專利名稱：齒輪擺桿式氣動蜘蛛機器人的制作方法
技術領域：
本發明屬于仿生機器人，特別涉及ー種齒輪擺桿式氣動蜘蛛機器人。
背景技術：
目前，小型地面移動機器人在軍事偵察、星際探測、防核化及污染等危險與惡劣環境作業中具有良好的應用前景，其多是采用各種電機來驅動輪式或履帶式行走，但這種移動方式很難越過高度超過限制的障礙物，特別對土坎、溝渠、松軟沙地等復雜地形無能為力。與輪式或履帶式結構相比，腿的運動方式能夠更好地適應崎嶇不平的地形，因為腿的立足點是離散的，跟地面的接觸面積較小，即使在表面極度不規則的情況下，也能夠實現落足。但腿式運動機械的研究還處于初級階段，其根本原因是腿式運動機構的原理、結構、控制、制作比較復雜，目前還沒有找到ー種簡單、有效、對多種復雜地形適應性強的腿式運動 裝置。目前的小型地面移動機器人或是只能單純的行走，或是只能單純的跳躍，或沒有姿態調整功能，缺乏足夠的運動靈活性。如中國發明專利(專利號200410021277. 9)公開了ー種凸輪轉換式三關節機械腿，該機械腿主要利用凸輪的轉換來模仿人類的邁步動作，但這種腿是兩足行走機構，其平衡性對地形敏感度高，在強不規則表面行走吋，平衡不易控制；中國發明專利(專利號201010230995. 2)公開了ー種蜘蛛機器人，該機器人利用多伺服電機實現蜘蛛各關節的純電氣控制，但它只有爬行功能，且電機控制制約了它的爬行速度；中國發明專利(專利號200810022629. 0)公開了ー種彈跳機器人的彈性儲能與釋能裝置，這種裝置只能彈跳，并且不能調整機體姿態，如果在復雜地形中發生機體翻轉，將無法繼續彈跳和儲能；中國發明專利(專利號201010146485. 7)公開了ー種基于連桿機構的仿生跳躍機器人，該機器人由履帶式機構和基于彈性勢能連桿機構實現行走和跳躍功能，但履帶式行走機構特點決定了其越障能力較差，其連桿機構的跳躍能力也有限，而且沒有機體姿態調整功能，該機器人如果在復雜地形中跳躍落地后，機體發生翻轉，腳掌朝上，將無法繼續行走和跳躍。
發明內容
本發明的目的在于克服上述技術不足，提供一種反應速度快，靈活性和越障能力強的齒輪擺桿式氣動蜘蛛機器人。本發明解決技術問題采用的技術方案是齒輪擺桿式氣動蜘蛛機器人包括儲能缸套、儲氣罐、鋰電池、上、下防護罩、蝸輪蝸桿減速電機、聯軸器、上、下基體盤、驅動齒輪、中心軸、變向齒輪軸一、ニ、變向齒輪一、ニ、齒輪擺桿一、ニ、三、四、五、六，其特點是在下基體盤的中間處設有中心軸，在中心軸上裝驅動齒輪，驅動齒輪對稱嚙合連接變向齒輪ー和變向齒輪ニ，驅動齒輪嚙合連接齒輪擺桿一、齒輪擺桿三、齒輪擺桿四、齒輪擺桿六，變向齒輪一、ニ裝在變向齒輪軸一、ニ上，變向齒輪軸一、ニ裝在下基體盤上，變向齒輪一、二分別嚙合連接齒輪擺桿ニ、齒輪擺桿五，齒輪擺桿一、ニ、三、四、五、六均用擺桿軸限位固定在下基體盤上，齒輪擺桿一、ニ、三、四、五、六的非哨合端頭下方均用小腿軸鉸連接小腿氣缸，小腿氣缸的圓周面上均用膝關節氣缸連桿軸連接膝關節氣缸的一端，膝關節氣缸的另一端用膝關節氣缸頂部軸鉸連接在齒輪擺桿一、ニ、三、四、五、六的側面圓周壁上，小腿氣缸的活塞桿下端間隙裝配在儲能缸套內，儲能缸套內中心裝儲能彈簧，在儲能缸套內壁上裝襯套，在儲能缸套和襯套壁上，上、下等距設三層、每層對稱裝四塊擋塊，在擋塊和儲能缸套外壁之間裝電磁鐵，電磁鐵和擋塊之間裝回復彈簧，在下基體盤的下面設下防護罩，在下防護罩內中間裝蝸輪蝸桿減速電機，蝸輪蝸桿減速電機用聯軸器連接中心軸，蝸輪蝸桿減速電機ー側設有鋰電池，鋰電池外側設有多個儲氣罐，在下基體盤的中部兩端對稱設有擋板，在擋板上面裝上基體盤，上、下基體盤之間另由多個擺桿軸固接，在上基體盤上裝電磁隔膜充氣泵，電磁隔膜充氣泵連接多個排氣調速閥、二位兩通電磁閥和三位五通電磁閥，在上基體盤上裝上防護罩，在上防護罩兩側對稱裝四個針孔攝像頭。本發明的有益效果是齒輪擺桿式氣動蜘蛛機器人可快速行走，進行橫向和縱向越障，對于高度突變較大的地形可跳躍通過，還可實現原地轉向和原地翻轉，反應迅速，動作靈活，具有超強越障能力。可用于軍事偵查、星際探測、防核化及污染等危險與惡劣環境，本機器人制造成本低兼，便于推廣應用。
以下結合附圖以實施例具體說明。圖I是齒輪擺桿式氣動蜘蛛機器人結構圖。圖2是圖I中齒輪擺桿、小腿氣缸、膝關節氣缸動作關系圖。圖3是圖I中儲能缸套內結構剖視圖。圖4是圖I中驅動齒輪與齒輪擺桿傳動關系圖。圖5是齒輪擺桿式氣動蜘蛛機器人氣動控制原理圖。圖中I-儲能缸套；I-I-襯套；2_儲能彈簧；3-擋塊；4_回復彈簧；5_電磁鐵；6_儲氣罐；7_下防護罩；8_鋰電池；9_齒輪擺桿ー ；10_擺桿軸；11_變向齒輪ー ；12_變向齒輪軸一 ；13-齒輪擺桿ニ ； 14-下基體盤；15-驅動齒輪；16-齒輪擺桿三；17-上基體盤；18-電磁隔模充氣泵；19_排氣調速閥；20_三位五通電磁閥；21_針孔攝像頭；22_上防護罩；23_ 二位兩通電磁閥；24_擋板；25_中心軸；26_軸承；27_變向齒輪軸ニ ；28_齒輪擺桿四；29_變向齒輪ニ ；30_齒輪擺桿五；31_齒輪擺桿六；32_小腿軸；33_膝關節氣缸頂部軸；34_聯軸器；35_蝸輪蝸桿減速電機；36_小腿氣缸；37_膝關節氣缸；38_膝關節氣缸連桿軸。
具體實施例方式實施例。參照附圖I 4，齒輪擺桿式氣動蜘蛛機器人是在下基體盤14的中間處設有中心軸25，在中心軸25上用鍵裝驅動齒輪15，在中心軸25上裝有軸承26。驅動齒輪15對稱交錯嚙合連接變向齒輪ー 11和變向齒輪ニ 29，且驅動齒輪15還嚙合連接對稱的齒輪擺桿一 9、齒輪擺桿三16、齒輪擺桿四28、齒輪擺桿六31，其中驅動齒輪15與變向齒輪ー
11、齒輪擺桿四28、齒輪擺桿六31的嚙合位置處于下水平面，而驅動齒輪15與變向齒輪ニ
29、齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿三16嚙合位置處于上水平面。變向齒輪ー 11和變向齒輪ニ 29分別裝在變向齒輪軸一 12、變向齒輪軸ニ 27上，變向齒輪軸一 12、變向齒輪軸ニ 27裝在下基體盤14上。變向齒輪ー 11和變向齒輪ニ 29分別嚙合連接齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿五30，齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿三16、齒輪擺桿四28、齒輪擺桿五30、齒輪擺桿六31均用擺桿軸10限位固定在下基體盤14上。齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿三16、齒輪擺桿四28、齒輪擺桿五30、齒輪擺桿六31的非嚙合端頭下方均用小腿軸32鉸連接小腿氣缸36的上端，小腿氣缸36的圓周面上均用膝關節氣缸連桿軸38鉸連接膝關節氣缸37的一端，膝關節氣缸37的另一端用膝關節氣缸頂部軸33鉸連接在齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿三16、齒輪擺桿四28、齒輪擺桿五30、齒輪擺桿六31的側面圓周壁上。小腿氣缸36的活塞桿下端間隙裝配在儲能缸套I內，儲能缸套I內中心裝儲能彈簧2，在儲能缸套I內壁上裝襯套1-1，在儲能缸套I和襯套1-1壁上，上、下等距設三層、每層對稱裝四塊擋塊3，在擋塊3和儲能缸套I外壁之間裝電磁鐵5，電磁鐵5和擋塊3之間裝回復彈簧4，在下基體盤14的下面設下防護罩7，在下防護罩7內中間裝蝸輪蝸桿減速電機35，蝸輪蝸桿減速電機35用聯軸器34連接中心軸25，蝸輪蝸桿減速電機35 —側設有鋰電池8，鋰電池8外側設有四個儲氣罐6，在下基體盤14的中部兩端對稱設有擋板24，在擋板24上面裝上基體盤17，上基體盤17和下基體盤14之間另由六個擺桿軸10固接，在上基體盤17上裝電磁隔膜充氣泵18，電磁隔膜充氣泵18連接八單元集裝式三位五通電磁閥20、十六個排氣調速閥19和四個二位兩通電磁閥23，在上基體盤17上裝上防護罩22，在上防護罩22 兩側對稱裝四個針孔攝像頭21。參照附圖5，齒輪擺桿式氣動蜘蛛機器人的氣動連接關系是齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿三16、齒輪擺桿四28、齒輪擺桿五30、齒輪擺桿六31上的氣動連接關系是相同的，以齒輪擺桿六31為例，分小腿氣缸36和膝關節氣缸37的氣動連接關系。小腿氣缸36的氣動連接中，由電磁隔膜充氣泵18連接儲氣罐6—端，儲氣罐6的另一端通過軟管與三位五通電磁閥20的輸入口相連，三位五通電磁閥20的兩個輸出口的分別串接一個排氣調速閥19，其中的一個排氣調速閥19與ー個二位兩通電磁閥23并聯，這兩路輸出分別通過軟管接小腿氣缸36的下端和上端；膝關節氣缸37的氣動連接中，也由電磁隔膜充氣泵18連接儲氣罐6 —端,儲氣罐6的另一端通過軟管與另一個三位五通電磁閥20的輸入ロ相連，三位五通電磁閥20的兩個輸出口的分別串接一個排氣調速閥19，兩個排氣調速閥19的另一端分別接膝關節氣缸37的下端和上端。齒輪擺桿式氣動蜘蛛機器人的動作原理是
交替擺腿動作參照附圖1、4，齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿五30分別通過變向齒輪ー 11、變向齒輪ニ 29與驅動齒輪15構成ニ級齒輪傳動，齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿三16、齒輪擺桿四28、齒輪擺桿六31則與驅動齒輪15直接嚙合；當蝸輪蝸桿減速電機35帶動驅動齒輪15逆時針旋轉時，齒輪擺桿ー 9和齒輪擺桿三16繞各自擺桿軸順時針旋轉，而齒輪擺桿五30則逆時針旋轉，此時齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿三16、齒輪擺桿五30相對于下基體盤14的擺動方向是統一向后的(設附圖4中向上為向后方向，向下為向前方向)，同理，與此同時，齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿四28、齒輪擺桿六31的擺動方向是統一向前的，齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿三16、齒輪擺桿五30和齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿四28、齒輪擺桿六31相對于下基體盤14的方向始終相反，各水平髖關節的擺腿方向通過不斷定時改變蝸輪蝸桿減速電機35的轉動方向來控制，擺腿步幅大小通過轉動時間來控制，這樣只通過ー個蝸輪蝸桿減速電機35就實現了蜘蛛機器人六條腿的交替擺腿動作。
縱向行走和越障動作參照附圖1、4、5，并結合交替擺腿動作進行縱向行走，當蝸輪蝸桿減速電機35開始帶動驅動齒輪15逆時針旋轉時，齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿三16、齒輪擺桿五30對應的三個小腿氣缸伸長支地,統一向后擺動,推動機體向前,與此同時，齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿四28、齒輪擺桿六31對應的三個小腿氣缸呈收縮狀態，統一向前擺動，實現前探步；當達到ー個步距時，蝸輪蝸桿減速電機35開始反轉，此時齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿四28、齒輪擺桿六31對應三個小腿氣缸的伸長支地，統一向后擺動，推動機體向前，而齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿三16、齒輪擺桿五30對應的三個小腿氣缸收縮，統一向前擺動，如此往復，兩組腿不斷交替行進，實現機體縱向行走；當每個小腿氣缸滿行程伸縮時，可實現接近I倍小腿氣缸行程的越障高度，從而可實現縱向越障。橫向行走和越障動作參照附圖1、4、5，行走前，先旋轉蝸輪蝸桿減速電機35，調整六個齒輪擺桿使其相互平行，保持圖4中位置，從而保證六條腿橫向行走時方向一致性，然后蝸輪蝸桿減速電機35停機，各腿完全由氣壓傳動控制。當向右橫向行走時，齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿四28、齒輪擺桿六31對應的三個小腿氣缸呈收縮狀態，齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿三16、齒輪擺桿五30對應的三個小腿氣缸伸長支地，與此同時，齒輪擺桿五30和齒輪擺桿ニ 13對應的膝關節氣缸逐漸收縮，齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿三16和齒輪擺桿四28、齒 輪擺桿六31對應的膝關節缸逐漸伸長，此時，齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿三16、齒輪擺桿五30對應的膝關節氣缸的動作推動機體向右行走，而齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿四28、齒輪擺桿六31對應的膝關節氣缸的動作實現向右探步；當達到ー個橫向步距時，所有小腿氣缸和膝關節氣缸同時反向動作，繼續推動機體向右行走，如此往復，兩組腿不斷交替橫向推進，實現機體橫向行走；上述運動過程中，各齒輪擺桿對應的小腿氣缸和膝關節氣缸滿行程伸縮時，可實現橫向越障，以圖I中三維模型為例，其理論越障高度可達2倍身高，考慮到機體自身高度，實際越障高度可達I. 5-1. 6倍身高，執行速度快的氣壓傳動能保證該機器人反應迅速，動作靈活。跳躍動作參照附圖1、5，跳躍時，蝸輪蝸桿減速電機35不動作，跳躍前，六個齒輪擺桿對應的小腿氣缸全部收縮到最低點，以齒輪擺桿六31對應的小腿氣缸36為例，先把小腿氣缸36內氣體排凈，然后再瞬時開啟小腿氣缸36的二位兩通電磁閥23 (快速進氣)，這 樣小腿氣缸36受到向上的高壓沖擊，因此，六個齒輪擺桿對應的小腿氣缸同時得到瞬時動能，從而實現跳躍動作；再者，可通過各膝關節氣缸調節對應的齒輪擺桿與小腿氣缸角度，實現垂直跳躍和橫向跳躍，角度調整以齒輪擺桿六31為例，可通過膝關節氣缸37調節齒輪擺桿六31與小腿氣缸36的角度，當形成直角時為垂直跳躍，當非直角時為橫向跳躍；該機器人的跳躍能力與機體質量的一次方成反比，而與小腿氣缸缸徑平方成正比，因此，小腿氣缸缸徑決定其跳躍能力；且跳躍具有儲能裝置，參照附圖3，儲能裝置中的擋塊全部采用與其對應的電磁鐵5和回復彈簧4控制其擋或不擋的狀態，最下面兩層的擋塊主要用于儲存不同大小的跳躍能量，最底層的擋塊3儲存能量最大。原地轉向動作參照附圖1、4、5，結合交替擺腿動作進行原地轉向，轉向時，各齒輪擺桿對應的膝關節氣缸不動作，且只對蝸輪蝸桿減速電機35和各小腿氣缸動作，當蝸輪蝸桿減速電機35開始帶動驅動齒輪15逆時針旋轉時，齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿三16、齒輪擺桿四28、齒輪擺桿六31對應的小腿氣缸伸長支地，統ー順時針旋轉，推動整個機體逆時針旋轉，與此同時，齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿五30對應的小腿氣缸呈收縮狀態，統ー逆時針旋轉；當達到ー個步距時，蝸輪蝸桿減速電機35開始反轉，此時齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿五30對應的小腿氣缸伸長支地，統ー順時針旋轉，繼續推動整個機體逆時針旋轉，而齒輪擺桿一 9、齒輪擺桿三16、齒輪擺桿四28、齒輪擺桿六31對應的小腿氣缸則呈收縮狀態，統ー逆時針旋轉，如此循環往復，兩組腿不斷交替推動機體旋轉，實現蜘蛛機器人的原地轉向，其中可通過控制循環次數來控制轉向角度。原地翻身動作參照附圖1、2，機器人防護罩7和22上下對稱設計，考慮到跳躍下落時地面不平或受到其它外界影響，會出現蜘蛛機體翻轉現象，此時，以齒輪擺桿六31為例，伸展膝關節氣缸37，使其齒輪擺桿六31與小腿氣缸36保持在一條直線上，然后再收縮膝關節氣缸37，此時由于小腿氣缸36自重作用，小腿氣缸36會向下偏轉，實現關節變向，這樣可實現六個齒輪擺桿同時關節變向，實現機體翻轉。翻筋斗動作結合跳躍和原地翻身動作，可實現翻筋斗動作，參照附圖1、4，翻筋斗吋，同時開啟圖中齒輪擺桿四28、齒輪擺桿五30、齒輪擺桿六31對應小腿氣缸的二位兩 通電磁閥(快速進氣)，這樣此對應的三個小腿氣缸同時受到向上的高壓沖擊，得到瞬時動能，向上跳躍，與此同時，圖中齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿三16對應膝關節氣缸快速伸展，實現整個機體繞齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿三16對應的小腿軸快速翻轉，起跳后，齒輪擺桿四28、齒輪擺桿五30、齒輪擺桿六31對應的小腿氣缸快速伸展，達到滿行程，使其小腿氣缸與其對應的齒輪擺桿成一條直線，當機體翻轉超過90度吋，快速收縮齒輪擺桿一 9、齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿三16對應的膝關節氣缸，此時由于慣性作用，齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿三16對應的膝關節變向，使整個機體翻轉到齒輪擺桿ー 9、齒輪擺桿ニ 13、齒輪擺桿三16對應的小腿軸左側，此時快速收縮齒輪擺桿四28、齒輪擺桿五30、齒輪擺桿六31對應的膝關節氣缸，由于重力作用，齒輪擺桿四28、齒輪擺桿五
30、齒輪擺桿六31對應的膝關節變向，從而實現了翻筋斗動作。
權利要求
1.一種齒輪擺桿式氣動蜘蛛機器人,包括儲能缸套(I)、儲氣罐(6)、鋰電池(8)、上、下防護罩(22、7)、蝸輪蝸桿減速電機(35)、聯軸器(34)、上、下基體盤(17、14)、驅動齒輪(15)、中心軸(25)、變向齒輪軸一、ニ(12、27)、變向齒輪一、ニ(11、29)、齒輪擺桿一、ニ、三、四、五、六(9、13、16、28、30、31)，其特征在于在下基體盤(14)的中間處設有中心軸(25)，在中心軸(25)上裝驅動齒輪(15)，驅動齒輪(15)對稱嚙合連接變向齒輪ー(11)和變向齒輪ニ(29)，驅動齒輪(15)嚙合連接齒輪擺桿ー(9)、齒輪擺桿三(16)、齒輪擺桿四(28)、齒輪擺桿六(31)，變向齒輪一、ニ(11、29)裝在變向齒輪軸一、ニ(12、27)上，變向齒輪軸一、ニ(12、27)裝在下基體盤(14)上，變向齒輪一、ニ(11、29)分別嚙合連接齒輪擺桿ニ(13)、齒輪擺桿五(30)，齒輪擺桿一、ニ、三、四、五、六(9、13、16、28、30、31)均用擺桿軸(10)限位固定在下基體盤(14)上，齒輪擺桿一、ニ、三、四、五、六(9、13、16、28、30、31)的非嚙合端頭下方均用小腿軸(32)鉸連接小腿氣缸(36)，小腿氣缸(36)的圓周面上均用膝關節氣缸連桿軸(38)連接膝關節氣缸(37)的一端，膝關節氣缸(37)的另一端用膝關節氣缸頂部軸(33)鉸連接在齒輪擺桿一、ニ、三、四、五、六(9、13、16、28、30、31)的側面圓周壁上，小腿氣缸(36)的活塞桿下端間隙裝配在儲能缸套(I)內，儲能缸套(I)內中心裝儲能彈簧(2)，在儲能缸套(I)內壁上裝襯套(1-1 )，在儲能缸套(I)和襯套(1-1)壁上，上、下等距設 三層、每層對稱裝四塊擋塊(3)，在擋塊(3)和儲能缸套(I)外壁之間裝電磁鐵(5)，電磁鐵(5)和擋塊(3)之間裝回復彈簧(4)，在下基體盤(14)的下面設下防護罩(7)，在下防護罩(7)內中間裝蝸輪蝸桿減速電機(35)，蝸輪蝸桿減速電機(35)用聯軸器(34)連接中心軸(25)，蝸輪蝸桿減速電機ー(35)側設有鋰電池(8)，鋰電池(8)外側設有多個儲氣罐(6)，在下基體盤(14)的中部兩端對稱設有擋板(24)，在擋板(24)上面裝上基體盤(17)，上、下基體盤(17、14)之間另由多個擺桿軸(10)固接，在上基體盤(17)上裝電磁隔膜充氣泵(18)，電磁隔膜充氣泵(18)連接多個排氣調速閥(19)、二位兩通電磁閥(23)和三位五通電磁閥(20)，在上基體盤(17)上裝上防護罩(22)，在上防護罩(22)兩側對稱裝四個針孔攝像頭(21)。
全文摘要
本發明屬于仿生機器人，特別涉及一種齒輪擺桿式氣動蜘蛛機器人，在下基體盤(14)的中間處設有中心軸(25)，在中心軸(25)上裝驅動齒輪(15)，驅動齒輪(15)對稱嚙合連接變向齒輪一(11)和變向齒輪二(29)，驅動齒輪(15)嚙合連接齒輪擺桿，變向齒輪一、二(11、29)裝在變向齒輪軸一、二(12、27)上，變向齒輪軸一、二(12、27)裝在下基體盤(14)上，齒輪擺桿的非嚙合端頭下方均用小腿軸(32)鉸連接小腿氣缸(36)，在上基體盤(17)上裝電磁隔膜充氣泵(18)，電磁隔膜充氣泵(18)連接多個排氣調速閥(19)、二位兩通電磁閥(23)和三位五通電磁閥(20)，齒輪擺桿式氣動蜘蛛機器人可快速行走，進行橫向和縱向越障，反應迅速，動作靈活。
文檔編號B62D57/032GK102795276SQ20121030227
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月23日 優先權日2012年8月23日
發明者劉強, 蘇榮華, 席本強 申請人:遼寧工程技術大學