CN108749950A - 一种用于可变胞无人地面移动系统的三自由度髋关节机构 - Google Patents

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CN108749950A CN201810580053.3A CN201810580053A CN108749950A CN 108749950 A CN108749950 A CN 108749950A CN 201810580053 A CN201810580053 A CN 201810580053A CN 108749950 A CN108749950 A CN 108749950A
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刘俊
卢明明
孙磊
刘学成
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    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B62D57/032—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid

Abstract

本发明公开了一种用于可变胞无人地面移动系统的三自由度髋关节机构，包括上旋转机构、中旋转机构、下旋转机构、车底板、T形套筒和大腿构件。所述车底板固定连接在所述可变胞无人地面移动系统的车架上。所述上旋转机构设有第一电机、连接构件和髋关节板，所述第一电机连接在车底板的上侧，所述髋关节板通过连接构件和第一电机输出轴连接，且髋关节板位于车底板的下侧。所述髋关节板内侧连接T形套筒，T形套筒的一端连接中旋转机构，T形套筒的另一端连接下旋转机构，且中旋转机构与下旋转机构相互垂直。所述下旋转机构连接大腿构件。工作时，上旋转机构、中旋转机构和下旋转机构联动，大腿构件实现X、Y、Z三坐标的三自由度旋转。

Description

一种用于可变胞无人地面移动系统的三自由度髋关节机构
技术领域
本发明涉及汽车态与类人态之间切换重构的无人变胞地面移动系统技术领域，具体地说，它涉及一种用于可变胞无人地面移动系统的三自由度髋关节机构。
背景技术
可变胞机构是能够实现机构重构变形且在变形过程中自由度发生改变的机构。可变胞地面移动系统，是一种处在前沿研究领域且技术先进的移动载具，其结构可变形重构以适应于不同的行驶路面，当在易于通行的结构路面时，可变胞为汽车态快速行驶，当在道路难于通行的非结构路面(譬如野外、台阶、沟壑等)时，可变胞为类人态进行跨步行走，从而提高了道路的通过性。其中，在针对可变胞无人地面移动系统而设计的髋关节机构成为设计的难点。经过对现有的技术文献检索发现，现有髋关节机构具有以下特点：髋关节采用三个电机来驱动控制以实现髋关节的偏转、俯仰和侧摆的三个自由度的运动；髋关节机构采用同步带减速的减速驱动方式等。然而，现有技术中的髋关节机构由于电机以及减速机构放置位置而使得髋关节结构较为复杂，同时各旋转机构的转动角度也会受到很大限制。此外，相比来说，同步带减速的减速方式可靠度不高。在髋关节需要折叠时，同步带还可能会变松弛，不能很好地进行传动。
由此可见，在针对髋关节机构进行结构紧凑设计的基础上，采用结构紧凑可靠性高的电机减速方式，以及有效实现髋关节在偏转、俯仰和翻滚的三个自由度运动的功能的同时也能避免系统重构变形过程中机构间的干涉，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
针对目前现有的髋关节采用同步带减速的减速方式可靠度不高的问题，本发明提供一种可变胞无人地面移动系统用三自由度髋关节机构。具体技术方案如下：
一种用于可变胞无人地面移动系统的三自由度髋关节机构，包括上旋转机构1、中旋转机构2、下旋转机构3和车底板4。所述车底板4固定连接在可变胞无人地面移动系统的车架上。所述上旋转机构1包括第一电机11、连接构件12和髋关节板13，所述第一电机11连接在车底板4的上侧，所述髋关节板13通过连接构件12和第一电机11输出轴连接，且髋关节板13位于车底板4的下侧。
所述中旋转机构2包括第二电机21和中行星齿轮减速机构22。所述下旋转机构3包括第三电机31和下行星齿轮减速机构33。
所述髋关节板13内侧连接T形套筒5，所述T形套筒5的相互垂直的两个位置上分别连接中旋转机构2和下旋转机构3，所述下旋转机构3上连接大腿构件6。
工作时，第一电机11驱动髋关节板13围绕Z轴旋转，中旋转机构2通过第二电机21和中行星齿轮减速机构22带动T形套筒5围绕X轴旋转，下旋转机构3通过第三电机31和下行星齿轮减速机构33带动大腿构件6围绕Y轴旋转。上旋转机构1、中旋转机构2和下旋转机构3联动时，大腿构件6实现X、Y、Z三坐标的三自由度旋转。
进一步限定的技术方案如下：
所述髋关节板13为上板、右板和左板组成的U形弯板，上板上设有上连接孔131，右板上设有右连接孔132，左板上设有左连接孔133，所述右连接孔132和左连接孔133的中心线的延长线相重合，所述右连接孔132和左连接孔133内均设有轴承，所述右连接孔132的两侧分别设有一个中减速行星轮轴孔134。
所述连接构件12包括电机端盖121、联轴器122、传动轴123、第一轴承124、锁紧螺母125、平垫片126和平键127。
所述传动轴123设有联轴器轴颈1231、第一轴承轴颈1232、键槽1233和外螺纹1234。
所述电机端盖121的上端面与第一电机11输出端法兰连接，第一电机11输出轴连接联轴器122的一端，联轴器122的另一端与传动轴123的一端的联轴器轴颈1231连接，所述第一轴承轴颈1232上套装第一轴承124，所述键槽1233上安装平键127，所述外螺纹1234向下穿过上连接孔131，用锁紧螺母125锁紧，锁紧螺母127与髋关节板13之间安装平垫片126。所述T形套筒5的中间位置设有中间方孔53，所述中间方孔53的外侧按顺时针方向依次分别设有第二电机座51、第三电机座52、定位轴端板55和轴承座端板54，所述第二电机座51与定位轴端板55的中心在第一轴线上，所述第三电机座52与轴承座端板54的中心在第二轴线上，所述第一轴线与第二轴线相互垂直。所述定位轴端板55的外侧设有定位轴端盖551。
所述中旋转机构2还包括密封板23、密封盖板24和定位轴25。所述第二电机21安置于中间方孔53内，第二电机21输出端法兰从中间方孔53的内侧连接在第二电机座51上。
所述中行星齿轮减速机构22为行星齿轮机构，包括中减速齿圈221、两个中减速行星轮总成222和中减速中心轮223。所述中减速中心轮223套装在第二电机21的输出轴上，中减速中心轮223的两侧分别与一个中减速行星轮总成222啮合，中减速行星轮总成222与中减速齿圈221啮合。第二电机轴2232输出轴端部插在右连接孔132内的轴承内孔中。所述第二电机座51的外侧安装密封板23和密封盖板24。所述左连接孔133安装定位轴24的一端，定位轴24的另一端插在定位轴端盖551内的轴承内孔中。
所述大腿构件6包括U形连接板61、右立板62和左立板63，所述右立板62上端设有右立板孔621和第三轴承轴颈622，所述左立板63的上端设有台阶孔631、左立板孔632和第二轴承轴颈633，所述右立板62和左立板63之间用U形连接板61连接。
所述下旋转机构3还包括第二轴承32，第三轴承35和密封端盖34。
所述第三电机31安置于中间方孔53内，第三电机31输出端法兰从中间方孔53的内侧连接在第三电机座52上。
所述下行星齿轮减速机构33包括下减速齿圈331、两个下减速行星轮总成332和下减速中心轮333。所述下减速中心轮333套装在第三电机31的输出轴上。所述下减速行星轮总成332分别与下减速齿圈331、下减速中心轮333啮合。所述下减速齿圈331安装在台阶孔631内，台阶孔631的外侧连接密封端盖34。第三轴承35安装在轴承座端板54内，轴承内孔与第三轴承轴颈622配合；第二轴承32安装在第二电机座52内，轴承内孔与所述第二轴承轴颈633配合。
所述中减速中心轮223、下减速中心轮333的齿数均为十九齿，所述中减速行星轮总成222、下减速行星轮总成332上的齿数均为二十三齿，所述中减速齿圈221、下减速齿圈331的齿数均为六十五齿。
所述第一电机11、第二电机21和第三电机31均为谐波减速步进电机，型号为PK543-H50，功率为33.6W，输入电压直流24V，输入电流1.4A，输出转速为0～35rpm，容许转矩为5Nm，瞬时转矩为11Nm。
本发明的有益技术效果是：
(1)髋关节板做偏转运动时，上旋转机构可旋转360°；T形套筒做侧摆运动时，中旋转机构可带动T形套筒向一侧旋转45°，向另一侧旋转45°；大腿构件做俯仰运动时，下旋转机构可带动大腿构件向左连接孔一侧转动80°，向右连接孔一侧转动105°。
(2)上旋转机构、中旋转机构和下旋转机构的减速方面采用了谐波减速步进电机和行星齿轮减速机构，谐波减速步进电机放置在各相应旋转机构的旋转轴线上，且减速电机的轴线与行星齿轮减速机构的轴线共线，该减速方式以及布置方式既使得髋关节机构结构紧凑，同时又提升了减速机构减速的可靠度。
(3)第二电机和第三电机正交安装在T形套筒中，且在髋关节做俯仰运动时和T形套筒做整体运动。该设计不仅使得髋部机构紧凑。同时也避免在髋关节机构做相应转动过程中其它构件产生干涉。
(4)髋关节俯仰，侧摆以及偏转运动的轴线相交于一点，实现了类似球铰链的功能，从而满足球铰链的三维转动功能，同时又避免了使用球铰链时造成的机构占用体积较大的问题。
附图说明
图1是本发明结构示意图。
图2是本发明上旋转机构结构示意图。
图3是本发明连接构件示意图。
图4是本发明传动轴结构示意图。
图5是本发明中旋转机构结构示意图。
图6是本发明T形套筒结构示意图。
图7是本发明中行星齿轮减速机构结构示意图。
图8是本发明大腿构件和下旋转机构配合示意图。
图9是本发明大腿构件结构示意图。
图10是本发明上旋转机构旋转示意图。
图11是本发明中旋转机构旋转示意图。
图12是本发明下旋转机构旋转示意图。
图中序号：上旋转机构1、第一电机11、连接构件12、电机端盖121、联轴器122、传动轴123、联轴器轴颈1231、第一轴承轴颈1232、键槽1233、外螺纹1234、第一轴承124、锁紧螺母125、平垫片126、平键127、髋关节板13、上连接孔131、右连接孔132、左连接孔133、中减速行星轮轴孔134、中旋转机构2、第二电机21、中行星齿轮减速机构22、中减速齿圈221、中减速行星轮总成222、中减速中心轮223、密封板23、密封盖板24、定位轴25、下旋转机构3、第三电机31、第二轴承32、下行星齿轮减速机构33、下减速齿圈331、下减速行星轮总成332、下减速中心轮333、密封端盖34、第三轴承35、车底板4、T形套筒5、第二电机座51、第三电机座52、中间方孔53、轴承座端板54、定位轴端板55、定位轴端盖551、大腿构件6、U形连接板61、右立板62、右立板孔621、第三轴承轴颈622、左立板63、台阶孔631、左立板孔632、第二轴承轴颈633。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
在本发明技术方案的描述中，需要说明的是，对于方位词，如有术语上、下、前、后、左、右、竖直、水平、顶、底等指示方位和位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定方位构造和操作，不应理解为限制本发明的具体保护范围。此外，如有术语第一、第二仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明技术特征的数量。
实施例一
参见图1，一种用于可变胞无人地面移动系统的三自由度髋关节机构，所述髋关节机构是用于连接大腿构件6与车身的车底板4的髋关节连接件和用于驱动所述髋关节连接件的驱动件组成。髋关节连接件包括T形套筒5和髋关节板13，所述驱动件包括第一电机11，第二电机21以及第三电机31和行星齿轮减速机构。大腿构件6可沿Z、X、Y方向分别由上旋转机构1、中旋转机构2和下旋转机构3驱动。
参见图2～图4，所述上旋转机构1包括第一电机11、髋关节板13、车底板4以及连接件12。所述车底板4固定连接于可变胞无人地面移动系统底部，其中部开有孔以放置第一轴承124，且其上部固定有电机端盖121，且电机端盖121上部固定有第一电机11。所述第一电机11是Z向谐波减速步进电机，其输出轴穿过电机端盖121通过联轴器122与传动轴123连接。所述传动轴123通过平键127以及锁紧螺母125与髋关节板13的上部固定连接。此外，传动轴123通过第一轴承124与车底板4转动连接。
参见图5～图7，所述中旋转机构2包括第二电机21、T形套筒5和中行星齿轮减速机构22。所述第二电机21是X向谐波减速步进电机，通过螺丝固定连接在T形套筒5的第二电机座51上。定位轴端盖551通过螺丝与定位轴端板55固定连接，与髋关节板13固定连接的定位轴25通过轴承与定位轴端盖551转动连接。第二电机21的输出轴通过顶丝与中行星齿轮减速机构22的中减速中心轮223固定连接，且通过轴承与髋关节板13转动连接。所述T形套筒5的中间位置设有中间方孔53，所述中间方孔53的外侧按顺时针方向依次分别设有第二电机座51、第三电机座52、定位轴端板55和轴承座端板54，所述第二电机座51与定位轴端板55的中心在第一轴线上，所述第三电机座52与轴承座端板54的中心在第二轴线上，所述第一轴线与第二轴线相互垂直。所述定位轴端板55的外侧设有定位轴端盖551。参见图8，所述下旋转机构3包括第三电机31、第二轴承32、下行星齿轮减速机构33、密封端盖34和第三轴承35。所述第三电机31安置于中间方孔53内，第三电机31输出端法兰从中间方孔53的内侧连接在第三电机座52上。
所述下行星齿轮减速机构33包括下减速齿圈331、两个下减速行星轮总成332和下减速中心轮333。所述下减速中心轮333套装在第三电机31的输出轴上。所述下减速行星轮总成332分别与下减速齿圈331、下减速中心轮333啮合。所述下减速齿圈331安装在台阶孔631内，台阶孔631的外侧连接密封端盖34。第三轴承35安装在轴承座端板54内，轴承内孔与第三轴承轴颈622配合。第二轴承32安装在第二电机座52内，轴承内孔与所述第二轴承轴颈633配合。
参见图9，所述大腿构件6包括U形连接板61、右立板62和左立板63，所述右立板62上端设有右立板孔621和第三轴承轴颈622，所述左立板63的上端设有台阶孔631、左立板孔632和第二轴承轴颈633，所述右立板62和左立板63之间用U形连接板61连接。
参见图10，第一电机11通电后，上旋转机构1的第一电机11的输出轴带动与之通过联轴器固定连接的传动轴123转动，从而带动与传动轴123通过平键127以及锁紧螺母125固定连接的髋关节板13转动，此外由于传动轴123通过第一轴承124与车底板4转动连接，从而带动大腿构件6和T形套筒5做整体的偏转运动，继而实现髋关节的360°的旋转动作。参见图11，中旋转机构2的第二电机21通电后，第二电机21的输出轴带动中行星齿轮减速机构22转动，从而带动T形套筒5的转动，故而实现T形套筒5和大腿构件6整体的侧摆运动，继而实现髋关节的侧摆动作，中旋转机构2可带动T形套筒5向一侧旋转45°，向另一侧旋转45°。
参见图12，下旋转机构3的第三电机31通电后，第三电机31的输出轴带动下减速行星齿轮机构33的下减速中心轮333转动，通过下减速行星轮332的传动，以带动与大腿构件6固定连接的下减速齿圈331转动，从而带动大腿构件6的转动。故而大腿构件6做整体的俯仰运动，大腿构件做俯仰运动时，下旋转机构可带动大腿构件向左连接孔一侧转动80°，向右连接孔一侧转动105°。
以上内容并非对本发明的结构、形状作任何形式上的限制。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (9)

1.一种用于可变胞无人地面移动系统的三自由度髋关节机构，其特征在于：包括上旋转机构(1)、中旋转机构(2)、下旋转机构(3)和车底板(4)；所述车底板(4)固定连接在可变胞无人地面移动系统的车架上；
所述上旋转机构(1)包括第一电机(11)、连接构件(12)和髋关节板(13)，所述第一电机(11)连接在车底板(4)的上侧，所述髋关节板(13)通过连接构件(12)和第一电机(11)输出轴连接，且髋关节板(13)位于车底板(4)的下侧；
所述中旋转机构(2)包括第二电机(21)和中行星齿轮减速机构(22)；所述下旋转机构(3)包括第三电机(31)和下行星齿轮减速机构(33)；
所述髋关节板(13)内侧连接T形套筒(5)，所述T形套筒(5)的相互垂直的两个位置上分别连接中旋转机构(2)和下旋转机构(3)，所述下旋转机构(3)上连接大腿构件(6)；工作时，第一电机(11)驱动髋关节板(13)围绕Z轴旋转，中旋转机构(2)通过第二电机(21)和中行星齿轮减速机构(22)带动T形套筒(5)围绕X轴旋转，下旋转机构(3)通过第三电机(31)和下行星齿轮减速机构(33)带动大腿构件(6)围绕Y轴旋转；上旋转机构(1)、中旋转机构(2)和下旋转机构(3)联动时，大腿构件(6)实现X、Y、Z三坐标的三自由度旋转。
2.根据权利要求1所述的一种用于可变胞无人地面移动系统的三自由度髋关节机构，其特征在于：所述髋关节板(13)为上板、右板和左板组成的U形弯板，上板上设有上连接孔(131)，右板上设有右连接孔(132)，左板上设有左连接孔(133)，所述右连接孔(132)和左连接孔(133)的中心线的延长线相重合，所述右连接孔(132)和左连接孔(133)内均设有轴承，所述右连接孔(132)的两侧分别设有一个中减速行星轮轴孔(134)。
3.根据权利要求2所述的一种用于可变胞无人地面移动系统的三自由度髋关节机构，其特征在于：所述连接构件(12)包括电机端盖(121)、联轴器(122)、传动轴(123)、第一轴承(124)、锁紧螺母(125)、平垫片(126)和平键(127)；
所述传动轴(123)设有联轴器轴颈(1231)、第一轴承轴颈(1232)、键槽(1233)和外螺纹(1234)；
所述电机端盖(121)的上端面与第一电机(11)输出端法兰连接，第一电机(11)输出轴连接联轴器(122)的一端，联轴器(122)的另一端与传动轴(123)的一端的联轴器轴颈(1231)连接，所述第一轴承轴颈(1232)上套装第一轴承(124)，所述键槽(1233)上安装平键(127)，所述外螺纹(1234)向下穿过上连接孔(131)，用锁紧螺母(125)锁紧，锁紧螺母(127)与髋关节板(13)之间安装平垫片(126)。
4.根据权利要求2所述的一种用于可变胞无人地面移动系统的三自由度髋关节机构，其特征在于：所述T形套筒(5)的中间位置设有中间方孔(53)，所述中间方孔(53)的外侧按顺时针方向依次分别设有第二电机座(51)、第三电机座(52)、定位轴端板(55)和轴承座端板(54)，所述第二电机座(51)与定位轴端板(55)的中心在第一轴线上，所述第三电机座(52)与轴承座端板(54)的中心在第二轴线上，所述第一轴线与第二轴线相互垂直；所述定位轴端板(55)的外侧设有定位轴端盖(551)。
5.根据权利要求4所述的一种用于可变胞无人地面移动系统的三自由度髋关节机构，其特征在于：所述中旋转机构(2)还包括密封板(23)、密封盖板(24)和定位轴(25)；所述第二电机(21)安置于中间方孔(53)内，第二电机(21)输出端法兰从中间方孔(53)的内侧连接在第二电机座(51)上；
所述中行星齿轮减速机构(22)为行星齿轮机构，包括中减速齿圈(221)、两个中减速行星轮总成(222)和中减速中心轮(223)；所述中减速中心轮(223)套装在第二电机(21)的输出轴上，中减速中心轮(223)的两侧分别与一个中减速行星轮总成(222)啮合，中减速行星轮总成(222)与中减速齿圈(221)啮合；第二电机轴(2232)输出轴端部插在右连接孔(132)内的轴承内孔中；所述第二电机座(51)的外侧安装密封板(23)和密封盖板(24)；所述左连接孔(133)安装定位轴(24)的一端，定位轴(24)的另一端插在定位轴端盖(551)内的轴承内孔中。
6.根据权利要求5所述的一种用于可变胞无人地面移动系统的三自由度髋关节机构，其特征在于：所述大腿构件(6)包括U形连接板(61)、右立板(62)和左立板(63)，所述右立板(62)上端设有右立板孔(621)和第三轴承轴颈(622)，所述左立板(63)的上端设有台阶孔(631)、左立板孔(632)和第二轴承轴颈(633)，所述右立板(62)和左立板(63)之间用U形连接板(61)连接。
7.根据权利要求6所述的一种用于可变胞无人地面移动系统的三自由度髋关节机构，其特征在于：所述下旋转机构(3)还包括第二轴承(32)，第三轴承(35)和密封端盖(34)；
所述第三电机(31)安置于中间方孔(53)内，第三电机(31)输出端法兰从中间方孔(53)的内侧连接在第三电机座(52)上；
所述下行星齿轮减速机构(33)包括下减速齿圈(331)、两个下减速行星轮总成(332)和下减速中心轮(333)；所述下减速中心轮(333)套装在第三电机(31)的输出轴上；所述下减速行星轮总成(332)分别与下减速齿圈(331)、下减速中心轮(333)啮合；所述下减速齿圈(331)安装在台阶孔(631)内，台阶孔(631)的外侧连接密封端盖(34)；第三轴承(35)安装在轴承座端板(54)内，轴承内孔与第三轴承轴颈(622)配合；第二轴承(32)安装在第二电机座(52)内，轴承内孔与所述第二轴承轴颈(633)配合。
8.根据权利要求7所述的一种用于可变胞无人地面移动系统的三自由度髋关节机构，其特征在于：所述中减速中心轮(223)、下减速中心轮(333)的齿数均为十九齿，所述中减速行星轮总成(222)、下减速行星轮总成(332)上的齿数均为二十三齿，所述中减速齿圈(221)、下减速齿圈(331)的齿数均为六十五齿。
9.根据权利要求6所述的一种用于可变胞无人地面移动系统的三自由度髋关节机构，其特征在于：所述第一电机(11)、第二电机(21)和第三电机(31)均为谐波减速步进电机，型号为PK543-H50，功率为33.6W，输入电压直流24V，输入电流1.4A，输出转速为0～35rpm，容许转矩为5Nm，瞬时转矩为11Nm。
CN201810580053.3A 2018-06-07 2018-06-07 一种用于可变胞无人地面移动系统的三自由度髋关节机构 Pending CN108749950A (zh)

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