均有广阔的应用前景。

国外，美国国家航空宇航局与加利福尼亚技术学院联合研制了仿蛙形间歇弹跳机器人，采用对称齿轮-六杆机构和弹簧分别作为弹跳和能量储能装置；日本东京大学设计了一种采用线性弹簧和相互垂直的驱动器作为弹跳装置的弹跳机器人；加拿大航天局设计了一种柱剪式弹跳机器人，该机器人利用形状记忆合金进行储能。国内，南京航空航天大学对各种弹跳方案进行了系统研究，并采用线性弹簧弹跳机构和对称六杆弹跳机构研制了两种样机；哈尔滨工业大学和哈尔滨工程大学分别采用五杆和四杆作为机器人的弹跳机构，后者将四杆弹跳机构运用到仿蝗虫弹跳机器人中，已获国家专利(CN 101058036A)；西北工业大学在开链式仿袋鼠弹跳机器人方面进行了大量的理论研究。以上发明或研究的弹跳机器人，在每次弹跳过程中，弹性储能元件的初始状态相同，并且储能元件在每次储能结束时的形变量也相同，所以这些发明或研究均存在储能大小不可调的问题。

三、发明内容

为克服现有技术中存在的储能大小不可调的缺陷，本发明提出了一种储能可调的仿生弹跳机构。

为实现上述目的，本发明采用杆长可调的齿轮-五杆闭链形式，包括姿态调整机构、能量存储机构和锁定-释放机构，分别实现姿态调整，能量储存和控制起跳的功能。

姿态调整机构包括伺服电机、姿态调整舵机、丝杠、复位弹簧挡块、复位弹簧、深沟球轴承、埋头螺钉、曲柄、摇杆、大锥齿轮和小锥齿轮、传动轴、轴承和一对直齿圆柱齿轮。伺服电机固定安装在躯干一端的端头，并且伺服电机的输出轴轴线平行于躯干的中轴线；伺服电机输出轴经联轴器与丝杠连接；丝杠与联轴器连接端为无螺纹的光杠段，其长度为丝杠长度的1/2；丝杠光杠段的外圆表面上加工有与其轴线平行的导向键槽；丝杠的另一半为螺纹段，螺纹段的端头与躯干有轴承支座安装孔一端的端头对齐；从丝杠的光杠端至螺纹端，依次套装有复位弹簧挡块、复位弹簧、小锥齿轮、丝杠光杠段轴承、螺母和丝杠螺纹段轴承。

曲柄、摇杆、小锥齿轮、深沟球轴承和丝杠的光杠段共同组成曲柄-滑块机构，通过曲柄-滑块机构带动小锥齿轮沿丝杠移动，实现小锥齿轮与大锥齿轮的啮合及分离。小锥齿轮连接套上的螺纹孔垂直于小锥齿轮的轴线，并贯通小锥齿轮连接套的壳体；埋头螺钉贯通小锥齿轮的螺纹孔，伸入到光杠段的导向键槽内，并可在导向键槽内滑动。小锥齿轮连接套外表面以过盈配合的方式与深沟球轴承内圈固连；深沟球轴承外圈与摇杆转轴的一端固连；摇杆转轴的另一端和摇杆输出端铰接。摇杆的输入端与位于摇杆上方的曲柄的输出端铰接；曲柄的输入端与位于曲柄上方、与躯干相垂直的姿态调整舵机的输出轴相连。姿态调整舵机通过舵机支座与躯干固连。

能量储存机构主要包括躯干、伺服电机、联轴器、丝杠、螺母，大腿，小腿，支撑腿、脚平板，支撑腿转轴，大腿转轴，小腿转轴，支撑腿不完全齿轮转轴，小腿不完全齿轮转轴和储能弹簧。支撑腿不完全齿轮转轴和小腿不完全齿轮转轴分别固定安装在位于脚板一端的两个支座上，并通过支撑腿不完全齿轮和小腿不完全齿轮的铰接孔，分别与支撑腿和小腿的铰接；大腿转轴固定在躯干下方并与传动轴平行，其轴线和传动轴的轴线所确定的平面垂直于躯干。大腿与大腿转轴在大腿靠近躯干的一端铰接。大腿和小腿通过小腿转轴连接。螺母位于躯干的螺母导向槽内，并且两者之间滑动配合；支撑轴穿过支承轴孔，以过盈配合的方式与螺母固连，将螺母支撑在躯干平板上。支撑轴的两端以过盈方式安装有滚动轴承。支撑轴通过滚动轴承沿躯干运动，以减小支撑轴与躯干之间的摩擦。

支撑腿转轴位于躯干下方，穿过螺母上的铰接孔，并且支撑腿转轴的中部与铰接孔过盈配合；支撑腿转轴的两端分别与支撑腿远离支撑腿齿轮一端的铰接孔铰接。在躯干上通过安装孔安装有机器人的电控装置，该电控装置位于螺母和丝杠光杠段轴承之间。储能弹簧的两端分别固定在位于支撑腿一端的支撑腿转轴和小腿一端的小腿转轴上。