专利名称：仿蝗虫弹射机理的跳跃机器人的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种跳跃机器人结构，具体说是涉及一种仿蝗虫弹射机理的跳跃机器 人结构。
背景技术：
众所周知，通过千百万年的自然选择和长期进化，自然界中的生物对外界环境产 生了极强的适应性，在运动机理、能量传递、信息交换等方面表现出高度的合理性。仿生学 与机器人学的融合促进了仿生机器人的发展，使其具有较强的地形适应能力和自主运动性 能，因此仿生机器人的研究已成为当前机器人领域的热点，各国的相关科研机构在该方面 取得了 一些积极的研究进展。NASA研制的第二代蛙形跳跃机器人利用单电机实现了机器人跳跃翻身等一系列 动作，提出跳跃机器人最小模型；瑞士洛桑理工大学研制的跳跃机器人，模仿蝗虫腿部跳跃 机理，实现了生物体功能仿生；意大利理工学院和浙江大学合作研制的GRILLO II利用四 杆机构实现腿部运动与利用高速摄像机获取的叶蝉运动轨迹三维信息相一致，提高了跳跃 机器人的弹跳性能。虽然仿生跳跃机器人研究取得了一些积极进展，但该方向在国际上仍处于研究阶 段。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿蝗虫弹射机理的跳跃机器人，根据蝗虫后腿弹射杠 杆效应，利用杠杆配合弹簧结构进行后腿关节的弹性储能；通过电机、丝杠及丝杠螺母、楔 形块结构结合腿部转动杆件达到弹射。本发明所采用的技术方案是
本发明包括机体、与机体前端连接的前腿和与机体后端连接的后腿机构；其中
1)机体包括电机，减速器，联轴器，传动丝杠，光杠支撑座，丝杠螺母，传动光杠，滚动 轴承，支撑杆固定螺钉，双支撑杆，压缩块伸出杆，压缩块，丝杠螺母上滚轮和丝杠螺母上端 两拨杆；在机体下板的一端下表面安装前腿，机体下板的一端上表面安装电机，电机通过减 速器和联轴器与传动丝杠的一端相连，机体下板的另一端上表面垂直安装机体后板，传动 丝杠的另一端安装在机体后板下端的滚动轴承孔中；丝杠螺母与传动丝杠构成螺旋副，丝 杠螺母下端与安装在机体下板的传动光杠中，能沿传动光杠滑动，丝杠螺母沿径向的上端 有两根拨杆；机体后板上端安装有与机体下板平行的、并朝向电机方向的机体上板，位于机 体上板下部的双支撑杆的一端与机体后板连接，双支撑杆的另一端与机体前板连接；压缩 块的两个孔与双支撑杆构成滑动配合，压缩块能够与安装在机体后板上的弹簧相离合；
2)后腿机构包括连接弹簧支架，弹簧组，倒U形后腿，连接杆件，弹簧压板，压缩块中 的弹簧、压缩块上滚轮，第一楔形块，第一楔形块上滚轮，第二楔形块和后腿动力传动杆；倒 U形后腿跨接在机体上板两侧，机体上板两侧面分别安装连接杆件，两根连接杆件的一端与机体上板固定，另一端与倒U形后腿中部铰接，机体上板上表面安装连接弹簧支架，弹簧支 架与倒U形后腿的顶部杆之间以弹簧组连接，压缩块内部开有阶梯形方孔，阶梯形方孔中 安装第一楔形块，压缩块两侧面分别安装伸出杆，每根伸出杆上分别安装压缩块上滚轮，第 一楔形块下端安装压缩块上滚轮；第二楔形块安装在机体后板中部，其上表面与安装在丝 杠上的丝杠螺母上端两拨杆上表面高度相同，压缩块下表面高于第二楔形块上表面，丝杠 螺母上端两拨杆中间的宽度大于第二楔形块的宽度并且小于第一楔形块的宽度，第一楔形 块底端的高度介于第二楔形块上下表面之间。所述的压缩块内部开有阶梯形方孔，第一阶孔尺寸与第一楔形块下端相同，第二 阶孔尺寸与第一楔形块上端相同，第三阶孔尺寸与弹簧压板尺寸相同，第一楔形块安装在 第一阶孔中，第一楔形块上表面安装两个弹簧，弹簧压板通过螺钉联接固定在第三阶孔中， 从而使第一楔形块和压缩块中的弹簧嵌入压缩块中，用螺钉将弹簧压板固定在压缩块上， 保证第一楔形块作上下移动。所述的第一楔形块的横向长度大于丝杠螺母上两拨杆之间的横向距离，丝杠螺 母上两拨杆间横向距离大于第二楔形块的横向距离，从而能保证丝杠螺母在第二楔形块中 移动，而第一楔形块随压缩块弹回。本发明具有的有益效果是
(1)前腿采用减振弹片，用于实现落地的缓冲吸振功能。( 采用丝杠传动，可以获得较大的轴向力，用较少的零部件实现弹跳，失效率低。(3)触发装置中采用2个楔形块的几何形状配合第一楔形块的移动完成压缩块的 弹回，触发方式简单可靠。(4)本机构将电机及减速器置于机体下方，从而降低了机体的重心，提高了机体 的稳定性能。(5)机体的后板与压缩块之间的弹簧在触发过程中作用于压缩块的推力使压缩块 实现快速释放，从而减少对腿部运动的影响。本发明可以作为探测仪器的运动载体，通过添加传感器及控制电路板，可以实现 该机构的远程控制，从而可将该机构应用于地震救灾、环境监测、科学研究、航天军事等领 域。
图1是本发明的总体结构示意图。 图2是本发明的外形框架示意图。 图3是本发明的动力传动机构示意图。 图4是本发明的双支撑杆与压缩块装配关系图。 图5是本发明的丝杠螺母结构示意图。 图6是本发明的压缩块总成示意图。 图7是本发明的压缩块总成爆炸图。 图8是本发明的压缩块内部结构示意图。 图9是本发明的腿部结构示意图。 图10是本发明触发装置示意图。
图11是本发明的总体左视图。图12是本发明的丝杠螺母上两杆与两楔形块尺寸关系图。图中100、机体上板，101、机体后板，102、机体下板，103、前腿，104、机体前板， 201、电机，202、减速器，203、联轴器，204、传动丝杠，205、光杠支撑座，206、丝杠螺母，207、 传动光杠，208、滚动轴承，209、支撑杆固定螺钉，210、双支撑杆，211、压缩块伸出杆，212、压 缩块，213、丝杠螺母上滚轮，214、丝杠螺母上端两杆，301、连接弹簧支架，302、弹簧组，303、 倒U形后腿，304、连接杆件，305、弹簧压板，306、压缩块中的弹簧，307、压缩块上滚轮，308、 第一楔形块，309、第一楔形块上滚轮，310、弹簧，311、第二楔形块，312、后腿动力传动杆。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本发明包括机体、与机体前端连接的前腿和与机体后端连接的后腿机构。如图1、图2、图3、图4、图5、图10、图11、图12所示，机体包括电机201，减速 器202，联轴器203，传动丝杠204，光杠支撑座205，丝杠螺母206，传动光杠207，滚动轴承 208，支撑杆固定螺钉209，双支撑杆210，压缩块伸出杆211，压缩块212，丝杠螺母上滚轮 213和丝杠螺母上端两拨杆214 ；在机体下板102的一端下表面安装前腿103，机体下板102 的一端上表面安装电机201，电机201通过减速器202和联轴器203与传动丝杠204的一 端相连，机体下板102的另一端上表面垂直安装机体后板101，传动丝杠204的另一端安装 在机体后板101下端的滚动轴承孔208中；丝杠螺母206与传动丝杠204构成螺旋副，丝杠 螺母206下端与安装在机体下板102的传动光杠207中，能沿传动光杠207滑动，丝杠螺母 206沿径向的上端有两根拨杆214 ；机体后板(101)上端安装有与机体下板102平行的、并 朝向电机201方向的机体上板100，位于机体上板100下部的双支撑杆210的一端与机体后 板101连接，双支撑杆210的另一端与机体前板104连接；压缩块212的两个孔与双支撑 杆210构成滑动配合，压缩块212能够与安装在机体后板101上的弹簧310相离合。如图1、图2、图9、图11所示，后腿机构包括连接弹簧支架301，弹簧组302，倒U 形后腿303，连接后腿与机体的连接杆件304，位于压缩块上部的弹簧压板305，压缩块中的 弹簧306，压缩块上滚轮307，第一楔形块308，第一楔形块上滚轮309，位于后板和压缩块 之间的弹簧310，第二楔形块311和后腿动力传动杆312。其中
如图1、图2、图3、图4、图8、图11、图12所示，倒U形后腿303跨接在机体上板100两 侧，机体上板100两侧面分别安装两根连接杆件304，两根连接杆件304的一端与机体上板 100固定，另一端与倒U形后腿303中部铰接，机体上板100上表面安装连接弹簧支架301， 弹簧支架301与倒U形后腿303的顶部杆之间以弹簧组301连接，压缩块212内部开有阶 梯形方孔，阶梯形方孔中安装第一楔形块308，压缩块212两侧面分别安装伸出杆211，每根 伸出杆上分别安装压缩块上滚轮307，第一楔形块308下端安装压缩块上滚轮309 ；第二楔 形块311安装在机体后板101中部，其上表面与安装在丝杠上的丝杠螺母206上端两拨杆 214上表面高度相同，压缩块212下表面高于第二楔形块311上表面，丝杠螺母206上端两 拨杆214中间的宽度大于第二楔形块311的宽度并且小于第一楔形块308的宽度，第一楔 形块308底端的高度介于第二楔形块311上下表面之间。如图6、图7、图8、图12所示，所述的压缩块212内部开有阶梯形方孔，第一阶孔尺
5寸与第一楔形块308下端相同，第二阶孔尺寸与第一楔形块308上端相同，第三阶孔尺寸 与弹簧压板305尺寸相同，并且在第二阶孔与第三阶孔的表面处攻有四个螺纹孔，第一楔 形块308安装在第一阶孔中，第一楔形块308上表面安装两个弹簧306，弹簧压板305通 过螺钉联接固定在第三阶孔中，从而使第一楔形块308和压缩块中的弹簧306嵌入压缩块 212中，用螺钉将弹簧压板305固定在压缩块212上，保证第一楔形块308作上下移动。如图11、图12所示，所述的第一楔形块308的横向长度大于丝杠螺母206上两拨 杆之间的横向距离，丝杠螺母206上两拨杆间横向距离大于第二楔形块311的横向距离， 从而能保证丝杠螺母206在第二楔形块311中移动，而第一楔形块308随压缩块212弹回。本发明的具体实施例如下
本发明包括机体、与机体前端连接的前腿和与机体后端连接的后腿机构，在机体的中 部安装有实现压缩功能的动力传输装置；在机体的后部安装有实现储能和触发功能的储能 触发装置。如图1、如图2、图9和图10所示，本跳跃机器人的机体上板100前端钻有通孔， 通过螺栓连接与机体前板104连接，机体上板100后端钻有通孔，通过螺栓与机体后板101 连接，机体后板101下端钻有通孔，与机体下板102通过螺栓连接，机体上板100左右两侧 钻有4个通孔，通过螺栓与弹簧支架301连接，机体上板100两侧面通过螺栓与连接杆件 304连接，压缩块212的支撑杆一端通过自身的端部突起与后板定位，另一端攻有螺纹孔， 通过支撑杆固定螺钉209与机体前板104固定，从而构成本跳跃机器人的整体框架。机体下板102前端安装电机201，此处电机采用直流电机，电机由PIC系列单片机 及其扩展电机驱动芯片ULN2003驱动，由单片机控制直流电机的正反转及其转速。减速器 202为电机自带减速器，减速器202的输出轴与传动丝杠204采用联轴器203联接，传动光 杠207在传动丝杠204下部，端部由支撑座205支撑，丝杠螺母206为自制非标准螺母，其 上含有与传动丝杠204配合的螺纹孔和与传动光杠207配合的通孔，传动丝杠右端通过滚 动轴承208固定于后板101，后板安装轴承孔为阶梯孔，来使滚动轴承208轴向定位，滚动轴 承208左端由丝杠204轴肩定位。如图3、图4和图6所示，压缩块212内部开有长方形阶梯槽，第一楔形块装入槽 内，第一楔形块下面由阶梯形槽卡住，上面安装弹簧306，压缩块212的阶梯槽内攻有螺纹 孔，弹簧压板305开有四个通孔，通过螺钉与压缩块212固定，从而保证第一楔形块可以在 压缩块212中上下移动。压缩块212前面开有通孔，双支撑杆210穿过通孔起支撑压缩块 212的作用，为保证触发快捷，压缩块我们采用塑料制成，并且在后板处安装有弹簧310，机 体后板101安装第二楔形块311，与压缩块212中的第一楔形块308共同完成触发功能。本发明中以PIC系列的单片机及其扩展电路及电源装置作为配重安装在机体后 部，并封装起来，防止灰尘侵入。本发明的工作原理如下
本文实例中，电机201正转带动传动丝杠204转动，从而使丝杠螺母206向前推进，推 动压缩块212沿后板方向移动，压缩块伸出杆211压缩倒U形后腿303转动，使储能弹簧组 302拉伸，实现储能。在本实例中，弹簧组302拉伸后，电机201继续正转，压缩块212继续沿机体后板 101方向移动，此时第一楔形块308与第二楔形块311接触，第一楔形块308向上移动，当第 一楔形块308完全位于第二楔形块311和丝杠螺母206伸出杆的上部时，第一楔形块308被压缩到压缩块212的内部，第二楔形块311嵌入丝杠螺母的伸出杆中，压缩块212在弹簧 310的作用下弹回，此时储能弹簧组302释放能量，驱动后腿303转动实现跳跃。
在本实例中，电机201反转，带动传动丝杠204反转，从而使丝杠螺母206返回，此 时压缩块212中的第一楔形块308由于受到压缩块212内部压缩块中的弹簧306的作用恢 复起始状态，丝杠螺母206伸出杆上的丝杠螺母上滚轮213与第一楔形块308接触，压缩压 缩块212向机体前板104方向移动，直到压缩块212与机体前板104接触，此时，第一楔形 块308由于受到丝杠螺母206伸出杆上滚轮213的作用被压缩到压缩块212的内部，从而 使丝杠螺母206回到压缩块212的左端，完成复位。
权利要求
1.一种仿蝗虫弹射机理的跳跃机器人，其特征在于包括机体、与机体前端连接的前 腿和与机体后端连接的后腿机构；其中1)机体包括电机001)，减速器002)，联轴器003)，传动丝杠(204)，光杠支撑座 O05)，丝杠螺母O06)，传动光杠O07)，滚动轴承O08)，支撑杆固定螺钉O09)，双支撑杆 010)，压缩块伸出杆011)，压缩块012)，丝杠螺母上滚轮013)和丝杠螺母上端两拨杆 (214)；在机体下板(10 的一端下表面安装前腿(103)，机体下板(10 的一端上表面安 装电机001)，电机O01)通过减速器(20 和联轴器Q03)与传动丝杠O04)的一端相 连，机体下板(102)的另一端上表面垂直安装机体后板(101)，传动丝杠(204)的另一端安 装在机体后板(101)下端的滚动轴承孔O08)中；丝杠螺母Q06)与传动丝杠(204)构成 螺旋副，丝杠螺母(206)下端与安装在机体下板(10 的传动光杠(207)中，能沿传动光杠 (207)滑动，丝杠螺母(206)沿径向的上端有两根拨杆014)；机体后板(101)上端安装有 与机体下板(102)平行的、并朝向电机O01)方向的机体上板(100)，位于机体上板(100) 下部的双支撑杆O10)的一端与机体后板(101)连接，双支撑杆O10)的另一端与机体前 板(104)连接；压缩块012)的两个孔与双支撑杆OlO)构成滑动配合，压缩块012)能 够与安装在机体后板(101)上的弹簧(310)相离合；2)后腿机构包括连接弹簧支架(301)，弹簧组(302)，倒U形后腿(303)，连接杆件 (304)，弹簧压板(305)，压缩块中的弹簧(306)、压缩块上滚轮(307)，第一楔形块(308)，第 一楔形块上滚轮(309)，第二楔形块(311)和后腿动力传动杆(312)；倒U形后腿(303)跨 接在机体上板(100)两侧，机体上板(100)两侧面分别安装连接杆件，两根连接杆件的一端 与机体上板(100)固定，另一端与倒U形后腿(303)中部铰接，机体上板(100)上表面安装 连接弹簧支架(301)，弹簧支架(301)与倒U形后腿(30 的顶部杆之间以弹簧组(301)连 接，压缩块012)内部开有阶梯形方孔，阶梯形方孔中安装第一楔形块(308)，压缩块(212) 两侧面分别安装伸出杆，每根伸出杆上分别安装压缩块上滚轮，第一楔形块(308)下端安 装压缩块上滚轮(309)；第二楔形块(311)安装在机体后板(101)中部，其上表面与安装 在丝杠上的丝杠螺母(206)上端两拨杆(214)上表面高度相同，压缩块(21 下表面高于 第二楔形块(311)上表面，丝杠螺母(206)上端两拨杆014)中间的宽度大于第二楔形块 (311)的宽度并且小于第一楔形块(308)的宽度，第一楔形块(308)底端的高度介于第二 楔形块(311)上下表面之间。
2.根据权利要求1所述的一种仿蝗虫弹射机理的跳跃机器人，其特征在于所述的压 缩块012)内部开有阶梯形方孔，第一阶孔尺寸与第一楔形块(308)下端相同，第二阶孔尺 寸与第一楔形块(308)上端相同，第三阶孔尺寸与弹簧压板(305)尺寸相同，第一楔形块 (308)安装在第一阶孔中，第一楔形块(308)上表面安装两个弹簧(306)，弹簧压板(305) 通过螺钉联接固定在第三阶孔中，从而使第一楔形块(308)和压缩块中的弹簧(306)嵌入 压缩块012)中，用螺钉将弹簧压板(305)固定在压缩块(21 上，保证第一楔形块(308) 作上下移动。
3.根据权利要求2所述的仿蝗虫弹射机理的跳跃机器人，其特征在于所述的第一楔 形块(308)的横向长度大于丝杠螺母(206)上两拨杆之间的横向距离，丝杠螺母(206)上 两拨杆间横向距离大于第二楔形块(311)的横向距离，从而能保证丝杠螺母(206)在第二 楔形块(311)中移动，而第一楔形块(308)随压缩块012)弹回。
全文摘要
本发明公开了一种仿蝗虫弹射机理的跳跃机器人。包括机体、与机体前端连接的前腿和与机体后端连接的后腿机构。机体包括电机，减速器，联轴器，传动丝杠，光杠支撑座，丝杠螺母，传动光杠，滚动轴承，支撑杆固定螺钉，双支撑杆，压缩块伸出杆，压缩块，丝杠螺母上滚轮和丝杠螺母上端两拨杆；后腿机构包括连接弹簧支架，弹簧组，倒U形后腿，连接杆件，弹簧压板，压缩块中的弹簧、压缩块上滚轮，第一楔形块，第一楔形块上滚轮，第二楔形块和后腿动力传动杆。通过压缩块使压缩装置能够完成自动触发的功能，并且在压缩块与后板之间设有弹簧，实现快速释放的功能。本发明作为探测仪器的运动载体，通过添加传感器及控制电路板，实现该机构的远程控制。
文档编号B62D57/04GK102092431SQ20111003097
公开日2011年6月15日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者倪虹, 梅德庆, 甄永乾, 陈子辰 申请人:浙江大学