雙四面體伸縮移動機器人的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種雙四面體伸縮移動機器人，其包括伸縮單元和虎克鉸，所述伸縮單元包括第一伸縮機構、第二伸縮機構、第三伸縮機構、第四伸縮機構、第五伸縮機構、第六伸縮機構、第七伸縮機構、第八伸縮機構、第九伸縮機構，所述虎克鉸包括第一四邊形頂點模塊、第二四邊形頂點模塊、第三四邊形頂點模塊、第一三角形頂點模塊、第二三角形頂點模塊。本發明通過控制各個伸縮單元的運動變形，實現雙四面體伸縮移動機器人的局部或整體變形，并使質心超出支撐區域以實現滾動。該雙四面體移動機構不僅驗證了伸縮單元的可行性，而且有助于增強移動機構變形能力和移動能力的技術方法的研究。
【專利說明】
雙四面體伸縮移動機器人
技術領域
[0001 ]本發明涉及機器人設計領域，尤其是涉及一種雙四面體伸縮移動機器人。
【背景技術】
[0002]作為機器人學中的一個重要分支，移動機器人不僅在工業、農業、醫療、服務等行業中得到廣泛的應用，而且廣泛應用于城市安全、國防和空間探測領域等有害與危險場合，因此，移動機器人技術得到了世界各國的普遍關注。復雜的工作環境將會對移動機器人的機動性和靈活性提出更高的要求。移動機構正在向著多態化、多運動模式化發展，即要求移動機器人具有更強大的變形功能和適應能力，而伸縮單元在變形上具有獨特的優點。本發明在提出大伸縮比伸縮單元新構型的基礎上，采用伸縮單元和多面體移動機器人相結合的思想，為多面體移動機器人實現“多態”變化，使其更適應于生活生產、國防和空間探測等領域。
【發明內容】
[0003]為了解決現有技術問題，本發明同一種雙四面體伸縮移動機器人，其提高了地面越障、避障能力，具有良好的空間適應性。
[0004]本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的:一種雙四面體伸縮移動機器人，其特征在于，其包括伸縮單元和虎克鉸，所述伸縮單元包括第一伸縮機構、第二伸縮機構、第三伸縮機構、第四伸縮機構、第五伸縮機構、第六伸縮機構、第七伸縮機構、第八伸縮機構、第九伸縮機構，所述虎克鉸包括第一四邊形頂點模塊、第二四邊形頂點模塊、第三四邊形頂點模塊、第一三角形頂點模塊、第二三角形頂點模塊。
[0005]優選地，所述第一伸縮機構、第二伸縮機構、第三伸縮機構、第四伸縮機構、第五伸縮機構、第六伸縮機構、第七伸縮機構、第八伸縮機構、第九伸縮機構都包括頂部推桿座、固定銅柱、電機、聯軸器、聯軸器安裝板、三級伸縮節、二級伸縮節、一級伸縮節和底部推桿座位。
[0006]優選地，所述第一四邊形頂點模塊、第二四邊形頂點模塊、第三四邊形頂點模塊都包括四邊形頂點快插模塊、第一萬向節、第二萬向節、第三萬向節、第四萬向節。
[0007]優選地，所述第一三角形頂點模塊、第二三角形頂點模塊都包括三角形頂點快插模塊、第一快插模塊、第二快插模塊、第三快插模塊。
[0008]優選地，所述伸縮單元選用基于螺旋傳動的多級嵌套伸縮機構，具有結構簡單、重量輕、伸縮比較大、易加工、成本較低的優點。
[0009]優選地，所述電機使用的是直流電動機。
[0010]優選地，所述一級伸縮節、二級伸縮節、三級伸縮節是整個伸縮單元的主體零件，三者之間的運動通過螺紋進行傳遞，其中，螺紋選用梯形螺紋，保證伸縮機構具有較好的對中性、自鎖性和工藝性。一級伸縮節的內螺紋和二級伸縮節的外螺紋相配合，二級伸縮節的內螺紋和三級伸縮節的外螺紋相配合，相鄰兩級伸縮節之間屬于間隙配合。二級伸縮節端口上設有鍵槽，聯軸器安裝板上設有相匹配的鍵，當三級伸縮節完全旋入二級伸縮節內部時，聯軸器安裝板上的鍵會嵌入到二級伸縮節端口上的鍵槽里，然后帶動二級伸縮節轉動旋入一級伸縮節，完成縮短動作，為了防止兩級伸縮節互相脫離，設計了限位軸肩，三級伸縮節的頂端設置有頂絲，以便和電機輸出軸相固定。
[0011]優選地，所述伸縮單元的伸縮變化通過雙向正反開關進行手動控制。
[0012]本發明的積極進步效果在于:本發明提高多面體移動機器人的地面越障、避障能力及良好的空間適應性，通過控制各個伸縮單元的運動變形，實現雙四面體伸縮移動機器人的局部或整體變形，并使質心超出支撐區域以實現滾動。該雙四面體移動機構不僅驗證了伸縮單元的可行性，而且有助于增強移動機構變形能力和移動能力的技術方法的研究。
【附圖說明】
[0013]圖1為本發明雙四面體伸縮移動機器人總體結構示意圖。
[0014]圖2為本發明雙四面體伸縮移動機器人伸縮結構的結構示意圖。
[0015]圖3為本發明雙四面體伸縮移動機器人四邊形頂點快插模塊結構示意圖。
[0016]圖4為本發明雙四面體伸縮移動機器人三角形頂點模塊結構示意圖。
[0017]圖5為本發明雙四面體伸縮移動機器人三級嵌套伸縮機構未拉伸狀態示意圖。
[0018]圖6為本發明雙四面體伸縮移動機器人三級嵌套伸縮機構一級拉伸狀態示意圖。
[0019]圖7為本發明雙四面體伸縮移動機器人三級嵌套伸縮機構三級伸縮節剖面示意圖。
[0020]圖8為本發明雙四面體伸縮移動機器人三級嵌套伸縮機構二級拉伸狀態示意圖。
[0021]圖9為本發明雙四面體伸縮移動機器人三級嵌套伸縮機構二級伸縮節剖面示意圖。
[0022]圖10為本發明雙四面體伸縮移動機器人三級嵌套伸縮機構一級伸縮節剖面示意圖。
[0023]圖11為本發明雙四面體伸縮移動機器人直線運動初始狀態示意圖。
[0024]圖12為本發明雙四面體伸縮移動機器人直線運動過程中翻轉前狀態示意圖。
[0025]圖13為本發明雙四面體伸縮移動機器人直線運動過程中翻轉后狀態示意圖。
[0026]圖14為本發明雙四面體伸縮移動機器人直線運動動作完成狀態示意圖。
[0027]圖15為本發明雙四面體伸縮移動機器人測行步態初始狀態示意圖。
[0028]圖16為本發明雙四面體伸縮移動機器人測行運動過程中翻轉前狀態示意圖。
[0029]圖17為本發明雙四面體伸縮移動機器人測行運動過程中翻轉前狀態示意圖。
[0030]圖18為本發明雙四面體伸縮移動機器人測行運動過程中翻轉后狀態示意圖。
[0031]圖19為本發明雙四面體伸縮移動機器人測行運動動作完成狀態示意圖。
【具體實施方式】
[0032]下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案。
[0033]如圖1所示，本發明雙四面體伸縮移動機器人包括伸縮單元和虎克鉸，所述伸縮單元包括第一伸縮機構1、第二伸縮機構2、第三伸縮機構3、第四伸縮機構4、第五伸縮機構5、第六伸縮機構6、第七伸縮機構7、第八伸縮機構8、第九伸縮機構9，所述虎克鉸包括第一四邊形頂點模塊10、第二四邊形頂點模塊11、第三四邊形頂點模塊12、第一三角形頂點模塊
13、第二三角形頂點模塊14。
[0034]如圖2所示，所述第一伸縮機構1、第二伸縮機構2、第三伸縮機構3、第四伸縮機構
4、第五伸縮機構5、第六伸縮機構6、第七伸縮機構7、第八伸縮機構8、第九伸縮機構9都包括頂部推桿座15、固定銅柱16、電機17、聯軸器18、聯軸器安裝板19、三級伸縮節20、二級伸縮節21、一級伸縮節和22底部推桿座位23。
[0035]如圖3所示，所述第一四邊形頂點模塊10、第二四邊形頂點快插11、第三四邊形頂點模塊12都包括四邊形頂點快插模塊24、第一萬向節25、第二萬向節26、第三萬向節27、第四萬向節28。
[0036]如圖4所示，所述第一三角形頂點模塊13、第二三角形頂點快插14都包括三角形頂點快插模塊29、第一快插模塊30、第二快插模塊31、第三快插模塊32。
[0037]所述伸縮單元選用基于螺旋傳動的多級嵌套伸縮機構。具有結構簡單、重量輕、伸縮比較大、易加工、成本較低的優點。一級伸縮節22、二級伸縮節21、三級伸縮節20是整個伸縮單元的主體零件，三者之間的運動通過螺紋進行傳遞，其中，螺紋選用梯形螺紋，保證伸縮機構具有較好的對中性、自鎖性和工藝性。一級伸縮節22的內螺紋和二級伸縮節21的外螺紋相配合，二級伸縮節21的內螺紋和三級伸縮節20的外螺紋相配合，相鄰兩級伸縮節之間屬于間隙配合。二級伸縮節21端口上設有鍵槽，聯軸器18安裝板上設有相匹配的鍵，當三級伸縮節20完全旋入二級伸縮節21內部時，聯軸器18安裝板上的鍵會嵌入到二級伸縮節21端口上的鍵槽里，然后帶動二級伸縮節21轉動旋入一級伸縮節22，完成縮短動作。圖9所示為二級伸縮節的內外螺紋位置，為了防止兩級伸縮節互相脫離，設計了限位軸肩。如圖7所示，三級伸縮節的頂端設置有頂絲，以便和電機輸出軸相固定。
[0038]基于螺旋傳動的多級嵌套伸縮機構在伸縮過程中，隨著伸縮單元級數的增強，對材料的強度和硬度的要求增強。因此，在對伸縮節材料的選型上應該選取強度和硬度呈增加趨勢的材料，保證伸縮機構運動的平穩性。
[0039]對于伸縮單元的控制，其直接控制對象為直流電機的正反轉。因此，伸縮單元的伸縮可以選用雙向正反開關，進行手動控制。
[0040]實施例:
在本實施例中，參見圖1?圖19，一種新型雙四面體伸縮移動機器人，各個伸縮機構的伸縮通過控制電動機正反轉來驅動。雙四面體機構表面共有6個三角形平面，雙四面體的運動步態，實際上就是其與地面接觸的三角形平面之間的轉換，它們之間相互配合達到設定的運動效果。
[0041]在本實施例中，參見圖1?圖19，本發明雙四面體伸縮移動機器人可實現直行步態和測行步態。假設初始狀態時，雙四面體由第一伸縮機構1、第二伸縮機構2、第九伸縮機構9組成的面(后面簡稱為129面)著地，此時雙四面體的運動方向只有3個，分別是運動到使134面、235面，789面著地。雙四面體使789面著地實現直線步態，雙面體使134面、235面著地實現測行步態。由于初始狀態134面和234面對稱，所以本方案只需研究其中一個面即可。
[0042]如圖11、12、13、14所示，本實施例雙四面體伸縮移動機器人直行步態的工作原理如下:
首先，只對第三伸縮機構施加動力，使第三伸縮機構伸長，隨著第三伸縮機構的變形，789面越來越接近地面，伸縮機構的變形致使整個機構的結構變化，當到達一定程度時，質心發生偏移，整個機構翻轉，使789面著地，然后，再將第三伸縮機構收回至原長，整體結構恢復至初始狀態，雙四面體就完成了向789面著地翻滾，即直行的運動步態，雙四面體伸縮移動機器人就是不斷重復此上的動作來完成直線行走。
[0043]如圖15、16、17、18、19所示，本實施例雙四面體伸縮移動機器人測行步態的工作原理如下:
通過上述直線行走的實例，然后只對第六伸縮機構施加動力，使第六伸縮機構伸長，剛達到一定長度質心發生偏移，雙面體發生翻滾，134面著地。此時，再將第六伸縮機構收回至原長，此時雙四面體已經發生扭曲，而且會產生了較大的沖突作用力，難以實現恢復原狀，為解決上述步態中發生的扭曲，重新進行了步態規劃，在步態中加入了第一伸縮機構、第三伸縮機構、第四伸縮機構的伸縮，具體步態依次是:
首先，只對第一伸縮機構施加動力，使第一伸縮機構伸長到一定程度，其次，只對第六伸縮機6施加動力，使第六伸縮機構伸長到一定程度，由于整體結構質心發生偏移，使雙四面體向134面翻轉，然后，第三伸縮機構3、第四伸縮機構伸長一定長度，調整整體結構的變化，避免發生扭曲，最后，第一伸縮機構、第三伸縮機構、第四伸縮機構同步收回，回復到初始形狀，雙四面體伸縮移動機器人就是不斷重復此上的動作來完成測行步態。
[0044]在以上兩組運動中，實時控制直流電機的轉速，保證機構運動的平穩性。
[0045]本發明通過控制各個伸縮機構的運動變形，實現雙四面體伸縮移動機器人的局部或整體變形，并使質心超出支撐區域以實現滾動。該雙四面體移動機構不僅驗證了伸縮機構的可行性，而且有助于增強移動機構變形能力和移動能力的技術方法的研究。本發明通過控制各個伸縮機構的特定變形使整體結構質心偏移發生翻轉，使雙四面體伸縮移動機器人按照規劃的路線前進。整體機構通過本發明通過合理結構設計，能有效地完成機構的運轉。
[0046]上面結合附圖對本發明實施例進行了說明，但本發明不限于上述實施例，還可以根據本發明的發明創造的目的做出多種變化，凡依據本發明技術方案的精神實質和原理下做的改變、修飾、替代、組合、簡化，均應為等效的置換方式，只要符合本發明的發明目的，只要不背離本發明雙四面體伸縮移動機器人的技術原理和發明構思，都屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種雙四面體伸縮移動機器人，其特征在于，其包括伸縮單元和虎克鉸，所述伸縮單元包括第一伸縮機構、第二伸縮機構、第三伸縮機構、第四伸縮機構、第五伸縮機構、第六伸縮機構、第七伸縮機構、第八伸縮機構、第九伸縮機構，所述虎克鉸包括第一四邊形頂點模塊、第二四邊形頂點模塊、第三四邊形頂點模塊、第一三角形頂點模塊、第二三角形頂點模塊。2.根據權利要求1所述的雙四面體伸縮移動機器人，其特征在于，所述第一伸縮機構、第二伸縮機構、第三伸縮機構、第四伸縮機構、第五伸縮機構、第六伸縮機構、第七伸縮機構、第八伸縮機構、第九伸縮機構都包括頂部推桿座、固定銅柱、電機、聯軸器、聯軸器安裝板、三級伸縮節、二級伸縮節、一級伸縮節和底部推桿座位。3.根據權利要求2所述的雙四面體伸縮移動機器人，其特征在于，所述一級伸縮節、二級伸縮節、三級伸縮節是整個伸縮單元的主體零件，三者之間的運動通過螺紋進行傳遞，其中，螺紋選用梯形螺紋，保證伸縮機構具有較好的對中性、自鎖性和工藝性;一級伸縮節的內螺紋和二級伸縮節的外螺紋相配合，二級伸縮節的內螺紋和三級伸縮節的外螺紋相配合，相鄰兩級伸縮節之間屬于間隙配合;二級伸縮節端口上設有鍵槽，聯軸器安裝板上設有相匹配的鍵，當三級伸縮節完全旋入二級伸縮節內部時，聯軸器安裝板上的鍵會嵌入到二級伸縮節端口上的鍵槽里，然后帶動二級伸縮節轉動旋入一級伸縮節，完成縮短動作，為了防止兩級伸縮節互相脫離，設計了限位軸肩，三級伸縮節的頂端設置有頂絲，以便和電機輸出軸相固定。4.根據權利要求1所述的雙四面體伸縮移動機器人，其特征在于:所述第一三角形頂點模塊、第二三角形頂點模塊都包括三角形頂點快插模塊、第一快插模塊、第二快插模塊、第三快插模塊。5.根據權利要求1所述的雙四面體伸縮移動機器人，其特征在于，所述伸縮單元選用基于螺旋傳動的多級嵌套伸縮機構，具有結構簡單、重量輕、伸縮比較大、易加工、成本較低的優點。6.根據權利要求1所述的雙四面體伸縮移動機器人，其特征在于，所述電機使用的是直流電動機。7.根據權利要求1所述的雙四面體伸縮移動機器人，其特征在于，所述第一四邊形頂點模塊、第二四邊形頂點模塊、第三四邊形頂點模塊都包括四邊形頂點快插模塊、第一萬向節、第二萬向節、第三萬向節、第四萬向節。8.根據權利要求1所述的雙四面體伸縮移動機器人，其特征在于，所述伸縮單元的伸縮變化通過雙向正反開關進行手動控制。
【文檔編號】B62D57/02GK105835972SQ201610295966
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月7日
【發明人】楊金帥, 劉吉成, 季洪超, 劉樹林, 周曉君, 翟宇毅
【申請人】上海大學