CN102530122A - 一种足式机动平台腿部驱动传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明为一种足式机动平台腿部驱动传动装置。该装置由双电机侧摆组件、连杆增力组件和复合减震组件构成；其中平台腿部的侧摆运动由双电机侧摆组件来完成，双电机侧摆组件通过齿轮传动避免了电机轴直接承受径向载荷，提高了电机的使用寿命，并将伺服电机输出的力矩进行了放大，同时提高了平台侧摆运动的控制精度；平台腿部的抬腿运动由连杆增力组件来完成，该组件将直线运动转化为旋转运动，并利用杠杆原理通过增力杠杆将电动缸输出的力成倍的放大，提高了平台的承载能力；复合减震组件由多级级弹簧和质量块组成，多级弹簧能有效的吸收平台运动时受到的地面冲击，质量块的往复滑动能减少腿部运动时的小幅跳动，从而提高平台运动的稳定性。

Description

一种足式机动平台腿部驱动传动装置

技术领域

本发明属于移动机器人应用领域，具体涉及一种足式机动平台腿部驱动传动装置。

背景技术

足式机器人是地面移动机器人的重要组成部分，其主要是利用机器人腿部的交替运动来实现移动。与其它类型的移动机器人相比，足式机器人对于非结构环境具有更强的适应能力，能够到达轮式和履带式机器人无法进入的地域执行任务。尤其是根据仿生学设计的足式机器人，它们既有动物千百年进化得到的完美结构，又有着比动物更强的动力系统，能够实现更为复杂的功能。由于仿生足式机器人涉及到了机械、自动化、信息、材料、人工智能等多个学科，又有着广阔的应用前景，因此仿生足式机器人的研究已经成为了机器人领域研究的热点之一。

腿部机构是足式机器人行走的执行机构，它是足式机器人实现高效行走的关键。腿部机构设计的好坏直接关系到足式机器人能否达到设计的目标，因此关于足式机器人腿部结构的设计也很多。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。关节式腿部结构模仿了动物的腿部结构，具有结构紧凑、承载能力高、足端可达域广、抗扰动能力强等优点。

中国专利文献CN 102001371A公开了“一种液压驱动式四足机器人”，该机器人的侧摆关节由液压缸驱动，液压缸头部通过对称布置的多连杆转化为侧摆运动。这种结构使得运动传动路线过长，不能保证运动的稳定性和可靠性。该机器人侧摆关节没有给出具体的连接方式，多连杆结构需要考虑铰接处轴承选型润滑问题，由于机器人安装空间的限制，使得方案的可行性较差。

中国专利文献CN 201633803U公开了“具有质心调整装置的液压驱动四足机器人移动机构”，该机器人由机体和对称布置的四条腿组成，每条腿有4个自由度，均采用液压缸驱动。由于液压系统包括液压泵、液压油箱、阀体等额外配件，这些配件普遍质量较大，背负在足式机器人身上会大大降低足式机器人的负载，严重影响机器人运动时的稳定性。液压系统利用液压油作为传递运动的媒介，压力传递需要一定时间，降低了整个系统的响应频率。液压油在受压后体积会缩小，这会影响控制的精度。输油管道漏油现象要求系统内时常补油，降低了机器人工作的时间。同时在液压系统工作过程中会产生大量的热，移动机器人要配备额外的散热设备，总之，采用液压驱动方式会提高机器人的成本，影响机器人运动的效果。

发明内容

本发明的内容在于提供一种足式机动平台腿部的驱动传动装置，该装置采用开链结构，共有三个主动自由度和一个被动自由度。装置能完成腿部侧摆和抬腿等动作，装置上的关节分别由两个伺服电机和两个电动缸驱动，每个关节都能实现独立的运动。这种装置具有结构紧凑、承载能力强、足端可达域广、抗干扰能力强、控制方便、运动灵活等特点。

为了实现上述发明目的，一种足式机动平台腿部的驱动传动装置由双电机侧摆组件、连杆增力组件、复合减震组件组成。其特征在于双电机侧摆组件由机体、对称布置的伺服电机、电机支架、小齿轮、大齿轮、承重轴、调心轴承、腿部支架组成；伺服电机被安装在电机支架内，电机支架通过螺钉固定在机体上，小齿轮与电机轴相连。两个大齿轮分别通过螺钉固定在腿部支架的两端，两个大齿轮内分别嵌入调心球轴承。安装时，腿部支架内的轴承轴线与机体上的孔轴线对齐，承重轴通过机体上的孔插入轴承内圈，再用螺钉将承重轴固定在机体上，这样腿部装置就能绕承重轴转动。两端的大齿轮分别与伺服电机轴端的小齿轮啮合。两个电机通过齿轮传动将旋转运动施加给腿部装置从而实现腿部的侧摆运动。这样避免了电机轴直接承受径向载荷，提高了电机的使用寿命，同时双电机的布置为腿部的侧向摆动提供了更强的动力。连杆增力组件由分别位于髋关节的I增力机构和位于膝关节的II增力机构组成。所述的I增力机构由1号轴、2号轴、3号轴、4号轴、轴承端盖、连杆、调心球轴承、滚针轴承、深沟球轴承和增力杠杆组成；固定板通过螺钉固定在腿部支架上，1号电动缸的尾部与腿部支架铰接。1号电动缸头部通过1号轴与增力杠杆的远端铰接，一号轴两端由螺母和垫片固定。增力杠杆的支点通过2号轴固定在固定板上，2号轴和增力杠杆间采用键连接，2号轴的两端分别穿入深沟球轴承的内圈，深沟球轴承的外圈嵌入固定板中，最后在固定板两端加装轴承端盖完成对轴承外圈的限位。增力杠杆的近端通过3号轴两片连杆铰接，滚针轴承的内圈插入3号轴，外圈插入增力杠杆，用螺母将3号轴的两端与连杆固定在一起。连杆的另一端采用同样的方式与大腿相连。大腿内嵌入调心球轴承，4号轴插入轴承内圈，两端分别通过螺钉和轴套固定在固定板上。电动缸的直线运动分别经过增力杠杆和连杆转化为大腿的旋转运动，并且根据杠杆原理，大腿受到的力比电动缸的输出的力要大。所述的II增力机构由5号轴、6号轴、7号轴、8号轴、轴承端盖、连杆、调心球轴承、滚针轴承、深沟球轴承和增力杠杆组成；2号电动缸的尾部铰接在大腿上。2号电动缸头部通过5号轴与增力杠杆的远端铰接，5号轴两端由螺母和垫片固定。增力杠杆的支点通过6号轴固定在大腿上，6号轴和增力杠杆间采用键连接，6号轴的两端分别穿入深沟球轴承的内圈，深沟球轴承的外圈嵌入大腿中，最后在大腿两端加装轴承端盖完成对轴承外圈的限位。增力杠杆的近端通过7号轴与两片连杆铰接，滚针轴承的内圈插入7号轴，外圈插入增力杠杆，7号轴两端分别采用螺母与连杆固定在一起。连杆的另一端采用同样地方式与小腿相连。小腿内嵌入调心球轴承，8号轴插入轴承内圈，两端分别通过螺钉和轴套固定在固定板上。电动缸的直线运动分别经过增力杠杆和连杆转化为小腿的旋转运动。电动缸的直线运动分别经过增力杠杆和连杆转化为小腿的旋转运动，并且根据杠杆原理，小腿受到的力比电动缸的输出的力要大。所述的复合减震组件由小腿套筒、1号弹簧、2号弹簧、3号弹簧、滑动体、直线轴承、质量块、限位板、力传感器、固定螺母和足端组成；1号弹簧的一端与小腿套筒底部接触另一端与质量块接触，1号弹簧工作过程中始终处于压缩状态。2号弹簧一端与质量块接触，另一端与滑动体接触，2号弹簧在工作过程中始终处于压缩状态。质量块被限制在小腿套筒的卡槽内滑动，直线轴承固定在小腿套筒内，滑动体在直线轴承内做一端有限制的滑动。安装时先将直线轴承嵌入小腿套筒中，将滑动体从小腿套筒的

上端装入，然后装2号弹簧、质量块，最后利用弹簧的可压缩性将1号弹簧装入。限位板通过力传感器与滑动体固定；3号弹簧分别与小腿套筒和限位板相接触；力传感器与滑动体螺纹连接，并通过螺母固定在足端上；当足端与地面接触时，滑动体向上滑动，3级弹簧受到不同程度的压缩共同完成减震缓冲的作用；质量块由于惯性作用与小腿套筒产生相对运动，并通过1号弹簧、2号弹簧影响套筒，减少其受冲击时产生的小幅跳动，提高运动的稳定性。

本发明的优点在于：

(1)双电机侧摆组件避免了电机直接承受径向负载，提高了电机的使用寿命，同时双电机的布置加上齿轮机构的减速增力作用为腿部侧摆运动提供更强的动力。

(2)位于髋关节和膝关节处的连杆增力组件，将电动缸输出的直线运动转化为旋转运动，并将电动缸输出的力成倍放大，提高了平台的负载能力。

(3)复合减震组件有效吸收了平台运动时产生的冲击，质量块的往复滑动减少了平台运动时的小幅度跳动，提高了运动的稳定性。

附图说明

附图1为足式机动平台的整体布局；

附图2为平台腿部组成示意图；

附图3为双电机侧摆组件组成示意图；

附图4为连杆增力组件组成示意图

附图5为连杆增力组件I增力机构组成示意图

附图6为连杆增力组件II增力机构组成示意图；

附图7为复合减震组件组成示意图；

附图中：1-机体，2-腿部装置，3-双电机侧摆组件，4-连杆增力组件，5-复合减震组件，6-伺服电机，7-电机支架，8-小齿轮，9-大齿轮，10-承重轴，11-调心轴承，12-腿部支架，13-1号电动缸，14-固定板，15-I增力机构，16-大腿，17-2号电动缸，18-II增力机构，19-小腿，20-1号轴，21-轴承端盖，22-3号轴，23-连杆，24-4号轴，25-调心球轴承，26-滚针轴承，27-2号轴，28-深沟球轴承，29-增力杠杆，30-增力杠杆，31-5号轴，32-8号轴，33-调心球轴承，34-7号轴，35-深沟球轴承，36-6号轴，37-滚针轴承，38-连杆，39-轴承端盖，40-小腿套筒，41-1号弹簧，42-质量块，43-2号弹簧，44-滑动体，45-直线轴承，46-3号弹簧，47-限位板，48-力传感器，49-固定螺母，50-足端。

具体实施方式

图1所示，足式机动平台包括机体1和腿部装置2，四个相同的腿部装置2并列分布在机体1左右两边，每个腿部都拥有图2所示的一套驱动传动装置。

如图2所示，腿部驱动传动装置由双电机侧摆组件3、连杆增力组件4、复合减震组件5组成。

如图3所示，双电机侧摆组件包括机体1、对称布置的伺服电机6、电机支架7、小齿轮8、大齿轮9、承重轴10、调心轴承11、腿部支架12。伺服电机6通过电机支架7被固定在机体1上，小齿轮8与伺服电机相连；大齿轮9与腿部支架12固定，承重轴10与机体1固定，承重轴10与大齿轮9通过调心轴承11相连，使腿部支架能实现绕轴的旋转运动；伺服电机7驱动小齿轮8转动，小齿轮8通过与大齿轮9的啮合带动腿部支架12转动。

如图4所示，连杆增力机构由所述的连杆增力组件由腿部支架12、1号电动缸13、固定板14、I增力机构15、大腿16、2号电动缸17、II增力机构18构成；

如图5所示，所述的I增力机构15由1号轴20、轴承端盖21、3号轴22、连杆23、4号轴24、调心球轴承25、滚针轴承26、2号轴27、深沟球轴承28和增力杠杆29组成；1号电动缸13头部通过1号轴20与增力杠杆29的远端铰接；增力杠杆29的支点通过2号轴27、深沟球轴承28以及轴承端盖21固定在固定板14上；增力杠杆29的近端通过3号轴22、滚针轴承26与两片连杆23铰接；连杆23的另一端以同样的方式与大腿16相连；大腿16通过4号轴24和调心球轴承25被固定到固定板14上；1号电动缸输出的直线运动经过增力杠杆29和连杆23的传导转化为了大腿16绕4号轴24的旋转运动，其输出的力得到了L1/L2倍的放大(其中L1为增力杠杆远端到支点的距离，L2为增力杠杆近端到支点的距离)。

如图6所示，II增力机构18由5号轴31、轴承端盖39、7号轴34、连杆38、8号轴32、调心球轴承33、滚针轴承37、6号轴36、深沟球轴承35和增力杠杆30组成；2号电动缸17头部通过5号轴31与增力杠杆30的远端铰接；增力杠杆30的支点通过6号轴36、深沟球轴承35以及轴承端盖39固定在大腿16上；增力杠杆30的近端通过7号轴34、滚针轴承37与两片连杆38铰接；连杆38的另一端以同样的方式与小腿19相连；小腿19通过8号轴32和调心球轴承33被固定到大腿16上；2号电动缸输出的直线运动经过增力杠杆30和连杆38的传导转化为了小腿19绕8号轴32的旋转运动，其输出的力得到了L1/L2倍的放大(其中L1为增力杠杆远端到支点的距离，L2为增力杠杆近端到支点的距离)。

如图7所示，复合减震组件5由小腿套筒40、1号弹簧41、质量块42、2号弹簧43、滑动体44、直线轴承45、3号弹簧46、限位板47、力传感器48、固定螺母49和足端50组成。1号弹簧41一端与小腿套筒40底部接触另一端与质量块42接触。2号弹簧43一端与质量块42接触，另一端与滑动体44接触。质量块42被限制在小腿套筒的卡槽内滑动。直线轴承45固定在小腿套筒40内，滑动体44在直线轴承内做一端有限制的滑动。限位板47通过力传感器48与滑动体44固定。3号弹簧46分别与小腿套筒40和限位板47相连。力传感器48与滑动体螺纹连接，并通过螺母49固定在足端50上。当足端与地面接触时，滑动体向上滑动，3号弹簧压缩，同时1号弹簧、2号弹簧收到压缩，3个弹簧共同完成减震缓冲的作用；质量块由于惯性作用与小腿套筒产生相对运动，并通过1号弹簧、2号弹簧影响套筒，较少其受冲击时产生的小幅度跳动，提高运动的稳定性。当足式机动平台运动时，四条腿交替运动以产生向前的运动，当平台需要转弯或受到侧向冲击时，双电机侧摆组件3就产生相应的运动。连杆增力机构增4产生抬腿运动。复合减震组件5吸收地面的冲击，提高整体运动的稳定性。

Claims (1)

1.一种足式机动平台腿部驱动传动装置，其特征在于：整个装置由双电机侧摆组件(3)、连杆增力组件(4)和复合减震组件(5)构成；所述双电机侧摆组件由机体(1)、对称布置的伺服电机(6)、电机支架(7)、小齿轮(8)、大齿轮(9)、承重轴(10)、调心轴承(11)、腿部支架(12)组成；伺服电机(6)通过电机支架(7)被固定在机体(1)上，小齿轮(8)与伺服电机(6)相连；大齿轮(9)与腿部支架(12)固定，承重轴(10)与大齿轮(9)通过调心轴承(11)相连，并与机体(1)固定使腿部支架(12能实现绕轴的旋转运动；伺服电机(6)带动小齿轮(8)转动，小齿轮(8)通过与大齿轮(9)的啮合带动腿部支架(12)转动；

所述的连杆增力组件由腿部支架(12)、1号电动缸(13)、固定板(14)、I增力机构(15)、大腿(16)、2号电动缸(17)、II增力机构(18)构成；1号电动缸(13)尾部与腿部支架(12)铰接，头部与I增力构件(15)铰接；固定板(14)固定在腿部支架(12)上，I增力机构(15)铰接在固定板(14)上；I增力机构(15)的活动端的一端与1号电动缸(13)相连，另一端与大腿(16)相连；2号电动缸(17)的尾部铰接在大腿(16)上，头部与II增力机构(18)铰接；II增力机构(18)铰接在大腿(16)上，活动端的一端与2号电动缸(13)相连，另一端与小腿(19)相连；

所述的复合减震组件(5)由小腿套筒(40)、1号弹簧(41)、质量块(42)、2号弹簧(43)、滑动体(44)、直线轴承(45)、3号弹簧(46)、限位板(47)、力传感器(48)、固定螺母(49)和足端(50)组成；1号弹簧(41)一端与小腿套筒(40)底部接触另一端与质量块(42)接触；2号弹簧(43)一端与质量块(42)接触，另一端与滑动体(44)接触；质量块(42)被限制在小腿套筒(40)的卡槽内滑动，直线轴承(45)固定在小腿套筒(40)内，滑动体(44)在直线轴承内做一端有限制的滑动；限位板(47)通过力传感器(48)与滑动体(44)固定，3号弹簧(46)分别与小腿套筒(40)和限位板(47)相连；力传感器(48)与滑动体(44)螺纹连接，并通过螺母(49)固定在足端(50)上。

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