CN100368156C - 基于轮腿式复合机构的微小型步行机器人 - Google Patents

Abstract

一种基于轮腿式复合机构的微小型步行机器人，属于微机电技术领域。本发明包括：机架、前轴和后轴、前腿、和后腿、以及齿轮传动机构，前腿、和后腿、采用轮腿式复合机构，四条腿分成左右两排并列分布，齿轮传动机构为直流电机通过第一直齿圆柱齿轮与第二直齿圆柱齿轮的啮合驱动第一传动轴，第一传动轴带动第三直齿圆柱齿轮与第四直齿圆柱齿轮啮合驱动后轴，后轴带动第一端面齿轮与第五直齿圆柱齿轮啮合，驱动第二传动轴，第二驱动轴带动第六直齿圆柱齿轮与第二端面齿轮啮合，驱动前轴。本发明体积可达到70mm×40mm×20mm，轮直径60mm，单电机驱动，机械结构紧凑，驱动装置简单化，能够实现全方位快速行走、跨越障碍等功能。

Description

基于轮腿式复合机构的微小型步行机器人

技术领域

本发明涉及一种微机电技术领域的机器人，具体的说，是一种基于轮腿式复合机构的微小型步行机器人。

背景技术

微小型机器人能够完成在特定环境中大型机器人或人类本身无法完成的任务，它集微传感器技术、微执行器技术及微能源技术为一体，是微电子机械系统(MEMS)研究开发的重要分支，在军事、医学、科学探索等方面都具有广阔的应用前景。随着电子原器件的不断缩小，仪器组装工具的精密度也在不断增加。利用微型机器人，能在桌面大小的地方组装像硬盘驱动器之类的精密小巧的产品。军队也将利用这种具有跳跃、爬行功能的微型机器人，进入敌军后方，收集情报或对敌攻击等。这些机器人制造成本低，可以大量部署，它们可以替代人进入难以进入或危险的地区，进行侦察、排雷和探测生化武器的工作。

结构的微小型化，对所采取的运动方式提出了相对的要求。目前已经研制的微型步行结构多采用轮式、腿式和蠕动式等结构。足运动方式因具有较好的机动性，其行走轨迹是一系列离散的点，对不平地面或松软地面上都有较强的适应能力，且具有能耗较少、灵活性较高等其它地面推进方式所不具备的独特的优越性能，因此，成为目前各国学者的研究热点。尽管国内外许多学者已经成功研制出多种足式步行机构的样机或模型，但就目前水平来看，结构的微型化往往造成控制算法和机械机构的复杂程度大大提高，即微型化和功能化的分离。相比自然界的节肢动物，人类研究的仿生足式机器人在自主性和机动性上仍然存在很大差距。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利名称“一种多足步行机器人”，授权公告号CN 2582823Y，授权公告日2003年10月29日，提出的一种多足步行机器人，采用伺服电机驱动齿轮装置，齿轮装置又分别通过钢丝绳线轮与大小腿关节连接，采用多个电机分级控制，增加了系统的灵活性，但体积上难以微型化，控制算法显然比较复杂，行走速度慢，不能满足战场等特殊环境对速度的要求。复杂的结构和驱动也使其难以实现批量化，很难降低成本，限制其在市场上的推广和应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种基于MEMS技术的基于轮腿式复合机构的微小型步行机器人，体积可达到70mm×40mm×20mm，轮直径60mm，单电机驱动，机械结构紧凑，驱动装置简单化，能够实现全方位快速行走、跨越障碍等功能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：机架、两个驱动轴、前腿、后腿和齿轮传动机构。前腿、后腿各两个，分别对称排布在机架两侧。每条腿结构相同，采用轮腿式复合机构，即将每只轮划分为等分的三条轮辐，三条轮辐之间分别相差120°相位角，每条轮辐上安装25°至30°弧度的足底。系统含有两个驱动轴即前轴和后轴，分别驱动前后腿，每个轴上轴端两腿相差60°安装。

轮腿式复合机构与驱动轴之间通过柔性机构相连。柔性机构是轮腿式复合机构与驱动轴相连的柔性连轴器，它由上轴套、下轴套和扭簧构成，上轴套与下轴套之间存在60°的旋转角度，上轴套与下轴套之间通过扭簧传递力矩，扭簧的一端固定在上轴套上，另一端固定在下轴套上。前轴通过前腿中的柔性机构连接前腿中的轮腿式复合机构，后轴通过后腿中的柔性机构连接后腿中的轮腿式复合机构，即前腿的柔性机构的上轴套与前轴相连，下轴套与前腿相连；后腿的柔性机构的上轴套与后轴相连，下轴套与后腿相连。

齿轮传动机构包括直流电机、第一直齿圆柱齿轮、第二直齿圆柱齿轮、第三直齿圆柱齿轮、第一传动轴、第四直齿圆柱齿轮、第一端面齿轮、第五直齿圆柱齿轮、第二传动轴、第六直齿圆柱齿轮、第二端面齿轮。第四直齿圆柱齿轮和第一端面齿轮与驱动轴后轴固定连接，第二端面齿轮与前轴固定连接，第五直齿圆柱齿轮与第六直齿圆柱齿轮，分别固连在第二传动轴的两端。

本发明工作原理为：采用一个直流电机，由电池作为能源驱动微电机将电磁能转化为机械能。直流电机通过第一直齿圆柱齿轮与第二直齿圆柱齿轮的啮合驱动第一传动轴，第一传动轴带动第三直齿圆柱齿轮与第四直齿圆柱齿轮啮合驱动后轴，后轴带动第一端面齿轮与第五直齿圆柱齿轮啮合，驱动第二传动轴，第二驱动轴带动第六直齿圆柱齿轮与第二端面齿轮啮合，驱动前轴。前轴带动前腿，后轴带动后腿转动。该齿轮传动方式保证了二者之间的相位差。

本发明轮腿式复合微型机器人与现有技术相比有以下优点：(1)一个驱动电机同时带动两条驱动轴，节省空间，机械结构紧凑，电机控制比较简单；(2)轮腿式复合结构结合了轮式和腿式机构的优势，具有能源利用率高、行走平稳，移动速度快，且能越过壕沟和障碍等。(3)柔性机构能够根据地形变化自动调整步态，尤其在遇到障碍时，能够保持前足的协调一致性，能源利用率高，整体上增强了对地面的适应能力。

附图说明

图1为本发明总体结构示意图

图2为本发明柔性机构结构示意图

具体实施方式

如图1所示，机器人包括：机架1、两个驱动轴、前腿4、5、后腿6、7和齿轮传动机构，前腿4、5、后腿6、7均采用轮腿式复合机构，分成左右两排并列分布，每条腿含有一套柔性机构19。两条驱动轴包括前轴2和后轴3，前轴2和后轴3轴端的两腿相位差为60°，前轴2和后轴3的两腿相位差也为60°。

齿轮传动机构包括直流电机8、第一直齿圆柱齿轮9、第二直齿圆柱齿轮10、第三直齿圆柱齿轮11、第一传动轴12、第四直齿圆柱齿轮13、第一端面齿轮14、第五直齿圆柱齿轮15、第二传动轴16、第六直齿圆柱齿轮17、第二端面齿轮18。第四直齿圆柱齿轮13和第一端面齿轮14与驱动轴后轴3固定连接，第二端面齿轮18与前轴2固定连接，第五直齿圆柱齿轮15与第六直齿圆柱齿轮17，分别固连在第二传动轴16的两端。

直流电机8通过第一直齿圆柱齿轮9与第二直齿圆柱齿轮10的啮合驱动第一传动轴12，第一传动轴12带动第三直齿圆柱齿轮11与第四直齿圆柱齿轮13啮合驱动后轴3，后轴3带动第一端面齿轮14与第五直齿圆柱齿轮15啮合，驱动第二传动轴16，第二驱动轴16带动第六直齿圆柱齿轮17与第二端面齿轮18啮合，驱动前轴2。前轴2带动前腿4和5，后轴带动后腿6和7转动。该齿轮传动方式保证了二者之间的相位差。

上述的轮腿式复合机构，即将每只轮划分为等分的三条轮辐，三条轮辐之间分别相差120°相位角，每条轮辐上安装25°至30°弧度的足底，使运动更加平稳。

如图2所示，柔性机构19由上轴套20、下轴套21和扭簧22三部分组成。以前腿4上的柔性机构为例，上轴套20与前轴2相连，下轴套21与腿4相连。上轴套20上包括对称的两只销，下轴套21上包括对称的两个68°槽。扭簧22的一端固定在上轴套20上，另一端固定在下轴套21上，上轴套20与下轴套21通过扭簧22传递扭矩。初始安装时，设置扭簧预紧力使上轴套20上的销紧靠在与运动方向相反的下轴套21的槽尾部，以保证上轴套20与下轴套21之间60°的旋转空间。

该柔性机构19的工作原理为：仍以前腿4上的柔性机构为例，在平坦地面上，轴套20在驱动轴的驱动下通过扭簧力22作用带动轴套21旋转，把力矩传递给前腿4。由于齿轮传动可以严格保证腿之间的相位差，使不同的腿交替行走，机器人重心始终落在落足点区域，满足稳定的步态要求；在不平地面上时，假使前腿4上的一条轮辐先遇到障碍物，使腿4受到地面的阻力停止旋转，同时限制了与之相连的轴套21的旋转运动，轴套20仍然受到驱动轴的驱动要继续旋转，当轴套20上的销运动到轴套21上的槽前端时，前腿4与对侧的前腿5的相位从60°缩小到0°，这样前腿4和前腿5同时在马达驱动下克服地面摩擦力，提升重心位置，翻越障碍物。当翻越过障碍物以后，轴套20上的销又在扭簧力的作用下恢复到轴套21上槽的尾部，前腿4与前腿5的相位又恢复到60°，机器人可以继续以稳定的三角步态行走。

本发明机器人体积为70mm×40mm×20mm，轮直径60mm，体积小，重量轻。可在平坦地面上实现全方位行走，行走方式类似于昆虫的三角步态，即以不同的足交替行走，始终保持地面上最少的立足点数为3，满足机体重心落在三个立足点投影区域内的平稳性要求，因此，可以快速稳定的行走；遇到障碍，例如台阶等时，可以在柔性机构的激励下，自动调整步态，  使左右足一致，共同提供力矩，提升重心，翻越障碍物。

Claims (4)

1.一种基于轮腿式复合机构的微小型步行机器人，包括机架(1)、前轴(2)和后轴(3)、前腿(4、5)和后腿(6、7)以及齿轮传动机构，前腿(4、5)和后腿(6、7)采用轮腿式复合机构，四条腿分成左右两排并列分布，其特征在于：齿轮传动机构为直流电机(8)通过第一直齿圆柱齿轮(9)与第二直齿圆柱齿轮(10)的啮合驱动第一传动轴(12)，第一传动轴(12)带动第三直齿圆柱齿轮(11)与第四直齿圆柱齿轮(13)啮合驱动后轴(3)，后轴(3)带动第一端面齿轮(14)与第五直齿圆柱齿轮(15)啮合，驱动第二传动轴(16)，第二驱动轴(16)带动第六直齿圆柱齿轮(17)与第二端面齿轮(18)啮合，驱动前轴(2)；

轮腿式复合机构是每只轮划分为等分的三条轮辐，三条轮辐之间分别相差120°相位角，每条轮辐上安装25°至30°弧度的足底；

每条腿含有一套柔性机构(19)，该柔性机构(19)由上轴套(20)、下轴套(21)和扭簧(22)三部分组成；前轴(2)通过前腿中的柔性机构(19)连接前腿中的轮腿式复合机构，后轴(3)通过后腿中的柔性机构(19)连接后腿中的轮腿式复合机构，即前腿的柔性机构(19)的上轴套(20)与前轴(2)相连，下轴套与前腿(4、5)相连；后腿的柔性机构(19)的上轴套(20)与后轴(3)相连，下轴套(21)与后腿(6、7)相连；扭簧(22)的一端固定在上轴套(20)上，另一端固定在下轴套(21)上。

2.根据权利要求1所述的基于轮腿式复合机构的微小型步行机器人，其特征是：下轴套(21)上有两个对称的68°槽，上轴套(20)上有两个对称的销。

3.根据权利要求1所述的基于轮腿式复合机构的微小型步行机器人，其特征是：初始安装时，设置扭簧(22)预紧力使上轴套(20)上的销紧靠在与运动方向相反的下轴套(21)的槽尾部，保证上轴套(20)与下轴套(21)之间有60°的旋转空间。

4.根据权利要求1所述的基于轮腿式复合机构的微小型步行机器人，其特征是：前轴(2)和后轴(3)轴端的两腿相位差为60°。

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