專利名稱：一種連續(xù)跳躍的彈跳機(jī)器人的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及彈跳機(jī)器人，特別涉及一種具有連續(xù)跳躍功能的彈跳機(jī)器人，屬于傳感器和自動(dòng)控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
移動(dòng)機(jī)器人發(fā)展所要解決的一個(gè)突出問題是運(yùn)動(dòng)地形適應(yīng)能力的提升。輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人在遇到較自身尺寸大的障礙物或溝壑時(shí)往往不能順利通過或者運(yùn)動(dòng)效率低；步行和爬行機(jī)器人自由度多、控制復(fù)雜、運(yùn)動(dòng)緩慢，遇到較大障礙物或溝壑時(shí)同樣無能為力；彈跳機(jī)器人具有運(yùn)動(dòng)范圍大、越障能力強(qiáng)和躲避危險(xiǎn)快等特點(diǎn)，能夠增強(qiáng)機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)能力，克服地面崎嶇和障礙物阻擋帶來的困難，但仍存在技術(shù)缺陷。目前對(duì)彈跳機(jī)器人的研究除了使用不同的工作原理提高彈跳高度外，主要集中在如何能夠使機(jī)器人能夠連續(xù)跳躍運(yùn)動(dòng)。這就涉及到機(jī)器人的落地自復(fù)位、調(diào)節(jié)起跳方向和起跳角度。本申請(qǐng)人的發(fā)明專利20091(^63292. 7中介紹了一種具有彈跳運(yùn)動(dòng)功能的機(jī)器人，但是其不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)跳躍功能，同時(shí)其彈跳機(jī)構(gòu)使用兩個(gè)凸輪驅(qū)動(dòng)兩個(gè)大腿動(dòng)作，這對(duì)機(jī)器人零件的加工精度和安裝要求都比較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種具有連續(xù)跳躍功能的彈跳機(jī)器人。在傳感器模塊、控制模塊和電源模塊的配合下，該機(jī)器人使用一個(gè)彈跳機(jī)構(gòu)完成彈跳功能；使用另一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)完成落地自復(fù)位、起跳方向和角度調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的連續(xù)跳躍運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
一種連續(xù)跳躍的彈跳機(jī)器人，其特征在于包括機(jī)架、彈跳機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傳感控制模塊和電池，機(jī)架用于安裝固定彈跳機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傳感控制模塊和電池；彈跳機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)彈跳機(jī)器人的站立和彈跳；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于彈跳機(jī)器人落地跌倒后自復(fù)位和起跳方向及角度的調(diào)節(jié)；傳感控制模塊感知彈跳機(jī)器人的姿態(tài)、朝向以及彈跳機(jī)構(gòu)中凸輪和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中桿腿的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，控制彈跳機(jī)器人的動(dòng)作并與遠(yuǎn)程遠(yuǎn)程終端無線通信，上傳傳感器數(shù)據(jù)和接收遠(yuǎn)程終端的命令，同時(shí)顯示彈跳機(jī)器人的工作狀態(tài)；電池為彈跳機(jī)器人提供電能；其中
機(jī)架包括前端面、左端面、右端面和骨架，左、右端面固定在前端面兩側(cè)，骨架固定在左、右端面之間；
彈跳機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)、電機(jī)架、減速齒輪組、凸輪、軸承、大腿、扭力彈簧、小腿和大腿輔助腿；直流電機(jī)通過電機(jī)架固定在前端面內(nèi)側(cè)，直流電機(jī)的輸出軸上設(shè)有齒輪，該齒輪與減速齒輪組依次嚙合傳動(dòng)連接，減速齒輪組的末級(jí)齒輪與凸輪同軸；設(shè)置一置于機(jī)架左、右端面之間的大腿，大腿的頂端設(shè)置一軸承，該軸承外環(huán)與凸輪外輪廓相切，在機(jī)架的左、右端面之間固定連接一支軸，該支軸穿過大腿上部設(shè)置的鉸支孔構(gòu)成鉸支連接，支軸上設(shè)有扭力彈簧，扭力彈簧的一個(gè)力臂抵壓在大腿上，另外一個(gè)力臂抵壓在機(jī)架上，大腿的末端分叉，分別與兩根平置于地面、呈“八”字形的小腿鉸支連接，兩根小腿前端連接在一起，設(shè)置一大腿輔助腿，其兩端分別與機(jī)架前端面及兩根小腿的前端鉸支連接，凸輪表面設(shè)有黑白相間的碼盤標(biāo)記；
調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)、電機(jī)架、桿腿和配重，直流電機(jī)通過電機(jī)架固定在前端面外側(cè)并位于機(jī)架左、右端面之間的中點(diǎn)，直流電機(jī)輸出軸與前端面垂直，桿腿的上端與電機(jī)輸出軸固定連接，配重固定在桿腿的下部，桿腿的長度不小于直流電機(jī)輸出軸距離地面的高度， 桿腿上設(shè)有黑白相間的傳感標(biāo)記；
傳感控制電路模塊包括穩(wěn)壓單元、狀態(tài)指示單元、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、無線通信單元、控制處理單元、三軸加速度傳感器、指南針傳感器和兩個(gè)紅外傳感器；穩(wěn)壓單元、狀態(tài)指示單元、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、無線通信單元和控制處理單元集成在一個(gè)電路板上，安裝在左端面內(nèi)側(cè)，三軸加速度傳感器和指南針傳感器集成在另一個(gè)電路板上，安裝在小腿和大腿輔助腿的連接處，檢測(cè)機(jī)器人的加速度，加速度數(shù)據(jù)通過控制單元的處理器處理得到機(jī)器人的姿態(tài)角，從而可以辨別機(jī)器人站立、向左側(cè)跌倒、向右側(cè)跌倒以及向前側(cè)跌倒等狀態(tài)；指南針傳感器可以檢測(cè)機(jī)器人當(dāng)前的朝向；一個(gè)紅外傳感器安裝在機(jī)架左端面上，朝向正對(duì)凸輪表明粘貼的黑白相間的碼盤，通過控制處理單元計(jì)算紅外傳感器的數(shù)據(jù)，從而可以得到凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的位置；另外一個(gè)紅外傳感器安裝在機(jī)器人右端面頂端，其位置在機(jī)器人左右對(duì)稱面上，通過桿腿上黑白相間的傳感標(biāo)記檢測(cè)桿腿的擺動(dòng)，當(dāng)需要桿腿回到默認(rèn)位置時(shí)，該紅外傳感器可以用于檢測(cè)桿腿擺動(dòng)到指向機(jī)器人正上方的位置；穩(wěn)壓單元為傳感控制電路模塊提供電源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元在控制處理單元的控制下，驅(qū)動(dòng)彈跳機(jī)構(gòu)及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，狀態(tài)指示單元可以顯示機(jī)器人當(dāng)前的工作和無線通信狀態(tài)，無線通信單元可以與遠(yuǎn)程終端進(jìn)行無線通信，上傳傳感器數(shù)據(jù)和接收控制命令，控制處理單元可以控制直流電機(jī)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)彈跳機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人連續(xù)運(yùn)動(dòng)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果
(1)本發(fā)明使用一個(gè)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)配合傳感器檢測(cè)機(jī)器人姿態(tài)及控制器控制電機(jī)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了自復(fù)位、起跳方向調(diào)節(jié)和起跳角度調(diào)節(jié)三種功能，具有機(jī)構(gòu)簡單，節(jié)省能量的優(yōu)點(diǎn)。(2)本發(fā)明的自復(fù)位是主動(dòng)式自復(fù)位，沒有使用類似不倒翁的被動(dòng)式自復(fù)位方法， 因此具有更強(qiáng)的主動(dòng)性和健壯性。(3)本發(fā)明的起跳方向和起跳角度調(diào)節(jié)方法可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的彈跳方向、高度和距離可控，機(jī)器人可以根據(jù)障礙物的高度使用不同的起跳角度，達(dá)到優(yōu)化運(yùn)動(dòng)和節(jié)省能量的效果。(4)本發(fā)明的自復(fù)位、起跳方向調(diào)節(jié)和起跳角度調(diào)節(jié)為彈跳機(jī)器人的連續(xù)運(yùn)動(dòng)提供了有力保障，為彈跳機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了新的思路，為加快彈跳機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用打下了部分基礎(chǔ)。


圖1是本發(fā)明彈跳機(jī)器人結(jié)構(gòu)框圖2是本發(fā)明彈跳機(jī)器人總體裝配圖(左前視圖)； 圖3是本發(fā)明彈跳機(jī)器人總體裝配圖(右后視圖)； 圖4是本發(fā)明彈跳機(jī)器人總體裝配圖(右視圖)； 圖5是本發(fā)明彈跳機(jī)器人總體裝配圖(左視圖)；圖6是本發(fā)明彈跳機(jī)器人的機(jī)架結(jié)構(gòu)示意圖7是本發(fā)明彈跳機(jī)器人的彈跳機(jī)構(gòu)示意圖8是本發(fā)明彈跳機(jī)器人的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖9是本發(fā)明彈跳機(jī)器人的自復(fù)位工作過程示意圖10是本發(fā)明彈跳機(jī)器人的起跳方向調(diào)節(jié)工作過程示意圖-1 ；
圖11是本發(fā)明彈跳機(jī)器人的起跳方向調(diào)節(jié)工作過程示意圖-2 ；
圖12是本發(fā)明彈跳機(jī)器人的起跳角度調(diào)節(jié)工作過程示意圖_3。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方案作進(jìn)一步詳細(xì)說明。參看圖1，本發(fā)明彈跳機(jī)器人包括機(jī)架1、彈跳機(jī)構(gòu)2、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3、傳感控制電路模塊4和電池5。其中，傳感控制電路模塊4包括穩(wěn)壓單元4-1、狀態(tài)指示單元4-2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元4-3、控制處理單元4-4、無線通信單元4-5、三軸加速度傳感器4-6、指南針傳感器4-7、 紅外傳感器4-8和紅外傳感器4-9。參看圖6，機(jī)架1包括前端面1-1、左端面1-2、右端面1-3和骨架1_4。左、右端面使用螺絲固定在前端面上；骨架鉚接在左、右端面之間，同時(shí)使用螺母固定在左、右端面上。參看圖2-7，彈跳機(jī)構(gòu)2包括彈跳直流電機(jī)2-1、彈跳直流電機(jī)架2_2、初級(jí)減速齒輪2-3、二級(jí)減速大齒輪2-4、二級(jí)減速小齒輪2-5、三級(jí)減速大齒輪2-6、三級(jí)減速小齒輪 2-7、四級(jí)減速齒輪2-8、凸輪2-9、凸輪碼盤2-10、軸承2_11、四根扭力彈簧2_12、扭力彈簧骨架2-13、大腿2-14、大腿小腿連接件2-15、小腿2_16、大腿輔助腿2_18、小腿大腿輔助腿連接件2-17和大腿輔助腿機(jī)架連接件2-19。彈跳直流電機(jī)架2-2使用螺絲固定在前端面
1-1上；彈跳直流電機(jī)2-1使用螺絲固定在彈跳直流電機(jī)架2-2上，其電源線通過排線與傳感控制模塊4連接；初級(jí)減速齒輪2-3使用螺絲固定在具有鍵槽的彈跳直流電機(jī)2-1輸出軸上，二級(jí)減速大齒輪2-4和二級(jí)減速小齒輪2-5同軸固結(jié)在一起，并通過齒輪軸安裝在右端面1-3上；三級(jí)減速大齒輪2-6和三級(jí)減速小齒輪2-7同軸固結(jié)在一起，并通過齒輪軸安裝在右端面1-3上；四級(jí)減速齒輪2-8和凸輪2-9同軸使用螺母固定在一起，并通過軸安裝在左、右端面之間；凸輪碼盤2-10貼在凸輪2-9的左側(cè)面上；軸承2-11通過軸安裝在大腿
2-14頂端，與凸輪2-9外輪廓面相切；扭力彈簧骨架2-13套在左、右端面的內(nèi)側(cè)；大腿2_14 套裝在左、右扭力彈簧骨架2-13之間，大腿可以在豎直平面內(nèi)繞鉸支軸擺動(dòng)；四根扭力彈簧2-12套在扭力彈簧骨架2-13上，中間兩個(gè)扭力彈簧的一個(gè)力臂安裝大腿上，另外一個(gè)力臂安裝在骨架1-4上，兩邊的兩個(gè)扭力彈簧的一個(gè)力臂安裝大腿上，另外一個(gè)力臂分別安裝在兩側(cè)端面上；兩條小腿2-16與大腿2-14之間通過大腿小腿連接件2-15鉸支連接，使大腿2-14底端可以在豎直平面內(nèi)擺動(dòng)。小腿2-16的另外一端與大腿輔助腿2-18的底端通過小腿大腿輔助腿連接件2-17鉸支連接，小腿2-16固定在小腿大腿輔助腿連接件2-17 上，而大腿輔助腿可以在豎直平面內(nèi)擺動(dòng)，大腿輔助腿2-18上端通過大腿輔助腿機(jī)架連接件2-19與前端面鉸支連接，可以在豎直平面內(nèi)擺動(dòng)。兩條小腿2-16組成機(jī)器人與地面接觸三角形的兩條邊。大腿2-6、小腿2-8、大腿輔助腿2-9及機(jī)架構(gòu)成一個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)，可以在豎直平面內(nèi)擺動(dòng)。隨著四連桿機(jī)構(gòu)在豎直平面內(nèi)擺動(dòng)，扭力彈簧2-12存儲(chǔ)和釋放彈性勢(shì)能。在扭力彈簧2-12能量存儲(chǔ)過程中，彈跳直流電機(jī)2-1通過減速齒輪組減速后驅(qū)動(dòng)凸輪，凸輪的驅(qū)動(dòng)力作用在軸承上，從而驅(qū)動(dòng)大腿擺動(dòng)，扭力彈簧壓縮存儲(chǔ)彈性勢(shì)能，在凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)越過缺口處的臨界點(diǎn)后，扭力彈簧里面的彈性勢(shì)能快速釋放，驅(qū)動(dòng)大腿急速彈回，驅(qū)動(dòng)小腿蹬地跳躍而起，從而實(shí)現(xiàn)跳躍功能。凸輪碼盤是用紙制作的黑白相間的斑紋做成的，貼在凸輪的左側(cè)面上，紅外傳感器檢測(cè)到斑紋的黑白變化從而檢測(cè)凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。參看圖8及圖2-6，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3包括調(diào)節(jié)直流電機(jī)3-1、調(diào)節(jié)直流電機(jī)架3_2、桿腿固定件3-3、桿腿3-4、配重3-5和白色紙圈3-6。調(diào)節(jié)直流電機(jī)架3_2使用螺絲固定在前端面1-1的外側(cè)正中間；調(diào)節(jié)直流電機(jī)3-1使用螺絲固定在調(diào)節(jié)直流電機(jī)架3-2上，其電源線通過排線與傳感控制模塊4連接；桿腿固定件3-3使用螺絲固定在具有鍵槽的調(diào)節(jié)直流電機(jī)3-1輸出軸上；桿腿3-4的上端使用螺紋連接固定在桿腿固定件3-3上；配重3-5使用螺紋連接固定在桿腿3-4的下端；白色紙圈3-6粘貼在桿腿3-4上(圖中，桿腿為黑色，紙圈作為傳感標(biāo)記則為白色，若桿腿為白色，紙圈則為黑色)白色紙圈用于紅外傳感器檢測(cè)桿腿的復(fù)位狀態(tài)。桿腿3-4的長度設(shè)計(jì)要適中，其長度要略微大于直流電機(jī)3-1輸出軸距離地面的高度，過短或過長都不能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)功能。傳感控制電路模塊4包括穩(wěn)壓單元4-1、狀態(tài)指示單元4-2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元4_3、控制處理單元4-4、無線通信單元4-5、三軸加速度傳感器4-6、指南針傳感器4-7、紅外傳感器 4-8和紅外傳感器4-9。穩(wěn)壓單元4-1、狀態(tài)指示單元4-2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元4_3、無線通信單元4-5和控制處理單元4-4集成在一個(gè)電路板上，使用螺絲安裝在左端面1-2內(nèi)側(cè)；三軸加速度傳感器4-6和指南針傳感器4-7集成在一個(gè)電路板上，用螺絲安裝在小腿大腿輔助腿連接件2-17上。紅外傳感器4-8安裝在左端面1-3上，正對(duì)著凸輪碼盤2-10，用于檢測(cè)碼盤的黑白變化，從而可以得到凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的位置；紅外傳感器4-9安裝在機(jī)器人右端面1-3頂端，其位置在機(jī)器人左右對(duì)稱面上，用于檢測(cè)桿腿3-4的擺動(dòng)，當(dāng)需要桿腿3-4回到默認(rèn)位置時(shí)，該紅外傳感器4-9可以用于檢測(cè)桿腿3-4擺動(dòng)到指向機(jī)器人正上方的位置。穩(wěn)壓單元4-1為傳感控制模塊提供電源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元4-3在控制處理單元4-4 的控制下驅(qū)動(dòng)電機(jī)2-1、3-1的正反轉(zhuǎn)，狀態(tài)指示單元4-2顯示機(jī)器人當(dāng)前的工作和無線通信狀態(tài)，無線通信單元4-5與遠(yuǎn)程終端進(jìn)行無線通信，上傳傳感器數(shù)據(jù)和接收控制命令，控制處理單元4-4控制直流電機(jī)2-1、3-1動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)彈跳機(jī)構(gòu)2和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)3完成相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人連續(xù)運(yùn)動(dòng)?？紤]到指南針傳感器4-7安裝要求對(duì)磁場(chǎng)干擾或金屬材料敏感， 加速度傳感器4-6需要水平安裝的需要，將三軸加速度傳感器4-6和指南針傳感器4-7集成在一個(gè)電路板上，用螺絲安裝在小腿大腿輔助腿連接件2-17上，通過排線與控制處理單元連接，從控制處理單元的電路板上獲得電源、地線，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，三軸加速度傳感器可以檢測(cè)機(jī)器人的加速度，加速度數(shù)據(jù)通過控制單元的處理器處理得到機(jī)器人的姿態(tài)角， 從而可以辨別機(jī)器人站立、向左側(cè)跌倒、向右側(cè)跌倒以及向前側(cè)跌倒等狀態(tài)，指南針傳感器可以檢測(cè)機(jī)器人當(dāng)前的朝向；一個(gè)紅外傳感器安裝在左端面上，該紅外傳感器正對(duì)著凸輪碼盤，用于檢測(cè)碼盤的黑白變化，通過控制處理單元計(jì)算紅外傳感器的數(shù)據(jù)，從而可以得到凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的位置；另外一個(gè)紅外傳感器安裝在機(jī)器人右端面頂端，其位置在機(jī)器人左右對(duì)稱面上，用于檢測(cè)桿腿的擺動(dòng)，當(dāng)需要桿腿回到默認(rèn)位置時(shí)，該紅外傳感器可以用于檢測(cè)桿腿擺動(dòng)到指向機(jī)器人正上方的位置。電池5所述的電池是一個(gè)鋰聚合物電池，使用雙面膠固定在機(jī)器人的左端面上。下面結(jié)合附圖對(duì)機(jī)器人連續(xù)跳躍運(yùn)動(dòng)的工作過程做進(jìn)一步的說明。
機(jī)器人默認(rèn)初始位置是機(jī)器人正常站立姿態(tài)如附圖2所示。調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)， 將調(diào)節(jié)桿擺動(dòng)到豎直指向上方；接著彈跳直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)減速齒輪組工作，減速齒輪組驅(qū)動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪驅(qū)動(dòng)大腿擺動(dòng)，大腿壓縮扭力彈簧存儲(chǔ)彈性勢(shì)能；減速齒輪箱工作的同時(shí)，紅外傳感器對(duì)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)計(jì)數(shù)，控制處理單元可以根據(jù)圈數(shù)推算出凸輪的位置；當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)到缺口處臨界點(diǎn)越過軸承后，控制處理單元控制彈跳直流電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)扭力彈簧彈開，四桿機(jī)構(gòu)在扭力彈簧的驅(qū)動(dòng)下在豎直平面內(nèi)擺動(dòng)，小腿蹬地，機(jī)器人將彈跳離地，完成彈跳動(dòng)作。在空中飛翔過程結(jié)束后機(jī)器人落地，由于慣性機(jī)器人會(huì)跌倒。設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)機(jī)器人的穩(wěn)定狀態(tài)只有四個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，分別是小腿著地的復(fù)位狀態(tài)、左端面著地、右端面著地和前端面著地，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自復(fù)位就是要從前端面、左端面、右端面著地的狀態(tài)轉(zhuǎn)換成底面著地的姿態(tài)，即復(fù)位狀態(tài)。機(jī)器人由于重心偏高，落地后一般不會(huì)正好是小腿著地的復(fù)位狀態(tài)，而可能是向左端面、右端面或者前端面著地。由于機(jī)器人左右結(jié)構(gòu)在自復(fù)位時(shí)是對(duì)稱的，只是調(diào)節(jié)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向不同而已，這里只說明左端面和前端面著地如何實(shí)現(xiàn)復(fù)位的工作過程。如果機(jī)器人左端面著地，如附圖9中的6-4，三軸加速度傳感器檢測(cè)到三軸的加速度值可以判斷機(jī)器人是左端面著地，該傳感器數(shù)據(jù)被控制處理單元處理后生成控制命令，控制調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，桿腿在調(diào)節(jié)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下擺動(dòng)，機(jī)器人被桿腿支撐一步一步站立起來，如附圖9中的6-5、6-6，三軸加速度傳感器不斷檢測(cè)三軸加速度值，控制處理單元根據(jù)加速度值可以計(jì)算出機(jī)器人與地面的夾角，從而判斷機(jī)器人是否站立起來，當(dāng)判斷到機(jī)器人站立起來后就控制調(diào)節(jié)直流電機(jī)翻轉(zhuǎn)一定角度，等待后續(xù)動(dòng)作命令，這樣就完成了左端面著地自復(fù)位的過程，到達(dá)附圖9中的6-7。如果前端面著地如附圖9中的6-1， 三軸加速度傳感器和控制處理單元可以感知檢測(cè)到機(jī)器人前端面著地，此時(shí)小腿和大腿輔助腿連接件的一條邊線與前端面的底邊線與地面接觸，組成一個(gè)接觸四邊形，機(jī)器人處于穩(wěn)定的狀態(tài)?？刂铺幚韱卧紫瓤刂茝椞绷麟姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，壓縮四桿機(jī)構(gòu)一定的角度使得桿腿的頂端接觸地面而機(jī)器人前端面離開地面，該角度由紅外傳感器檢測(cè)凸輪碼盤得到，此時(shí)接觸四邊形變成了接觸三角形如附圖9中6-2，由于接觸三角形接近等腰三角形，機(jī)器人仍然處于穩(wěn)定狀態(tài)。接著控制處理單元控制調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，桿腿被驅(qū)動(dòng)向左邊擺動(dòng)， 此時(shí)機(jī)器人重心向地面的投影點(diǎn)落出了接觸三角形如附圖9中6-3，機(jī)器人重心不穩(wěn)向左側(cè)面跌倒，從而轉(zhuǎn)換到了機(jī)器人左端面著地的穩(wěn)定狀態(tài)附圖9中6-4。接著機(jī)器人使用與左端面著地同樣的方法完成自復(fù)位過程。如果機(jī)器人落地后右側(cè)面著地，只需要擺動(dòng)腿向相反的方向擺動(dòng)即可完成自復(fù)位。完成自復(fù)位后機(jī)器人控制桿腿擺動(dòng)到其指向機(jī)器人正上方的位置。完成自復(fù)位后，機(jī)器人開始調(diào)節(jié)其彈跳方向。如附圖10，11所示，指南針傳感器檢測(cè)機(jī)器人當(dāng)前向，控制傳感單元計(jì)算出機(jī)器人當(dāng)前的朝向與要求的運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角， 控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)進(jìn)行方向調(diào)節(jié)。這里以左轉(zhuǎn)為例，附圖10和11分別是機(jī)器人左轉(zhuǎn)的前視和俯視示意圖。如附圖10，桿腿可以在豎直平面內(nèi)按照箭頭方向以半徑7-1擺動(dòng)，半徑7-1是桿腿的長度，由于桿腿的長度比調(diào)節(jié)直流電機(jī)軸距離地面的高度略長，所以當(dāng)桿腿接觸地面的過程中機(jī)器人小腿與大腿輔助腿連接件會(huì)被撐離地面，并在水平面內(nèi)移動(dòng)，而小腿末端仍接觸地面，這樣機(jī)器人會(huì)在水平面內(nèi)以半徑7-4轉(zhuǎn)動(dòng)一定夾角7-5，由附圖11中的狀態(tài) 7-2轉(zhuǎn)換到7-3，從而實(shí)現(xiàn)角度7-3的彈跳方向調(diào)節(jié)。此角度可以通過指南針傳感器檢測(cè)出來，控制處理單元可以根據(jù)該角度以及目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)角度控制桿腿擺動(dòng)的圈數(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人調(diào)節(jié)到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向。角度7-3屬于機(jī)器人調(diào)節(jié)彈跳方向的角度分辨率，該角度越小，調(diào)節(jié)的精度越高，該角度的大小由桿腿的長度和調(diào)節(jié)直流電機(jī)軸距離地面的高度關(guān)系決定，在桿腿的長度不變的情況下，通過調(diào)節(jié)彈跳直流電機(jī)壓縮四桿機(jī)構(gòu)，可以改變調(diào)節(jié)直流電機(jī)軸距離地面的高度，從而可以調(diào)節(jié)角度7-3。完成起跳方向調(diào)節(jié)后，機(jī)器人需要根據(jù)需要調(diào)節(jié)起跳角度，從而控制起跳的高度和水平距離。如附圖12所示，桿腿在豎直平面內(nèi)擺動(dòng)可以調(diào)節(jié)配重的高度，配重的高度不同會(huì)影響機(jī)器人的重心高度，機(jī)器人的重心高度不同會(huì)影響機(jī)器人的起跳角度，因此控制處理單元根據(jù)需要使用PWM控制調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，調(diào)節(jié)直流電機(jī)控制桿腿擺動(dòng)，從而調(diào)節(jié)機(jī)器人的重心高度。桿腿擺動(dòng)的分辨率由PWM波形的占空比控制，桿腿擺動(dòng)的最低位置為圖12中的8-1，最高位置為8-3，8-2屬于中間位置，因此起跳角度可以在8_1和8_3 兩種狀態(tài)對(duì)應(yīng)的起跳角度之間調(diào)節(jié)。當(dāng)調(diào)節(jié)到目標(biāo)起跳角度后，機(jī)器人完成了所有的調(diào)節(jié)工作，可以開始下一個(gè)周期的起跳工作，周期完成彈跳、空中飛行和落地后調(diào)節(jié)工作，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的連續(xù)跳躍運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人處于站立姿態(tài)時(shí)，由于桿腿的長度比調(diào)節(jié)直流電機(jī)電機(jī)軸和地面之間的距離大，桿腿在豎直平面內(nèi)擺動(dòng)，當(dāng)桿腿擺動(dòng)接觸地面時(shí)，機(jī)器人的前端會(huì)被支撐離地，而機(jī)器人后端仍然著地，隨著擺動(dòng)腿繼續(xù)擺動(dòng)離開地面后，機(jī)器人會(huì)被支撐著在地面上擺動(dòng)一個(gè)角度，從而實(shí)現(xiàn)起跳方向調(diào)節(jié)。桿腿的擺動(dòng)方向不同，機(jī)器人起跳方向調(diào)節(jié)的方向不同。傳感器單元的指南針傳感器提供機(jī)器人當(dāng)前的朝向，為起跳方向調(diào)節(jié)裝置提供狀態(tài)反饋，控制模塊根據(jù)反饋信號(hào)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的起跳方向調(diào)節(jié)。所述的安裝在左端面上的紅外傳感器可以檢測(cè)凸輪壓縮的角度，從而調(diào)整調(diào)節(jié)直流電機(jī)的電機(jī)軸與地面的距離，不同的距離對(duì)應(yīng)不同的彈跳方向調(diào)節(jié)的靈敏度。桿腿比調(diào)節(jié)直流電機(jī)電機(jī)軸和地面之間的距離大的越多，單次調(diào)節(jié)起跳方向的角度就越大。固定在桿腿上的配重可以隨著桿腿在空中運(yùn)動(dòng)，從而調(diào)節(jié)機(jī)器人的重心高度，不同的重心高度對(duì)應(yīng)不同的起跳角度?？刂铺幚韱卧鶕?jù)需要使用PWM控制調(diào)節(jié)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，調(diào)節(jié)直流電機(jī)控制桿腿擺動(dòng)，從而調(diào)節(jié)機(jī)器人的重心高度。桿腿擺動(dòng)的分辨率由 PWM波形的占空比控制。因此起跳角度可以在配重所處的最高和最低兩種位置狀態(tài)對(duì)應(yīng)的起跳角度之間調(diào)節(jié)。
權(quán)利要求
1. 一種連續(xù)跳躍的彈跳機(jī)器人，其特征在于包括機(jī)架、彈跳機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傳感控制模塊和電池，機(jī)架用于安裝固定彈跳機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傳感控制模塊和電池；彈跳機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)彈跳機(jī)器人的站立和彈跳；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于彈跳機(jī)器人落地跌倒后自復(fù)位和起跳方向及角度的調(diào)節(jié)；傳感控制模塊感知彈跳機(jī)器人的姿態(tài)、朝向以及彈跳機(jī)構(gòu)中凸輪和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中桿腿的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，控制彈跳機(jī)器人的動(dòng)作并與遠(yuǎn)程遠(yuǎn)程終端無線通信，上傳傳感器數(shù)據(jù)和接收遠(yuǎn)程終端的命令，同時(shí)顯示彈跳機(jī)器人的工作狀態(tài)；電池為彈跳機(jī)器人提供電能；其中機(jī)架包括前端面、左端面、右端面和骨架，左、右端面固定在前端面兩側(cè)，骨架固定在左、右端面之間；彈跳機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)、電機(jī)架、減速齒輪組、凸輪、軸承、大腿、扭力彈簧、小腿和大腿輔助腿；直流電機(jī)通過電機(jī)架固定在前端面內(nèi)側(cè)，直流電機(jī)的輸出軸上設(shè)有齒輪，該齒輪與減速齒輪組依次嚙合傳動(dòng)連接，減速齒輪組的末級(jí)齒輪與凸輪同軸；設(shè)置一置于機(jī)架左、右端面之間的大腿，大腿的頂端設(shè)置一軸承，該軸承外環(huán)與凸輪外輪廓相切，在機(jī)架的左、右端面之間固定連接一支軸，該支軸穿過大腿上部設(shè)置的鉸支孔構(gòu)成鉸支連接，支軸上設(shè)有扭力彈簧，扭力彈簧的一個(gè)力臂抵壓在大腿上，另外一個(gè)力臂抵壓在機(jī)架上，大腿的末端分叉，分別與兩根平置于地面、呈“八”字形的小腿鉸支連接，兩根小腿前端連接在一起，設(shè)置一大腿輔助腿，其兩端分別與機(jī)架前端面及兩根小腿的前端鉸支連接，凸輪表面設(shè)有黑白相間的碼盤標(biāo)記；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)包括直流電機(jī)、電機(jī)架、桿腿和配重，直流電機(jī)通過電機(jī)架固定在前端面外側(cè)并位于機(jī)架左、右端面之間的中點(diǎn)，直流電機(jī)輸出軸與前端面垂直，桿腿的上端與電機(jī)輸出軸固定連接，配重固定在桿腿的下部，桿腿的長度不小于直流電機(jī)輸出軸距離地面的高度， 桿腿上設(shè)有黑白相間的傳感標(biāo)記；傳感控制電路模塊包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、狀態(tài)指示單元、穩(wěn)壓單元、無線通信單元、控制處理單元、三軸加速度傳感器、指南針傳感器和兩個(gè)紅外傳感器；電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、狀態(tài)指示單元、穩(wěn)壓單元、無線通信單元和控制處理單元集成在一個(gè)電路板上，安裝在左端面內(nèi)側(cè)， 三軸加速度傳感器和指南針傳感器集成在另一個(gè)電路板上，安裝在小腿和大腿輔助腿的連接處，三軸加速度傳感器檢測(cè)機(jī)器人的加速度，加速度數(shù)據(jù)通過控制單元的處理器處理得到機(jī)器人的姿態(tài)角，辨別機(jī)器人站立、跌倒?fàn)顟B(tài)；指南針傳感器檢測(cè)機(jī)器人當(dāng)前的朝向；一個(gè)紅外傳感器安裝在機(jī)架左端面上，朝向正對(duì)凸輪表明粘貼的黑白相間的碼盤，通過控制處理單元計(jì)算紅外傳感器的數(shù)據(jù)，得到凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的位置；另外一個(gè)紅外傳感器安裝在機(jī)器人右端面頂端，其位置在機(jī)器人左右對(duì)稱面上，通過桿腿上黑白相間的傳感標(biāo)記檢測(cè)桿腿的擺動(dòng)，當(dāng)桿腿回到默認(rèn)位置時(shí)，該紅外傳感器檢測(cè)桿腿擺動(dòng)到指向機(jī)器人正上方的位置； 穩(wěn)壓單元為傳感控制電路模塊提供電源，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元在控制處理單元的控制下，驅(qū)動(dòng)彈跳機(jī)構(gòu)及調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，狀態(tài)指示單元顯示機(jī)器人當(dāng)前的工作和無線通信狀態(tài)， 無線通信單元與遠(yuǎn)程終端進(jìn)行無線通信，上傳傳感器數(shù)據(jù)和接收控制命令，控制處理單元控制彈跳機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中直流電機(jī)動(dòng)作，驅(qū)動(dòng)彈跳機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)完成相應(yīng)的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人連續(xù)運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
一種連續(xù)跳躍的彈跳機(jī)器人，包括機(jī)架、彈跳機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傳感控制模塊和電池，機(jī)架用于安裝固定彈跳機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、傳感控制模塊和電池；彈跳機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)彈跳機(jī)器人的站立和彈跳；調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)用于彈跳機(jī)器人落地跌倒后自復(fù)位和起跳方向及角度的調(diào)節(jié)；傳感控制模塊感知彈跳機(jī)器人的姿態(tài)、朝向以及彈跳機(jī)構(gòu)中凸輪和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)中桿腿的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，控制彈跳機(jī)器人的動(dòng)作并與遠(yuǎn)程遠(yuǎn)程終端無線通信，上傳傳感器數(shù)據(jù)和接收遠(yuǎn)程終端的命令，同時(shí)顯示彈跳機(jī)器人的工作狀態(tài)；電池為彈跳機(jī)器人提供電能。
文檔編號(hào)B62D57/02GK102556193SQ201210003779
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月9日
發(fā)明者喬貴方, 宋光明, 宋愛國, 張軍, 李臻, 王愛民, 葛劍 申請(qǐng)人:東南大學(xué)