扇形齿轮式跳跃机器人的制作方法

本发明属于仿生机器人领域，具体涉及一种扇形齿轮式跳跃机器人。

背景技术：

人类目前有较深入研究的主要在动物的运动方面，但是在仿生这个领域还有许多问题值得科学家们去研究。

早在1980年，麻省理工学院的raibert教授曾研究出了全世界第一个能单腿跳跃活动的机器人，之后raibert教授又研究了那种类似袋鼠跳跃的二维跳跃的腿部模型，此后raibert又研制出了一种三维跳跃机构。

美国casewesternreserveuniversity也对仿生机器人进行了研究，然后在1992年发明了通过人工筋作为动力的机械蟋蟀。这种机器人的大腿都采用人工筋制作，这种人工筋是由一种高分子的纤维编制而成，用时只要用压缩机充气即可，使人工筋绷紧和收缩，因此具有弹跳能力，它的动力为压缩空气，运用一种叫做微型角度的传感器来获得外部的消息。

日本的fumitakakikuchi在2003年研究出了一种通过气缸作为驱动的机器人，以气缸作为动力从而实现机器人的跳跃和行走，它的特点就是每条腿的动力都是源于气缸。四连杆机构实现运动，通过实验证明了该机器人的跳跃能力以及落地时的平稳缓冲能力。

现有跳跃机器人的动力源件数量较多，有效动力密度低，且重量较大，跳跃高度和距离较小。因此设计一种单动力源驱动，重量较轻，跳跃距离远且能够连续稳定跳跃的跳跃式机器人十分重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的不足提供一种能够跳跃前进的扇形齿轮式跳跃机器人。

本发明包括机架、前腿跳跃机构、后腿跳跃机构和传动机构。所述的前腿跳跃机构包括前腿轴、前腿动力杆、前腿小弹簧、前腿连接杆、前腿大弹簧和前腿脚掌杆。所述的前腿轴支承在机架上。前腿轴的两端与两根前腿动力杆的内端分别固定；两根前腿动力杆的中部与两根前腿连接杆的一端分别铰接。两根前腿连接杆的另一端与两根前腿脚掌杆的中部分别铰接。所述前腿小弹簧及前腿大弹簧的一端均与前腿动力杆固定，另一端均与前腿脚掌杆固定。

所述的后腿跳跃机构包括后腿轴、后腿动力杆、后腿小弹簧、后腿连接杆、后腿大弹簧和后腿脚掌杆；所述的后腿轴支承在机架上。后腿轴的两端与两根后腿动力杆的内端分别固定；两根后腿动力杆的中部与两根后腿连接杆的一端分别铰接。两根后腿连接杆的另一端与两根后腿脚掌杆的中部分别铰接。所述后腿小弹簧及后腿大弹簧的一端均与后腿动力杆固定，另一端均与后腿脚掌杆固定。

所述的传动机构包括驱动件、拉卷轮、弹簧、齿轮组、第二从动轴、第一从动轴、动力杆组和钢索。第一从动轴与第二从动轴平行设置，且均支承在机架上。所述的齿轮组包括第一扇形齿轮、第二扇形齿轮、第一圆柱齿轮和第二圆柱齿轮。所述的第一扇形齿轮及第二扇形齿轮均固定在第一从动轴上。所述的第一从动轴由驱动件驱动。所述的第一圆柱齿轮及第二圆柱齿轮均固定在第二从动轴上。第一扇形齿轮及第二扇形齿轮对应的圆心角之和小于或等于300°。第一扇形齿轮对应的圆心角在第一扇形齿轮端面上的投影为第一投影角；第二扇形齿轮对应的圆心角在第一扇形齿轮端面上的投影为第二投影角；所述第一投影角与第二投影角的一条射线重合。第一圆柱齿轮与第一扇形齿轮啮合，或第二圆柱齿轮与第二扇形齿轮啮合，或第一圆柱齿轮与第一扇形齿轮不啮合且第二圆柱齿轮与第二扇形齿轮不啮合。所述的拉卷轮固定在第二从动轴上。所述的动力杆组包括第一蓄能杆、第二蓄能杆、第三蓄能杆、第四蓄能杆、前腿传动杆、后腿传动杆、后腿摇杆和前腿摇杆。第三蓄能杆、第四蓄能杆、前腿传动杆及后腿传动杆的一端通过蓄能铰接轴铰接。第三蓄能杆远离蓄能铰接轴的那端与第一蓄能杆的一端通过第一铰接轴铰接。第一蓄能杆的另一端与机架铰接。第四蓄能杆远离蓄能铰接轴的那端与第二蓄能杆的一端通过第二铰接轴铰接。第二蓄能杆的另一端与机架铰接。第一铰接轴与第二铰接轴通过蓄能弹簧连接。前腿传动杆远离蓄能铰接轴的那端与前腿摇杆的一端铰接。前腿摇杆的另一端与前腿轴固定。后腿传动杆远离蓄能铰接轴的那端与后腿摇杆的一端铰接。后腿摇杆的另一端与后腿轴固定。钢索的一端与拉卷轮固定，另一端与蓄能铰接轴固定。

所述前腿小弹簧与前腿大弹簧的劲度系数相等，且前腿小弹簧的自由长度小于前腿大弹簧的自由长度。前腿小弹簧设置在前腿连接杆靠近前腿动力杆内端的一侧。前腿大弹簧设置在前腿连接杆靠近前腿动力杆外端的一侧。

所述后腿小弹簧与后腿大弹簧的劲度系数相等，且后腿小弹簧的自由长度小于后腿大弹簧的自由长度。后腿小弹簧设置在后腿连接杆靠近后腿动力杆内端的一侧。后腿大弹簧设置在后腿连接杆后腿动力杆外端的一侧。

所述的驱动件包括电机、驱动齿轮和从动齿轮；所述的电机固定在机架上；驱动齿轮与电机的输出轴固定；从动齿轮与第一从动轴固定。驱动齿轮与从动齿轮啮合。

所述第一扇形齿轮及第二扇形齿轮对应的圆心角均为120°。

所述的机架上支承有定滑轮；所述的钢索绕过定滑轮。

所述的机架上固定有与驱动件相连的蓄电池。

所述第二圆柱齿轮齿数的1.5倍小于第一圆柱齿轮齿数。

所述的第一扇形齿轮共有两个；两个第一扇形齿轮分别设置在第二扇形齿轮的两端。两个第一扇形齿轮在第二扇形齿轮端面上的投影重合。所述的第一圆柱齿轮共有两个；两个第一圆柱齿轮分别设置在第二圆柱齿轮的两端。两个第一扇形齿轮与两个第一圆柱齿轮分别啮合。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过前腿跳跃机构与后腿跳跃机构协同运作，能够进行稳定持续的跳跃式前进。

2、本发明仅通过一个驱动元件输出的转动即可完成跳跃，结构紧凑，稳定可靠。

3、本发明在两根从动轴上设置有两组齿轮，通过扇形齿轮的配合，使得两根从动轴依次出现大传动比传动、小传动比传动及其各自独立运动三种状态，进而实现了跳跃功能。

4、本发明通过连杆传动，整体重量较小，满足微小型特点。

附图说明

图1是本发明的整体结构立体图；

图2是本发明中前腿跳跃机构的示意图；

图3是本发明中后腿跳跃机构的示意图；

图4是本发明中传动机构的示意图；

图5是本发明中齿轮组的示意图；

图6是本发明中动力杆组的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，扇形齿轮式跳跃机器人，包括机架、前腿跳跃机构、后腿跳跃机构和传动机构。前腿跳跃机构包括前腿轴1、前腿动力杆2、前腿小弹簧3、前腿连接杆4、前腿大弹簧5和前腿脚掌杆6。前腿轴1支承在机架上。前腿轴1的两端与两根前腿动力杆2的内端分别固定；两根前腿动力杆2的中部与两根前腿连接杆4的一端分别铰接。两根前腿连接杆4的另一端与两根前腿脚掌杆6的中部分别铰接。前腿小弹簧3及前腿大弹簧5的一端均与前腿动力杆2固定，另一端均与前腿脚掌杆6固定。前腿小弹簧3与前腿大弹簧5的劲度系数相等，且前腿小弹簧3的自由长度小于前腿大弹簧5的自由长度。前腿小弹簧3设置在前腿连接杆4靠近前腿动力杆2内端的一侧。前腿大弹簧5设置在前腿连接杆4靠近前腿动力杆2外端的一侧。非工作状态下，前腿脚掌杆6底面与机架底面平齐。

如图1和3所示，后腿跳跃机构包括后腿轴7、后腿动力杆8、后腿小弹簧9、后腿连接杆10、后腿大弹簧11和后腿脚掌杆12；后腿轴7支承在机架上。后腿轴7的两端与两根后腿动力杆8的内端分别固定；两根后腿动力杆8的中部与两根后腿连接杆10的一端分别铰接。两根后腿连接杆10的另一端与两根后腿脚掌杆12的中部分别铰接。后腿小弹簧9及后腿大弹簧11的一端均与后腿动力杆8固定，另一端均与后腿脚掌杆12固定。后腿小弹簧9与后腿大弹簧11的劲度系数相等，且后腿小弹簧9的自由长度小于后腿大弹簧11的自由长度。后腿小弹簧9设置在后腿连接杆10靠近后腿动力杆8内端的一侧。后腿大弹簧11设置在后腿连接杆10后腿动力杆8外端的一侧。非工作状态下，后腿脚掌杆12底面与机架底面平齐。

如图1、4、5和6所示，传动机构包括电池固定板13、电机14、拉卷轮15、蓄能弹簧16、定滑轮17、齿轮组、第二从动轴23、第一从动轴24、第二固定轴25、第一固定轴26、动力杆组和钢索36。第一固定轴26与第二固定轴25平行设置，且均固定在机架上。电池固定板13固定在机架上。电池固定板13上固定有电机14及蓄电池；电机14与蓄电池相连；第一从动轴24与第二从动轴23平行设置，且均支承在机架上。齿轮组包括驱动齿轮18、从动齿轮19、第一扇形齿轮20、第二扇形齿轮21、第一圆柱齿轮22和第二圆柱齿轮35。驱动齿轮18与电机14的输出轴固定。从动齿轮19、第二扇形齿轮21及两个第一扇形齿轮20均固定在第一从动轴24上。两个第一扇形齿轮20分别设置在第二扇形齿轮21的两端。两个第一扇形齿轮20在第二扇形齿轮21端面上的投影重合。第二圆柱齿轮35及两个第一圆柱齿轮22均固定在第二从动轴23上。两个第一圆柱齿轮22分别设置在第二圆柱齿轮35的两端。两个第一圆柱齿轮22在第二圆柱齿轮35端面上的投影重合。驱动齿轮18与从动齿轮19啮合。第一扇形齿轮20及第二扇形齿轮21对应的圆心角均为120°。第一扇形齿轮20对应的圆心角在第一扇形齿轮20端面上的投影为第一投影角；两个第二扇形齿轮21对应的圆心角在第一扇形齿轮20端面上的投影为第二投影角；第一投影角与第二投影角的一条射线重合。第一圆柱齿轮22与第一扇形齿轮20啮合，或两个第二圆柱齿轮35与两个第二扇形齿轮21分别啮合，或第一圆柱齿轮22与第一扇形齿轮20不啮合且第二圆柱齿轮35与第二扇形齿轮21不啮合。第二圆柱齿轮35齿数的1.5倍小于第一圆柱齿轮22齿数。拉卷轮15固定在第二从动轴23上。动力杆组包括第一蓄能杆27、第二蓄能杆28、第三蓄能杆29、第四蓄能杆30、前腿传动杆31、后腿传动杆32、后腿摇杆33和前腿摇杆34。第三蓄能杆29、第四蓄能杆30、前腿传动杆31及后腿传动杆32的一端通过蓄能铰接轴铰接。第三蓄能杆29远离蓄能铰接轴的那端与第一蓄能杆27的一端通过第一铰接轴铰接。第一蓄能杆27的另一端与第一固定轴26构成转动副。第四蓄能杆30远离蓄能铰接轴的那端与第二蓄能杆28的一端通过第二铰接轴铰接。第二蓄能杆28的另一端与第二固定轴25构成转动副。第一铰接轴与第二铰接轴通过蓄能弹簧16连接。前腿传动杆31远离蓄能铰接轴的那端与前腿摇杆34的一端铰接。前腿摇杆34的另一端与前腿轴1固定。后腿传动杆32远离蓄能铰接轴的那端与后腿摇杆33的一端铰接。后腿摇杆33的另一端与后腿轴7固定。钢索36的一端与拉卷轮15固定，另一端与蓄能铰接轴固定。定滑轮17支承在机架上；钢索36绕过定滑轮17。

本发明的工作原理如下：

步骤一、电机14转动，驱动齿轮18带动从动齿轮19转动。此时，第二圆柱齿轮35与第二扇形齿轮21啮合，故第二扇形齿轮21带动第二从动轴23转动。第二从动轴23上的拉卷轮15在转动过程中拉动钢索36，蓄能铰接轴在钢索36的拉动下向定滑轮17运动，进而使得蓄能弹簧变形。在蓄能铰接轴的拉动下，前腿摇杆34带动前腿轴1转动，后腿摇杆33带动后腿轴7转动，使得前腿动力杆2及后腿动力杆8均向上翻转。第二扇形齿轮21与第二圆柱齿轮35啮合完毕后，两个第一扇形齿轮20与两个第一圆柱齿轮22分别开始啮合。由于第一扇形齿轮20与第一圆柱齿轮22的传动比小于第二扇形齿轮21与第二圆柱齿轮35的传动比，故第二从动轴23的转速降低。随着蓄能弹簧变形长度的增大，钢索36传递的拉力增大，在第二从动轴23转速不变的情况下，电机所需输出的功率也随之增大；此时降低第二从动轴23的转速，能够减慢钢索36的移动速度，从而降低电机14所需输出的功率，进而保证电机14所需输出功率的相对稳定。

步骤二、第二扇形齿轮21与第二圆柱齿轮35啮合完毕后，前腿动力杆2及后腿动力杆8均在蓄能弹簧的作用下快速向下翻转，前腿脚掌杆6及后腿脚掌杆12撞击地面，为机架提供弹跳力，机架向前跳跃。第二从动轴23也在蓄能弹簧的作用下转动至初始状态。

步骤三、机架落地，第二圆柱齿轮35与第二扇形齿轮21重新开始啮合后，重复步骤一和二。