专利名称：可自主跳跃式起飞的滑翔机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及弹跳机器人、飞行机器人、无线传感器网络领域，特别涉及一种可自主
跳跃式起飞的滑翔机器人。
背景技术：
移动机器人的发展所要解决的一个突出问题是运动地形适应能力的提升。轮式机器人和履带式机器人在遇到较自身尺寸大的障碍物或沟壑时往往不能顺利通过或者运动精度低。步行和爬行机器人自由度多、控制复杂、运动缓慢，遇到较大障碍物或沟壑时同样无能为力。而跳跃式机器人具有运动范围大、越障能力强和躲避危险快等特点，能够增强机器人的环境适应能力，克服地面崎岖和障碍物阻挡带来的困难。目前的跳跃式机器人还存在跳跃高度低，起跳角度不能调整，不能平稳落地等问题。
发明内容
技术问题本发明所要解决的技术问题在于，克服现有跳跃式机器人的缺陷和不足，设计一种可自主跳跃式起飞的滑翔机器人。 技术方案 一种可自主跳跃式起飞的滑翔机器人，包括机架以及设置在机架上的
弹跳装置、用于驱动弹跳装置的弹跳驱动装置，在所述的机架上还设置有一对滑翔装置以
及一驱动滑翔装置的滑翔驱动装置，所述的滑翔装置包括前面骨架、后面骨架、翅膀以及
开合机构，所述的翅膀固定在前面骨架与后面骨架之间，所述的前面骨架与后面骨架与开
合机构连接，开合机构与所述的滑翔驱动装置连接用于展开所述的翅膀；所述的弹跳装置
包括大腿、大腿辅助腿、小腿以及第一扭力弹簧，所述的大腿的一端与机架连接，另一端与
小腿连接，所述的大腿辅助腿的一端与机架连接，另一端与小腿连接，所述的大腿与机架的
连接端、大腿与小腿的连接端、大腿辅助腿与机架的连接端，大腿辅助腿与小腿的连接端，
四个连接端构成四边形，所述的扭力弹簧的一个力臂与机架固定，另一力臂固定在大腿上；
所述的弹跳驱动装置包括舵机、减速机构以及一凸轮，该凸轮的轮廓线接近圆的渐开线，所
述的凸轮与减速机构的输出轴连接，凸轮的作用面作用在大腿)上。 在所述的大腿辅助腿与小腿连接端设置大腿辅助腿小腿连接件，在大腿与小腿连接端设置大腿小腿连接件，所述的大腿小腿连接件套在所述的小腿上。 在所述的弹跳装置上还设置有起跳角度调节机构，该调节机构包括一螺杆、电机
以及减速齿轮副，所述的螺杆固定在减速齿轮副的输出轴上，在所述的大腿小腿连接件上
设置有螺纹孔，该螺纹孔与螺杆构成螺杆传动。 所述的机架由前端面架子和侧面架子固定组成。 所述的大腿与机架的连接端在机架的侧面架子的底部，所述的大腿辅助腿在机架的前端面架子的底部。 所述的开合机构包括齿轮以及第二扭力弹簧，所述的第二扭力弹簧套在所述的齿轮轴上，其第一力臂固定在机架上，其第二力臂与前面骨架固定连接，所述的前面骨架固定在齿轮上，所述的后面骨架固定在机架上，所述的滑翔驱动装置由第二舵机、翅膀齿轮 一、翅膀齿轮二、翅膀齿轮三以及翅膀齿轮四组成，所述的翅膀齿轮一与翅膀齿轮二啮合， 所述的翅膀齿轮一与第二舵机(521)的输出轴连接，所述的翅膀齿轮三和翅膀齿轮四为扇 形齿轮，且固定在翅膀齿轮二上，所述的翅膀齿轮三和翅膀齿轮三分别与一对所述的齿轮 啮合。 有益效果(1)本发明起跳装置采用扇形凸轮，运用凸轮的急回特性，设计了凸轮 轮廓线，实现了弹性装置的大容量储能和瞬间释放。本发明用舵机经过减速齿轮组减速获 得大扭矩，带动凸轮作用于弹性装置，实现扭簧的压縮储能和瞬间释放，完成弹跳动作，凸 轮轮廓线的合理设计获得了大的弹性势能和高的急回特性。
(2)本发明将跳跃和滑翔相结合，跳跃到最高点展翅滑翔下落。滑翔机构由舵机经
过一级减速和伞状齿轮变向，与翅膀平面的齿轮啮合，带动翅膀张开和收拢，伞状齿轮采用
缺齿的扇形结构，当有齿的部分与翅膀平面的齿轮啮合转动时带动翅膀收拢，当达到缺齿
时翅膀瞬间张开，实现了机器人跳跃到最高点后翅膀的瞬间张开滑翔功能。滑翔可以延长
机器人下落时间和水平移动距离，减缓机器人与地面的撞击，提高落地的稳定性。
(3)本发明起跳角度调节机构使得机器人可以自主调节起跳角度，从而调节弹跳
高度、弹跳距离以及平稳落地，增加了机器人活动的灵活性。
图1是本发明实施例的机器人系统框图。图2是本发明实施例的机器人装配图前侧面图。图3是本发明实施例的机器人装配图后侧面图。图4是本发明实施例的机器人装配图右视图。图5是本发明实施例的机架结构示意图。图6是本发明实施例的弹跳机构示意图。图7是本发明实施例的滑翔机构示意图。图8是本发明实施例的起跳角度调节机构示意图。图9是本发明实施例的驱动机构示意图。图io是本发明的系统总体框图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例，对本发明的工作原理和工作过程作进一步详细说明。
参照图1、图2、图3、图4，一种可自主跳跃式起飞的滑翔机器人由机架1、弹跳机 构2、滑翔机构3、起跳角度调节机构4、驱动机构5、电源装置6和控制装置7组成，其特征 是机架用于安装、固定其他机构和装置；弹跳机构完成机器人站立和弹跳功能；滑翔机构 完成机器人滑翔功能；起跳角度调节机构完成起跳角度调节功能；驱动装置分为弹跳驱动 装置、滑翔驱动装置和起跳角度调节驱动装置三部分，为机器人的弹跳、滑翔以及起跳角度 调节提供驱动力；电源装置提供机器人动作的所有能量；控制装置控制机器人的各个部分 协调动作，完成跳跃、滑翔、起跳角度调节、环境信息采集以及与无线网关无线通信功能。该 机器人采用跳跃加滑翔式运动形式可以克服路面不平整、障碍物、沟壑阻挡的困难，采用无
4线传感器网络通信技术进行远程监测控制，为实现复杂环境的进入和环境信息监测提供了 有力的保障。 参照图5，所述机架1由前端面架子11、侧面架子12用螺丝连接在一起，构成其 他装置的机械安装位置。参照图6，所述弹跳机构由大腿21、大腿辅助腿22、小腿23、轴承 24、扭力弹簧架子25、扭力弹簧26、大腿连接件27、大腿小腿连接件28、大腿辅助腿前端面 架子连接件29、大腿辅助腿小腿连接件210、大腿辅助腿连接件211、铁丝212以及各部分 的轴组成，左、右大腿的上端分别套在左、右大腿轴上构成转动副连接，大腿轴以螺纹方式 固定在两个侧面架子的底端，左、右大腿的下端与小腿由大腿小腿连接件构成转动副连接； 大腿辅助腿上端用连接件构成转动副连接在前端面上，下端固定在大腿辅助腿连接件上， 并与小腿由大腿辅助腿小腿连接件构成转动副连接；小腿一端用连接件与大腿连接，另外 一端留有铁丝空，用铁丝连接在大腿辅助腿小腿连接件上，构成平面转动副；两个轴承由轴 承轴分别固定在大腿顶端的轴承孔部位；扭力弹簧架子是工字型的，工字的两头是方头，外 面带有一段螺杆，方头套在左、右侧面架子上，外面再用螺母固定；四个扭力弹簧并排安装， 左、右外侧的两个扭簧一个力臂分别安装在左、右侧面架子上的扭簧孔里面，另一个力臂分 别安装在左、右大腿的扭簧孔里面，左、右内侧的两个扭簧一个力臂安装在中间扭簧轴架子 上，另外一个力臂分别安装在左、右大腿的扭簧孔里面。参照图7，所述滑翔机构左右完全对 称，由前面骨架31、后面骨架32、翅膀33、扭力弹簧34、齿轮35、齿轮轴36前面骨架扭簧连 接件37、铁丝38组成，后面骨架固定在侧面架子的顶端；前面架子与扭力弹簧的一个力臂 由骨架扭簧连接件连接，并用铁丝固定在齿轮的齿面上；纸质的扇形、折叠状翅膀两直边分 别固定在前面骨架和后面骨架上；扭力弹簧套在齿轮轴上，一个力臂与前面骨架由连接件 连接，另一个力臂固定在侧面架子上的扭簧孔里面；齿轮套在齿轮轴上，齿轮表面与前面骨 架扭簧连接件由铁丝固定成一个整体，便于齿轮带动翅膀张开和收拢；齿轮轴两端分别有 一段螺纹， 一端固定在前端面架子上的螺纹孔中，另一端装配一个螺母，齿轮套在齿轮轴上 的前面架子上端面和螺母之间；整个滑翔机构安装在机器人顶端。参照图8所述起跳角度 调节机构由螺杆4、大腿小腿连接件28、大腿辅助腿小腿连接件210组成，螺杆一端与大腿 小腿连接件螺纹连接，另一端与大腿辅助腿小腿连接件转动连接安装在机器人的底端。参 照图9驱动装置分为弹跳驱动装置、滑翔驱动装置、角度调节驱动装置3部分，弹跳驱动装 置由舵机一 511、减速齿轮一 512、减速齿轮二 513、减速齿轮三架子514、减速齿轮三515、 减速齿轮四516、凸轮517、减速齿轮四凸轮连接件518以及各部分的轴组成，舵机l用螺丝 固定在前面架子上，减速齿轮一用螺丝固定在舵机的舵盘架子上；减速齿轮二轴套在在左、 右端面上的轴孔里面，减速齿轮二套在减速齿轮二轴上，并与减速齿轮一啮合；减速齿轮三 固定架子两端加工成方头并带有一段螺纹，方头套在侧面架子上，外面用螺母固定，减速齿 轮三轴套在在减速齿轮三固定架子上的轴孔里面，减速齿轮三套在减速齿轮三轴上，并与 减速齿轮二的小齿盘啮合；减速齿轮四轴套在左、右侧面架子上的轴孔中，减速齿轮四和左 右两个凸轮套在减速齿轮四轴上，并用5跟凸轮连接件连接，使得凸轮和减速齿轮四成为 一个整体，减速齿轮四与减速齿轮三啮合，滑翔驱动装置由舵机二 521、翅膀齿轮一 522、翅 膀齿轮二 523、翅膀齿轮三524、翅膀齿轮四525、翅膀齿轮二三四架子526以及齿轮轴、连 接件组成，舵机用螺丝固定在前端面上；翅膀齿轮一用螺丝固定在舵机的舵盘架子上；翅 膀齿轮二三四架子用螺丝固定在前端面上，翅膀齿轮二三四轴固定在翅膀齿轮二三四架子上的轴孔上，翅膀齿轮三与翅膀齿轮四用连接件固定为一个整体，并套在翅膀齿轮二三四 轴上，翅膀齿轮二内齿套在翅膀齿轮三的外齿上，翅膀齿轮二外齿与翅膀齿轮一啮合，翅膀 齿轮三、四是截去270°的伞状缺齿齿轮，齿牙与齿面垂直，起跳角度调节驱动装置由电机 531、角度调节减速齿轮一 532、角度调节减速齿轮二 533组成，电机安装在大腿小腿连接件 上的电机安装孔里面；减速齿轮一固定安装在电机轴上；减速齿轮二固定安装在螺杆上， 并与减速齿轮一啮合；参照图2、图3，电源装置是用胶布粘贴在右侧面的3. 7V的聚合物锂 离子电池6 ，正负极线路连接在控制电路板上。参照图2 、图3 ，控制装置由控制电路板71和 传感器板72组成，控制电路板用螺丝固定在扭簧轴架子上；传感器板通过排针安装在控制 电路板上。图IO本发明自主跳跃式机器人控制装置在远程PC的控制下开始驱动机构驱动 弹跳机构、滑翔机构、起跳角度调节机构开始动作，完成起跳角度自动调节、弹跳和滑翔整 个运动，具体过程如下参照图10，机器人、网关以及静止的中继节点装置组成无线传感器 网络，PC与网关用串口连接，PC上的应用程序启动网关，通过无线传感器网络将控制指令 发送到机器人，当网关和机器人的距离在无线通信的单跳距离范围之外时可以通过中继节 点多跳传送指令信息，机器人接收到控制指令后开始启动舵机、电机转动，参照图4，舵机一 在减速齿轮组的工作下带动凸轮逆时针转动，凸轮与大腿顶端的轴承相切，压縮大腿逆时 针转动，同时扭力弹簧压縮，在凸轮转动到最高点时，同时扭力弹簧压縮到最大量，储存了 巨大的弹性势能，当凸轮经过最高点后大腿在扭力弹簧的作用下瞬间顺时针转动，并带动 大腿辅助腿和小腿运动，小腿蹬地，实现机器人的起跳动作，此时没有了大腿的阻挡，凸轮 的阻力扭矩接近于零，舵机一的电流检测芯片反馈此信息给控制处理单元，控制处理单元 控制舵机一转动一定时间，保证大腿的压縮量达到可以使机器人平稳落地的角度后停止转 动；在弹跳机构动作的同时起跳角度调节机构在电机的驱动下，齿轮转动带动螺杆转动，螺 杆的转动又带动大腿小腿连接件平移，调节起跳角度，电机正转时大腿小腿连接件沿着小 腿向前滑动，大腿小腿连接件到小腿后端点的距离增大，两个小腿之间的夹角会增大，这样 起跳角度会减小，而电机反转时大腿小腿连接件沿着小腿向后滑动，大腿小腿连接件到小 腿后端点的距离减小，两个小腿之间的夹角会减小，这样起跳角度会增大，通过控制电机通 电电压的大小和通电时间长短，来控制螺杆的转动圈数，从而控制大腿小腿连接件到小腿 前端点的距离，来完成起跳角度调节；在弹跳动作的同时舵机二带动减速齿轮和伞状齿轮 运动，伞状齿轮带动滑翔机构的两个齿轮转动，由于滑翔机构的两个齿轮和前面骨架是用 铁丝固定为一体的，所以左、右两个前面骨架在齿轮带动下沿着相反的方向运动，从而实现 翅膀的收拢，当收拢到接近90。时舵机二停止转动，此时缺齿翅膀齿轮三、四与滑翔机构的 两个啮合的齿轮还有两个齿牙啮合，当机器人跳跃到接近最高点时，舵机二再开始转动，则 剩下的两个啮合的齿牙会转动到缺齿的部位，此时缺齿翅膀齿轮三、四与滑翔机构齿轮没 有啮合的齿，而翅膀收拢到了 90°的最大量，扭力弹簧也存储了最大的弹性势能，并且由于 没有齿牙啮合而迅速释放，从而实现翅膀的快速张开和滑翔下降功能。
权利要求
一种可自主跳跃式起飞的滑翔机器人，包括机架(1)以及设置在机架(1)上的弹跳装置(2)、用于驱动弹跳装置(2)的弹跳驱动装置(5)，其特征在于在所述的机架(1)上还设置有一对滑翔装置(3)以及一驱动滑翔装置(3)的滑翔驱动装置，所述的滑翔装置包括前面骨架(31)、后面骨架(32)、翅膀(33)以及开合机构，所述的翅膀(33)固定在前面骨架(31)与后面骨架(32)之间，所述的前面骨架(31)与后面骨架(32)与开合机构连接，开合机构与所述的滑翔驱动装置连接用于展开所述的翅膀(33)；所述的弹跳装置(2)包括大腿(21)、大腿辅助腿(22)、小腿(23)以及第一扭力弹簧(26)，所述的大腿(21)的一端与机架(1)连接，另一端与小腿(23)连接，所述的大腿辅助腿(22)的一端与机架(1)连接，另一端与小腿(23)连接，所述的大腿与机架的连接端、大腿与小腿的连接端、大腿辅助腿与机架的连接端，大腿辅助腿与小腿的连接端，四个连接端构成四边形，所述的扭力弹簧的一个力臂与机架(1)固定，另一力臂固定在大腿(21)上；所述的弹跳驱动装置(5)包括舵机、减速机构以及一凸轮，该凸轮的轮廓线接近圆的渐开线，所述的凸轮与减速机构的输出轴连接，凸轮的作用面作用在大腿(21)上。
2. 根据权利要求1所述的一种可自主跳跃式起飞的滑翔机器人，其特征在于在所述 的大腿辅助腿(22)与小腿(23)连接端设置大腿辅助腿小腿连接件(212)，在大腿(21)与 小腿(23)连接端设置大腿小腿连接件(28)，所述的大腿小腿连接件(28)套在所述的小腿 上。
3. 根据权利要求2所述的一种可自主跳跃式起飞的滑翔机器人，其特征在于在所述 的弹簧装置上还设置有起跳角度调节结构(4)，该调节机构(4)包括一螺杆、电机以及减速 齿轮副，所述的螺杆固定在减速齿轮副的输出轴上，在所述的大腿小腿连接件(28)上设置 有螺纹孔，该螺纹孔与螺杆构成螺杆传动。
4. 根据权利要求1所述的一种可自主跳跃式起飞的滑翔机器人，其特征在于所述的 机架(1)由前端面架子(11)和侧面架子(12)固定组成。
5. 根据权利要求4所述的一种可自主跳跃式起飞的滑翔机器人，其特征在于所述的 大腿(21)与机架的连接端在机架的侧面架子(12)的底部，所述的大腿辅助腿(22)在机架 的前端面架子(11)的底部。
6. 根据权利要求1所述的一种可自主跳跃式起飞的滑翔机器人，其特征在于所述的 开合机构包括齿轮(35)以及第二扭力弹簧(34)，所述的第二扭力弹簧(34)套在所述的 齿轮(35)上，其第一力臂固定在机架(1)上，其第二力臂与前面骨架(31)固定连接，所述 的前面骨架(31)固定在齿轮(35)上，所述的后面骨架(32)固定在机架(1)上，所述的滑翔 驱动装置由第二舵机(521)、减翅膀齿轮一 (522)、翅膀齿轮二 (523)、翅膀齿轮三(524)以 及翅膀齿轮四(525)，所述的翅膀齿轮一 (522)与翅膀齿轮二 (523)啮合，所述的翅膀齿轮 一 (522)与第二舵机(521)的输出轴连接，所述的的翅膀齿轮三(524)和翅膀齿轮四(525) 为扇形齿轮，且固定在翅膀齿轮二 (523)上，所述的翅膀齿轮三(524)与所述的齿轮(35) 啮合。
7. 根据权利要求6所述的一种可自主跳跃式起飞的滑翔机器人，其特征在于所述的 翅膀齿轮三(524)以及翅膀齿轮四(525)为伞状齿轮，即齿设置在齿轮的与齿轮轴垂直的 侧面上。
全文摘要
本发明公开了一种可自主跳跃式起飞的滑翔机器人，包括机架以及设置在机架上的弹跳装置、用于驱动弹跳装置的弹跳驱动装置，在所述的机架上还设置有一对滑翔装置以及一驱动滑翔装置的滑翔驱动装置，所述的滑翔装置包括前面骨架、后面骨架、翅膀以及开合机构，所述的翅膀固定在前面骨架与后面骨架之间，所述的前面骨架与后面骨架与开合机构连接，开合机构与所述的滑翔驱动装置连接用于展开所述的翅膀，本发明起跳角度调节机构使得机器人可以自主调节起跳角度，从而调节弹跳高度、弹跳距离以及平稳落地，增加了机器人活动的灵活性。
文档编号B62D57/02GK101734299SQ20091026329
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月18日 优先权日2009年12月18日
发明者宋光明, 宋爱国, 张军 申请人:东南大学