CN100434332C - 仿生多关节型机器人腿部驱动传动装置 - Google Patents
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Abstract
仿生六足多关节型机器人的腿部驱动传动装置由基节组件、胫节组件和股节组件构成。机器人的抬腿动作是依靠基节组件与胫节组件之间、胫节组件和股节组件之间的相对运动来完成的。机器人的摆腿动作是依靠基节组件本身的内部转动实现的。该装置采用开链机构，装置上的每个关节都能单独控制，具有承载力大、可达域广、结构紧凑、控制简单、步态稳定、运动灵活等特点，并且具有较好的柔性。
Description
技术领域
本发明属于仿生机器人技术领域，具体涉及一种仿生六足多关节型机器人的腿部驱动传动装置。
背景技术
由于轮式驱动车辆本身在结构特性和运动方式上的局限性，使其很难在路面崎岖或条件恶劣的环境下高效运动，而多足步行机器人具有极好的复杂地形适应能力，使之能在非规则路面上稳定行走，因此仿生多足步行机器人在许多行业有着广阔的应用前景。
腿机构是多足步行机器人实现高效行走的关键组件。目前常见的腿机构有四杆机构式、缩放式、伸缩式以及关节式等等。关节式腿机构的优点在于结构紧凑、控制简单、运动灵活。此外，由于关节式腿机构采用的是纯转动关节组合的形式，足端可达域比较大，在机身失稳状态下具有较强的姿态恢复能力。对于灵巧型多用途步行机器人而言，关节式腿机构更符合其在不同路面条件下实际运动的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种仿生六足多关节型机器人的腿部驱动传动装置，该装置采用开链机构，装置上的每个关节都能单独控制，具有承载力大、可达域广、结构紧凑、控制简单、步态稳定、运动灵活等特点，并且具有较好的柔性。
为了实现上述发明目的，一种多关节型机器人腿部驱动传动装置基节组件、胫节组件和股节组件构成。其特征在于基节组件包括座套、电机合件、上端盖、电机套以及大弧齿锥齿轮(该齿轮固定在电机套的支臂内侧)等零部件。其中，座套通过螺钉与机器人本体固连，且其上下端两准直通孔内各自镶嵌一个轴承，电机合件插入这两个轴承的内座圈中以实现周向固定；上端盖利用其上的异形孔套在电机合件的输出轴上实现成形连接，并用螺钉将上端盖固定在座套上，使上端盖和电机合件的输出轴以及座套成为固连体；在电机合件上装有一个电机套，用螺钉把电机套与电机合件锁死，使电机套和电机合件成为固连体；这样当电机驱动时，因电机合件输出轴已通过上端盖和座套与机器人本体形成固连，该输出轴不能产生旋转运动，根据“相对运动不变性”原理，这时电机合件本体将带动电机套(连同胫节组件中的大支架)一并绕电机输出轴旋转。仿生六足机器人的摆腿动作就是依靠上述传动来完成的。胫节组件包括大支架、电机合件、小弧齿锥齿轮和大弧齿锥齿轮，大支架内固定有电机合件，小弧齿锥齿轮安装在电机合件的输出轴上，并与固定在电机套支臂内侧的大弧齿锥齿轮啮合，因大弧齿锥齿轮已与电机套固连而不能旋转，所以电机合件的输出运动将成为大支架连同其上的电机合件和小弧齿锥齿轮绕电机套支臂远端处大弧齿锥齿轮轴线的转动。股节组件包括小支架、电机合件、小弧齿锥齿轮、两个深沟球轴承和足套。小支架内固定有电机合件，小弧齿锥齿轮安装在电机合件的输出轴上，并与固定在大支架远端支臂内侧的大弧齿锥齿轮啮合，因大弧齿锥齿轮已与大支架固连而不能旋转，所以电机合件的输出运动将成为小支架连同其上的电机合件、小弧齿锥齿轮和足套绕大支架远端支臂处大弧齿锥齿轮轴线的转动。足套连接在小支架的下端。仿生六足机器人的抬腿动作就是靠胫节组件和股节组件的上述转动来完成的。
上述结构中，所述的电机合件包括编码器、直流无刷伺服电机和齿轮减速器。
上述结构中，所述的小弧齿锥齿轮和大弧齿锥齿轮，其特征在于弧齿锥齿轮传动副齿面应力小，承载能力强，工作平稳，对安装误差和变形不敏感，且轴向力与旋向无关。
本发明的优点在于：
(1)驱动电机及传动部件都装在腿的内部，布局合理、设计精妙、体积小巧、结构紧凑，既减少了空间占用率，还有利于电机走线；
(2)各关节的运动范围和回转角度很大，根关节的摆动角度可达180°，大腿可绕其关节翻转150°，小腿可绕其关节翻转300°；
(3)传动机构采用圆弧齿锥齿轮运动副，比直齿锥齿轮的应力分布和受力状况改善很多，运转平稳，噪音低，振动小，使用寿命长。
附图说明
附图1为仿生六足多关节型机器人的整体布局；
附图2(a)为机器人腿部机构示意图，(b)为基节组件剖视图；
附图3为机器人腿部机构示意图的俯视图；
附图中：1-本体，2-腿部装置，3-座套，4-电机套，5-电机合件，6-上端盖，7-大支架，8-小支架，9-足套，10-连接轴，11-大弧齿锥齿轮，12-小弧齿锥齿轮。
具体实施方式
如图1所示，仿生六足多关节型机器人包括本体1和腿部装置2，其六个相同的腿部装置2并列分布在本体1的左右两边，每个腿部装置都拥有图2(或图3)所示的一套驱动传动装置。
如图2(a)所示，腿部驱动传动装置由基节组件、胫节组件和股节组件构成。如图2(b)所示，基节组件包括座套3、电机套4、电机合件5和上端盖6以及大弧齿锥齿轮11；座套3上下端两准直通孔内各自镶嵌轴承，电机合件5插入这两个轴承的内座圈中；上端盖6利用其上的异形孔套在电机合件5的输出轴上实现成形连接，并用螺钉将上端盖6固定在座套3上；电机合件5上紧固有电机套4，由于电机合件输出轴已通过上端盖6和座套3与机器人本体形成固连，当电机驱动时，电机合件本体将带动电机套4和胫节组件中的大支架7一并绕电机输出轴旋转。如图2(a)和图3所示，胫节组件包括大支架7，大支架7内固定有电机合件5，小弧齿锥齿轮12安装在电机合件5的输出轴上；股节组件包括小支架8，小支架8内固定有电机合件5，小弧齿锥齿轮12安装在电机合件5的输出轴上，足套9连接在小支架8的下端。基节组件与胫节组件之间是用大弧齿锥齿轮11和连接轴10相连，大弧齿锥齿轮11和连接轴10是用螺钉固定在电机套4上的；胫节组件与股节组件之间也是用大弧齿锥齿轮11和连接轴10相连，大弧齿锥齿轮11和连接轴10是用螺钉固定在大支架7下端。
当机器人摆腿时，基节组件中电机合件5的输出轴相对于座套3是静止的，而转动的是电机合件5本身，电机合件5转动时带动电机套4在水平方向上一同转动，与电机套4相连的胫节组件也随之转动。当机器人抬动大腿时，胫节组件中的电机带动小弧齿锥齿轮12转动，由小弧齿锥齿轮12与大弧齿锥齿轮11的啮合运动使得整个胫节组件可以在垂直方向上以连接轴10的中心为圆心转动；当机器人抬动小腿时，股节组件中的电机带动小弧齿锥齿轮12转动，由小弧齿锥齿轮12与大弧齿锥齿轮11的啮合运动使得整个股节组件可以在垂直方向上以连接轴10的中心为圆心转动。最终通过对三个电机的控制来完成机器人整个腿部的运作。
Claims (5)
1.一种仿生多关节型机器人腿部驱动传动装置，该装置由基节组件、胫节组件和股节组件构成，其特征在于：所述基节组件包括座套(3)、电机套(4)、第一电机合件(5)和上端盖(6)以及第一大弧齿锥齿轮(11)；座套(3)上下端两准直通孔内各自镶嵌轴承，第一电机合件(5)插入这两个轴承的内座圈中；上端盖(6)利用其上的异形孔套在第一电机合件(5)的输出轴上实现成形连接，并用螺钉将上端盖(6)固定在座套(3)上；第一电机合件(5)上紧固有电机套(4)，由于电机合件输出轴已通过上端盖(6)和座套(3)与机器人本体形成固连，当电机驱动时，电机合件本体将带动电机套(4)和胫节组件中的大支架(7)一并绕电机输出轴旋转；
所述胫节组件包括大支架(7)、第二电机合件(5)、小弧齿锥齿轮(12)和第二大弧齿锥齿轮(11)，大支架(7)内固定有第二电机合件(5)，小弧齿锥齿轮(12)安装在第二电机合件(5)的输出轴上，并与固定在电机套(4)支臂内侧的第一大弧齿锥齿轮(11)啮合，因第一大弧齿锥齿轮(11)已与电机套(4)固连而不能旋转，所以第二电机合件(5)的输出转动将成为大支架(7)绕电机套(4)支臂远端处第一大弧齿锥齿轮(11)轴线的转动；
所述股节组件包括小支架(8)、第三电机合件(5)、小弧齿锥齿轮(12)和足套(9)，小支架(8)内固定有第三电机合件(5)，小弧齿锥齿轮(12)安装在第三电机合件(5)的输出轴上，并与固定在大支架(7)远端支臂内侧的第二大弧齿锥齿轮(11)啮合，因第二大弧齿锥齿轮(11)已与大支架(7)固连而不能旋转，所以第三电机合件(5)的输出运动将成为小支架(8)绕大支架(7)远端支臂处第二大弧齿锥齿轮(11)轴线的转动；足套(9)连接在小支架(8)的下端。
2.根据权利要求1所述的仿生多关节型机器人腿部驱动传动装置，其特征在于：所述基节组件与胫节组件之间是通过固定在电机套(4)支臂内侧上的第一大弧齿锥齿轮(11)和连接轴(10)相连。
3.根据权利要求1所述的仿生多关节型机器人腿部驱动传动装置，其特征在于：所述胫节组件与股节组件之间是通过固定在大支架(7)下端的第二大弧齿锥齿轮(11)和连接轴(10)相连。
4.根据权利要求1所述的仿生多关节型机器人腿部驱动传动装置，其特征在于：所述的基节组件中第一电机合件(5)的输出轴相对于座套(3)静止，而转动的是第一电机合件(5)本身，第一电机合件(5)的转动带动电机套(4)在水平方向上转动，可完成机器人的摆腿动作；胫节组件绕基节组件连接轴的转动和股节组件绕胫节组件连接轴的转动，可完成机器人的复合抬腿动作。
5.根据权利要求1所述的仿生多关节型机器人腿部驱动传动装置，其特征在于所述小弧齿锥齿轮(12)直接安装在第二、第三电机合件(5)的输出轴上，没有中间的过渡环节。
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