CN102849139B - 一种欠驱动轮-腿复合式机械腿 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种欠驱动轮-腿复合式机械腿，其特征在于该机械腿主要由4个关节组装部分、一个轮机构和一个换挡机构组成，且4个关节机构和一个轮机构均由一台大电机作为动力源，换挡机构采用一台小电机作为动力源；关键零件为中心主轴，中心主轴为阶梯轴，其上依次分布有动力源输入端锥齿轮、固定支架用轴承、固定蜗轮用轴承、同步带齿轮、关节三用换挡套、换挡轴、关节一用换挡套，关节二用换挡套和两个固定用轴承；换挡机构主要由电机输入输出齿轮组、棘轮棘爪间歇传动机构、绳轮拉力机构、换挡箱和蜗轮蜗杆机构组成，通过驱动换挡箱实现各个关节的换挡换向。

Description

一种欠驱动轮-腿复合式机械腿

技术领域

本发明涉及机器人技术，具体为一种欠驱动轮-腿复合式机械腿。

背景技术

在移动机器人的行走机构中，研究较多的是轮式机器人、履带式机器人和具有仿生功能的腿式机器人(或称仿生机器人)。其中以轮式机器人的移动效率最高，运动灵活、控制和研制相对简单，但其地形适应能力相对较差；履带机器人对地形的适应能力较强，负载能力较大，行走较为平稳，但转向行驶并不灵活，移动速度相对较慢；而仿生机器人具有腿式机构，其适应能力相对最强，但其效率较低。参考上述移动机器人的优缺点，有些机器人的移动机构，将轮式移动机构和腿式移动机构相结合，组合成了轮-腿式移动机器人，增强了移动机器人在复杂路况环境下的道路适应性和通过性，即轮-腿式移动机器人兼具有仿生机器人和轮式移动机器人的优点，可在不同环境下采用不同的行进策略，极大地提高了移动机器人的前进速度和地形适应能力，成为当今室外机器人发展的一个主要方向。

欠驱动机器人是一种含有欠驱动机构的机器人。由于其具有成本低、能耗低、灵活性高、实用性强等优点，因此引起普遍关注，成为机器人领域研究的热点之一。欠驱动机器人分别有空间机器人、水下机器人、地面移动机器人、以及多腿步行机器人、并联机器人、伺服机器人和柔性机器人等等。然而，欠驱动移动机器人系统虽然减少了驱动器的数目，具有体积小、能耗低的优点，但同时也给其运动控制增加了难度。

机器人的机械腿系统设计要解决的实质问题是，通过对机器人的工作环境、要实现的具体功能等技术指标进行综合性能分析，设计出一套最优的机械结构，使机械腿能够在相应的控制指令下实现规定的动作。移动机械腿系统设计的首要问题是确定其机构的行进方式，单一的行进方式主要有轮式、腿式和履带式。单一的行进方式虽各有所长，但都不能满足复杂地形的要求，因而现在大都采用两种以上行进方式结合的复合行进方式。这样机械腿的机器人平台对复杂地形具有更强的适应能力。

近些年比较典型的轮-腿移动机器人主要有：1.美国“好奇号”火星探测车。该机器人为六轮腿移动机器人，具有轮式机器人及腿式机器人的特点，其地形适应能力得到提高，但由于这类机器人采用悬架机构，其灵活移动性能仍受到局限，行进效率不高，能耗较大；2.美国JPL实验室的ATHLETE六轮-腿移动机器人，这类机器越障能力较强，可以灵活移动，并可完成多种运动功能，适应多种地形，但受其动力学性能影响，其动作效率较低，又因电机数目较多，其能耗较大。3.日本千叶大学研制的hallucII移动机器人，因具有“变形”功能，其移动能力进一步得到提高，可实现轮、腿、轮腿复合式运动，但此机器人是同样面临能耗高、体积大等问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种欠驱动轮-腿复合式机械腿。该机械腿采用两台电机相互配合，可实现驱动5个自由度，并可实现关节自锁，通过调节各关节的角度，可实现机械腿在多种模式之间的转换，提高了机器人对不同地形的适应能力。在实现所述功能要求的前提下，本发明机械腿具有欠驱动功能，因此能耗较低，且采用金属自锁机构，具有承载能力强、续航能力大、控制简单等特点。

本发明解决所述技术问题的技术方案是，设计一种欠驱动轮-腿复合式机械腿，其特征在于该机械腿主要由4个关节组装部分、一个轮机构和一个换挡机构组成，且4个关节和一个轮机构均由一台大电机作为动力源，换挡机构采用一台小电机作为动力源；

所述机械腿的关键零件为中心主轴，中心主轴为阶梯轴，其上依次分布有动力源输入端锥齿轮、固定支架用轴承、固定蜗轮用轴承、同步带齿轮、关节三用换挡套、换挡轴、关节一用换挡套，关节二用换挡套和两个固定用轴承；关节一组装部分主要包括驱动关节一所用的蜗轮蜗杆机构、同步带轮及支撑用轴承，动力源由同步带轮提供，并带动蜗杆，进而驱动蜗轮实现关节一的转动；关节二组装部分主要包括两个同步带轮，3个斜齿轮，2个锥齿轮和1个蜗轮蜗杆机构，同时包括7个轴承负责固定支撑，其中两个同步带轮分别独立驱动关节二转动，并配合关节三运动；关节三驱动部分采用了具有自锁功能的蜗轮蜗杆传动机构，使关节三在没有动力源输入的情况下能保持原来姿态；关节四组装部分由同步带轮、换挡套换挡机构、蜗轮蜗杆传动机构、锥齿轮传动机构和腿形机构组成，同时也包括相应数量的固定轴承，同步带轮负责完成对关节四和轮部的驱动；换挡机构主要由电机输入输出齿轮组、棘轮棘爪间歇传动机构、绳轮拉力机构、换挡箱和蜗轮蜗杆机构组成，通过驱动换挡箱实现各个关节的换挡换向。

与现有技术相比，本发明机械腿采用欠驱动轮-腿复合式结构，只采用两个驱动电机，耗能较低，控制容易，工作效率大为提高。本发明由于特殊的结构设计，整体机构自由度没有损失，具有较高灵活度，可跨越一定高度的障碍，跨越一定长度的凹坑，具有较强的地形适应能力。

附图说明

图1为本发明欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例的整体三维结构示意图。

图2为本发明欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例的传动机构原理示意图。

图3为本发明欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例的主轴及关节三组装主视示意图。

图4为本发明欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例的关节一组装主视示意图。

图5为本发明欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例的关节二组装主视装配示意图。

图6为本发明欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例关节二组装侧视局部示意图。

图7为本发明欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例的关节四组装主视示意图。

图8为本发明欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例的换挡部位组装主视示意图。

图9为本发明欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例的换挡部位组装侧视示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图详细叙述本发明。实施例是以本发明所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本申请的权利要求保护范围不限于所述实施例的描述范围。

本发明设计的欠驱动轮-腿复合式机械腿(简称机械腿，参见图1-9)，其特征在于该机械腿主要由4个关节组装部分、一个轮机构和一个换挡机构组成，且4个关节和一个轮机构均由一台大电机作为动力源，换挡机构采用一台小电机作为动力源。

从整体装配关系来看，本发明机械腿可分为五个主要部装部分，即负责驱动关节转角三和输出各关节转角及轮部转动所需动力的部装一部分，负责驱动关节转角一的关节一或部装二部分，负责驱动关节转角二的关节二或部装三部分，负责驱动关节转角四和轮机构的关节四或部装四部分，以及负责换挡换位所需动力的部装五部分(参见图4-8)。实施例的整体机械腿共由160个不同的零件组成。

所述部装一部分(参见图1中的1)为主轴传动机构及关节三组装部分，安装有驱动关节三所用零件；部装二部分(参见图1中的2)为关节一组装部分，安装有驱动关节一所用零件；部装三部分(参见图1中的3)为关节二组装部分，安装有关节二驱动所用零件；部装四部分(参见图1中的4)为关节四组装部分，安装有驱动关节四所用零件；部装五部分(参见图1中的5)为换挡部位组装部分，安装有换挡换位所用零部件。本发明整体机械腿共有四个关节输出部件和一个轮子零件，且只用了两台电机负责全部动作，即两台电机实现了5个自由度的运动。

所述机械腿的传动机构中(参见图2)，蜗轮蜗杆组31为关节二部分的输入输出部分，换挡部分32可令蜗轮蜗杆组31部分按照相反方向旋转，换挡部分33主要负责关节一部分的转动运动，关节一的蜗轮蜗杆机构21负责输出关节一的转动，关节三部分的换挡套11负责关节三按照相反方向旋转，关节三的输出部分为蜗轮蜗杆组12；关节四部分的换挡轴套45、换挡套413和换挡套418均采用同步器原理设计，轮轴420另一端的轮子依靠锥齿轮423和锥齿轮419构成的锥齿轮组相互键配合驱动其转动，换挡箱514为圆筒形状零件，上面开有滑槽，棘轮机构和棘爪机构为间歇传动机构，换挡箱514由电机驱动，电机末端安装有锥齿轮组合部件。

所述机械腿的主轴及关节三组装部分主要由40个不同的零件组成(参见图3)，电机输入动力通过锥齿轮将转动传递给中心主轴11；整体部装通过紧挨锥齿轮124的轴承和最左端的轴承固定于两支架上，从而完成与关节一和关节二的连接；蜗轮126通过轴承固定于中心主轴11上，同时其上安装有铝合金支撑板，负责执行关节三的转角运动，同时中心主轴11的另一侧，左数第二个轴承固定有另一个支撑板，配合右侧支撑板完成关节三的转角运动(参见图1、图3)；同步带轮128可将中心主轴11的转动通过同步带传递给关节四组装部分；同步带128左侧为关节三用换挡套部件，主要由换挡轴和换挡套两类零件组成，同时安装有锥齿轮135、斜齿轮129，当换挡套133向右运动与右侧换挡轴130相啮合，则将带动斜齿轮129转动，同时带动与斜齿轮129啮合的斜齿轮116转动，从而最终将转动传递给蜗杆120，进而带动蜗轮126转动；若换挡套133向左运动与左侧换挡轴相啮合，则将带动锥齿轮135转动，进而将转动传递给同步带轮113，最终同样将转动传递给蜗杆120；换挡套136向左侧运动与换挡轴140相啮合，可将中心主轴的转动，通过同步带轮138传递给关节一组装部分；换挡套18负责关节二的档位换向及选取，换挡套18向左侧移动或向右侧移动均可带动同侧同步带轮15或110转动，进而将动力传递给关节二组装部分(参见图1、图3)。

所述机械腿关节一组装部分主要由关节一用同步带轮24，关节一用蜗轮25、关节一用蜗杆21及两个固定轴承22和23组成，关节一用同步带轮24通过同步带输入由部装一部分传递过来的转动动力，并将带动关节一用蜗轮25、蜗杆21转动，进而将动力传递给关节一(参见图1～2，图4)。

所述机械腿关节二组装部分有左、右两个同步带轮34、316，均可用于驱动关节二；下轴37通过两侧轴承固定于支架上，左侧同步带轮316通过同步带输入由部装一传递过来的转动动力，带动下轴37转动，同时下轴37带动其右侧的斜齿轮36转动，通过与斜齿轮311啮合，将转动传递给轴套314左侧的斜齿轮，并最终带动最上面的轴39转动；同步带轮34同样通过同步带输入由部装一传递过来的转动动力，带动中间的轴38转动，并带动轴38上靠左侧的斜齿轮311，同样将转动传递给轴39；轴38通过两侧轴承固定于支架上；轴39通过右侧轴承固定于支架上，同时另一侧安装有锥齿轮312，通过和锥齿轮313啮合，将斜齿轮传递过来的转动传递给关节二用蜗杆33，并最终带动关节二用蜗轮31驱动关节二转动(参见图5、6)。

所述关节四组装部分将轴承49左侧同步带轮48作为主要动力源输入端；其右侧安装有双列轴承49用于将其所在轴固定于支架上；轴承49左侧同步带轮48通过同步带输入由部装一传递过来的转动动力；同步带轮48左侧的换挡器46则通过与其左侧的换挡轴套45啮合，将转动运动传递给蜗杆轴41；蜗杆轴41通过双列轴承43固定于支架上；蜗杆轴41最终驱动与其啮合的蜗轮426，并带动蜗轮426所在图7内竖轴425转动；图7内竖轴425通过轴承42、轴承411固定于支架上；图7内竖轴425下端安装有锥齿轮423，可将图7内竖轴425的转动传递给与其啮合的锥齿轮419；锥齿轮419通过键配合，将转动传递给其所在的轮轴420；轮轴420最终将转动传递给安装在另一端的轮子，驱动轮子转动；轮轴420通过两个轴承固定于支架上；图7内竖轴425上的锥齿轮423其下端安装有换挡轴422，可与其下端的换挡套418啮合，进而可带动腿形机构转动，实现腿部的模式转换；换挡轴422下端的换挡套418和图7内中间位置的换挡套413通过一条传动绳进行连接；而换挡套413同样通过另一条传动绳的拉动实现上下运动，从而带动换挡套418上下运动，进而实现与换挡轴422的啮合，最终带动腿形机构转动(参见图7)。

所述换挡部位组装(参见图1～2、图8、图9)主要包括棘轮棘爪机构、蜗轮蜗杆机构及绳轮传动机构；本发明机械腿采用绳轮传动机构作为换挡动力传动机构，采用同步带及带轮作为关节转角变化传动机构。在最下侧的轴511(图8内)的一端安装有锥齿轮组，用于传递电机传递过来的转动运动；锥齿轮左侧安装有轴承，轴511及其上安装的零件固定于支架上；轴511中间部位安装有锥齿轮组，可将轴511的转动传递给上端锥齿轮所在轴；最下侧的轴511左侧安装有棘爪机构，棘爪另一侧安装有棘轮机构，棘爪正转传递运动，则棘爪逆转时并不传递运动；另一侧为棘轮机构，棘轮所在轴通过轴承固定于支架上；棘轮所在轴另一侧安装有转盘，转盘上面安装有传动绳机构；最右侧的锥齿轮510(见图9)与锥齿轮59啮合将轴511的转动传递给中间竖轴；中间竖轴中间部位安装有轴承，将轴固定于支架上；中间竖轴上的挡圈58上端同样为棘爪机构，棘爪正转传递运动，则棘爪逆转时并不传递运动；其中此处正、逆为相对方向，即棘爪固定盘57推动棘爪516带动棘轮56旋转时，则转盘515所在轴上的棘轮将不工作，处于停歇转动期间；反之转盘515所在轴上的棘轮处于工作期间时，则棘轮56将处于停歇期间；棘轮56所在轴为蜗轮轴，通过轴承54固定于支架上；棘轮56转动将带动蜗杆所在轴51转动，进而带动与蜗杆啮合的蜗轮转动；蜗轮中间有孔，与空心轴52装配组合；空心轴52实为空心结构，内部钻有阶梯孔，并在另一端开有长槽；拉杆53可穿过空心轴52的内孔，并在另一端连接有长块，长块的厚度小于在空心轴52上的开槽的宽度，拉杆53和长块所构成的推挡为倒“7”字结构；空心轴52的内孔安装有弹簧；拉杆53在靠近蜗轮一端连接有传动绳，绳的另一端则安装在转盘515上，中间须过一牵引孔，使得拉杆53端的绳子与拉杆53相平行，转盘515转动则将拉动拉杆53移动，若转盘515反转，则空心轴52内弹簧将作用于拉杆53一端的长块上，使得转盘515重新被拉回；换挡箱514均匀地开有十个口，每个口上安装有可以滑动的连接块；连接块可以在换档箱上自由滑动，同时其上部连接有绳子，绳子的另一端连接在部装一和关节四组装部分的换挡套的换挡拨叉上。每个换挡拨叉的左右两侧均连接有用于传动的绳子，绳子另一端连接于换挡箱，中间有绳子的引导装置，从而换挡套可被左右拨动，与其左右两侧的齿轮相互结合，最终把主轴上的转动，传递到各个关节。

本发明机械腿各关节部位均留有传感器安装位置，可以为传感器的安装留有较大的空间，从而利于实时控制调节机械腿的运动情况；所有4个转动关节及一个轮子、均由一台功率大的大电机负责驱动，同时采用功率较小的小电机负责换挡箱(部装五)的工作运动，加大了电机的利用效率，同时所有转动关节部位均采用了具有自锁功能的蜗轮蜗杆机构，较多台电机的使用进一步降低了能耗；本机械腿各关节的设计均考虑了结构对其摆角性能的影响，充分发挥了欠驱动机械腿机构的机械性能，其中四个关节均能实现大于180度的旋转能力，其中关节一和关节四能够实现360度旋转。实施例的整体机械腿装配尺寸高550mm，宽260mm，前后厚度160mm。

需要补充说明的是，本发明所述的“前、后；左、右；上、下”等方位词是为了描述清楚，只具有相对意义。一般情况下，以机械腿向前行进的方向为前，并作为其他方位词的基准。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (1)

1.一种欠驱动轮-腿复合式机械腿，其特征在于该机械腿主要由4个关节组装部分、一个轮机构和一个换挡机构组成，且4个关节和一个轮机构均由一台大电机作为动力源，换挡机构采用一台小电机作为动力源；

所述机械腿的关键零件为中心主轴，中心主轴为阶梯轴，其上依次分布有动力源输入端锥齿轮、固定支架用轴承、固定蜗轮用轴承、同步带齿轮、关节三用换挡套、换挡轴、关节一用换挡套，关节二用换挡套和两个固定用轴承；关节一组装部分主要包括驱动关节一所用的蜗轮蜗杆机构、同步带轮及支撑用轴承，动力源由同步带轮提供，并带动蜗杆，进而驱动蜗轮实现关节一的转动；关节二组装部分主要包括两个同步带轮，3个斜齿轮，2个锥齿轮和1个蜗轮蜗杆机构，同时包括7个轴承负责固定支撑，其中两个同步带轮分别独立驱动关节二转动，并配合关节三运动；关节三驱动部分采用了具有自锁功能的蜗轮蜗杆传动机构，使关节三在没有动力源输入的情况下能保持原来姿态；关节四组装部分由同步带轮、换挡套换挡机构、蜗轮蜗杆传动机构、锥齿轮传动机构和腿形机构组成，同时也包括相应数量的固定轴承，同步带轮负责完成对关节四和轮部的驱动；换挡机构主要由电机输入输出齿轮组、棘轮棘爪间歇传动机构、绳轮拉力机构、换挡箱和蜗轮蜗杆机构组成，通过驱动换挡箱实现各个关节的换挡换向。