[实用新型]一种仿生非腿式弹跳装置

说明书

技术领域

本实用新型属于机器人行走装置，特别涉及一种非腿式弹跳装置。

背景技术

目前机器人在多个领域应用非常广泛，如农业、军事、星际探索、野外科考、抢险救灾等。为了使机器人具有较强的环境适应性，研究者们已经发展了足式、履带式、轮式、蠕动式、蛇形式等不同行走方式的机器人，其中轮式和履带式的机器人只能在相对平坦的地面上工作。且在特殊环境下或运动条件下，容易发生倾翻，多数无法进行有效调整，限制了其环境适应能力的拓展及作业效能。其他形式的机器人，如足式、蛇形机器人等，其自由度多和大量的关节驱动使得控制系统设计及算法复杂，面对较差的环境情况下仍无能为力。

而自然界的生物经历了亿万年的进化，具备了卓越的环境适应能力与运动机制，如叩甲虫。研究表明，当叩甲虫倾翻时会通过快速收缩其背纵肌，使得其头部和腹部分别与地面发生撞击作用，之后，在地面反作用力的作用下，叩甲虫会沿直线路径弹向空中，从而获得逃生机会。研究发现，在此运动过程中，叩甲虫通过头腹部紧紧收缩其连接处的楔形结构控制其弹跳的自由度，释放能量时，其头部、腹部转动惯量的良好匹配、背部曲面的特殊形状其及背部材料梯度分布特征均在其逃生弹跳过程中发挥着重要作用。

因此，基于提高机器人系统的耐倾翻技术需求，借鉴叩甲虫的逃生弹跳原理，研制一种新型的非腿式弹跳装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是模仿叩甲虫的弹跳方式获取一种新型的非腿式弹跳装置，用于提高机器人的性能。

本实用新型的技术方案如附图所，一种仿生非腿式弹跳装置，其特征在于包括有仿生头部曲面、仿生腹部曲面、头部载板及头部电磁铁、腹部载板及腹部电磁铁、头部蓄能装置挡板和角度限位装置，头部载板、腹部载板和角度限位装置通过一个活动铰链连接，头部蓄能装置挡板固定在头部载板上，腹部蓄能装置挡板固定在腹部载板上，头部蓄能装置挡板和腹部蓄能装置挡板之间连接一个拉簧，仿生头部曲面固定在头部载板上，仿生腹部曲面固定在腹部载板上，头部电磁铁和腹部电磁铁分别通过螺钉固定在仿生头部曲面和仿生腹部曲面上。

仿生头部曲面和仿生腹部曲面为受地面作用力的曲面，头部载板、腹部载板为整个装置的搭载平面，故该装置与头部结构接触的表面采用橡胶材料，从而在仿生弹跳装置运动时有一定的弹性作用，可以吸收部分能量避免与头部结构产生强烈的刚性碰撞。头部电磁铁和腹部电磁铁在弹跳中起到了蓄能锁合以及释放的作用，蓄能时将头部电磁铁和腹部电磁铁通电，拉簧逐渐被拉紧最终完成锁定蓄能过程，需要弹跳时将电磁铁断电，蓄能装置释放能量，并结合仿生曲面-地面作用反力以及合理的头腹部装置转动惯量的配合共同完成弹跳。

本实用新型的工作原理和过程是根据具有优良非腿式弹跳性能的叩甲虫的运动方式和头、腹部特殊曲面构型及其材料特征得到的启示而提出的。基于叩甲虫的头部腹部的楔形闭合结构、背部材料梯度分布及背部构形特征，本实用新型将弹跳装置设计为仿生头部曲面、仿生背部曲面、角度限位装置三个部分，头腹部仿生曲面以及角度限位器表面都由具有一定的弹性特性的橡胶构成。在弹跳过程中蓄能装置快速缩紧使头部蓄能装置挡板带动头部载板转动，腹部载板和头部载板共同撞击地面以获得地面的反作用力，地面对弹跳装置的反作用力通过表面橡胶材料传递给仿生曲面最终作用于整个弹跳装置。在头部载板快速转动时角度限位装置控制着头腹部载板的最小夹角，角度限位装置在弹跳装置中起到了控制弹跳方向的重要作用。

本实用新型实现了基于材料、结构和构形耦合的仿叩甲虫非腿式弹跳运动，获取了非常规弹跳新技术。本实用新型可以安装在机器人上，用于调整机器人的运动，为机器人提供了一种新型的运动方式。电源可由机器人提供，根据不同形状、体积、质量的机器人通过调整拉簧参数和转动惯量比以调整弹跳高度和方向。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图。

图2为本实用新型俯视图。

图3为本实用新型正视图

图中：1、螺钉孔，2、腹部载板，3、橡胶表面，4、仿生腹部曲面，5、活动铰链，6、仿生头部曲面，7、头部载板，8、头部蓄能装置挡板，9、拉簧，10、角度限位装置，11、螺钉，12、腹部蓄能装置挡板，13、腹部电磁铁，14、头部电磁铁，15、铁板。

具体实施方式

头部载板7与腹部载板2通过活动铰链5联接，头部蓄能装置挡板8和头部载板7制成一体，腹部载板2上有数个螺钉孔1均匀排成一列，腹部蓄能装置挡板12通过螺钉11紧固在螺钉孔1上，这些螺钉孔1配合腹部蓄能装置挡板12的不同位置，使得整个腹部载板2的转动惯量可调，角度限位装置10固定在腹部载板2上，拉簧9两端分别固定在头部蓄能装置挡板8和腹部蓄能装置12挡板上。需要弹跳时给头部电磁铁14和腹部电磁铁13通电，电磁铁依靠磁力不断拉伸拉簧9，最终吸在放置弹跳装置的金属板15上完成蓄能过程，断开头部电磁铁14和腹部电磁铁13的电源，拉簧9迅速收缩，释放弹性能，导致头部载板7和腹部载板2共同做快速回弹运动，角度限位装置10将头部载板7和腹部载板2的角度限制在120°～130°防止头部载板7与腹部载板2发生碰撞，同时调控了其回弹的偏移角度，在头部载板7与腹部载板2快速回弹运动时，仿生头部曲面6和仿生腹部曲面4共同快速撞击地面获得地面的反作用力，由此完成一次非腿式弹跳运动。