本发明专利技术公开了一种基于缺齿齿轮的森林仿生袋鼠机器人及其控制方法，袋鼠机器人包括：机身框架，起连接支撑作用，包括侧板、背板、前挡板以及底板；腿部机构，用于实现前进与跳跃；尾部平衡装置，固定在侧板上，用于实现跳跃时的平衡及转向；动力传输机构，设置在机身框架上，用于为机器人跳跃前进提供动力并传输；控制系统，用于实现对整个机器人系统的控制。本发明专利技术通过尾部微调机构能实现转向控制，实现三维空间的运动，在跳跃过程中可以平衡机器人跳跃时向前翻滚的扭矩，保持机器人跳跃稳定性，同时又可以为机器人提供左右转向的扭矩，可实现机器人在空中的转向，大大增强了机器人的灵活性。对于复杂的森林环境有更好的适应能力。活性。对于复杂的森林环境有更好的适应能力。活性。对于复杂的森林环境有更好的适应能力。
【技术实现步骤摘要】
一种基于缺齿齿轮的森林仿生袋鼠机器人及其控制方法
[0001]本专利技术属于机器人
，具体涉及一种基于缺齿齿轮的森林仿生袋鼠机器人及其控制方法。
技术介绍
[0002]在茂密的森林中进行生态研究、森林防护、丛林冒险以及救援都是具有一定危险性的活动，这就需要由森林机器人代替人来完成一部分例如地形地貌侦察、野生动物观测等任务。这就要求机器人具有较强的越障能力来适应森林复杂地貌条件。现在机器人大多以轮式或履带式移动、步行、爬行等，但是这些的移动方式无法跨越较窄的森林溪流、峭壁等。而跳跃机器人因其优越的越障能力，可以在探索森林中发挥极大作用。此外，在将来的反恐军事上，现有的无人机技术难以勘察森林地形，因此也急需一款可辅助森林军事行动的森林机器人。
[0003]CN104548608A的专利公开一种仿生袋鼠机器人，通过离合器控制蓄能释放实现起跳，可利用电机带动尾巴上下摆动，实现机器人姿态及起跳角度可调，但同样无法实现转向功能。
[0004]CN108674515B的专利公示了一种脊柱型机器人及其转向跳跃的控制方法，可通过脊柱关节的转动实现转向跳跃，但实现方式复杂，所需控制系统要求较高，无法投入使用。
[0005]因此现有的跳跃机器人无法满足在森林地貌环境下的运动，为应对这种情况，需要一款全新的森林机器人。
技术实现思路
[0006]针对上述问题情况，本专利技术提供一种基于缺齿齿轮的森林仿生袋鼠机器人及其控制方法，本专利技术采取的技术方案为：一种基于缺齿齿轮的森林仿生袋鼠机器人，包括：机身框架，起连接支撑作用，包括侧板、背板、前挡板以及底板；腿部机构，用于实现前进与跳跃；尾部平衡装置，固定在侧板上，用于实现跳跃时的平衡及转向；动力传输机构，设置在机身框架上，用于为机器人跳跃前进提供动力并传输；控制系统，用于实现对整个机器人系统的控制。
[0007]进一步的，所述机身框架包括相互组装的侧板、背板、前挡板以及底板，共同围成框架结构，侧板为两个，设置在背板的两侧，背板和前挡板固定连接，在前挡板上设置有摄像头及红外探测装置，其余板挖出凹槽用于铺设线路，在背板上固定设置有控制系统。
[0008]进一步的，所述动力传输机构包括伺服电机、缺齿齿轮、二级齿轮以及三级齿轮，二级齿轮和三级齿轮分别与各自的轴通过键连接，伺服电机与缺齿齿轮连接，缺齿齿轮的齿轮部分与二级齿轮啮合，二级齿轮与三级齿轮啮合，伺服电机设置在底板上。二级齿轮和三级齿轮的轴两端穿过两侧板上的轴孔后与腿部机构连接，由伺服电机带动缺齿齿轮转动，传递力矩给二级齿轮与三级齿轮，最后将转矩输出到腿部机构。
[0009]进一步的，腿部机构主要由连杆机构和弹簧组成，大弹簧（第一弹簧）用于模仿袋鼠的大腿肌肉，小弹簧（第二弹簧）用于模仿袋鼠的跟腱，两者都起到了储存能量并释放的作用。具体的，所述腿部机构包括对称设置的两个单腿机构，所述单腿机构包括第一大腿连杆、第二大腿连杆、第一小腿连杆、第二小腿连杆以及脚掌，第一大腿连杆安装在二级齿轮的轴上并通过侧板上的轴孔固定位置，第二大腿连杆安装在三级齿轮的轴上并通过侧板上另一个轴孔固定位置，第一大腿连杆和第一小腿连杆之间、第二大腿连杆和第二小腿连杆之间、第一小腿连杆和第二小腿连杆之间以及第一小腿连杆和脚掌之间均通过铰链连接。
[0010]进一步的，在第一小腿连杆和第二小腿连杆的上侧位置上设置有第一弹簧，在第一小腿连杆的下侧位置和脚掌上设置有第二弹簧；第一小腿连杆和脚掌之间的铰链上设置有传感器，用于检测两腿受力是否相同，并反馈到控制系统用于调整姿态。
[0011]进一步的，所述尾部平衡装置包括平衡尾、电机、微调机构，尾部平衡装置通过连接头固定在侧板上，所述电机包括第一电机和第二电机，分别设置在微调机构的两端，平衡尾设置在微调机构的侧部，通过电机与微调机构的配合，使平衡尾实现上下及左右的运动。
[0012]进一步的，所述微调机构包括第一凹型板、第二凹型板、第一主动锥形齿轮、第二主动锥形齿轮、双层锥形齿轮以及从动锥形齿轮，第二凹型板可转动地设置在第一凹型板内侧，第一凹型板与连接头固定连接，第一电机和第二电机设置在第一凹型板的上下两侧，第一电机与第一主动锥形齿轮连接，第二电机与第二主动锥形齿轮连接，双层锥形齿轮的上下层齿轮分别与第一主动锥形齿轮和第二主动锥形齿轮啮合，从动锥形齿轮与第二主动锥形齿轮相啮合，第一主动锥形齿轮与第二凹型板固定，第二凹型板随第一主动锥形齿轮转动而转动。
[0013]本专利技术还提出了上述的基于缺齿齿轮的森林仿生袋鼠机器人的控制方法，具体为：与伺服电机连接的主动齿轮为缺齿齿轮，当齿轮组工作在啮合部分时，固定在两个小腿连杆上的弹簧被拉伸，机器人重心降低，固定在脚掌和小腿上用于模仿跟腱的弹簧随即也被拉伸，弹性势能积蓄，同时通过平衡尾调整使得机器人保持有一个向前的趋势。在主动齿轮转过啮合部分的瞬间，齿轮组失去啮合关系，弹簧自由收缩，释放弹性势能，带动两个小腿连杆以二者铰接处为轴转动，呈现相合运动，反作用于两个大腿连杆使得机器人重心急速上升，实现跳起动作，脚掌上的弹簧收缩，作用于脚掌，使脚掌前端有一个力作用于地面，使得机器人获得一个向前的反作用力。与此同时，平衡尾快速下摆，平衡了机器人向前翻转的转矩，使得机器人能在空中保持姿态。落地时，与伺服电机连接的主动齿轮仍然工作在非啮合状态，腿部的弹簧自然地起到了缓冲的作用，同时为下一次起跳积蓄能量。机器人工作时将不断重复上述过程，由此便实现了连续跳跃。
[0014]进一步的，平衡尾上下和左右摆动的控制方法为：当第一电机工作时，第一主动锥形齿轮转动，第一主动锥形齿轮转动带动第二凹型板转动，从而实现平衡尾的左右摆动；第二主动锥形齿轮分别与双层锥形齿轮的上层齿轮和从动锥形齿轮啮合，第二电机工作时，第二主动锥形齿轮转动，第二主动锥形齿轮驱动从动锥形齿轮转动，实现平衡尾的上下摆动，在跳跃过程中可以平衡机器人跳跃时向前翻滚的扭矩，是保持机器人跳跃稳定性的关键，同时又可以为机器人提供左右转向的扭矩，可实现机器人在空中的转向，大大增强了机器人的灵活性。
[0015]与现有技术相比，本专利技术技术方案具有如下有益效果：
（1）本专利技术通过尾部微调机构能实现转向控制，实现三维空间的运动，在跳跃过程中可以平衡机器人跳跃时向前翻滚的扭矩，保持机器人跳跃稳定性，同时又可以为机器人提供左右转向的扭矩，可实现机器人在空中的转向，大大增强了机器人的灵活性，对于复杂的森林环境有更好的适应能力。
[0016]（2）本专利技术灵活的利用了跳跃时落下所消耗的重力势能，将其转化为下一次起跳的部分能量来源，实现能源的回收利用。
[0017]（3）本专利技术通过脚步的传感器实时传感，保证落地时的平衡调整，同时也保证了起跳力的可支撑面。
[0018]（4）本专利技术可以通过摄像头进行拍摄，并且通过控制系统进行定位和图像传输，能够实现实时定位监控。
[0019]（5）本专利技术可以在地形较为复杂的环境中使用，如森林，岩洞等，应用范围较广。
[0020]附图说明...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于缺齿齿轮的森林仿生袋鼠机器人，其特征在于，包括：机身框架，起连接支撑作用，包括侧板（2）、背板（5）、前挡板（6）以及底板（20）；腿部机构（3），用于实现前进与跳跃；尾部平衡装置（4），固定在侧板（2）上，用于实现跳跃时的平衡及转向；动力传输机构，设置在机身框架上，用于为机器人跳跃前进提供动力并传输；控制系统（1），用于实现对整个机器人系统的控制。2.根据权利要求1所述的一种基于缺齿齿轮的森林仿生袋鼠机器人，其特征在于，所述机身框架包括相互组装的侧板（2）、背板（5）、前挡板（6）以及底板（20），共同围成框架结构，侧板（2）为两个，设置在背板（5）的两侧，背板（5）和前挡板（6）固定连接，在前挡板（6）上设置有摄像头（7）及红外探测装置，在背板（5）上固定设置有控制系统（1）。3.根据权利要求1所述的一种基于缺齿齿轮的森林仿生袋鼠机器人，其特征在于，所述动力传输机构包括伺服电机（8）、缺齿齿轮（9）、二级齿轮（10）以及三级齿轮（11），二级齿轮（10）和三级齿轮（11）分别与各自的轴通过键连接，伺服电机（8）与缺齿齿轮（9）连接，缺齿齿轮（9）的齿轮部分与二级齿轮（10）啮合，二级齿轮（10）与三级齿轮（11）啮合，伺服电机（8）设置在底板（20）上。4.根据权利要求3所述的一种基于缺齿齿轮的森林仿生袋鼠机器人，其特征在于，二级齿轮（10）和三级齿轮（11）的轴两端穿过两侧板（2）上的轴孔后与腿部机构（3）连接，由伺服电机（8）带动缺齿齿轮（9）转动，传递力矩给二级齿轮（10）与三级齿轮（11），最后将转矩输出到腿部机构（3）。5.根据权利要求4所述的一种基于缺齿齿轮的森林仿生袋鼠机器人，其特征在于，所述腿部机构（3）包括对称设置的两个单腿机构，所述单腿机构包括第一大腿连杆（31）、第二大腿连杆（35）、第一小腿连杆（32）、第二小腿连杆（34）以及脚掌（33），第一大腿连杆（31）安装在二级齿轮（10）的轴上并通过侧板（2）上的轴孔固定位置，第二大腿连杆（35）安装在三级齿轮（11）的轴上并通过侧板（2）上另一个轴孔固定位置，第一大腿连杆（31）和第一小腿连杆（32）之间、第二大腿连杆（35）和第二小腿连杆（34）之间、第一小腿连杆（32）和第二小腿连杆（34）之间以及第一小腿连杆（32）和脚掌（33）之间均通过铰链连接。6.根据权利要求5所述的一种基于缺齿齿轮的森林仿生袋鼠机器人，其特征在于，在第一小腿连杆（32）和第二小腿连杆（34）的上侧位置上设置有第一弹簧（132），在第一小腿连杆（32）的下侧位置和脚掌（33）上设置有第二弹簧（131）；第一小腿连杆（32）和脚掌（33）之间的铰链上设置有传感器（12），用于检测两腿受力是否相同，并反馈到控制系统（1）用于调整姿态。7.根据权利要求1所述的一种基于缺齿齿轮的森林仿生袋鼠机器人，其特征在于，所述尾部平衡装置（4）包括平衡尾（18）、电机、微调机构，尾部平衡装置（4）通过连接头（21）固定在侧板（2）...
【专利技术属性】
技术研发人员：朱越响，林青露，陆沁尧，胡斌，陈鹏捷，陈超禹，俞喆，罗昊，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：
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