弹跳机器人的设计

弹跳机器人的设计王科社，米洁，张威，王冬，徐玉祥（北京信息科技大学机电工程学院，北京100192）摘要：随着机器人的飞速发展，机器人的功能日新月异，但目前大部分机器人都存在翻越障碍等问题。因此，救援弹跳机器人小车应运而生，它主要利用车体上的弹簧压缩产生弹性势能，弹簧释放时，作用于地面的弹力反作用于小车，使小车向前跳跃前进，更好的解决了越障问题。小车由单片机控制其行走、跳跃以及探测等功能，并且能够实现远程无线控制，具有广泛的应用前景。关键词：机器人；救援；弹跳；越障；远程JumpingrobotdesignWANGKeshe，Mijie,ZhangWei(Beijinginformationscienceandtechnologyuniversity,MechanicalandElectricalEngineeringCollege,100192)Abstract:withtherapiddevelopmentoftherobot,changingfunctions,butmostoftheproblemsexistoverbarriers.Therefore,therescuerobotcarcomes,itbouncesmainlyusebodyspringcompressionspringproduceelasticenergyrelease,theeffectontheground,inthatstretch,carleapbettersolvedtheproblemofobstacle-navigation.Carbysingle-chipmicrocomputercontrolitswalking,jumping,andthedetectionandsoonthefunction,andcanrealizeremotewirelesscontrol,hasthebroadapplicationprospect.Keywords:robot,Rescue,Bounce,Thedisabled,remote灾难的来临无法预测的，但是救援的快、及时、有效是我们的职责，以让受灾之人及时脱离危险。为救援而采取先进科学技术研制的机器人，如地震救援专门用于大地震后在地下商场的废墟中寻找幸存者执行救援任务的机器人。这种机器人配备了彩色摄像机，热成像仪和通讯系统。这些机器人在模拟现实的环境中完成了移动、定位、目标搜索、救援等行动。在煤矿事故的抢险救援中，研制的机器人采用履带式的走行机构，具有一定越障能力。该机器人具有环境侦察能力，可以通过在机器人上安装光学监视装置，查看井下巷道的破坏情况，通过无线或有线网络传输实时视频图像。身上安装了井下有毒气体、压力、温度等检测仪，对现场危险气体进行检查，确保救援人员的安全。通过双向语音传送系统，机器人可发挥“电话”功能，救援人员可及时了解被困人员信息与周围环境，帮助井下人员树立信心，实现互助自救……为救援研制的小车举不胜数，并且随着小车的飞速发展，小车的功能日新月异，但目前大部分小车都存在翻越障碍等问题，因此救援弹跳小车应运而生。它主要利用车体上的弹簧压缩产生弹性势能，弹簧释放时，作用于地面的力反作用于小车，使小车向前跳跃前进，更好的解决了越障问题，并且当小车在行驶或翻越障碍物时发生翻车现象的情况下，小车也能正常行驶和继续弹跳。小车由单片机控制其行走、跳跃以及探测等功能，并且能够实现远程无线控制，具有广泛的应用前景。弹跳机器人整体包括驱动部分、支撑部分、弹跳部分以及程序控制部分。驱动部分实现小车平时的行走功能；支撑部分实现遇到障碍时能把小车整体撑起一个角度并保持这个角度一段时间，以便小车能越过前方的障碍；弹跳部分实现在小车撑起一个角度之后压缩内部弹簧蓄力，待触发机构打开触发卡笋，释放弹射套筒，弹射套筒触地作用于地面，地面反作用于小车，使小车实现弹跳功能；程序控制部分实现小车平时的前进、后退、转弯、停止和支撑部分的支撑角度以及弹跳部分的压缩电机的正反转功能。1结构设计1.1弹跳部分弹跳部分由弹力产生机构和卡笋机构组成。1.1.1弹力产生机构弹力产生机构主要由1个电机，丝杆螺母以及弹簧组成，电机与丝杆通过固定件连接，当电机转动时带动丝杆旋转，同时装配在丝杆上的螺母会向前移动，弹簧被压缩，卡笋能量释放板与螺母通过螺钉固定连接，卡笋能量释放板会随着螺母前进并压缩弹簧以积蓄能量。实现其他运动方式不能越过的障碍。如下图所示。图1弹力产生机构1.1.2卡笋机构卡笋机构由卡笋套筒、弹簧、卡笋轴组成，弹簧在卡笋套筒的孔内，并且顶住卡笋轴，而卡笋轴的的一端与弹射套筒联接，使弹射套筒能够积蓄能量，并且被弹簧顶住的卡笋轴有向小车中心运动的趋势，这使小车能够实现多次弹跳。如下图所示。图2卡笋机构1.2驱动部分驱动装置两个电机通过联轴器的联接，带动左右前轮的旋转以带动后轮旋转，达到前进的目的。如下图所示。图3驱动装置1.3支撑部分支撑部分由两个舵机和两根支撑杆组成。通过控制舵机的旋转角度来实现小车的倾斜角度，以便小车能够越过前方障碍。如下图所示。图4支撑部分2程序控制部分设计弹跳小车该部分包括一个ArduinoDuemilanove328控制板，一个DFduino传感器扩展板，两个直流电机驱动模块DF-MDV1.3，一套APC220无线数传，两个行走驱动电机，一个弹射驱动电机，两个TowerProMG995舵机。该部分能实现小车所有功能。小车的控制主要由人通过小车上的微型摄像头来观察外围环境，实施远程无线遥控，自备能源，到各类不适合人进入的场景，主要完成侦察任务。图5小车实物模型3实验结果经过多次实验，实验效果良好，小车基本能够实现所有预定功能，弹跳高度达到200mm，小车支撑角度再45°左右。4结束语针对越障车的问题，设计出了弹跳小车这一能实现非接触式越障功能的越障小车，这更好的解决了越障问题，具有广泛的应用前景。参考文献[1]刘壮志，席文明，朱剑英.弹跳式机器人研究[M].机器人，2003,25（6）：568-573[2]谭定忠,王叶兰,王启明,曹日起.弹跳式机器人的发展现状[J].机械工程师,2005,(10)[3]反恐防暴机器人[J].中国制造业信息化,2005,(11)[4]王立权.机器人创新设计与制作.北京：清华大学出版社，2007.6[5]翁海珊，王晶主编.第一届全国大学生机械创新设计大赛决赛作品集.北京：高等教育出版社，2006.5[6]KaplanMH,SeifertH.HoppingTransportersforLunarExploration[J].JournalofSpacecraftandRockets,1969,6(3):917～922[7]KoditschekDE,BthlerM.Analysisofasimplifiedhoppingrobot[J].InternationalJournalofRoboticsReseach,1991,10(6):587～605[8]BerkemeierMD，FearingRS.SlidingandHoppinggaitsfortheunderactuatedacrobat[J].IEEETransactiononRoboticsandAutomation，1998，14(4)：629～634[9]LucaAD，OrioloG.Stabilizationoftheacrobatviaiterativestatesteering[J].IEEEConferenceonRoboticsandAutomation，Leuven，Belgium，May1998：3581～3587[10]HauserJ，MurrayRM.Nonlinearcontorllersfornon-integrablesystems：theacrobotexample[A].AmericanControlConference[C]，1990：669～671