一种多模式跳跃机器人及其控制装置

技术领域

本发明涉及一种多模式跳跃机器人及其控制装置，属于机器人技术领域。

背景技术

从世界现有的生物来看，自然界中的生物为了满足自身生存以及适应环境的需要，进化出了多种运动模式，主要包括走、跑、爬行、跳跃以及滑翔等，单一的运动方式往往难以适应复杂的生存环境，因此大多数的生物往往具有多种运动模式，例如滑翔-跳跃，爬行-跳跃等。对于移动机器人也是同样如此，具有跳跃能力的机器人相对于轮式、履带式、足式移动机器人有更强的越障能力，可以轻易的翻越数倍于自身的障碍。跳跃运动相对于滚动、爬行也更加机动灵活,其爆发性也让机器人更容易躲避危险，在复杂未知的环境移动、自保能力更好。

跳跃机器人在实际应用中显示了巨大的潜力，特别是在低重力行星探测领域，较低的重力使得跳跃机器人能够达到更高的跳跃高度，较低能量消耗的爬行模式使得其能够完成更远距离的探测任务。为了在更短的时间达到所需要的起飞速度，在起跳的瞬间就需要驱动器输出瞬时高功率，而传统驱动器功率密度有限，这也就限制了依靠电机直驱的机器人的跳跃性能。因此，目前依靠电机直接驱动的机器人的跳跃高度往往较为有限，对一些尺寸大于或等于机器人本体尺寸的障碍与沟壑，机器人往往难以通过跳跃运动越过。且目前电机功率与电机重量有一定的相关性，这也使得单纯提高电机的功率往往也导致机器人本体重量提升，使得机器人跳跃能力的提升有限，在成本、重量及跳跃效果方面往往难以兼得。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域普通技术人员所公知的现有技术。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种多模式跳跃机器人及其控制装置，能够实现滚动爬行和跳跃两种工作模式的灵活切换，且结构简单，重量较小，能够在短时间存储能量快速跳跃，满足复杂环境的作业需要。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

本发明提供了一种多模式跳跃机器人，包括上支架、下支架、弹性件和驱动组件；上轮和下轮分别通过爬行电机固定于所述上支架和下支架上；多个所述弹性件等间距环设于所述上支架和下支架之间；第一复位件和第二复位件呈中心对称分布于所述上支架和下支架之间；第一复位件和第二复位件弯曲时，弯曲的最高点靠近第一复位件和第二复位件的顶端；

所述驱动组件包括蓄能电机、机仓和复位弹簧；所述蓄能电机通过所述机仓固定于所述上支架内侧；所述机仓的前端固定有触发片，后端与所述离合臂的固定端转动连接；复位弹簧的一端与所述离合臂转动端连接，另一端固定于所述机仓上，使得所述离合臂和触发片的弹性端呈卡固状态；

传动绳的上端头固定于所述蓄能电机的机 轴上，下端头水平绕过所述离合臂的转向杆和下支架固连，且呈张紧状态；第一复位绳的一端固定于所述第一复位件的上腰部，另一端与所述触发片的弹性端固连；第二复位绳的一端固定于所述第二复位件的上腰部，另一端与所述机仓固连。

进一步的，所述第一复位件和第二复位件结构相同；所述第一复位件包括上部弹性段、中部弹性段和下部弹性段；所述中部弹性段的两端分别固定于所述上部弹性段的尾端内侧和下部弹性段的顶端内侧，且所述上部弹性段的长度小于所述下部弹性段的长度。

进一步的，所述上部弹性段的尾端外侧固定有固定环；所述第一复位绳和第二复位绳通过固定环固定于对应的所述第一复位件和第二复位件上。

进一步的，所述第一复位件和第二复位件的两端分别设有第一铰接孔，对应的所述上支架和下支架上分别设有第一铰接座；销轴穿通所述第一铰接孔和第一铰接座，将所述第一复位件和第二复位件铰接连接于所述上支架和下支架之间。

进一步的，所述弹性件的两端分别设有第二铰接孔，对应的所述上支架和下支架上分别设有第二铰接座；销轴穿通第二铰接孔和第二铰接座，将所述弹性件固定于所述上支架和下支架之间。

进一步的，所述离合臂包括左连接片、右连接片、横板和转轴；所述横板设于所述左连接片和右连接片之间；所述转轴穿通所述离合臂的固定端和所述机仓转动连接；所述横板的前端开设有卡槽；所述转向杆设于所述卡槽上方，且所述所述左连接片和右连接片转动连接；所述传动绳的下端头绕过转向杆，穿过所述卡槽于所述下支架固连。

进一步的，所述机仓的后端向下延伸出有固定座；所述转轴穿通所述离合臂的固定端转动连接于固定座上。

进一步的，所述触发片包括固定片和弹性卡片；所述固定片下端向下延伸有所述弹性卡片；所述弹性卡片呈T字形结构，用于与所述卡槽相配合卡固。

进一步的，所述传动绳的下端通过连接绳于所述下支架固连；所述传动绳的下端头设有连接环；所述下支架上设有多个连接孔，且多个所述连接孔呈中心对称分布；所述连接绳的一端与一所述连接孔固连，另一端穿通所述连接环，与呈中心对称分布的另一所述连接孔固连。本发明提供了一种多模式跳跃机器人控制装置，包括控制组件和上述任一所述的多模式跳跃机器人；所述控制组件设于所述机仓上；所述控制组件包括控制器、视觉模块、无线通讯模块、降压模块和电池；所述电池和所述降压模块连接；所述控制器分别与所述降压模块、无线通讯模块、视觉模块、爬行电机和蓄能电机连接；

所述视觉模块，用于采集工作环境状态信息转换为视觉信号发送于所述控制器；

所述无线通讯模块，用于将控制器所接收的视觉信号发送至上机位和将上位机发送的爬行或跳跃控制信号发送于所述控制器；

所述降压模块，用于将电池的电压进行降压，转化为满足所述控制器用电负载电压；

所述控制器，用于接收爬行或跳跃控制信号，并驱动爬行电机或者蓄能电机转动。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明提供了一种多模式跳跃机器人，弹性件环设于上支架和下支架之间，上轮和下轮分别通过爬行电机固定在上支架和下支架上。当多模式跳跃机器人处于爬行状态下时，仅需要驱动爬行电机转动，带动上轮和下轮运动；第一复位件和第二复位件呈中心对称分布于在上支架和下支架之间，弯曲时，弯曲的弯曲的最高点靠近第一复位件和第二复位件的上端头。蓄能阶段：离合臂被触发片扣住，蓄能电机转动使得传动绳缩短且缠绕在机轴上，弹性件弯曲，且第一复位件和第二复位件弹性弯曲及多模式跳跃机器人自身重力影响，使得将多模式跳跃机器人由倾斜变为站立状态。当第一复位件弯曲拉动触发片远离离合臂时，存着在弹性件、第一复位杆及第二复位杆的能量得以释放，使得多模式跳跃机器人整体弹起，完成跳跃。故此，本申请有以下几点优势：

1.本发明使用韧性高的且具有一定强度的弹性杆作为储能机构，通过蓄能电机的电机轴直接拉动传动绳进行蓄能，去除了电机减速机构，且机构本身对电机性能要求不高。因此本发明基本结构简单，造价低，设计巧妙，极大减小了跳跃控制难度。

2.本发明的机器人克服了传统基于电机直接驱动式跳跃运动中电机自身能量密度有限的问题，借助高弹性的材料，通过电机输出轴直接驱动传动绳进行蓄能，通过较长的蓄能时间以及瞬间的释放时间，使得跳跃过程能够达到较大的瞬时功率，达到功率放大的效果，从而是机器人具有较为良好的跳跃高度。

3.本发明的跳跃能量释放机构结构简单，通过机构储能过程中的弹性杆以及复位杆的弯曲现象，驱动触发片与离合臂的分离，整个机构结构紧凑，构件少，降低了机器人整体质量并提高了机器人整体的能量利用效率。

4.本发明的位姿改变过程采用了重力自归位原理，当机器人改变位姿进行跳跃时，在蓄能的过程中，由于复位杆在长度方向上的刚度不同，在受力弯曲时，复位杆弯曲曲率不同，通过对复位杆的设计实现机器人的位姿改变，由爬行状态转变为竖直蓄能跳跃状态。且未采用独立电机驱动的复位机构，减少了整机重量，且复位杆同样能储存一定的弹性能，极大降低了结构的复杂度。

附图说明

图1是本发明提供的一种多模式跳跃机器人的结构示意图；

图2是图1的跳跃过程的结构示意图；

图3是驱动组件的结构示意图；

图4是图3的半剖图；

图5是离合臂的结构示意图；

图6是上支架的结构示意图；

图7是下支架的结构示意图；

图8是弹性件的结构示意图；

图9是第一复位件或第二复位件的结构示意图；

图10是驱动组件的工作原理示意图；

图11是本多模式跳跃机器人的工作原理示意图；

图12是多模式跳跃机器人控制装置的工作原理示意图；

图中：1、上支架；2、下支架；3、弹性件；4、驱动组件；5、第一复位件；6、第二复位件；7、传动绳；8、第一复位绳；9、第二复位绳；10、第一铰接座；11、第二铰接座；12、第一铰接孔；13、蓄能电机；14、机仓；15、轴承；16、触发片；17、离合臂；18、复位弹簧；19、固定座；20、上部弹性段；21、中部弹性段；22、下部弹性段；23、固定环；24、第二铰接孔；25、固定片；26、弹性卡片；27、左连接片；28、右连接片；29、横板；30、转轴；31、卡槽；32、转向杆；33、连接绳；34、连接环；35、连接孔；36、上轮；37、下轮；38、支架座。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、 “底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

参阅图1至图11，本实施例提供了一种多模式跳跃机器人，包括上支架1、下支架2、弹性件3和驱动组件4。上支架1和下支架2上分别固定有爬行电机，上轮36通过爬行电机的输出轴固定于上支架1的外侧，下轮37通过爬行电机的输出轴固定于下支架2的外侧。多个弹性件3环设在上支架1和下支架2之间，且多个弹性件3等间距设置。第一复位件5和第二复位件6呈中心对称分布在上支架1和下支架2之间，能够保证机仓14处于持平状态，提高多模式跳跃机器人自身的稳定性。第一复位件5、第二复位件6及弹性件3均采用高弹性的材料。第一复位件5和第二复位件6的结构需要满足：当弯曲第一复位件5和第二复位件6时，弯曲的最高点对应靠近第一复位件5和第二复位件6的上端头。这样目的在于，当第一复位件5和第二复位件6弯曲到一定程度时，将横躺在地面的多模式跳跃机器人支撑为站立状态。

如图3、图4和图10，驱动组件4包括蓄能电机13、机仓14、复位弹簧18、触发片16和离合臂17。蓄能电机13固定在机仓14内，机仓14固定在上支架1内侧，使得蓄能电机13的机轴于上支架1和下支架2呈垂直状态。具体的，上支架1内侧设有支架座38，机仓14和支架座38固定连接。机仓14的前端固定连接有触发片16，机仓14的后端和离合臂17的固定端转动连接。复位弹簧18的一端固定在离合臂17转动端，另一端固定在机仓14上，复位弹簧18拉紧离合臂17，使得离合臂17和触发片16的弹性端呈卡固状态。当触发片16的弹性端拉离离合臂17，且对离合臂17实施向下的拉力时，离合臂17绕转动端顺时针向下转动，释放两拉力后，复位弹簧18带动离合臂17复位与地面平行，并且与复位的触发片16的弹性端卡固。离合臂17的转动端装设有转向杆32，转向杆32的两端通过轴承14固定在离合臂17上。

传动绳7的上端头固定在蓄能电机13的机轴上，下端头先水平绕过离合臂17的转向杆32，再向下拉至与下支架2固定连接，且传动绳7为张紧状态。该转向杆32的设计能够使得传动绳7的上端头至转向杆32距离的绳段为水平状态，方便后期蓄能电机13的机轴转动过程中，讲传动绳7缠绕收卷。第一复位绳8的一端固定连接在第一复位件5的上腰部（弯曲的最高点附近），另一端和触发片16的弹性端固定连接；第二复位绳9的一端固定连接在第二复位件6的上腰部（弯曲的最高点附近），另一端和机仓14固定连接。

爬行状态：驱动爬行电机带动上下轮37在地面滚动进行作业。

跳跃状态：结合11工作原理示意图

蓄能阶段，驱动蓄能电机13转动，传动绳7缠绕至机轴上，下端头拉到下支架2靠近上支架1。此时，弹性件3受力弯曲，第一复位件5和第二复位件6也受力弯曲，且弯曲的最高点将其多模式跳跃机器人支撑为较大角度的倾斜状态，并在多模式跳跃机器人自身重力作用下，使得多模式跳跃机器人站立。

释放能量阶段，多模式跳跃机器人站立后，驱动蓄能电机13继续转动至第一复位绳8拉动触发片16的弹性端与离合臂17分离后，弹性件3和第一复位件5及第二复位件6存储的弹性瞬间得到释放，下支架2向下运动，整个多模式跳跃机器人被弹起越过障碍物，同时瞬间向下拉动的弹力大于复位弹簧18的弹力，使得离合臂17向下转动开，缠绕的传动绳7从蓄能电机13的机轴上拉离开来。弹性件3、第一复位件5和第二复位件6回复原形态后，跳跃完毕，且复位弹簧18又将离合臂17拉至于触发片16的弹性端呈卡固状态。实施跳跃动作时，反复进行（一）和（二）两步完成跳跃。

可选的，如图9，第一复位件5和第二复位件6的结构相同，第一复位件5包括上部弹性段20、中部弹性段21和下部弹性段22。上部弹性段20的顶端连接于上支架1上，下部弹性段22的尾端连接在下支架2上。中部弹性段21的两端分别固定在上部弹性端的尾端内侧处和下部弹性段22的顶端内侧出，且上部弹性段20的长度小于下部弹性段22的长度。该设计能够保证第一复位件5和第二复位件6在弹性弯曲过程中，弯曲的最高点靠近第一复位件5和第二复位件6的顶端，便于第一复位件5和第二复位件6将多模式跳跃机器人支撑至较大的倾斜状态，并结合多模式跳跃机器人自身的重力使得其竖直站立。一些实施例中，中部弹性段21和上部弹性段20、下部弹性段22固定方式为高粘度的粘合剂粘合在一起。

可选的，如图8，上部弹性段20的尾端外侧装设有固定环23，第一复位绳8通过该固定环23将第一复位件5栓固，第二复位绳9通过固定环23将第二复位件6栓固。固定环23可采用尼龙材质，降低整体制造成本。

可选的，结合图6、图7和图9，第一复位件5和第二复位件6的两端分别开设有第一铰接孔12，对应的在上支架1和下支架2上分别固定有第一铰接座10。销轴穿通第一铰接孔12和第一铰接座10进行固定，使得第一复位件5和第二复位件6的两端分别与上支架1和下支架2转动连接。该处使用铰接方式连接，能够缓解弹性变形时，第一复位件5和第二复位件6的两端的应力集中造成损坏情况，提高本申请机器人整体的使用寿命。

可选的，结合图6、图7和图8，弹性件3的两端也分别开设有第二铰接孔24，对应的上支架1和下支架2上分别装设有第二铰接座11。销轴穿通第二铰接孔24和第二铰接座11，将弹性件3固定在上支架1和下支架2之间。该处设计与上述第一复位件5和第二复位件6的第一铰接座10效果相同，不再做赘述。

可选的，结合图4和图5，离合臂17包括左连接片27、右连接片28、横板29和转轴30。横板29连接于左连接片27和右连接片28的底部之间。转轴30穿通离合臂17的固定端与机仓14转动连接。横板29的前端开设有卡槽31，转向杆32的一端通过一个轴承14固定在左连接片27上，另一端通过另一个轴承14固定在右连接片28上，且位于卡槽31的上方。转向杆32能够便于转向杆32转动，在蓄能电机13驱动机轴转动时，绕过转向杆32的传动绳7能够更省力，减少电力消耗。

复位弹簧18的一端套设在转向杆32上，另一端固定在机仓14上。传动绳7的上端头固定连接在蓄能电机13的机轴上，下端头绕过转向杆32并穿过卡槽31于下支架2固定连接。传动绳7的上端头到转向杆32距离的绳段处于水平状态，便于机轴转动缠绕传动绳7。

可选的，如图3所示，机仓14的后端向下延伸出有一个固定座19，转轴30通过传统该固定座19机离合臂17的固定端，使得离合臂17能够绕着固定座19转动连接。

可选的，如图3所示，触发片16包括固定片25和弹性卡片26；固定片25下端向下延伸出有改弹性卡片26。弹性卡片26呈T字形结构，该T字形结构的弹性卡片26和离合臂17的横板29上的卡槽31相互配合卡固。

可选的，如图2，传动绳7的下端连接有连接绳33，该连接绳33和下支架2固定连接。传动绳7的下端头装设有连接环34；下支架2上设有多个连接孔35，且多个连接孔35呈中心对称分布。连接绳33的一端和对应的连接孔35固定连接，另一端穿通连接环34后，与呈中心对称分布的另一个连接孔35固定连接。该处设计可使得传动绳7拉动下支架2时，受力均匀，保证每个弹性件3、第一复位件5和第二复位件6都能够得到相同的弹性压力，提高本申请机器人的跳跃质量。

实施例二

结合图12，本实施例提供了一种多模式跳跃机器人控制装置，该多模式跳跃机器人控制装置包括控制组件和上述任一所述的多模式跳跃机器人。控制组件装设在机仓上。具体的，控制组件包括控制器、视觉模块、无线通讯模块、降压模块和电池。电池和降压模块连接。控制器分别与和降压模块、无线通讯模块、视觉模块、爬行电机和蓄能电机电性连接。

其中，视觉模块，用于采集工作环境状态信息，并将其采集工作环境状态信息转换为视觉信号发送于给控制器。

无线通讯模块，用于将控制器所接收的视觉信号发送给上机位，也将上位机发送的爬行或跳跃控制信号发送到控制器。无线通讯模块为433MHzUART。

降压模块，用于将电池的电压进行降压，转化为满足控制器用电负载电压。

控制器，用于接收爬行或跳跃控制信号，并驱动爬行电机或者蓄能电机转动。控制器采用STM32C8T6微型控制器。

工作过程中，视觉模块，用于采集工作环境状态信息，并将其采集工作环境状态信息转换为视觉信号发送于给控制器，并由无线通讯模块将视觉信号发给上机位。上机位判断工作环境状态有误障碍物，当有障碍物时，将跳跃控制信号通过无线通讯模块再传达至控制器，使得控制器驱动多模式跳跃机器人完成跳跃动作，从而跨越过障碍物。当无障碍物时，将爬行控制信号通过无线通讯模块传达至控制器，使得控制器驱动多模式跳跃机器人进行爬行运动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。