CN109987168A - 一种基于同步带传动的三自由度机器人腿部系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于同步带传动的三自由度机器人腿部系统；本发明的目的是，尽量对机器人的大腿和小腿部位进行轻量化处理，将所有的电机驱动和减速、动力传递环节放置于机器人躯干部位。包括足式机器人本体(1)、髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱(2)、齿轮A(3)、膝关节“伸展/弯曲”驱动电机(4)、齿轮B(5)、髋关节“外展/内收”运动基座(6)、大腿连杆(7)、足端六边形橡胶块(8)、髋关节“伸展/弯曲”驱动电机(9)、轴承(10)、滚珠丝杠安装杆座(11)、滚珠丝杠螺母连接轴(12)、髋关节推杆(13)、小腿连杆(14)及滚珠丝杠(15)。

Description

一种基于同步带传动的三自由度机器人腿部系统
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于同步带传动的三自由度机器人腿部系统。
背景技术
目前，国内在大力实施“中国制造2025”，机器人作为引领转型升级的焦点和热点，其技术在快速发展，机器人代替人力进入人力难以进入的复杂环境开展日常监测和维护工作，必将是一个发展趋势。
随着机器人技术的快速发展，机器人代替人力进入人力难以进入的复杂环境开展日常监测和维护工作，必将是一个发展趋势，对于提高特殊高危环境(如救援救灾、生化、核辐射等环境)下的设施和设备维护、维修以及应急处置能力也具有重要意义。
在这些特殊环境下，例如核电领域、震后救灾领域等，往往空间、道路状况恶略。机器人需要具有较高的复杂环境通行能力，包括行走、转弯、爬坡、跨越障碍、上下台阶等；同时，还要注重防尘、防水、屏蔽保护等要求。因此，对机器人腿部关节及其驱动的设计要求严格，传统的移动足式机器人的腿部设计往往采用电机或液压缸直接驱动关节运动的方式，使得机器人大腿和小腿部位设计复杂，重量较大，动态响应性能受到限制。针对这些特殊领域，设计足式移动机器人时，对机器人腿部系统的设计和优化要求更为苛刻。
3.2已有同类先进技术存在的缺点或待解决的问题:
文献1“四足机器人腿部结构运动学分析与仿真”(军事交通学院学报，2014，Vol.16,No.8)中，提出了四足机器人三自由度的腿部结构，包括1个液压单元所控制的膝关节自由度，1个由电机控制的髋关节自由度以及1个由液压单元控制的髋部横向摆动自由度。其中，膝关节的“伸展/弯曲”运动由大腿杆上的液压缸的伸缩，带动一个四连杆机构进行驱动；髋关节的“伸展/弯曲”运动由电机及其配合的减速器驱动；髋关节的“外展/内收”运动由髋关节上侧安装的液压缸驱动。对于膝关节，由于四连杆机构的局限性，造成关节在不同位置可输出的峰值扭矩变化幅度较大，并且膝关节的转动范围受连杆机构和液压缸行程的双重影响；此外，由于髋关节的“伸展/弯曲”运动由电机驱动，虽然其运动范围可以达到360°，但由于大腿连杆上设计安装有液压缸，其连接的附属高压油管可能对髋关节的大幅度“伸展/弯曲”运动造成干扰；其整体的大腿部位设计较为复杂，零件众多，相对重量的增加不利于提高髋关节“外展/内收”和“伸展/弯曲”的控制性能。
文献2“高载重比六足仿生机器人及其腿部结构优化方法”(发明专利，申请号201510161610.4)中，提出了一种三自由度的腿部结构，依次包括髋关节的“旋内/旋外”、髋关节的“伸展/弯曲”和膝关节的“伸展/弯曲”。从结构上讲，仍然是典型的串联多关节机器人设计方法，各个关节直接采用电机和减速器驱动，造成关节模块较大，并且只能采用昂贵的谐波减速器对电机进行减速。其整体的结构设计不利于对腿部进行防水、防尘、防辐射等保护性设计。
发明内容
本发明的目的是，尽量对机器人的大腿和小腿部位进行轻量化处理，将所有的电机驱动和减速、动力传递环节放置于机器人躯干部位。可以在同等关节驱动功率的条件下，有效提高机器人关节的动态响应特性，从而更好的适应复杂非平整路面，增强机器人腿部的通行能力。
本发明的技术方案是：
一种基于同步带传动的三自由度机器人腿部系统，包括足式机器人本体、髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱、齿轮A、膝关节“伸展/弯曲”驱动电机、齿轮B、髋关节“外展/内收”运动基座、大腿连杆、足端六边形橡胶块、髋关节“伸展/弯曲”驱动电机、轴承、滚珠丝杠安装杆座、滚珠丝杠螺母连接轴、髋关节推杆、小腿连杆及滚珠丝杠；其中所述足式机器人本体下方设有两个安装板，其中一个安装板位于足式机器人本体的边缘，所述髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱和髋关节“外展/内收”运动基座安装于位于边缘的安装板内侧，所述髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱位于髋关节“外展/内收”运动基座的上方；所述位于边缘的安装板外侧设有齿轮A、齿轮B及膝关节“伸展/弯曲”驱动电机；其中所述齿轮A固定在髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱穿过边缘安装板的传动轴上；所述齿轮B设于髋关节“外展/内收”运动基座穿过边缘安装板的传动轴上；所述齿轮A和齿轮B相啮合；所述大腿连杆的上端与髋关节“外展/内收”运动基座相连接，所述大腿连杆的下端与小腿连杆上端相连接；所述足式机器人本体上的另一安装板上设有髋关节“伸展/弯曲”驱动电机和轴承；所述滚珠丝杠安装杆座内设有滚珠丝杠，所述滚动丝杠的一端与轴承相连，另一端与髋关节“外展/内收”运动基座相连接；所述髋关节推杆的数量为两根，两根髋关节推杆的一端通过滚珠丝杠螺母连接轴和丝杠螺母连接在动滚珠丝杠的中部，另一端连接在大腿连杆的中部的转轴上；所述小腿连杆下端设有足端六边形橡胶块。
所述大腿连接杆内部设于两个牙纹导向轮、两个光滑导向轮、上轮带、下轮带及同步带；其中上下轮带分别设于同步带的内侧上下两端，上轮带配合一个牙纹导向轮和一个光滑导向轮，下轮带配合一个牙纹导向轮和一个光滑导向轮。
所述膝关节“伸展/弯曲”驱动电机通过行星轮减速器与上轮带相连接。
本发明的有益效果是：
1、三自由度机器人腿部关节驱动方案设计：髋关节2自由度中，以机器人本体为基座分析，外展/内收为第一自由度，伸展/弯曲为第二自由度；膝关节为单自由度；且所有的关节驱动均靠近机器人本体布置，与关节相分离；
2、机器人关节的驱动力传递方式：髋关节外展/内收由电机直接驱动，伸展/弯曲由电机带动滚珠丝杠的形式，再以连杆传递动力到对应关节，具有高功率密度(关节输出扭矩与重量比)的特点；膝关节由远程布置的电机通过减速器和同步带进行动力传递，具有柔性传动的特点，便于降低机器人腿部落地瞬间的地面缓冲；
3、使所有的电器元件布置于机器人本体部位，便于对机器人大腿、小腿部位进行防水、防尘、辐射屏蔽保护等系统设计；
4、轻型的机器人腿部运动部件设计：所有的关节驱动的布置与关节相分离，机器人腿部的运动部件仅包括大腿连杆和小腿连杆。通过合理的设计腿部连杆的截面形状，在保证其结构强度的同时，降低机器人腿部运动构件重量的同时，还有利于提高机器人腿部的动态响应特性。
附图说明
图1是对比文献1示意图；
图2是对比文献2示意图；
图3是一种基于同步带传动的三自由度机器人腿部系统示意图；
图4是机器人腿部系统折叠示意图；
图5是髋关节“外展/内收”运动范围，及膝关节“伸展/弯曲”驱动单元示意图；
图6是髋关节“伸展/弯曲”运动驱动设计示意图；
图7是膝关节传动原理设计示意图；
图8是膝关节同步带传动方案设计示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明进行进一步的介绍：
一种基于同步带传动的三自由度机器人腿部系统，包括足式机器人本体1、髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱2、齿轮A3、膝关节“伸展/弯曲”驱动电机4、齿轮B5、髋关节“外展/内收”运动基座6、大腿连杆7、足端六边形橡胶块8、髋关节“伸展/弯曲”驱动电机9、轴承10、滚珠丝杠安装杆座11、滚珠丝杠螺母连接轴12、髋关节推杆13、小腿连杆14及滚珠丝杠15；其中所述足式机器人本体1下方设有两个安装板，其中一个安装板位于足式机器人本体1的边缘，所述髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱2和髋关节“外展/内收”运动基座6安装于位于边缘的安装板内侧，所述髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱2位于髋关节“外展/内收”运动基座6的上方；所述位于边缘的安装板外侧设有齿轮A3、齿轮B5及膝关节“伸展/弯曲”驱动电机4；其中所述齿轮A3固定在髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱2穿过边缘安装板的传动轴上；所述齿轮B5设于髋关节“外展/内收”运动基座6穿过边缘安装板的传动轴上；所述齿轮A3和齿轮B5相啮合；所述大腿连杆7的上端与髋关节“外展/内收”运动基座6相连接，所述大腿连杆7的下端与小腿连杆14上端相连接；所述足式机器人本体1上的另一安装板上设有髋关节“伸展/弯曲”驱动电机9和轴承10；所述滚珠丝杠安装杆座11内设有滚珠丝杠15，所述滚动丝杠15的一端与轴承10相连，另一端与髋关节“外展/内收”运动基座6相连接；所述髋关节推杆13的数量为两根，两根髋关节推杆13的一端通过滚珠丝杠螺母连接轴12和丝杠螺母16连接在动滚珠丝杠15的中部，另一端连接在大腿连杆7的中部的转轴22上；所述小腿连杆14下端设有足端六边形橡胶块8。
所述大腿连接杆7内部设于两个牙纹导向轮18、两个光滑导向轮19、上轮带21、下轮带24及同步带25；其中上下轮带分别设于同步带的内侧上下两端，上轮带21配合一个牙纹导向轮18和一个光滑导向轮19，下轮带24配合一个牙纹导向轮18和一个光滑导向轮19。
所述膝关节“伸展/弯曲”驱动电机4通过行星轮减速器17与上轮带21相连接。
系统构成
“一种基于同步带传动的三自由度机器人腿部系统”包括机器人腿部的大腿部分、小腿部分。自由度分配上，具有髋关节“外展/内收”和“伸展/弯曲”2个自由度，以及膝关节“伸展/弯曲”1个自由度，关节转动范围大；所有关节的驱动电机远程布置，便于机器人保护性设计。本发明适用于各种足式机器人的运动平台设计。
工作原理
三自由度机器人腿部系统的总体结构图见图3。
自由度分布方式：以足式机器人本体(1)为基准，经过髋关节“外展/内收”和“伸展/弯曲”2个自由度传递到大腿连杆(7)；再经过膝关节“伸展/弯曲”自由度传递到小腿连杆(14)；足端六边形橡胶块(8)的作用是保证机器人腿部末端接触非结构化地面时，使六边形橡胶块(8)在小范围角度内转动，可以自适应地面的倾角，保证触地的面接触，增大接触摩擦力和机器人的稳定性。
腿部关节转动范围设计：机器人在初始状态处于完全折叠时，从足端六边形橡胶块(8)到机器人本体(1)之间的高度为250mm；在完全展开状态时，从足端六边形橡胶块(8)到机器人本体(1)之间的高度为1000mm。可以看出，髋关节“伸展/弯曲”自由度运动范围是0～80°；膝关节“伸展/弯曲”自由度运动范围是0～120°
机器人腿部髋关节“外展/内收”运动范围。可以看出，髋关节“外展/内收”自由度运动范围是-18°～18°。
髋关节“外展/内收”驱动单元设计：如图1所示，髋关节“外展/内收”驱动单元安装于机器人髋关节上侧，包括髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱、以及传动齿轮组。
髋关节“伸展/弯曲”驱动单元设计：髋关节“伸展/弯曲”运动驱动采用电机带动滚珠丝杠的形式，然后通过丝杠螺母和丝杠螺母连接轴将动力传递给两条髋关节推杆，最终带动髋关节作“伸展/弯曲”运动。
膝关节“伸展/弯曲”驱动单元设计：将大腿连杆剖视，可以看出，膝关节“伸展/弯曲”运动驱动采用电机带动行星轮减速器的形式，然后带动带轮转动，采用同步带形式将动力传递给膝关节带轮，最终带动膝关节作“伸展/弯曲”运动。
髋、膝关节“伸展/弯曲”运动的解耦设计：传统的机器人腿部关节设计中，往往髋关节“伸展/弯曲”驱动电机带动大腿连杆转动的同时，机器人小腿连杆的姿态角也随之改变，增加了机器人在复杂地形中行走时，对腿部末端与地面夹角控制上的复杂程度。
本发明中，膝关节“伸展/弯曲”驱动电机放置在髋关节“伸展/弯曲”转轴上，二者在运动上依靠膝关节同步带传动方法自然解耦，即小腿连杆相对机器人躯干坐标系的角度不受髋关节“伸展/弯曲”角度变化的影响，而完全由同步带的传动进行控制。
实施例
图3中，机器人本体下侧伸出两个安装板，通过轴承与滚珠丝杠安装杆座连接；
髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱也安装于机器人本体下侧的安装板，通过齿轮和齿轮将关节“外展/内收”的驱动力传递到髋关节“外展/内收”运动基座；
髋关节“外展/内收”运动基座与滚珠丝杠安装杆座固定连接；滚珠丝杠安装杆座前端通过轴承的内圈伸出，并安装髋关节“伸展/弯曲”驱动电机；
如图4所示，滚珠丝杠安装杆座的内部安装丝杠，在电机的驱动下转动，推动滚珠丝杠螺母的左右运动；
滚珠丝杠螺母与髋关节推杆通过连接轴连接；髋关节推杆最终通过转轴与大腿连杆连接，并推动大腿连杆沿髋关节的“伸展/弯曲”转轴运动；
膝关节“伸展/弯曲”驱动单元位于髋关节“外展/内收”运动基座的内侧，包括驱动电机和行星轮减速器；
膝关节传动原理设计示意，膝关节“伸展/弯曲”驱动力首先传递到上带轮，通过同步带将驱动力传递到下带轮，最终带动小腿连杆沿膝关节的“伸展/弯曲”转轴运动；
在大腿连杆内部，设计有4个同步带的导向轮，用以使同步带适应大腿连杆的特殊构型；4个同步带的导向轮还具有一定的预紧作用，使同步带具有一定的预张力，降低膝关节运动方向转换时的回程间隙；
足端六边形橡胶块安装于小腿连杆末端，并相对小腿连杆具有一定范围的转动，可以保证在复杂地形中，机器人腿部着地点存在不同的地面倾斜角度下，机器人腿部与地面之间仍为面接触，有利于增大支撑的稳定性和地面摩擦力。

Claims (3)

1.一种基于同步带传动的三自由度机器人腿部系统，其特征在于：包括足式机器人本体(1)、髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱(2)、齿轮A(3)、膝关节“伸展/弯曲”驱动电机(4)、齿轮B(5)、髋关节“外展/内收”运动基座(6)、大腿连杆(7)、足端六边形橡胶块(8)、髋关节“伸展/弯曲”驱动电机(9)、轴承(10)、滚珠丝杠安装杆座(11)、滚珠丝杠螺母连接轴(12)、髋关节推杆(13)、小腿连杆(14)及滚珠丝杠(15)；其中所述足式机器人本体(1)下方设有两个安装板，其中一个安装板位于足式机器人本体(1)的边缘，所述髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱(2)和髋关节“外展/内收”运动基座(6)安装于位于边缘的安装板内侧，所述髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱(2)位于髋关节“外展/内收”运动基座(6)的上方；所述位于边缘的安装板外侧设有齿轮A(3)、齿轮B(5)及膝关节“伸展/弯曲”驱动电机(4)；其中所述齿轮A(3)固定在髋关节“外展/内收”驱动电机及其一体式减速箱(2)穿过边缘安装板的传动轴上；所述齿轮B(5)设于髋关节“外展/内收”运动基座(6)穿过边缘安装板的传动轴上；所述齿轮A(3)和齿轮B(5)相啮合；所述大腿连杆(7)的上端与髋关节“外展/内收”运动基座(6)相连接，所述大腿连杆(7)的下端与小腿连杆(14)上端相连接；所述足式机器人本体(1)上的另一安装板上设有髋关节“伸展/弯曲”驱动电机(9)和轴承(10)；所述滚珠丝杠安装杆座(11)内设有滚珠丝杠(15)，所述滚动丝杠(15)的一端与轴承(10)相连，另一端与髋关节“外展/内收”运动基座(6)相连接；所述髋关节推杆(13)的数量为两根，两根髋关节推杆(13)的一端通过滚珠丝杠螺母连接轴(12)和丝杠螺母(16)连接在动滚珠丝杠(15)的中部，另一端连接在大腿连杆(7)的中部的转轴(22)上；所述小腿连杆(14)下端设有足端六边形橡胶块(8)。
2.如权利要求1所述的一种基于同步带传动的三自由度机器人腿部系统，其特征在于：所述大腿连接杆(7)内部设于两个牙纹导向轮(18)、两个光滑导向轮(19)、上轮带(21)、下轮带(24)及同步带(25)；其中上下轮带分别设于同步带的内侧上下两端，上轮带(21)配合一个牙纹导向轮(18)和一个光滑导向轮(19)，下轮带(24)配合一个牙纹导向轮(18)和一个光滑导向轮(19)。
3.如权利要求1或2所述的一种基于同步带传动的三自由度机器人腿部系统，其特征在于：所述膝关节“伸展/弯曲”驱动电机(4)通过行星轮减速器(17)与上轮带(21)相连接。
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