CN109693726A - 一种仿生机械腿关节传动装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生机械腿关节传动装置，由大腿、小腿、伺服电机、滚珠丝杠、丝杠螺母、连杆、关节轴和大腿盖板组成。其中，大腿和小腿通过关节轴连接，传动主体设在大腿内部；结构的质量集中在大腿处，减少小腿绕关节轴的转动惯量，还能起到防尘防污的作用，有效减少零件磨损、延长零件寿命。小带轮与大带轮通过同步带传动；丝杠螺母与滚珠丝杠配合位于大腿上的滑槽下面，丝杠螺母在平行于大腿盖板和滑槽的平面内沿滚珠丝杠滑动。连杆与丝杠螺母和小腿通过销轴连接，且可绕销轴转动；连杆与丝杠螺母、小腿组成逆向的曲柄滑块机构，通过连杆带动小腿绕关节轴摆动，提高了输出转矩；采用杆件结构，承载能力大、加工方便。

Description

一种仿生机械腿关节传动装置

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体地说，涉及一种仿生机械腿关节传动装置。

背景技术

随着现代科学技术的发展，机器人产业作为新兴科技产业正处于飞速发展时期，其中采用仿生学原理，模仿自然界生物优良的结构特点和运动特性而设计出来的仿生机器人，能代替人类在复杂、恶劣的环境中完成一系列任务，在太空探索、抢险救灾诸多方面凸显出良好的应用前景。仿生机械腿是仿生机器人研究领域的一个重点研究内容，机械腿关节传动方式直接关系到仿生机器人的运动性能的好坏。

发明专利201810029156.0中公开了“一种带传动机械腿”，该机械腿采用多个伺服电机驱动身体、膝盖、小腿以及脚踝关节摆动，能同时对多个关节进行运动控制。但是该机械腿中的同步带传动机构暴露在外，无法防尘防污，会加快零件的损耗，降低使用寿命。且各传动关节采用同步带单级传动方式，具有承载能力低和运动灵活性不高的缺点。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，克服电机输出力矩不足导致机械腿负载能力低、运动灵活性不高的问题，本发明提出一种仿生机械腿关节传动装置。该关节传动装置利用同步带、丝杠螺母以及曲柄滑块机构相结合的关节传动，来提高输出力矩，从而提高机械腿的负载能力和运动灵活性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括大腿、大腿盖板、伺服电机、电机固定座、小带轮、大带轮、同步带、滑槽、滚珠丝杠、丝杠螺母、连杆、轴承、轴承座和小腿，其特征在于所述大腿一端和小腿一端通过关节轴连接，关节轴轴线垂直于大腿轴线和小腿轴线所在平面；所述伺服电机、滚珠丝杠和同步带安装大腿内部，伺服电机通过电机安装座固定在大腿腹板上部一侧，伺服电机输出轴与小带轮固连，轴承座固定在大腿腹板上部另一侧，滚珠丝杠两端通过轴承和轴承座支撑固定，且与伺服电机位于同平面平行安装，大带轮与滚珠丝杠通过平键固连，小带轮与大带轮通过同步带传动，丝杠螺母与滚珠丝杠配合连接位于大腿上的滑槽下面，丝杠螺母在平行于大腿盖板和滑槽的平面内沿滚珠丝杠滑动；所述连杆一端与丝杠螺母通过第一销轴连接，连杆另一端与小腿通过第二销轴连接，且可绕销轴转动，连杆与丝杠螺母、小腿组成逆向的曲柄滑块机构，通过连杆带动小腿绕关节轴摆动，小腿摆动速度取值范围为20～25rpm；

滚珠丝杠转矩与推力按以下计算公式:

T＝(T₁+T₂)*e

T₁＝(F_a*p)/(2*3.14*n₁)

T₂＝T₁+J*ω

式中，T为实际驱动扭矩，T₁为等速时的驱动扭矩，T₂为加速时的驱动扭矩，e为裕量系数，n₁为丝杠的正效率，F_a为丝杠螺母轴向负载，p为滚珠丝杠导程，J为小腿关节绕关节轴摆动的转动惯量，ω为小腿摆动的角加速度。

所述伺服电机采用maxon RE 388987型；同步带减速比为2:1。

有益效果

本发明提出的一种仿生机械腿关节传动装置，该装置由大腿和小腿通过关节轴连接，传动主体设在大腿内部，大腿结构包括伺服电机、电机固定座、小带轮、大带轮、同步带、滚珠丝杠、丝杠螺母、连杆、销轴和大腿盖板；结构的质量集中在大腿处，不仅能减少小腿绕关节轴的转动惯量，还能起到防尘防污的作用，有效地减少零件磨损、延长零件寿命。

本发明关节传动装置，采用同步带、丝杠螺母以及曲柄滑块机构的三级传动方式，在相同功率的伺服电机驱动下，输出转矩比单级同步带直接驱动小腿运动的方式可提高2～3倍以上，因而，关节传动装置能使机械腿运动具有更强的负载能力和良好的灵活性。

本发明关节传动装置，可根据不同的负载、转速和小腿摆动范围的需求更换不同功率的伺服电机和不同行程、导程的滚珠丝杠，拆装方便，适应性强。采用杆件结构，承载能力大、便于加工制造、成本低廉。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种仿生机械腿关节传动装置作进一步详细说明。

图1为本发明仿生机械腿关节传动装置轴测图。

图2为本发明关节传动装置结构示意图。

图3为本发明仿生机械腿关节传动装置示意图。

图中:

1.大腿 2.大腿盖板 3.小腿 4.伺服电机 5.电机固定座 6.小带轮 7.大带轮 8.同步带 9.滑槽 10.滚珠丝杠 11.丝杠螺母 12.连杆 13.轴承 14.轴承座 15.第一销轴16.第二销轴 17.关节轴

具体实施方式

本实施例是一种仿生机械腿关节传动装置，是同步带传动、丝杠螺母传动以及曲柄滑块机构相结合的关节传动，适用于机械腿关节的传动。

参阅图1、图2和图3，本实施例仿生机械腿关节传动装置，由大腿1、大腿盖板2、伺服电机4、电机固定座5、小带轮6、大带轮7、同步带8、滑槽9、滚珠丝杠10、丝杠螺母11、连杆12、轴承13、轴承座14和小腿3组成；其中，大腿1一端和小腿3一端通过关节轴17连接，关节轴17轴线垂直于大腿1轴线和小腿3轴线所在平面。伺服电机4、滚珠丝杠10和同步带8安装在大腿1内部。伺服电机4通过电机安装座5固定在大腿腹板上部一侧，伺服电机输出轴与小带轮6固定连接。轴承座14固定在大腿腹板上部另一侧，滚珠丝杠10两端通过轴承13和轴承座14支撑固定，且与伺服电机4位于同平面平行安装。大带轮7与滚珠丝杠10通过平键固连，小带轮6与大带轮7通过同步带8传动。丝杠螺母11与滚珠丝杠10配合连接位于大腿上的滑槽9下面，丝杠螺母11在平行于大腿盖板2和滑槽的平面内沿滚珠丝杠10滑动。连杆12一端与丝杠螺母11通过第一销轴15连接，连杆12另一端与小腿3通过第二销轴16连接，且可绕销轴转动。本实施例通过丝杠螺母传动将电机的旋转运动转化为丝杠螺母的直线运动，然后再通过连接到丝杠螺母上的连杆带动小腿关节绕关节轴摆动，从而实现小腿关节的灵活运动。

本实施例中，伺服电机为maxon RE 388987型，无负载转速为3670rpm,额定转矩为0.8Nm，同步带减速比为2:1，滚珠丝杠导程为4mm，行程为100mm。根据各元件参数进行计算，小腿摆动速度为20～25rpm，可满足运动需求。根据滚珠丝杠转矩与推力的计算公式:

T＝(T₁+T₂)*e

T₁＝(F_a*p)/(2*3.14*n₁)

T₂＝T₁+J*ω

式中，T为实际驱动扭矩，T₁为等速时的驱动扭矩，T₂为加速时的驱动扭矩，e为裕量系数，n₁为丝杠的正效率，F_a为丝杠螺母轴向负载，p为滚珠丝杠的导程，J为小腿关节绕关节轴摆动的转动惯量，ω为小腿摆动的角加速度。

根据同步带传动的降速增矩特点，同步带的减速比为a,电机的输出扭矩T_m＝T/a。经过计算，在小腿摆动角加速度相同的情况下，所需的电机输出扭矩T_m是单级同步带直驱方式，所需的电机输出扭矩的1/3～1/2，因而在相同伺服电机输出扭矩下，本实施例可获得更大的输出转矩和摆动角加速度，使关节腿具有更强的负载能力和摆动灵活性。可根据不同机器人的运动需求选用不同行程的滚珠丝杠，来改变小腿的摆动角度范围。以行程100mm的滚珠丝杠为例，行程内小腿摆动角度范围为0～180°，满足行走机器人的关节运动需求。

本实施例中，为了减少小腿3的总质量，以减少其转动惯量，提高转动灵活性，该关节传动主体部分设在大腿1内部。伺服电机4通过电机固定座5固定在大腿1的腹板上，电机输出轴和小带轮6连接传递运动和扭矩，小带轮6与大带轮7通过同步带8传动，电机输出轴的转速和扭矩经过同步带传动机构降速增矩，将转速和扭矩传递到大带轮7上。滚珠丝杠10两端通过轴承13和轴承座14进行支撑和固定，轴承座14安装在大腿1内部，使滚珠丝杠10只能沿着轴向做旋转运动，大带轮7与滚珠丝杠10之间通过平键连接，将扭矩和转速传递到滚珠丝杠10，丝杠螺母11套在滚珠丝杠10上面，在扭矩作用下，滚珠丝杠10和丝杠螺母11之间发生相对运动。丝杠螺母11两端被大腿1内部的滑槽9限制，只能在平行于大腿盖板2的平面内上下滑动。在同步带和丝杠螺母传动的两级传动之后，电机输出轴的旋转运动转化成了丝杠螺母11沿滚珠丝杠10轴向的直线运动。丝杠螺母11与连杆12一端通过第一销轴15连接，两者之间可灵活转动；连杆12同小腿3通过第二销轴16连接，两者之间可灵活转动。丝杠螺母11、连杆12另一端和小腿3构成一个逆向的曲柄滑块机构，丝杠螺母11的直线运动经过逆向曲柄滑块机构转换成了小腿3绕关节轴17的摆动，丝杠螺母11的轴向推力经过连杆12传递到小腿3处，小腿3绕关节轴17有一个旋转半径r，这样使得输出转矩比直接驱动方式更大。经过同步带传动、丝杠螺母传动以及曲柄滑块机构传动后，运动方式从电机轴转动变为丝杠螺母直线运动，最终转化为小腿的摆动，同时经过三级传动过程中各机构的降速、增矩，小腿处的输出转矩增大，转动速度亦满足运动需求。

工作过程

本实施例以仿生机械腿运动一个周期为例；以小腿3与大腿1平行位置为起点，即非曲柄滑块死点位置，械腿抬腿过程:启动伺服电机4，电机输出轴正向转动，且与电机输出轴通过平键连接的小带轮6随之转动，小带轮6与大带轮7通过同步带8传动，同步带8将小带轮6的扭矩和动能传递到大带轮7上，从而带动大带轮7转动。大带轮7与滚珠丝杠10通过平键连接传递扭矩和动能，带动滚珠丝杠10绕着自身轴线转动，滚珠丝杠10则通过轴承座14支撑并轴向固定在大腿1的内部，使得滚珠丝杠10只能做转动，而不能轴向移动。丝杠螺母11套装在滚珠丝杠10上，与滚珠丝杠10发生相对运动，因为丝杠螺母11卡在滑槽9内，使得丝杠螺母11只能沿着滚珠丝杠10的轴向做直线运动，即滚珠丝杠10的转矩和转速转换成了丝杠螺母11的轴向推力和直线移动。机械腿抬起时，丝杠螺母11向上移动，丝杠螺母11与连杆12通过第一销轴15连接，两者之间可灵活转动；连杆12同小腿3通过第二销轴16连接，两者之间可灵活转动。丝杠螺母11同连杆12和小腿3构成逆向的曲柄滑块机构，该机构的主动件是丝杠螺母11，通过连杆12带动小腿3绕关节轴17向上摆动。通过伺服电机4输出轴的转动改变丝杠螺母11的位置，即可调节小腿3的旋转角度，即抬腿位置。

机械腿收腿过程:启动伺服电机4使电机输出轴反向转动，与电机输出轴连接的小带轮6随之反向转动，小带轮6与大带轮7通过同步带8传动，同步带8将小带轮6的扭矩和动能传递到大带轮7上，从而带动大带轮7反向转动。大带轮7与滚珠丝杠10通过平键固定连接传递扭矩和动能，带动滚珠丝杠10绕自身轴线转动。丝杠螺母11套装在滚珠丝杠10上，与滚珠丝杠10发生相对运动，滚珠丝杠10的转矩和转速转换成丝杠螺母11的轴向推力和直线移动。在收腿时丝杠螺母11向下移动，通过连杆12带动小腿3绕关节轴17做收腿运动，通过伺服电机4输出轴的转动改变丝杠螺母11的位置即可调节机械腿的收腿位置。

Claims (2)

1.一种仿生机械腿关节传动装置，包括大腿、大腿盖板、伺服电机、电机固定座、小带轮、大带轮、同步带、滑槽、滚珠丝杠、丝杠螺母、连杆、轴承、轴承座和小腿，其特征在于:所述大腿一端和小腿一端通过关节轴连接，关节轴轴线垂直于大腿轴线和小腿轴线所在平面；所述伺服电机、滚珠丝杠和同步带安装大腿内部，伺服电机通过电机安装座固定在大腿腹板上部一侧，伺服电机输出轴与小带轮固连，轴承座固定在大腿腹板上部另一侧，滚珠丝杠两端通过轴承和轴承座支撑固定，且与伺服电机位于同平面平行安装，大带轮与滚珠丝杠通过平键固连，小带轮与大带轮通过同步带传动，丝杠螺母与滚珠丝杠配合连接位于大腿上的滑槽下面，丝杠螺母在平行于大腿盖板和滑槽的平面内沿滚珠丝杠滑动；所述连杆一端与丝杠螺母通过第一销轴连接，连杆另一端与小腿通过第二销轴连接，且可绕销轴转动，连杆与丝杠螺母、小腿组成逆向的曲柄滑块机构，通过连杆带动小腿绕关节轴摆动，小腿摆动速度范围为20～25rpm；

滚珠丝杠转矩与推力按以下计算公式:

T＝(T₁+T₂)*e

T₁＝(F_a*p)/(2*3.14*n₁)

T₂＝T₁+J*ω

式中，T为实际驱动扭矩，T₁为等速时的驱动扭矩，T₂为加速时的驱动扭矩，e为裕量系数，n₁为丝杠的正效率，F_a为丝杠螺母轴向负载，p为滚珠丝杠导程，J为小腿关节绕关节轴摆动的转动惯量，ω为小腿摆动的角加速度。

2.根据权利要求1所述的仿生机械腿关节传动装置，其特征在于:所述伺服电机采用maxon RE 388987型；同步带减速比为2:1。