CN112077876B - 面向大承载高动态足式机器人的变刚度单向驱动摆动关节 - Google Patents
面向大承载高动态足式机器人的变刚度单向驱动摆动关节 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种面向大承载高动态足式机器人的变刚度单向驱动摆动关节，包括驱动模块、机械传动模块和关节外壳。驱动模块安装在关节外壳外侧，机械传动模块安装在关节外壳内部。驱动模块的输出轴与机械传动模块相连接，驱动模块通过无级变速提供连续变化的传动比实现第一转速输出和第二转速输出；机械传动模块的输出端为摆动关节的动力输出端，与机器人腿部结构相连接，并带动机器人腿部结构高频往复摆动。本发明结构简单、紧凑，易于在足式机器人系统中集成应用。
Description
技术领域
本发明涉及足式机器人技术领域，具体涉及一种面向大承载高动态足式机器人设计需求的可变刚度的单向驱动式摆动关节。
背景技术
关节是足式机器人肢体实现仿生运动的核心运动部件。
足式机器人肢体的运动特点是持续的往复运动，随着足式机器人总体运动性能向高动态方向发展，高频往复运动能力和自身刚度动态调节能力，成为关节部件的重要设计需求。
另一方面，大承载能力也正在成为推动足式机器人应用发展所需，而这对于主要依赖电机与减速器进行驱动传动的常规关节方案带来了极大技术挑战。负载提升，意味着减速比随之增加，致使电机频繁换向的难度更大。
通过机械式换向机构，带动单向旋转驱动的电机实现换向，是可行的技术方向。然而现有技术所主要采用的多连杆机构换向方案，限制了关节输出的工作空间，且因机构性能随姿态时变而难以应于高动态控制。
因此，如何提供一种实现大承载高动态足式机器人系统的新型的可变刚度单向驱动式摆动关节是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种面向大承载高动态足式机器人的变刚度单向驱动摆动关节，使得在腿部关节的高速步态中，电机可以保持旋转方向不变，实现机器人腿部结构连续地往复摆动，从而降低电机的动态性能要求。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种面向大承载高动态足式机器人的变刚度单向驱动摆动关节，包括驱动模块、机械传动模块和关节外壳；其中，
驱动模块的输出轴与机械传动模块相连接；驱动模块通过无级变速提供连续变化的传动比实现第一转速输出和第二转速输出；
机械传动模块的输出端为摆动关节的动力输出端，与机器人腿部结构相连接，并带动机器人腿部结构高频往复摆动；包括：连轴齿轮、太阳轮、连轴行星架、内齿圈、行星轮组件；其中，连轴齿轮为机械传动模块的第一转速输入端，连轴行星架为机械传动模块的第二转速输入端，连轴齿轮与太阳轮一端啮合，行星轮组件与太阳轮另一端相啮合；行星轮组件和连轴行星架相连接；内齿圈套装在连轴行星架外侧，且与行星轮组件相啮合；内齿圈为摆动关节的动力输出端，与机器人腿部结构相连接；机械传动模块不需改变电机旋转方向，即可实现腿部结构的高频往复摆动。
关节外壳与机器人机身相连，驱动模块安装在关节外壳外侧，机械传动模块安装在关节外壳内部。
优选的，关节外壳包括前端盖、主壳体和后端盖；前端盖与主壳体相固连，后端盖与主壳体相固连；主壳体与机器人机身相连。
优选的，其特征在于，驱动模块包括主动轮电机、从动轮电机和无级变速装置；无级变速装置包括主动带轮、从动带轮、传动带；主动带轮和从动带轮通过传动带连接；主动轮电机与主动带轮相连接，从动轮电机与从动带轮相连接；
主动轮电机提供旋转动力输出到无级变速装置，进而通过主动带轮实现第一转速输出，从动轮电机通过调节行程来调整带传动的传动比以实现调速，进而通过从动带轮实现第二转速输出。
优选的，机械传动模块还包括，第一轴承、第二轴承、轴承座、第三轴承、第四轴承；太阳轮与关节外壳通过第一轴承形成转动副连接；太阳轮与轴承座通过第二轴承形成转动副连接，轴承座与内齿圈相固连；内齿圈与关节外壳通过第三轴承和第四轴承形成转动副连接；太阳轮、连轴行星架、内齿圈的旋转中心轴共线。
优选的，连轴齿轮(21)为机械传动模块(2)的第一转速输入端，其在旋转中心处与主动带轮(131)相连接，接收第一转速输出；
连轴行星架(26)为机械传动模块(2)的第二转速输入端，其在旋转中心处与从动带轮(132)相连接，接收第二转速输出。
优选的，驱动模块、机械传动模块结合，形成传动路径A、传动路径B；传动路径A依次包括无级变速装置、连轴齿轮、太阳轮、行星轮组件、内齿圈；传动路径B依次包括无级变速装置、连轴行星架、行星轮组件、内齿圈；
在传动路径A、传动路径B共同作用下，内齿圈输出转向及转速可调的运动，实现摆动关节动力输出端的往复摆动。
优选的，行星轮组件包括若干个行星轮，且相对于太阳轮的旋转中心轴成等距圆周分布，并与太阳轮啮合。
优选的，太阳轮、内齿圈的模数均相等；太阳轮转速
连轴行星架转速
内齿圈转速
太阳轮齿数z1、内齿圈齿数z3间的相互关系为
驱动模块的转速输出为连续输出，通过调节连轴行星架转速
来调节内齿圈转速
的大小和方向，进而实现摆动关节动力输出端连续地往复摆动；
当
时，
摆动关节动力输出端与主动轮电机的转动运动方向相同；
当
时，
摆动关节动力输出端与主动轮电机的转动运动方向相反。
优选的，驱动模块的正向调速方法为，从动轮电机调节从动带轮分度圆直径减小，主动带轮分度圆直径增大，提高主动带轮与从动带轮的速比，当太阳轮与连轴行星架的速比
时，内齿圈的转速
从而实现摆动关节动力输出端与主动轮电机旋转方向相同的转动；
驱动模块的反向调速方法为，从动轮电机调节从动带轮分度圆直径增大，主动带轮分度圆直径减小，降低主动带轮与从动带轮的速比，当太阳轮与连轴行星架的速比
时，内齿圈的转速
从而实现摆动关节动力输出端与主动轮电机旋转方向相反的转动。
优选的，主动轮电机转速为
从动轮电机行程为θm2，太阳轮转速
相对于主动轮电机转速
的关系为
从动带轮和主动带轮的速比相对于行程θm2的关系为k(θm2)，摆动关节动力输出端的转速为
主动轮电机转速
从动轮电机行程θm2、连轴行星架转速
满足关系
摆动关节的摆动动力输出和驱动电机输入满足关系
通过调节从动轮电机行程θm2以调节k(θm2)，进而调节摆动关节动力输出端的转速
的大小和方向，以实现对机器人腿部结构的摆动方向和速度的主动调节。
优选的，从动轮电机采用功率小于主动轮电机的电机装置，其输出动力仅用于快速改变关节的摆动方向和速度；主动轮电机输出动力用于带动关节负载。
经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果包括：
1、设计实现通过主动力输出电机与小功率电机共同完成关节的调速。其中，独立的小功率电机专用于快速调节关节的摆动方向，降低了对于主动力输出电机的动态性能需求；
2、主动力输出电机可以始终保持单向旋转，方向不变，并同步实现关节的连续地往复摆动；
3、驱动模块中的无级变速结构，可以实现关节内传动比的连续变化，以保证关节摆动运动过程中的机械平顺性；
4、关节内传动比主动可调，使关节内部具有变刚度调节能力；
5、本发明结构简单、紧凑，易于在足式机器人系统中集成应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的摆动关节的总体结构示意图；
图2为本发明所提供的摆动关节的总体结构组成示意图；
图3为本发明所提供的摆动关节中的关节外壳的结构示意图；
图4为本发明所提供的摆动关节中的驱动模块的结构示意图；
图5为本发明所提供的摆动关节中的机械传动模块的结构组成示意图；
图6为本发明所提供的摆动关节的传动简图；
图7为本发明所提供的摆动关节的应用实施例示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明的实施例作详细的描述：
如图1-7所示，一种面向大承载高动态足式机器人的变刚度单向驱动摆动关节，包括驱动模块1、机械传动模块2和关节外壳3。关节外壳3包括前端盖31、主壳体32和后端盖33，其中前端盖31与主壳体32相固连，后端盖33与主壳体32相固连，主壳体32与机器人机身0相连。驱动模块1安装在关节外壳3外侧，机械传动模块2安装在关节外壳3内部。驱动模块1的输出轴与机械传动模块2相连接，机械传动模块2的输出端为摆动关节的动力输出端，与机器人腿部结构41相连接，并带动机器人腿部结构41运动。
驱动模块1通过无级变速提供连续变化的传动比，在不改变电机旋转方向的情况下，实现腿部结构往复摆动，且适应高频摆动的需求。
如图4所示，驱动模块1包括主动轮电机11、从动轮电机12和无级变速装置13。无级变速装置13包括主动带轮131、从动带轮132、传动带133，其中主动带轮131和从动带轮132通过传动带133连接，主动轮电机11与主动带轮131相连接，从动轮电机12与从动带轮132相连接。
主动轮电机11提供旋转动力输出到无级变速装置13，进而通过主动带轮131实现第一转速输出，从动轮电机12通过调节行程来调整带传动的传动比以实现调速，进而通过从动带轮132实现第二转速输出。
如图5所示，机械传动模块2包括连轴齿轮21、太阳轮22、第一轴承23、第二轴承24、轴承座25、连轴行星架26、第三轴承27、第四轴承28、内齿圈29、行星轮组件210，其中行星轮组件210包括若干个行星轮。连轴齿轮21和太阳轮22通过相互间的齿轮副啮合；行星轮组件210相对于太阳轮22的旋转中心轴成等距圆周分布，太阳轮22与行星轮组件210通过相互间的外齿轮副相啮合；行星轮组件210限位于连轴行星架26内，且和连轴行星架26通过销轴连接，并相对于连轴行星架26形成转动副；内齿圈29套装在轴承座与连轴行星架外侧，行星轮组件210与内齿圈29通过相互间的齿轮副相啮合；连轴行星架26上具有允许行星轮组件210与太阳轮22和内齿圈29相啮合的开窗。太阳轮22通过第一轴承23连接于前端盖31，并相对于关节外壳3形成转动副；太阳轮22通过第二轴承24连接于轴承座25，并相对于轴承座25形成转动副，轴承座25与内齿圈29相固连；内齿圈29通过第三轴承27、第四轴承28连接于主壳体32，并与关节外壳3形成转动副；太阳轮22、连轴行星架26、内齿圈29的旋转中心轴相共线。
连轴齿轮21为机械传动模块2的第一转速输入端，其在旋转中心处与主动带轮131相连接，接收第一转速输出，连轴行星架26为机械传动模块2的第二转速输入端，其在旋转中心处与从动带轮132相连接，接收第二转速输出，内齿圈29为摆动关节的动力输出端，与机器人腿部结构41相连接。
如图6(b)所示，为本发明的整体传动简图。主动轮电机11提供旋转动力输出到无级变速装置13，进而主动带轮131提供第一转速输出给连轴齿轮21，连轴齿轮21带动太阳轮22旋转，太阳轮22带动行星轮组件210，行星轮组件210带动内齿圈29形成传动路径A；主动带轮131通过传动带133带动从动带轮132，从动轮电机12通过调节行程调整带传动的传动比实现调速，进而通过从动带轮132提供第二转速输出给连轴行星架26，连轴行星架26带动行星轮组件210，行星轮组件210带动内齿圈29形成传动路径B。
具体地说，传动路径A依次包括无级变速装置13、连轴齿轮21、太阳轮22、行星轮组件210、内齿圈29；传动路径B依次包括无级变速装置13、连轴行星架26、行星轮组件210、内齿圈29。在传动路径A、传动路径B共同作用下，内齿圈29输出转向及转速可调的运动，实现摆动关节动力输出端的往复摆动。
具体地，太阳轮22、内齿圈29的模数均相等，太阳轮22转速
连轴行星架26转速
内齿圈29转速
太阳轮22齿数z1、内齿圈29齿数z3间的相互关系为
驱动模块1的转速输出为连续输出，通过调节连轴行星架26转速
来调节内齿圈29转速
的大小和方向，进而实现摆动关节动力输出端的连续往复摆动。
当
时，
摆动关节动力输出端与主动轮电机11的转动运动方向相同。
当
时，
摆动关节动力输出端与主动轮电机11的转动运动方向相反。
具体地，如图6(a)所示，为一个具体实施例的行星齿轮系的旋转方向定义简图。
具体地，如图6(b)所示，驱动模块1的正向调速方法为，从动轮电机12调节从动带轮132分度圆直径减小，主动带轮131分度圆直径增大，提高主动带轮131与从动带轮132的速比，进而提高太阳轮22与连轴行星架29的速比，当太阳轮22与连轴行星架26的速比
时，内齿圈29的转速
内齿圈29的转向与定义方向相反，由图6(a)可知，内齿圈29转向与主动轮电机11转向相同，从而实现摆动关节动力输出端与主动轮电机11旋转方向相同的转动。
如图6(b)所示，驱动模块1的反向调速方法为，从动轮电机12调节从动带轮132分度圆直径增大，主动带轮131分度圆直径减小，降低主动带轮131与从动带轮132的速比，进而降低太阳轮22与连轴行星架29的速比，当太阳轮22与连轴行星架26的速比
时，内齿圈29的转速
内齿圈29的转向与定义方向相同，由图6(a)可知，内齿圈29转向与主动轮电机11转向相反，从而实现摆动关节动力输出端与主动轮电机11旋转方向相反的转动。
具体地，主动轮电机11转速为
从动轮电机12行程为θm2，太阳轮22转速
相对于主动轮电机11转速
的关系为
从动带轮132和主动带轮131的速比相对于行程θm2的关系为k(θm2)，摆动关节动力输出端的转速为
主动轮电机11转速
从动轮电机12行程θm2、连轴行星架26转速
满足关系
摆动关节的摆动动力输出和驱动电机输入满足关系
通过调节从动轮电机12行程θm2以调节k(θm2)，进而调节摆动关节动力输出端的转速
的大小和方向，以实现对机器人腿部结构41的摆动方向和速度的主动调节。
具体地，从动轮电机12采用小功率电机装置，其输出动力仅用于快速改变关节的摆动方向和速度，主动轮电机11采用大功率电机装置，其输出动力用于带动关节负载。
具体地，如图7所示，一种基于本发明摆动关节的机械腿装配方案实施例，主壳体32通过机身轴承座42与机器人机身0相连接，内齿圈29通过螺栓与机器人腿部结构41相连接，驱动模块1提供旋转动力，内齿圈29实现摆动动力输出，带动机器人腿部结构41进行正反转。
以上对本发明所提供的面向大承载高动态足式机器人的变刚度单向驱动摆动关节进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种面向大承载高动态足式机器人的变刚度单向驱动摆动关节，其特征在于，包括驱动模块(1)、机械传动模块(2)和关节外壳(3)；其中，
驱动模块(1)的输出轴与机械传动模块(2)相连接；驱动模块(1)通过无级变速提供连续变化的传动比实现第一转速输出和第二转速输出；驱动模块(1)包括主动轮电机(11)、从动轮电机(12)和无级变速装置(13)；无级变速装置(13)包括主动带轮(131)、从动带轮(132)、传动带(133)；主动带轮(131)和从动带轮(132)通过传动带(133)连接；主动轮电机(11)与主动带轮(131)相连接，从动轮电机(12)与从动带轮(132)相连接；主动轮电机(11)提供旋转动力输出到无级变速装置(13)，进而通过主动带轮(131)实现第一转速输出，从动轮电机(12)通过调节行程来调整带传动的传动比以实现调速，进而通过从动带轮(132)实现第二转速输出；
从动轮电机(12)调节从动带轮(132)分度圆直径减小，主动带轮(131)分度圆直径增大，提高主动带轮(131)与从动带轮(132)的速比，或从动轮电机(12)调节从动带轮(132)分度圆直径增大，主动带轮(131)分度圆直径减小，降低主动带轮(131)与从动带轮(132)的速比，实现摆动关节动力输出端与主动轮电机(11)旋转方向相反的转动；
机械传动模块(2)的输出端为摆动关节的动力输出端，与机器人腿部结构(41)相连接，并带动机器人腿部结构(41)高频往复摆动；包括：连轴齿轮(21)、太阳轮(22)、连轴行星架(26)、内齿圈(29)、行星轮组件(210)；其中，太阳轮(22)、连轴行星架(26)、内齿圈(29)的旋转中心轴共线，太阳轮(22)、内齿圈(29)的模数均相等；连轴齿轮(21)为机械传动模块(2)的第一转速输入端，连轴行星架(26)为机械传动模块(2)的第二转速输入端，连轴齿轮(21)与太阳轮(22)一端啮合，行星轮组件(210)与太阳轮(22)另一端相啮合；行星轮组件(210)和连轴行星架(26)相连接；内齿圈(29)套装在连轴行星架外侧，且与行星轮组件(210)相啮合；内齿圈(29)为摆动关节的动力输出端，与机器人腿部结构(41)相连接；
驱动模块(1)、机械传动模块(2)结合，形成传动路径A、传动路径B；传动路径A依次包括无级变速装置(13)、连轴齿轮(21)、太阳轮(22)、行星轮组件(210)、内齿圈(29)；传动路径B依次包括无级变速装置(13)、连轴行星架(26)、行星轮组件(210)、内齿圈(29)；在传动路径A、传动路径B共同作用下，内齿圈(29)输出转向及转速可调的运动，实现摆动关节动力输出端的往复摆动；
关节外壳(3)与机器人机身(0)相连，驱动模块(1)安装在关节外壳(3)外侧，机械传动模块(2)安装在关节外壳(3)内部。
2.根据权利要求1所述的面向大承载高动态足式机器人的变刚度单向驱动摆动关节，其特征在于，关节外壳(3)包括前端盖(31)、主壳体(32)和后端盖(33)；前端盖(31)与主壳体(32)相固连，后端盖(33)与主壳体(32)相固连；主壳体(32)与机器人机身(0)相连。
3.根据权利要求1所述的面向大承载高动态足式机器人的变刚度单向驱动摆动关节，其特征在于，机械传动模块(2)还包括，第一轴承(23)、第二轴承(24)、轴承座(25)、第三轴承(27)、第四轴承(28)；太阳轮(22)与关节外壳(3)通过第一轴承(23)形成转动副连接；太阳轮(22)与轴承座(25)通过第二轴承(24)形成转动副连接，轴承座(25)与内齿圈(29)相固连；内齿圈(29)与关节外壳(3)通过第三轴承(27)和第四轴承(28)形成转动副连接。
4.根据权利要求1所述的面向大承载高动态足式机器人的变刚度单向驱动摆动关节，其特征在于，行星轮组件(210)包括若干个行星轮，且相对于太阳轮(22)的旋转中心轴成等距圆周分布，并与太阳轮(22)啮合。
5.根据权利要求1所述的面向大承载高动态足式机器人的变刚度单向驱动摆动关节，其特征在于，太阳轮(22)转速
连轴行星架(26)转速
内齿圈(29)转速
太阳轮(22)齿数z1、内齿圈(29)齿数z3间的相互关系为
驱动模块(1)的转速输出为连续输出，通过调节连轴行星架(26)转速
来调节内齿圈(29)转速
的大小和方向，进而实现摆动关节动力输出端连续地往复摆动；
当
时，
摆动关节动力输出端与主动轮电机(11)的转动运动方向相同；
当
时，
摆动关节动力输出端与主动轮电机(11)的转动运动方向相反。
6.根据权利要求1所述的面向大承载高动态足式机器人的变刚度单向驱动摆动关节，其特征在于，驱动模块(1)的正向调速方法为，从动轮电机(12)调节从动带轮(132)分度圆直径减小，主动带轮(131)分度圆直径增大，提高主动带轮(131)与从动带轮(132)的速比，当太阳轮(22)与连轴行星架(26)的速比
时，内齿圈(29)的转速
从而实现摆动关节动力输出端与主动轮电机(11)旋转方向相同的转动；
驱动模块(1)的反向调速方法为，从动轮电机(12)调节从动带轮(132)分度圆直径增大，主动带轮(131)分度圆直径减小，降低主动带轮(131)与从动带轮(132)的速比，当太阳轮(22)与连轴行星架(26)的速比
时，内齿圈(29)的转速
从而实现摆动关节动力输出端与主动轮电机(11)旋转方向相反的转动。
7.根据权利要求1所述的面向大承载高动态足式机器人的变刚度单向驱动摆动关节，其特征在于，主动轮电机(11)转速为
从动轮电机(12)行程为θm2，太阳轮(22)转速
相对于主动轮电机(11)转速
的关系为
从动带轮(132)和主动带轮(131)的速比相对于行程θm2的关系为k(θm2)，摆动关节动力输出端的转速为
θm2)，主动轮电机(11)转速
从动轮电机(12)行程θm2、连轴行星架(26)转速
满足关系
摆动关节的摆动动力输出和驱动电机输入满足关系
通过调节从动轮电机(12)行程θm2以调节k(θm2)，进而调节摆动关节动力输出端的转速
的大小和方向，以实现对机器人腿部结构(41)的摆动方向和速度的主动调节。
8.根据权利要求1所述的面向大承载高动态足式机器人的变刚度单向驱动摆动关节，其特征在于，
从动轮电机(12)采用功率小于主动轮电机(11)的电机装置，其输出动力仅用于快速改变关节的摆动方向和速度；
主动轮电机(11)输出动力用于带动关节负载。
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