CN111976861A - 一种车轮和机械腿关节复用电机传动系统及驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及车轮和机械腿关节复用电机传动系统及驱动方法，属于轮步机器人技术领域，解决现有机械腿结构复杂，传动效率低，占用空间大的问题。传动系统包括：第一离合器、第二离合器、行星齿轮组减速器、车轮和轮毂电机；轮毂电机安装在机械腿外壳内，行星齿轮组减速器齿圈安装在机械腿外壳内；轮毂电机的输出轴同时连接第一离合器的输入端和第二离合器的输入端；第一离合器的输出端与车轮连接；第二离合器的输出端与行星齿轮组减速器的输入端连接；行星齿轮组减速器的输出端与腿关节连接。本发明可以应对多变复杂的路况，并实现高效紧凑型复合驱动系统，既可以使用轮驱动，也可以使用腿驱动。

Description

一种车轮和机械腿关节复用电机传动系统及驱动方法
技术领域
本发明涉及轮步机器人技术领域，尤其涉及一种车轮和机械腿关节复用电机传动系统及驱动方法。
背景技术
在复杂地形环境中，有效快速地运输人员、物资和装备到达目的地是一个具有挑战性的任务。为了满足因技术或其他原因无法修筑规则化道路的地区货物运输的需求，提高运输的效率，需设计轮步机器人在小范围需求紧急的情况下进行必需品的运输。
这种机器人在具有规则化道路的环境下，使用轮驱动，这种机动方式的特点是机动快，速度高。而当环境不具备规则化道路，且普通车辆无法通过时，则需要机动平台通过腿来机动，这种机动方式的特点是可以通过复杂地形，但行驶速度慢。现有的轮步机器人结构复杂，传动效率低，占用空间大，不利于增加轮步机器人的有效载荷。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种车轮和机械腿关节复用电机传动系统及驱动方法，用以解决现有机械腿结构复杂，传动效率低，占用空间大的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
本发明的技术方案中，一种车轮和机械腿关节复用电机传动系统，车轮和机械腿关节复用电机传动系统包括：第一离合器、第二离合器、行星齿轮组减速器、车轮和轮毂电机；轮毂电机安装在机械腿外壳内，行星齿轮组减速器齿圈安装在机械腿外壳内；
轮毂电机的输出轴同时连接第一离合器的输入端和第二离合器的输入端；第一离合器的输出端与车轮连接；第二离合器的输出端与行星齿轮组减速器的输入端连接；行星齿轮组减速器的输出端与腿关节连接。
本发明的技术方案中，行星齿轮组减速器为二级行星减速器。
本发明的技术方案中，二级行星减速器包括第一行星减速器和第二行星减速器；第一行星减速器的输入端为行星齿轮组减速器的输入端，第二行星减速器的输出端为行星齿轮组减速器的输出端；第一行星减速器的输出端与第二行星减速器的输入端连接。
本发明的技术方案中，第一行星减速器包括第一太阳轮、第一行星轮、第一行星架和第一齿圈；
第一齿圈与机械腿外壳固定；第一行星轮同时与第一太阳轮和第一齿圈啮合，第一行星轮安装在第一行星架上；第一行星架、第一太阳轮和第一齿圈轴线重合。
本发明的技术方案中，第二行星减速器包括第二太阳轮、第二行星轮、第二行星架和第二齿圈；
第二齿圈与机械腿外壳固定；第二行星轮同时与第二太阳轮和第二齿圈啮合，第二行星轮安装在第二行星架上；第二行星架、第二太阳轮和第二齿圈轴线重合；
第一行星架与第二太阳轮连接或为一体结构，且第一行星架与第二太阳轮同轴；第二行星架与腿关节的输入轴连接。
本发明的技术方案中，轮毂电机包括转子；轮毂电机的输出轴与转子为一体结构；第一离合器、第二离合器和转子轴线重合。
本发明的技术方案中，腿关节的输入轴穿过壳体，且连接处设有轴承；
第二太阳轮的轮轴至少部分地穿入腿关节的输入轴，且连接处设有轴承；
第一太阳轮的轮轴至少部分地穿入转子，且连接处设有轴承；
第一离合器的输出端至少部分地穿入转子，且连接处设有轴承。
本发明的技术方案中，第一离合器和第二离合器不同时连接。
本发明的技术方案中，一种车轮和机械腿关节复用的驱动方法，驱动方法使用本发明的上述技术方案中的车轮和机械腿关节复用电机传动系统；
驱动方法包括步式驱动和轮式驱动；
轮式驱动包括：将第一离合器连接，将第二离合器断开，启动轮毂电机，使第一离合器旋转，带动车轮旋转；
步式驱动包括：将第一离合器断开，将第二离合器连接，启动轮毂电机，使第二离合器旋转，通过行星齿轮组减速器进行减速，使腿关节转动。
本发明的技术方案中，步式驱动中，将腿关节固定，使得车轮和机械腿关节复用电机传动系统相对腿关节反向旋转。
本发明技术方案至少能够实现以下效果之一：
1、针对复杂道路运输问题，本发明的车轮和机械腿关节复用电机传动系统具有高能量密度、高效率、适应多变复杂路况、动作敏捷的优点，它可以应对多变复杂的路况，并实现高效紧凑型复合驱动系统，既可以使用轮驱动，也可以使用腿驱动。
2、本发明既可以满足轮型驱动时大转速的需求，也可以满足腿型驱动时的低转速、大输出转矩的需求；同时，满足在有限的空间内布置整个机构的需求；本发明可以应用在轮腿复合机动平台上，可以有效解决在复杂地域运输的难题，减少人力、物力和财力的消耗。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例的内部结构示意图。
附图标记：
1-腿关节，2-第二齿圈，3-第一齿圈，4-第二太阳轮，5-第一行星架，6-第一太阳轮，7-第二离合器，8-轮毂电机的输出轴，9-转子，10-定子，11-第一离合器，12-车轮的轮轴，13-车轮，14-机械腿外壳。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本发明一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接可以是机械连接，也可以是电连接可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
全文中描述使用的术语“顶部”、“底部”、“在……上方”、“下”和“在……上”是相对于装置的部件的相对位置，例如装置内部的顶部和底部衬底的相对位置。可以理解的是装置是多功能的，与它们在空间中的方位无关。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供了一种车轮和机械腿关节复用电机传动系统，车轮和机械腿关节复用电机传动系统包括：第一离合器11、第二离合器7、行星齿轮组减速器、车轮13和轮毂电机；轮毂电机安装在机械腿外壳14内，行星齿轮组减速器齿圈安装在机械腿外壳14内；轮毂电机的输出轴8同时连接第一离合器11的输入端和第二离合器7的输入端；第一离合器11的输出端与车轮13连接；第二离合器7的输出端与行星齿轮组减速器的输入端连接；行星齿轮组减速器的输出端与腿关节1连接。
当第一离合器11连接、第二离合器7断开时，本发明实施例中，轮毂电机的输出端直接驱动第一离合器11转动，从而使车轮13一同转动，实现了整个系统的轮式驱动，即将其应用于轮步平台后，轮步平台能够以车轮13转动的形式实现运动，适宜相对平坦的路面。
当第二离合器7连接、第一离合器11断开时，本发明实施例中，轮毂电机的输出端直接驱动第二离合器7转动，通过行星齿轮组减速器的减速，使得腿关节1转动，实现了整个系统的步式驱动，在实际使用时，腿关节1与轮步平台连接，使得本发明实施例的系统相对轮步平台反向转动，实现机械腿的转动，即轮步平台以迈步的形式实现运动，适宜复杂的路面。
需要说明的是，第一离合器11和第二离合器7的离合结构采用相同的离合形式，以方便对第一离合器11和第二离合器7的控制，示例性地，第一离合器11和第二离合器7均采用磁流变液离合器。
考虑到轮式驱动和步式驱动中，最终实现的转速相差较大，为了能够在不明显增加整体尺寸的前提下，实现大减速比的传动，本发明实施例中，行星齿轮组减速器为二级行星减速器。
本发明实施例中，二级行星减速器包括第一行星减速器和第二行星减速器；第一行星减速器的输入端为行星齿轮组减速器的输入端，第二行星减速器的输出端为行星齿轮组减速器的输出端；第一行星减速器的输出端与第二行星减速器的输入端连接。二级行星减速器能够实现大减速比的传动。在轮式驱动中，轮毂电机的输出端通过第一离合器11直接驱动车轮13转动，因此轮毂电机的输出端的输出转速较高，在步式驱动中，轮毂电机的输出端通过第二离合器7间接驱动腿关节1转动，使用二级行星减速器减速，使得腿关节1的转速极低，因此，二级行星减速器的大减速比传动满足本发明实施例中对大减速比的需求。
具体的，本发明实施例中，第一行星减速器包括第一太阳轮6、第一行星轮、第一行星架5和第一齿圈3；第一齿圈3与机械腿外壳14固定；第一行星轮同时与第一太阳轮6和第一齿圈3啮合，第一行星轮安装在第一行星架5上；第一行星架5、第一太阳轮6和第一齿圈3轴线重合。第一行星架5作为第一行星减速器的输出端能够实现一级减速。
此外，本发明实施例中，第二行星减速器包括第二太阳轮4、第二行星轮、第二行星架和第二齿圈2；第二齿圈2与机械腿外壳14固定；第二行星轮同时与第二太阳轮4和第二齿圈2啮合，第二行星轮安装在第二行星架上；第二行星架、第二太阳轮4和第二齿圈2轴线重合。第二行星架作为第二行星减速器的输出端能够实现二级减速，与一级减速叠加，经过减速器的减速增扭的作用，使得关节的转动速度及幅度减小，输出的转矩增大。
本发明实施中，通过轮毂电机来分别实现轮式驱动和步式驱动，具体的，轮毂电机包括定子10和转子9，定子10与机械腿外壳14固定连接，且定子10至少部分地围绕转子9，轮毂电机的输出轴8与转子9为一体结构。通过定子10与转子9之间的相对转动，实现轮毂电机的输出轴8转动。
为了减少本发明实施例占用的空间，本发明实施例优化了二级行星减速器的结构，以及与其他部件的连接方式。本发明实施例中，第一行星架5与第二太阳轮4连接或为一体结构，且第一行星架5与第二太阳轮4同轴；第二行星架与腿关节1的输入轴连接。使得，第一行星减速器和第二行星减速器之间的结构更加紧凑，占用的空间更小。
此外，本发明实施例中，第一离合器11、第二离合器7和转子9轴线重合，腿关节1的输入轴穿过壳体，且连接处设有轴承；第二太阳轮4的轮轴至少部分地穿入腿关节1的输入轴，且连接处设有轴承；第一太阳轮6的轮轴至少部分地穿入转子9，且连接处设有轴承；第一离合器11的输出端至少部分地穿入转子9，且连接处设有轴承。本发明实施例将第一离合器11、第二离合器7、转子9、第一太阳轮6、第二太阳轮4、第一齿圈3、第二齿圈2、第一行星架5、第二行星架全部共轴线，能够使得车轮13的轴线与腿关节1的轴线重合，当轮步平台使用本发明实施例的系统进行轮式驱动时，只需要确定好腿关节1的位置，即可确定车轮13的位置，方便对车轮13位置的控制。此外，各个部件共轴设计，最大限度地减小了整个设备的径向尺寸。因此，当轮步平台使用本发明实施例的系统进行步式驱动时，更小的径向尺寸有利于占用更小的回转空间，而且可以减小自身的转动惯量，方便转动控制，提高驱动的效率。
在使用本发明实施例进行步式驱动时，通常需要保持车轮13不转动，使得机械腿能够获得稳定的支点，以支撑并带动轮步平台移动，因此，本发明实施例不能同时进行轮式驱动和步式驱动，即，第一离合器11和第二离合器7不同时连接。考虑到个别特殊运动状态，例如轮步平台以轮式驱动的惯性滑行或以步式驱动的紧急制动等运动状态，第一离合器11和第二离合器7能够同时断开。
实施例2
本发明实施例提供了一种车轮和机械腿关节复用的驱动方法，本发明实施例使用实施例1中的车轮和机械腿关节复用电机传动系统。
本发明实施例的驱动方法包括轮式驱动和步式驱动。当使用轮式驱动时，轮步平台使用实施例1中的传动系统，进行轮式移动，即通过轮毂电机最终带动车轮13转动，使得轮步平台以车的形式通过车轮13转动来移动。当使用步式驱动时，轮步平台使用实施例1中的传动系统，进行步式移动，即通过轮毂电机最终使传动系统作为机械腿转动，使得轮步平台通过机械腿转动迈步来移动。两种驱动方法不能同时进行，以防止转动的车轮13造成步式移动时的机械腿的落足点不稳而影响步式移动。
轮式驱动包括：
将第一离合器11连接，将第二离合器7断开，启动轮毂电机，转子9旋转，而此时第一离合器11处于连接状态，转子9使第一离合器11旋转，第一离合器11的输出端与车轮的轮轴12连接，带动车轮13旋转；此时，由于第二离合器7断开，腿关节1相对与机械腿外壳14静止，由于腿关节1与轮步平台相对固定，使得机械腿与轮步平台相对静止，保持轮式驱动的稳定性，车轮13带动轮步平台移动。
步式驱动包括：
将第一离合器11连接，将第二离合器7断开，启动轮毂电机，转子9旋转，此时第二离合器7处于连接状态，转子9使第二离合器7旋转，第二离合器7的输出端与第一太阳轮6连接，带动第一太阳轮6转动，通过第一行星减速器的减速，使得第一行星架5转动，第一行星架5与第二太阳轮4连接，带动第二太阳轮4转动，通过第二行星减速器的减速，使得第二行星架转动，第二行星架与腿关节1连接，使得腿关节1相对机械腿外壳14转动，由于腿关节1与轮步平台相对固定，使得机械腿整体相对轮步平台反方向转动，实现机械腿的迈步移动；此时，由于第一离合器11断开，车轮13相对机械腿静止，能够防止转动的车轮13影响机械腿旋转，保证步式驱动的稳定性。
综上所述，本发明实施例提供了一种车轮和机械腿关节复用电机传动系统及驱动方法，针对复杂道路运输问题，本发明的车轮和机械腿关节复用电机传动系统具有高能量密度、高效率、适应多变复杂路况、动作敏捷的优点，它可以应对多变复杂的路况，并实现高效紧凑型复合驱动系统，既可以使用轮驱动，也可以使用腿驱动；本发明既可以满足轮型驱动时大转速的需求，也可以满足腿型驱动时的低转速，大输出转矩的需求；同时，满足在有限的空间内布置整个机构的需求；本发明可以应用在轮腿复合机动平台上，可以有效解决在复杂地域运输的难题，减少人力，物力，财力的消耗。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种车轮和机械腿关节复用电机传动系统，其特征在于，所述车轮和机械腿关节复用电机传动系统包括：第一离合器(11)、第二离合器(7)、行星齿轮组减速器和轮毂电机；所述轮毂电机安装在机械腿外壳(14)内，行星齿轮组减速器齿圈安装在机械腿外壳(14)内；
所述轮毂电机的输出轴(8)同时连接第一离合器(11)的输入端和第二离合器(7)的输入端；所述第一离合器(11)的输出端与车轮(13)连接；所述第二离合器(7)的输出端与行星齿轮组减速器的输入端连接；所述行星齿轮组减速器的输出端与腿关节(1)连接。
2.根据权利要求1所述的车轮和机械腿关节复用电机传动系统，其特征在于，所述行星齿轮组减速器为二级行星减速器。
3.根据权利要求2所述的车轮和机械腿关节复用电机传动系统，其特征在于，所述二级行星减速器包括第一行星减速器和第二行星减速器；所述第一行星减速器的输入端为行星齿轮组减速器的输入端，所述第二行星减速器的输出端为行星齿轮组减速器的输出端；所述第一行星减速器的输出端与第二行星减速器的输入端连接。
4.根据权利要求3所述的车轮和机械腿关节复用电机传动系统，其特征在于，所述第一行星减速器包括第一太阳轮(6)、第一行星轮、第一行星架(5)和第一齿圈(3)。
5.根据权利要求4所述的车轮和机械腿关节复用电机传动系统，其特征在于，所述第二行星减速器包括第二太阳轮(4)、第二行星轮、第二行星架和第二齿圈(2)。
6.根据权利要求5所述的车轮和机械腿关节复用电机传动系统，其特征在于，所述轮毂电机包括转子(9)；所述轮毂电机的输出轴(8)与转子(9)为一体结构；所述第一离合器(11)、第二离合器(7)和转子(9)轴线重合。
7.根据权利要求6所述车轮和机械腿关节复用电机传动系统，其特征在于，所述腿关节(1)的输入轴穿过机械腿外壳(14)，且连接处设有轴承；
所述第二太阳轮(4)的轮轴至少部分地穿入所述腿关节(1)的输入轴，且连接处设有轴承；
所述第一太阳轮(6)的轮轴至少部分地穿入转子(9)，且连接处设有轴承；
所述第一离合器(11)的输出端至少部分地穿入转子(9)，且连接处设有轴承。
8.根据权利要求1至7所述的车轮和机械腿关节复用电机传动系统，其特征在于，所述第一离合器(11)和第二离合器(7)不同时连接。
9.一种车轮和机械腿关节复用的驱动方法，其特征在于，所述驱动方法使用根据权利要求1至8所述的车轮和机械腿关节复用电机传动系统；
所述驱动方法包括步式驱动和轮式驱动；
所述轮式驱动包括：将第一离合器(11)连接，将第二离合器(7)断开，启动轮毂电机，使第一离合器(11)旋转，带动车轮(13)旋转；
所述步式驱动包括：将第一离合器(11)断开，将第二离合器(7)连接，启动轮毂电机，使第二离合器(7)旋转，通过行星齿轮组减速器进行减速，使腿关节(1)转动。
10.根据权利要求9所述的车轮和机械腿关节复用的驱动方法，其特征在于，所述步式驱动中，将腿关节(1)固定，使得车轮和机械腿关节复用电机传动系统相对腿关节(1)反向旋转。
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