CN103303385B - 步长可变的四边形滚动机器人 - Google Patents
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Abstract
步长可变的四边形滚动机器人，包括第一至第四杆组（A、B、C、D）、八个保护球壳（15）以及连接它们的一个滚动驱动电机（12）和七个配重（13）。机器人的外形为一个平行四边形，第一至第四杆组分别作为平行四边形的四条边。其中，第一杆组（A）和第三杆组（C）各自包括一个主动剪叉单元（a）、一个从动剪叉单元（b）、四个转角构件以及连接它们的连接件；第二杆组（B）和第四杆组（D）包括两个从动剪叉单元（b）、四个转角构件以及连接它们的连接件。滚动驱动电机（12）通过改变平行四边形的内角角度，实现机器人的滚动功能；主动剪叉单元（a）上的变步长驱动电机（11）控制平行四边形的边长变化，实现变步长功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种机器人，具体涉及一种步长可变的四边形滚动机器人。
背景技术
平面连杆机构的应用十分广泛，其优点是能够实现多种运动规律和运动轨迹的要求，并且结构简单、工作可靠、承载能力强。在平面连杆中，由四个杆件组成的平面四杆机构最为常见。平面四杆机构不仅应用广泛，而且是组成多杆机构的基础。中国专利CN 2789106Y提出了一种单动力滚动四杆机构，该机构依靠一个驱动电机的控制，通过平行四边形的变形和机构自身的运动惯性实现滚动行进，结构简单，具有一定的运动能力，但是该机构行进步长随平行四边形的边长而固定，运动形式单一。中国专利CN 102058982B提出了一种单动力滚动多边形机构，该机构通过一个电机进行驱动控制，实现“雪花”外形的改变，从而改变机构的重心位置，实现翻滚运动。
发明内容
本发明要解决的技术问题：一般的滚动机构在运动过程中行进步长不发生改变，对地面环境及周围空间环境的适应能力差。
本发明的技术方案：步长可变的四边形滚动机器人包括第一至第四杆组、八个保护球壳以及一个滚动驱动电机和七个配重。机器人的外形为一个平行四边形，四个杆组分别作为平行四边形的四条边。其中，第一杆组和第三杆组各自包括一个主动剪叉单元、一个从动剪叉单元、四个转角构件以及连接它们的四个长轴和两个短轴；第二杆组和第四杆组包括两个从动剪叉单元、四个转角构件以及连接它们的四个长轴和两个短轴。
变步长驱动电机通过螺钉与电机座连杆固定，其转轴穿过电机座连杆与电机轴连杆的中间孔，顶丝通过电机轴连杆的顶丝孔对电机的转轴进行固定，构成了主动剪叉单元。
第一从动连杆的中间孔与第二从动连杆的中间孔通过长轴连接，并用卡簧进行轴向固定，构成了从动剪叉单元。
主动剪叉单元中的电机座连杆的厚端孔与从动剪叉单元中的第一从动连杆的一端孔通过长轴连接，并用卡簧进行轴向固定，电机座连杆的薄端孔与第一个第二转角构件的弧端孔通过短轴连接，并用卡簧进行轴向固定，第一从动连杆的另一端孔与第一个第一转角构件的弧端孔通过长轴连接，并用卡簧进行轴向固定，主动剪叉单元中电机轴连杆的一端孔与从动剪叉单元中第二从动连杆的厚端孔通过长轴连接，并用卡簧进行轴向固定，电机轴连杆的另一端孔与第二个第一转角构件的弧端孔通过长轴连接，并用卡簧进行轴向固定，第二从动连杆的薄端孔与第二个第二转角构件的弧端孔通过短轴连接，并用卡簧进行轴向固定，构成了第一杆组。第三杆组的结构和连接方式，与第一杆组相同。
第一从动剪叉单元中的第一从动连杆的一端孔与第二从动剪叉单元中的第二从动连杆的厚端孔通过长轴连接，并用卡簧进行轴向固定，第一从动连杆的另一端孔与第一个第三转角构件的弧端孔通过长轴连接，并用卡簧进行轴向固定，第二从动连杆的薄端孔与第一个第四转角构件的弧端孔通过短轴连接，并用卡簧进行轴向固定；第一从动剪叉单元中的第二从动连杆的厚端孔与第二从动剪叉单元中的第一从动连杆的一端孔通过长轴连接，并用卡簧进行轴向固定，第二从动连杆的薄端孔与第二个第四转角构件的弧端孔通过短轴连接，并用卡簧进行轴向固定，第一从动连杆与第二个第三转角构件的弧端孔通过长轴连接，并用卡簧进行轴向固定，构成了第二杆组。第四杆组的结构和连接方式，与第二杆组相同。
第一至第四杆组、一个滚动驱动电机和七个配重构成平行四边形，其中，第一杆组和第三杆组）作为平行四边形的对边布置，第二杆组和第四杆组作为平行四边形的对边布置。
滚动驱动电机与第一配重将第一杆组和第二杆组连接在一起；第二配重与第三配重将第二杆组和第三杆组连接在一起；第四配重与第五配重将第三杆组和第四杆组连接在一起；第六配重与第七配重将第四杆组和第一杆组连接在一起。
装配完成的四边形每个顶点处都有两个拐角，都需安装保护球壳，且该四边形四个顶点处的球壳安装方式完全相同。其中一个顶点处的安装方式：第一个导杆的螺纹端固定在第四转角构件的中间螺纹孔上，螺钉穿过第二转角构件上的螺钉孔固定在保护球壳的螺纹孔上；第二个导杆的螺纹端固定在第一转角构件的中间螺纹孔上，螺钉穿过第三转角构件的螺钉孔固定在保护球壳的螺纹孔上。
本发明的有益效果：本发明所述的步长可变的四边形滚动机器人，通过两个变步长驱动电机控制平行四边形的边长变化，实现机器人变步长功能，通过一个滚动驱动电机控制平行四边形内角角度的变化，实现机器人的滚动功能，并使得机器人具有一定的越障能力。该机构结构简单，成本低廉，易于制造和工程实现。为中小学生提供了一个对几何形体及移动机构的认识，可用于制作玩具、教学教具，也可用于制作军用探测机器人。
附图说明
图1 步长可变的四边形滚动机器人的整体三维图
图2 不带保护球壳的步长可变的四边形滚动机器人的整体三维图
图3 第一杆组（A）和第三杆组（C）的整体三维图
图4 第二杆组（B）和第四杆组（D）的整体三维图
图5 主动剪叉单元（a）的整体三维图
图6 从动剪叉单元（b）的整体三维图
图7 保护球壳的安装图
图8 第一从动连杆的三维图
图9 第二从动连杆的三维图
图10 电机轴连杆的三维图
图11电机座连杆的三维图
图12 第一转角构件的三维图
图13 第二转角构件的三维图
图14 第三转角构件的三维图
图15 第四转角构件的三维图
图16 球壳的三维图
图17 导杆的三维图
图18a、图18b、图18c为步长可变的四边形滚动机器人的步长变化分解图：
图18a 最小边长状态
图18b 中间长度状态
图18c 最大边长状态
图19a、图19b、图19c、图19d为步长可变的四边形滚动机器人直行步态分解图：
图19a 直行步态的起始位姿
图19b 直行步态的重心偏移动作
图19c 直行步态的翻滚动作
图19d 直行步态的姿态恢复动作
图中：第一从动连杆1、电机轴连杆2、第二从动连杆3、电机座连杆4、长轴5、短轴6、第一转角构件7、第三转角构件8、第二转角构件9、第四转角构件10、变步长驱动电机11、滚动驱动电机12、配重13、导杆14、保护球壳15、螺钉16、主动剪叉单元a、从动剪叉单元b、第一杆组A、第二杆组B、第三杆组C、第四杆组D。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
步长可变的四边形滚动机器人如图1所示，包括第一至第四杆组（A、B、C、D）、八个保护球壳（15）以及一个滚动驱动电机（12）和七个配重（13），其中，第一杆组（A）和第三杆组（C）各自包括一个主动剪叉单元（a）、一个从动剪叉单元（b）、四个转角构件以及连接它们的四个长轴和两个短轴；第二杆组（B）和第四杆组（D）包括两个从动剪叉单元（b）、四个转角构件以及连接它们的四个长轴和两个短轴。
本发明的实施方式：
如图5，变步长驱动电机（11）通过螺钉与电机座连杆（4）固定，其转轴穿过电机座连杆（4）与电机轴连杆（2）的中间孔，顶丝通过电机轴连杆（2）的顶丝孔对电机的转轴进行固定，构成主动剪叉单元（a）。
如图6，第一从动连杆（1）的中间孔与第二从动连杆（3）的中间孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定，构成从动剪叉单元（b）。
如图3，主动剪叉单元（a）中的电机座连杆（4）的厚端孔与从动剪叉单元（b）中的第一从动连杆（1）的一端孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定，电机座连杆（4）的薄端孔与第一个第二转角构件（9）的弧端孔通过短轴（6）连接，并用卡簧进行轴向固定，第一从动连杆（1）的另一端孔与第一个第一转角构件（7）的弧端孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定，主动剪叉单元（a）中电机轴连杆（2）的一端孔与从动剪叉单元（b）中第二从动连杆（3）的厚端孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定，电机轴连杆（2）的另一端孔与第二个第一转角构件（7）的弧端孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定，第二从动连杆（3）的薄端孔与第二个第二转角构件（9）的弧端孔通过短轴（6）连接，并用卡簧进行轴向固定，构成第一杆组（A）。
第三杆组（C）的结构和连接方式，与第一杆组（A）相同。
如图4，第一从动剪叉单元（b）中的第一从动连杆（1）的一端孔与第二从动剪叉单元（b）中的第二从动连杆（3）的厚端孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定，第一从动连杆（1）的另一端孔与第一个第三转角构件（8）的弧端孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定，第二从动连杆（3）的薄端孔与第一个第四转角构件（10）的弧端孔通过短轴（6）连接，并用卡簧进行轴向固定；第一从动剪叉单元（b）中的第二从动连杆（3）的厚端孔与第二从动剪叉单元（b）中的第一从动连杆（1）的一端孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定，第二从动连杆（3）的薄端孔与第二个第四转角构件（10）的弧端孔通过短轴（6）连接，并用卡簧进行轴向固定，第一从动连杆（1）与第二个第三转角构件（8）的弧端孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定，构成第二杆组（B）。
第四杆组（D）的结构和连接方式，与第二杆组（B）相同；
如图2，第一杆组（A）、第二杆组（B）、第三杆组（C）、第四杆组（D）、一个滚动驱动电机（12）和七个配重（13）构成平行四边形，其中，第一杆组（A）和第三杆组（C）作为平行四边形的对边布置，第二杆组（B）和第四杆组（D）作为平行四边形的对边布置。
滚动驱动电机（12）与第一杆组（A）中的第二个第二转角构件（9）通过螺钉固定，滚动驱动电机（12）的转轴穿过第一杆组（A）中第二个第二转角构件（9）的方端孔和第二杆组（B）中的第二个第四转角构件（10）的方端孔，顶丝通过第四转角构件（10）的顶丝孔对电机的转轴进行固定，
第一配重（13）通过螺钉与第一杆组（A）中的第一个第一转角构件（7）固定，其轴穿过第一杆组（A）中的第一个第一转角构件（7）的方端孔和第二杆组（B）中的第一个第三转角构件（8）的方端孔，
第二配重（13）通过螺钉与第三杆组（C）中的第二个第一转角构件（7）固定，其轴穿过第三杆组（C）中的第二个第一转角构件（7）的方端孔和第二杆组（B）中的第二个第三转角构件（8）的方端孔，
第三配重（13）通过螺钉与第三杆组（C）中的第一个第二转角构件（9）固定，其轴穿过第三杆组（C）中的第一个第二转角构件（9）的方端孔和第二杆组（B）中的第一个第四转角构件（10）的方端孔，
第四配重（13）通过螺钉与第三杆组（C）中的第二个第二转角构件（9）固定，其轴穿过第三杆组（C）中的第二个第二转角构件（9）的方端孔和第四杆组（D）中的第二个第四转角构件（10）的方端孔，
第五配重（13）通过螺钉与第三杆组（C）中的第一个第一转角构件（7）固定，其轴穿过第三杆组（C）中的第一个第一转角构件（7）的方端孔和第四杆组（D）中的第一个第三转角构件（8）的方端孔，
第六配重（13）通过螺钉与第一杆组（A）中的第二个第一转角构件（7）固定，其轴穿过第一杆组（A）中的第二个第一转角构件（7）的方端孔和第四杆组（D）中的第二个第三转角构件（8）的方端孔，
第七配重（13）通过螺钉与第一杆组（A）中的第一个第二转角构件（9）固定，其轴穿过第一杆组（A）中的第一个第二转角构件（9）的方端孔和第四杆组（D）中的第一个第四转角构件（10）的方端孔。
如图1，步长可变的四边形滚动机器人外形类似平行四边形，每个顶点都需安装两个保护球壳，且每个顶点处的安装方式完全相同。其中一个顶点处，第一个导杆（14）的螺纹端固定在第四转角构件（10）的中间螺纹孔上，螺钉（16）穿过第二转角构件（9）上的螺钉孔固定在保护球壳（15）的螺纹孔上；第二个导杆（14）的螺纹端固定在第一转角构件（7）的中间螺纹孔上，螺钉（16）穿过第三转角构件（8）的螺钉孔固定在保护球壳（15）的螺纹孔上。
所述的第一转角构件（7）、第二转角构件（9）、第三转角构件（8）和第四转角构件（10）上的弧端孔与方端孔的轴线互相垂直。
具体的使用方法：
步长可变的四边形滚动机器人可以实现变步长功能。步长可变的四边形滚动机器人处于附图18a所示的最小边长状态，此时，驱动第一杆组和第三杆组上的变步长驱动电机，使得四边形的边伸长，到达如附图18b所示的中间长度状态，继续控制变步长驱动电机，使得四边形的边伸长到最长，到达如附图18c所示的最大边长状态。这样就实现了变步长的四边形滚动机器人的步长变化过程，图18a、图18b、图18c是步长可变的四边形滚动机器人的步长变化分解图。
步长可变的四边形滚动机器人可以实现直行步态。首先步长可变的四边形滚动机器人处于如附图19a所示的直行步态的起始位姿，以行进方向端平行四边形的边为支撑面，通过控制滚动驱动电机，改变平行四边形内角的角度变化，实现如附图19b所示的直行步态重心偏移动作，由于惯性的作用，步长可变的四边形滚动机器人发生翻滚，此时作为支撑的平行四边形的另一边落地，实现如附图19c所示的直行步态翻滚动作，再次控制滚动驱动电机的运动，改变平行四边形内角的角度，实现如附图19d所示的直行步态姿的态恢复动作，步长可变的四边形滚动机器人恢复到起始状态。这样就实现了机器人的一个完整的直行步态，步长可变的四边形滚动机器人反复完成这一过程便可实现机器人的向前行进。图19a、图19b、图19c、图19d是步长可变的四边形滚动机器人直行步态的分解图。
Claims (3)
1.步长可变的四边形滚动机器人，其特征在于：步长可变的四边形滚动机器人包括第一至第四杆组（A、B、C、D）、八个保护球壳（15）以及一个滚动驱动电机（12）和七个配重（13），其中，第一杆组（A）和第三杆组（C）各自包括一个主动剪叉单元（a）、一个从动剪叉单元（b）、四个转角构件以及连接它们的四个长轴和两个短轴；第二杆组（B）和第四杆组（D）包括两个从动剪叉单元（b）、四个转角构件以及连接它们的四个长轴和两个短轴；
所述的主动剪叉单元（a）中，变步长驱动电机（11）通过螺钉与电机座连杆（4）固定，其转轴穿过电机座连杆（4）与电机轴连杆（2）的中间孔，顶丝通过电机轴连杆（2）的顶丝孔对电机的转轴进行固定；
所述的从动剪叉单元（b）中，第一从动连杆（1）的中间孔与第二从动连杆（3）的中间孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定；
所述的第一杆组（A）中，主动剪叉单元（a）中的电机座连杆（4）的厚端孔与从动剪叉单元（b）中的第一从动连杆（1）的一端孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定，电机座连杆（4）的薄端孔与第一个第二转角构件（9）的弧端孔通过短轴（6）连接，并用卡簧进行轴向固定，第一从动连杆（1）的另一端孔与第一个第一转角构件（7）的弧端孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定，主动剪叉单元（a）中电机轴连杆（2）的一端孔与从动剪叉单元（b）中第二从动连杆（3）的厚端孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定，电机轴连杆（2）的另一端孔与第二个第一转角构件（7）的弧端孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定，第二从动连杆（3）的薄端孔与第二个第二转角构件（9）的弧端孔通过短轴（6）连接，并用卡簧进行轴向固定；
第三杆组（C）的结构和连接方式，与第一杆组（A）相同；
所述的第二杆组（B）中，第一从动剪叉单元（b）中的第一从动连杆（1）的一端孔与第二从动剪叉单元（b）中的第二从动连杆（3）的厚端孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定，第一从动连杆（1）的另一端孔与第一个第三转角构件（8）的弧端孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定，第二从动连杆（3）的薄端孔与第一个第四转角构件（10）的弧端孔通过短轴（6）连接，并用卡簧进行轴向固定；第一从动剪叉单元（b）中的第二从动连杆（3）的厚端孔与第二从动剪叉单元（b）中的第一从动连杆（1）的一端孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定，第二从动连杆（3）的薄端孔与第二个第四转角构件（10）的弧端孔通过短轴（6）连接，并用卡簧进行轴向固定，第一从动连杆（1）与第二个第三转角构件（8）的弧端孔通过长轴（5）连接，并用卡簧进行轴向固定；
第四杆组（D）的结构和连接方式，与第二杆组（B）相同；
第一杆组（A）、第二杆组（B）、第三杆组（C）、第四杆组（D）、一个滚动驱动电机（12）和七个配重（13）构成平行四边形，其中，第一杆组（A）和第三杆组（C）作为平行四边形的对边布置，第二杆组（B）和第四杆组（D）作为平行四边形的对边布置；
滚动驱动电机（12）与第一杆组（A）中的第二个第二转角构件（9）通过螺钉固定，滚动驱动电机（12）的转轴穿过第一杆组（A）中第二个第二转角构件（9）的方端孔和第二杆组（B）中的第二个第四转角构件（10）的方端孔，顶丝通过第四转角构件（10）的顶丝孔对电机的转轴进行固定，
第一配重（13）通过螺钉与第一杆组（A）中的第一个第一转角构件（7）固定，其轴穿过第一杆组（A）中的第一个第一转角构件（7）的方端孔和第二杆组（B）中的第一个第三转角构件（8）的方端孔，
第二配重（13）通过螺钉与第三杆组（C）中的第二个第一转角构件（7）固定，其轴穿过第三杆组（C）中的第二个第一转角构件（7）的方端孔和第二杆组（B）中的第二个第三转角构件（8）的方端孔，
第三配重（13）通过螺钉与第三杆组（C）中的第一个第二转角构件（9）固定，其轴穿过第三杆组（C）中的第一个第二转角构件（9）的方端孔和第二杆组（B）中的第一个第四转角构件（10）的方端孔，
第四配重（13）通过螺钉与第三杆组（C）中的第二个第二转角构件（9）固定，其轴穿过第三杆组（C）中的第二个第二转角构件（9）的方端孔和第四杆组（D）中的第二个第四转角构件（10）的方端孔，
第五配重（13）通过螺钉与第三杆组（C）中的第一个第一转角构件（7）固定，其轴穿过第三杆组（C）中的第一个第一转角构件（7）的方端孔和第四杆组（D）中的第一个第三转角构件（8）的方端孔，
第六配重（13）通过螺钉与第一杆组（A）中的第二个第一转角构件（7）固定，其轴穿过第一杆组（A）中的第二个第一转角构件（7）的方端孔和第四杆组（D）中的第二个第三转角构件（8）的方端孔，
第七配重（13）通过螺钉与第一杆组（A）中的第一个第二转角构件（9）固定，其轴穿过第一杆组（A）中的第一个第二转角构件（9）的方端孔和第四杆组（D）中的第一个第四转角构件（10）的方端孔。
2.如权利要求1所述的步长可变的四边形滚动机器人，其特征在于：步长可变的四边形滚动机器人外形类似平行四边形，平行四边形的每个顶点都安装两个保护球壳，且每个顶点处的安装方式类似，其中一个顶点处，第一个导杆（14）的螺纹端固定在第四转角构件（10）的中间螺纹孔上，螺钉（16）穿过第二转角构件（9）上的螺钉孔固定在保护球壳（15）的螺纹孔上；第二个导杆（14）的螺纹端固定在第一转角构件（7）的中间螺纹孔上，螺钉（16）穿过第三转角构件（8）的螺钉孔固定在保护球壳（15）的螺纹孔上。
3.如权利要求1所述的步长可变的四边形滚动机器人，其特征在于：第一转角构件（7）、第二转角构件（9）、第三转角构件（8）和第四转角构件（10）上的弧端孔与方端孔的轴线互相垂直。
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| CN2789106Y (zh) * | 2005-04-08 | 2006-06-21 | 北京交通大学 | 单动力滚动四杆机构 |
| CN101462561A (zh) * | 2009-01-13 | 2009-06-24 | 北京交通大学 | 一种滚动三角形机器人 |
| CN102615649A (zh) * | 2012-04-11 | 2012-08-01 | 北京交通大学 | 一种滚动双四平行四边形机器人 |
-
2013
- 2013-07-03 CN CN201310276594.4A patent/CN103303385B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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