(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111572661 A(43)申请公布日 2020.08.25
(21)申请号 202010473934.2(22)申请日 2020.05.29
(71)申请人 陕西科技大学
地址 710021 陕西省西安市未央区大学园(72)发明人 常博 郭林峻 周权
(74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任
公司 61200
代理人 范巍(51)Int.Cl.
B62D 57/02(2006.01)H02K 33/18(2006.01)
权利要求书1页 说明书4页 附图3页
(54)发明名称
一种迷你弹跳机器人及其弹跳方法
(57)摘要
本发明公开了一种迷你弹跳机器人及其弹跳方法，属于机器人技术领域，包括底板、永磁铁和芯部，底板和永磁铁均为中空结构，能够使线圈架在中空结构中上下运动，同时，线圈架的两端直径不同，使得线圈架不会脱离至底板之外，线圈架外部缠绕有线圈，线圈架的中空结构内设置有芯部。本发明易于微型化，易于组装成紧凑的结构；易于控制，可通过控制电压的大小来调整跳跃高度，本发明的弹跳方法响应速度快，易于实现。
CN 111572661 ACN 111572661 A
权 利 要 求 书
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1.一种迷你弹跳机器人，其特征在于，包括底板(2)、永磁铁(1)和芯部(5)，所述永磁铁(1)安装在底板(2)上，所述底板(2)和永磁铁(1)均为上下开口的中空结构，永磁铁(1)的中空部位设置有线圈架(4)，所述线圈架(4)为中空结构，芯部(5)设置于线圈架(4)的中空部位处，线圈架(4)的外侧固定有线圈(3)，线圈(3)与外接电源电性连接；所述线圈架(4)的两端分别为大端和小端，靠近底板(2)的一端为小端，小端的直径小于底板(2)的中空部的内径，大端的直径大于底板(2)的中空部的内径。
2.根据权利要求1所述的迷你弹跳机器人，其特征在于，所述永磁铁(1)的外侧为S极，内侧为N极。
3.根据权利要求1所述的迷你弹跳机器人，其特征在于，所述芯部(5)为T型，芯部(5)的下部直径小于线圈架(4)的中空结构的内径，芯部(5)的顶部直径大于永磁铁(1)的顶部直径。
4.根据权利要求3所述的迷你弹跳机器人，其特征在于，所述芯部(5)的下部套接在永磁铁(1)的中空结构内部，顶部通过结构胶粘接在永磁铁(1)的顶部。
5.根据权利要求1所述的迷你弹跳机器人，其特征在于，所述永磁铁(1)为中空圆柱体，中空部位的直径大于线圈架(4)的大端直径。
6.根据权利要求1所述的迷你弹跳机器人，其特征在吗于，所述线圈架(4)为工字型；所述底板(2)为扁平薄圆环。
7.根据权利要求1所述的迷你弹跳机器人，其特征在于，所述线圈(3)由导体及导体外部的绝缘层组成。
8.根据权利要求1所述的迷你弹跳机器人，其特征在于，所述芯部(5)和底板(2)由软铁制成；所述线圈架(4)采用环氧板制备而成。
9.根据权利要求1所述的迷你弹跳机器人，其特征在于，所述芯部(5)的顶部设有通孔，所述线圈(3)通过导线与外接电源电性连接，导线能够穿过芯部(5)顶部的通孔与线圈(3)连接。
10.权利要求1～9中任意一项所述的迷你弹跳机器人的弹跳方法，其特征在于，包括：起跳阶段：将迷你弹跳机器人置于水平面上，打开线圈(3)上连接的外接电源，外接电源给线圈(3)供电，通电后的线圈(3)在磁场中产生电磁力，该电磁力使永磁铁(1)、芯部(5)和底板(2)均向上运动，此时，线圈(3)和线圈架(4)保持静止；
飞行阶段：当底板(2)运动至与线圈架(4)的大端相接触时，底板(2)带动线圈(3)和线圈架(4)一起向上运动，实现弹跳动作；
回落阶段：在重力作用下，底板(2)带动线圈(3)、线圈架(4)、芯部(5)及永磁铁(1)落地。
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CN 111572661 A
说 明 书
一种迷你弹跳机器人及其弹跳方法
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技术领域
[0001]本发明属于机器人技术领域，涉及一种迷你弹跳机器人及其弹跳方法。
背景技术
[0002]以往的移动机器人多为多轮或履带式驱动、仿生爬行或步行，难以一次性越过较大的障碍物或沟渠，跳跃是机器人在复杂地形条件下的一种非常有效的运动方式。通过跳跃的运动方式，机器人可以轻松越过比自己高几倍的障碍物。因此，发展了跳跃机器人，最早的弹跳机器人是麻省理工学院的MarcRaibert于1980年研制的单腿弹跳机器人，弹跳机器人从此成为了国内外机器人领域的研究热点，近来研究者发现在空间探索、安全监视或侦察等应用中，由于微型弹跳机器人的体积小，重量轻，这使得它们可以相对容易的完成任务。然而，现有的弹跳机器人设计一般需要复杂的传动机构，导致其体积和质量过大，微小型化较为困难。因此，亟需研究一种体积更小、结构更简单的弹跳机构以实现弹跳机器人的微型化。
发明内容
[0003]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种迷你弹跳机器人及其弹跳方法，以解决现有的弹跳机器人因传动结构复杂导致体积和质量过大而难以微型化的问题。
[0004]为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：[0005]一种迷你弹跳机器人，包括底板、永磁铁和芯部，所述永磁铁安装在底板上，所述底板和永磁铁均为上下开口的中空结构，永磁铁的中空部位设置有线圈架，所述线圈架为中空结构，线圈架的中空部位设置有芯部，线圈架的外侧固定有线圈，线圈与外接电源电性连接；所述线圈架的两端分别为大端和小端，靠近底板的一端为小端，小端的直径小于底板的中空部的内径，大端的直径大于底板的中空部的内径。[0006]优选地，所述永磁铁的外侧为S极，内侧为N极。[0007]优选地，所述芯部为T型，芯部的下部直径小于线圈架的中空结构的内径，芯部的顶部直径大于永磁铁的顶部直径。[0008]进一步优选地，所述芯部的下部套接在永磁铁的中空结构内部，顶部通过结构胶粘接在永磁铁的顶部。[0009]优选地，所述永磁铁为中空圆柱体，中空部位的直径大于线圈架的大端直径。[0010]优选地，所述线圈架的结构为工型；所述底板为扁平薄圆环。[0011]优选地，所述线圈由导体及导体外部的绝缘层组成。[0012]优选地，所述芯部和底板由软铁制成；所述线圈架采用环氧板制备而成。[0013]优选地，所述芯部的顶部设有通孔，所述线圈通过导线与外接电源电性连接，导线能够穿过通孔与线圈连接。
[0014]本发明公开了一种迷你弹跳机器人的弹跳方法，包括：
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起跳阶段：将迷你弹跳机器人置于水平面上，打开线圈上连接的外接电源，外接电
源给线圈供电，通电后的线圈在磁场中产生电磁力，该电磁力使永磁铁、芯部和底板均向上运动，此时，线圈和线圈架保持静止；[0016]飞行阶段：当底板运动至与线圈架的大端相接触时，底板带动线圈和线圈架一起向上运动，实现弹跳动作；[0017]回落阶段：在重力作用下，底板带动线圈、线圈架、芯部及永磁铁落地。[0018]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：[0019]本发明公开了一种迷你弹跳机器人，包括底板、永磁铁和芯部，底板和永磁铁均为中空结构，能够使线圈架在中空结构中上下运动，同时，线圈架的两端直径不同，使得线圈架不会脱离至底板之外，线圈架外部缠绕有线圈，线圈架的中空结构内设置有芯部。外接电源与线圈连接为线圈提供电流，根据电磁感应原理，通电后的线圈在永磁铁的磁场中会产生电磁力，且该电磁力的方向由线圈中电流的方向来决定，即控制输入线圈中的电流大小和方向，可以控制电磁力的大小和方向，进而控制线圈内部的芯体和外部的永磁铁及底部的底板均向上运动，当底板运动至与线圈架的大端想接触时，在惯性力作用下，底板将带动线圈架及线圈架上缠绕的线圈一起向上运动，从而实现弹跳动作，最终在重力作用下平稳落地，回到初始状态。本发明装置易于微型化，装置组成部件较少，易于制造和组装成体积小、紧凑的结构；根据尺寸效应，安培力的尺度率是L2，重力的尺度率是L3，在微小尺度下，对弹跳有利的安培力将占主导地位。因此，本发明装置的跳跃性能能够随着装置尺寸的减小而增加；本发明装置易于控制，由于电磁力的大小与线圈上的电流成比例，故可通过控制外接电源中电压的大小来调整跳跃高度。[0020]进一步地，所述芯部和底板由磁导率较高、饱和磁感应强度较大的软铁制成，它们能够将径向磁通量集中在线圈移动的狭窄间隙中。[0021]进一步地，线圈架的结构为工形，便于线圈稳定缠绕在线圈架的外侧壁上，不易掉落，使线圈产生的电流方向和电流大小保持稳定，从而保证迷你弹跳机器人的稳定弹跳。[0022]进一步地，所述芯部为T型，T型的下部直径小于线圈架的中空结构的内径，T型的上部直径大于永磁铁的顶部直径，能够保证芯部能够固定在永磁铁的上方，并能够伴随永磁铁一起实现弹跳过程。[0023]进一步地，所述线圈架采用环氧板制备而成，因为环氧板具有高介电性能，能够耐表面漏电；粘附力较强，能够防止其外侧缠绕的线圈脱落。[0024]本发明还公开了一种迷你弹跳机器人的弹跳方法，是基于上述装置进行的，线圈架上缠绕线圈，通过外接电源给线圈供电，利用通电线圈在永磁铁的磁场中产生的电磁力使永磁铁、芯部和底板向上运动，当底板运动至与线圈架的大端相接触时，在较大的惯性力作用下，底板将带动线圈和线圈架一起向上运动，从而实现弹跳动作。本发明的弹跳方法响应速度快，易于实现。附图说明
[0025]图1为本发明迷你弹跳机器人的磁极分布及受力示意图；[0026]图2为本发明迷你弹跳机器人的爆炸结构示意图；[0027]图3A为本发明装置的弹跳过程一示意图；
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图3B为本发明装置的弹跳过程二示意图；
[0029]图3C为本发明装置的弹跳过程三示意图；[0030]图3D为本发明装置的弹跳过程四示意图。[0031]图中：1-永磁铁；2-底板；3-线圈；4-线圈架；5-芯部；6-磁场；7-电磁力；8-电流；9-外接电源。
具体实施方式
[0032]为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0033]需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0034]下面结合附图对本发明做进一步详细描述：[0035]如图2所示，一种迷你弹跳机器人，包括永磁铁1、底板2、线圈3、线圈架4、及芯部5。底板2上部安装永磁铁1，永磁铁1和底板2均为中空结构，永磁铁1的中空部位设置有线圈架4，线圈架4的外侧壁上缠绕有线圈3，线圈3通过导线与外接电源9电性连接，线圈架4的两端一个为大端，另一个为小端。其中大端的直径大于底板2的内径，以防止线圈架4从芯部5、永磁铁1和底板2形成的内腔中脱落，同时小端可以从底板2的内径中自由通过。[0036]所述永磁铁1和底板2之间用结构胶粘接；所述芯部5为T型，芯部5的下部直径小于线圈架4的中空结构的内径，芯部5的顶部直径大于永磁铁1的顶部直径。将芯部5的下部套接在永磁铁1的中空结构内部，芯部5的顶部与永磁铁1的顶部通过结构胶粘接。[0037]本发明的迷你弹跳机器人的工作原理为：[0038]根据电磁感应原理，如图1所示，线圈3通电后，通电线圈3在永磁铁1的磁场6中会产生一个电磁力7，因为电磁力7的方向由线圈3中的电流8的方向来决定。为了使得迷你弹跳机器人实现弹跳动作，本发明中线圈3中的电流8的方向应当为左进右出(如图1所示)。根据电磁感应原理中的左手定则，产生的轴向电磁力7为竖直向下，由于迷你弹跳机器人放置于地面上，线圈3和线圈架4向下的相对运动将转换为芯部5、永磁铁1和底板2的向上运动。当底板2运动到与线圈架4的大端相接触时，在较大的惯性力作用下，底板2将带动线圈3和线圈架4一起向上运动，从而实现弹跳动作，最终在重力作用下平稳落地，回到初始状态，准备下一次弹跳。
[0039]本发明所述的迷你弹跳机器人的工作过程为：[0040]首先将线圈架4上缠绕线圈3，通过外接电源9给线圈3供电，将迷你弹跳机器人竖
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直放置于地面上，利用通电线圈3在磁场中产生的电磁力7使永磁铁1、芯部5和底板2向上运动，当底板2运动至与线圈架4的大端相接触时，在较大的惯性力作用下，底板2带动线圈3和线圈架4一起向上运动，从而实现弹跳动作。
[0041]下面对迷你弹跳机器人的弹跳方法进行说明：[0042]起跳阶段：将该迷你弹跳机器人置于水平面上(如图3A所示)，打开外接电源9为线圈3供电，当线圈3通过电流后，由于受到轴向电磁力7的作用，芯部5、永磁铁1和底板2将向上高速运动，此时，线圈3和线圈架4暂时保持静止状态(如图3B所示)。[0043]飞行阶段：当底板2运动到与线圈架4的大端相接触时(如图3C所示)，在较大的惯性力作用下，底板2将带动线圈3和线圈架4一起向上运动，从而实现弹跳动作(如图3D所示)。
[0044]回落阶段：在重力作用下，该迷你弹跳机器人平稳落地，回到初始状态(如图3A)。[0045]综上所述，本发明装置中，驱动迷你弹跳机器人起跳的电磁力7只在起跳阶段工作，即在起跳阶段，速度增加，电能转化为动能；在飞行阶段，速度减小，动能转化为重力势能。因此，在飞行阶段时，线圈3已经脱离永磁铁1产生的磁场6，使得电磁力7几乎消失，只能依靠惯性进行弹跳。因此，利用本发明装置进行弹跳时，只需要在起跳阶段时给线圈3供电，当该迷你弹跳机器人运动至飞行阶段时，线圈通电或断电都不会影响迷你弹跳机器人的运动。
[0046]在本实施例中，所使用的外接电源9为电容。[0047]所使用的芯部5和底板2由磁导率较高、饱和磁感应强度较大的软铁制成，它们能够将径向磁通量集中在线圈3移动的狭窄间隙中。所述芯部5是横截面为T型的回转体，所述底板2为扁平薄圆环。
[0048]所使用的永磁铁1为中空圆柱体，是磁场的来源，永磁铁1的磁极呈横向分布，外侧为S极，内侧为N极。
[0049]所使用的线圈3选用漆包铜线，由导体和导体外部的绝缘层两部分组成。[0050]所使用的线圈架4选用环氧板且结构为工字型，用来缠绕线圈3。[0051]以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
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图3A
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