一种仿伊苏斯飞虱跳跃机器人

本发明涉及跳跃机器人领域，尤其涉及一种仿伊苏斯飞虱跳跃机器人。

背景技术：

1、跳跃机器人是一种通过跳跃来移动和越过障碍的机器人。特别是在低重力环境下，跳跃机器人可以轻易达到惊人的高度，从而在探索外星球如火星和月球等极端地形中可以发挥重要作用。科学家们通过使用高分辨率显微镜观察“伊苏斯飞虱”的腿部结构发现，“伊苏斯飞虱”(issus coleoptratus)昆虫之所以跳过超过其体长100倍的距离还能准确地落到预想的位置上，是因为在其后腿的胫节上有一对类似齿轮啮合传动一样的微小结构。“伊苏斯飞虱”起跳时间大概只有30微秒左右，如果有一条后腿稍微慢了一点点，那么它们就无法准确地控制自己的跳跃方向和距离，在其进行跳跃之前，它们的后腿会向后弯曲，后腿上的“齿轮”结构就会整齐地咬合在一起，当其发力跳跃时，后腿上的“齿轮”结构可以确保两条后腿几乎在同一时刻发力。

2、公告号为cn102745274b的专利文献公开了一种机器人弹跳装置及其弹跳方法，采用改进的六杆式机构加装拉簧和扭簧，解决了传统的六杆弹跳结构中单纯依靠拉伸弹簧储能需要较大空间的问题，然而，该方案仍属于六杆弹跳结构，该结构具有中间的连杆机构，弹性势能存储的效率不高，另外，其复杂的结构也可能导致能量传递过程中的损失增加，从而降低整体的能量效率，跳跃能力较差。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于提高跳跃机器人的跳跃能力。

2、本发明通过以下技术手段解决上述技术问题：一种仿伊苏斯飞虱跳跃机器人，包括机架、驱动机构、传动机构、储能机构和支撑座；

3、所述储能机构连接在所述机架与所述支撑座之间，所述驱动机构和所述传动机构均安装在所述机架上，所述驱动机构用于通过所述传动机构提供驱动力，所述传动机构用于控制所述储能机构压缩或释放；

4、所述储能机构包括卷绳、弹片、仿生齿轮和连接轴；所述卷绳的一端固定连接在所述支撑座上，所述卷绳的另一端卷绕并固定在所述传动机构上；两组弹片对称设置，各组弹片的两端均固定连接有仿生齿轮；第一端的两组仿生齿轮相互啮合并分别通过连接轴与机架转动连接，第二端的两组仿生齿轮相互啮合并分别通过连接轴与支撑座转动连接。

5、本发明将两组对称设置的弹片直接用于弹性势能存储，去除了中间的连杆机构，弹性势能存储能力高，提高了跳跃机器人的跳跃能力；为确保该结构稳定工作，设置仿“伊苏斯飞虱”昆虫后腿的仿生齿轮，在储能机构压缩时，确保左右两侧的弹性元件同步运动，有效避免弹性元件向一侧倾斜，提高了机体的稳定性；在储能机构释放时，确保左右两侧的弹性元件在同一时刻发力，提高了机器人跳跃的准确度。

6、作为优化的技术方案，所述储能机构还包括橡皮筋，所述橡皮筋套在两组弹片的总体外部并与各组弹片的外侧中间位置固定连接。进一步提高了弹性势能存储能力。

7、作为优化的技术方案，所述储能机构还包括扭簧，第一端的两组仿生齿轮还分别通过扭簧与所述机架弹性连接，第二端的两组仿生齿轮还分别通过扭簧与所述支撑座弹性连接。进一步提高了弹性势能存储能力。

8、作为优化的技术方案，所述仿生齿轮包括连接块、不完全齿和扭簧安装槽；所述不完全齿固定连接在所述连接块的一端，两组仿生齿轮通过所述不完全齿相互啮合；所述连接块的外侧面中间位置设置有扭簧安装槽；

9、所述扭簧的中间部分弯曲成施力侧力臂，所述施力侧力臂安装在所述扭簧安装槽中；所述施力侧力臂的两端盘绕成两个连接环，两个连接环分别套在所述连接轴上位于所述仿生齿轮两侧的部分；两个连接环靠近两端的位置分别延伸出来形成两个固定侧力臂，所述固定侧力臂由所述施力侧力臂的中间开口位置穿出至所述施力侧力臂的外侧；第一端的扭簧的固定侧力臂安装在所述机架上，第二端的扭簧的固定侧力臂安装在所述支撑座上。

10、作为优化的技术方案，所述仿生齿轮还包括凸台、第一平面、弹片安装槽和第二平面；所述连接块的外侧面中间位置设置有凸台，所述凸台的外侧面为第一平面，所述凸台与所述连接块之间形成所述扭簧安装槽；所述连接块的外侧面设置有弹片安装槽，所述弹片安装槽位于所述凸台远离所述不完全齿的一侧；所述弹片安装槽的槽底为第二平面，所述弹片固定连接在所述第二平面上，所述第一平面与所述第二平面的夹角小于180°。弹片在初始状态下产生向外的弓形变形，仿生齿轮第一平面与第二平面的夹角设计有效避免了储能机构初始压缩时出现死点位置。

11、作为优化的技术方案，所述仿生齿轮还包括凹槽，所述不完全齿的外周中间位置设有凹槽；所述卷绳设置在两组弹片之间，所述卷绳由所述凹槽位置穿过两个啮合的不完全齿。

12、作为优化的技术方案，所述储能机构还包括线性弹簧和导向杆，两组导向杆对称设置在两组弹片的两侧，所述导向杆为伸缩杆；各组导向杆的外部分别套有线性弹簧，所述导向杆的两端分别固定连接在所述机架和所述支撑座上，所述线性弹簧的两端分别固定连接在所述机架和所述支撑座上。进一步提高了弹性势能存储能力，并且通过导向杆的导向作用，有效避免了储能机构在压缩过程中的跑偏问题。

13、作为优化的技术方案，所述机架上设有单向轴承安装孔和中间轴安装孔，所述中间轴安装孔为围绕在所述单向轴承安装孔外周并与其同心的弧形孔；

14、所述传动机构包括输入轴、旋转臂、单向轴承、输入齿轮、中间轴、双联齿轮、复位弹簧、输出轴、输出齿轮和绞线盘；

15、所述机架的外侧设置有旋转臂，所述旋转臂与所述机架之间设有单向轴承，所述单向轴承的外圈一部分与所述单向轴承安装孔转动配合，所述单向轴承的外圈另一部分与所述旋转臂固定配合；所述输入轴的外表面与所述单向轴承的内圈固定配合，所述输入齿轮固定配合在所述输入轴的外部；

16、所述中间轴与所述中间轴安装孔活动配合并与所述旋转臂转动配合，所述双联齿轮转动连接在所述中间轴上，所述中间轴通过所述复位弹簧连接所述机架；

17、所述输出轴与所述机架转动连接，所述输出齿轮固定配合在所述输出轴的外部；所述绞线盘设置在所述输出轴的一端，所述卷绳卷绕并固定在所述绞线盘上；

18、所述输入轴、中间轴和输出轴相互平行，所述输入齿轮始终与所述双联齿轮啮合，所述输出齿轮能够与所述双联齿轮啮合或分离。

19、驱动机构的输出轴顺时针旋转时，通过输入齿轮、双联齿轮和输出齿轮的依次传动使绞线盘缠绕卷绳，卷绳收缩带动弹性元件进行压缩，进行弹性势能存储；驱动机构的输出轴逆时针旋转时，在单向轴承与旋转臂的作用下，双联齿轮与输出齿轮脱离啮合，此时输出齿轮失去约束，卷绳可自由活动，储能机构储存的能量得到瞬间释放，弹性势能转换为机器人的动能，机器人跳跃；由于单向轴承先产生锁死力再整体逆时针旋转，从而避免了输出齿轮过早脱离啮合；通过设置复位弹簧，实现了储能机构可自主进行多次压缩和释放。

20、作为优化的技术方案，所述机架包括两组传动机构安装支架，两组传动机构安装支架之间形成安装腔体，各传动机构安装支架上均设有单向轴承安装孔和中间轴安装孔；两组传动机构安装支架的外侧均设置有旋转臂，各旋转臂与所述传动机构安装支架之间均设有单向轴承，所述输入轴贯穿两组单向轴承的内圈；所述中间轴贯穿两组中间轴安装孔以及两组旋转臂；所述输出轴与两组传动机构安装支架转动连接；所述输入齿轮、双联齿轮和输出齿轮均设置在所述安装腔体内。

21、驱动机构的输出轴逆时针旋转时，中间轴的两端同时受力，双联齿轮比较容易与输出齿轮脱离啮合。

22、作为优化的技术方案，所述旋转臂上设有大孔，所述大孔的内表面设有键；所述单向轴承的内外圈均设有键槽，所述单向轴承的外圈与所述大孔键连接；所述输入轴的外表面设有键槽，所述单向轴承内圈的键槽与所述输入轴的键槽之间通过平键进行键连接。

23、单向轴承的内外双键槽结构确保在其承受大力矩时旋转臂及输入轴不会与其发生相对滑动，可承受更大的拉力。

24、本发明的优点在于：

25、1、本发明将两组对称设置的弹片直接用于弹性势能存储，去除了中间的连杆机构，弹性势能存储能力高，提高了跳跃机器人的跳跃能力；为确保该结构稳定工作，设置仿“伊苏斯飞虱”昆虫后腿的仿生齿轮，在储能机构压缩时，确保左右两侧的弹性元件同步运动，有效避免弹性元件向一侧倾斜，提高了机体的稳定性；在储能机构释放时，确保左右两侧的弹性元件在同一时刻发力，提高了机器人跳跃的准确度。

26、2、储能机构通过橡皮筋、弹片、扭簧及线性弹簧四种不同弹性元件巧妙组合，进一步实现了在结构紧凑的条件下大大提高弹性势能存储能力，并且有效避免了储能机构在压缩过程中的跑偏问题。

27、3、弹片在初始状态下产生向外的弓形变形，仿生齿轮第一平面与第二平面的夹角设计有效避免了储能机构初始压缩时出现死点位置。

28、4、驱动机构的输出轴顺时针旋转时，通过输入齿轮、双联齿轮和输出齿轮的依次传动使绞线盘缠绕卷绳，卷绳收缩带动弹性元件进行压缩，进行弹性势能存储；驱动机构的输出轴逆时针旋转时，在单向轴承与旋转臂的作用下，双联齿轮与输出齿轮脱离啮合，此时输出齿轮失去约束，卷绳可自由活动，储能机构储存的能量得到瞬间释放，弹性势能转换为机器人的动能，机器人跳跃；由于单向轴承先产生锁死力再整体逆时针旋转，从而避免了输出齿轮过早脱离啮合；通过设置复位弹簧，实现了储能机构可自主进行多次压缩和释放。

29、5、驱动机构的输出轴逆时针旋转时，中间轴的两端同时受力，双联齿轮比较容易与输出齿轮脱离啮合。

30、6、单向轴承的内外双键槽结构确保在其承受大力矩时旋转臂及输入轴不会与其发生相对滑动，可承受更大的拉力。