CN112477535A - 一种二级行星齿轮系传动的可双向变形足-蹼结构 - Google Patents

Abstract

一种二级行星齿轮系传动的可双向变形足‑蹼结构，包括动力输出模块、收线控制模块、可变形足‑蹼模块以及底座模块，所述底座模块上安装有动力输出模块和收线控制模块，所述动力输出模块和收线控制模块之间设置有二级行星轮系，所述收线控制模块控制可变形足‑蹼模块变形。本发明能够使用一套推进单元满足水陆两栖机器人在陆地和水中的作业环境，而且能够双向形变，拓展了机器人的工作范围。

Description

一种二级行星齿轮系传动的可双向变形足-蹼结构

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别涉及一种二级行星齿轮系传动的可双向变形足-蹼结构。

背景技术

近年来，随着对海洋资源的探索以及水陆两栖环境的研究，对于水陆两栖过渡环境的侦察、探索、监控等就显得非常重要了。目前传统的水陆两栖多足机器人多是具有陆地和水中两套推进系统，在陆地多采用C形足推进单元，在进入水中前通过人为更换为平桨足推进单元，这样能够保证两栖机器人在水中和陆地均有着良好的运动性能，但是人工更换推进单元，一方面需要一定时间进行更换作业，导致探测效率降低；另一方面，对于某些复杂的水陆过渡环境，如沼泽之中，工作人员难以进入，工作难以展开。因此传统的水陆两栖机器人由于采用两套推进系统去适应复杂的环境，导致工作效率较低。

目前有新研制的水陆两栖机器人，其推进单元为可变形足-蹼结构，能够适应水陆两栖作业环境，提高作业效率，但是其足-蹼结构只能单向变形，导致机器人只能朝前运动，无法后退，在狭窄地形下机器人无法良好展开工作，限制了机器人的工作环境。

发明内容

为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种二级行星齿轮系传动的可双向变形足-蹼结构，能够使用一套推进单元满足水陆两栖机器人在陆地和水中的作业环境，而且能够双向形变，拓展了机器人的工作范围。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种二级行星齿轮系传动的可双向变形足-蹼结构，包括动力输出模块1、收线控制模块2、可变形足-蹼模块3以及底座模块4，所述底座模块4上安装有动力输出模块1和收线控制模块2，所述动力输出模块1和收线控制模块2之间设置有二级行星轮系，所述收线控制模块2控制可变形足-蹼模块3变形。

所述动力输出模块1用于负责驱动可变形足-蹼模块3的转动，动力输出模块1包括驱动电机101，所述驱动电机101通过电机支座102固定到底座401上，电机101输出轴通过联轴器103与动力输出轴106一端连接，动力输出轴106另一端连接足-蹼结构3，动力输出轴106利用轴承支承安装在底座401上。

所述二级行星轮系包括后端行星轮系和前端行星轮系，所述前后行星轮系共用一个行星架107，前后行星轮同步运动，后端行星轮系包括后太阳轮108，所述动力输出轴106与后端行星轮系的后太阳轮108采用螺栓连接紧固，实现运动同步，后太阳轮108和后行星轮105啮合，后行星轮105和后齿圈109啮合，后齿圈109固定在底座401上，前端行星轮系包括前太阳轮206，前太阳轮206与前行星轮204啮合，前行星轮204与前齿圈203啮合，前太阳轮204与绕线轴205通过螺栓连接，实现运动同步。绕线轴205中空，动力输出轴106从其中穿出。

所述收线控制模块2用于改变可变形足-蹼模块3的形状，完成C形足与蹼形足的转变，所述收线控制模块2包括收线电机201，收线电机201通过底座401上的安装孔，利用螺栓固定安装在底座401上，收线电机201的输出轴连接收线驱动齿轮202，收线驱动齿轮202与前端二级行星轮系的前齿圈203的外圈齿轮啮合，驱动前齿圈203运动，所述前太阳轮206与绕线轴205相连，通过固定在绕线轴205上的绕线盘301，将钢丝绳收紧，可变形足-蹼模块3完成变形。

所述可变形足-蹼模块3包括弹簧钢307、端块306、连接块305以及连接块底座304，所述端块306从弹簧钢307一端开始布置，左右对称安装在弹簧钢307上并用螺栓螺母固定，所述连接块305左右对称固定在弹簧钢307的另一端，连接块305与连接块底座304相连，连接块底座304一侧有通孔，通过通孔安装在绕线轴205上，另一侧通过螺纹孔与第三联轴器302相连，并固定到收线轴上，用于实现可变形足-蹼模块3的固定。

所述端块306与连接块305中部有小孔，钢丝绳从最末端端块306的小孔穿入，从连接块305上端孔中穿出，再穿过连接块底座304上的孔，连接到绕线盘301上。

所述底座401采用3D打印的一个整体结构，底座401上分别有安装驱动电机101和收线电机201的电机安装座，并且通过凸出的圆台结构实现后齿圈109的固定安装，底座401外侧设置底座前板402，底座前板402用于实现行星轮系的轴向安装固定，电机安装座与底座前板402之间通过尼龙连接柱403连接。

本发明的有益效果：

本发明所提供的一种用于水陆两栖机器人的二级行星轮系驱动的可双向变形足-蹼结构，将陆地运行的足状推进单元与水中运行的蹼状推进单元融合在一起，实现了水陆两栖机器人推进单元的简化，免去人工更换推进单元的步骤，提高作业效率。同时通过前后两个二级行星轮系机构，实现了足-蹼结构的双向变形，让水陆两栖多足机器人可以在狭窄环境中完成直线前进后退运动，拓展了水陆两栖机器人的作业环境。

附图说明

图1是可双向变形足-蹼结构整体示意图。

图2是二级行星轮系结构简图。

图3是动力输出模块结构示意图。

图4是后端二级行星轮系结构示意图。

图5是收线控制模块结构示意图。

图6是前端二级行星轮系结构示意图。

图7是可变形足-蹼结构示意图。

图8是足-蹼结构蹼形示意图。

图9是足-蹼结构足形示意图。

图10是底座结构示意图。

附图标记如下：101驱动电机，102电机支座，103第一联轴器，104第二联轴器，105后行星轮，106动力输出轴，107行星架，108后太阳轮，109后齿圈，201收线电机，202收线驱动齿轮，203前齿圈，204前行星轮，205绕线轴，206前太阳轮，301绕线盘，302第三联轴器，303四氟板衬套，304连接块底座，305连接块，306端块，307弹簧钢，401底座，402底座前板，403尼龙连接柱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

参见图1，该发明针对一种用于水陆两栖机器人的二级行星轮系驱动的可双向变形足-蹼结构，包括动力输出模块1、收线控制模块2、可变形足-蹼模块3以及底座模块4，其中二级行星轮系主要在动力输出模块1与收线控制模块2中进行工作。

所述动力输出模块1用于负责驱动可变形足-蹼模块3的转动，也就是水陆两栖机器人的运动。

所述收线控制模块2用于改变可变形足-蹼模块3的形状，完成C形足与蹼形足的转变，确保机器人在陆地以C形足运行，在水中采用蹼形足驱动。

参见图2，二级行星轮系结构如图所示，分为前后两个二级行星轮系。前端二级行星轮系由前太阳轮206、前行星轮204与前齿圈203组成，其中前太阳轮206与绕线轴205通过螺栓连接固定，实现同步运动。后端二级行星轮系由后太阳轮108、后行星轮105与后齿圈109组成，其中后太阳轮108与动力输出轴106通过螺栓连接固定，实现同步运动，后齿圈用螺栓固定在底座401上，固定不动。前后两个二级行星轮系通过行星架107连接，以实现驱动电机和收线电机控制分离的目的。

参见图3，为动力输出模块1，其中驱动电机101选用大疆M3508电机，该电机体积小，但能提供强劲的动力。驱动电机101安装在电机支座102上，通过电机支座102底端的螺纹孔将驱动电机101固定在底座401上，驱动电机101输出轴连接在第一联轴器103上，第一联轴器103与第二联轴器104用螺栓连接，再将动力输出轴106连接在第二联轴器104上，这样实现了驱动电机101到动力输出轴106的动力传递。动力输出轴106穿过底座401上的孔洞，通过孔洞上安装的轴承以实现支承定位，后太阳轮108通过螺栓与动力输出轴106固接，实现两者运动同步，后太阳轮108与后行星轮105啮合，后行星轮105与前行星轮204均安装在行星架107上，因此后行星轮105与前行星轮204有着相同的公转运动，前行星轮204与前太阳轮206啮合，实现运动传递，前太阳轮206与绕线轴205固接，实现运动同步，动力输出轴106另一端连接足-蹼结构3，从而将电机101的运动传递给足-蹼结构3。

因为后端行星轮系的后齿圈109是固定在底座401上的，无法转动，因此可以通过后太阳轮108驱动后端行星轮系转动，又由于前后行星轮系共用一个行星架107，前后行星轮的运动是同步的，当后行星轮105公转时，前行星轮204也进行转动；动力输出轴106运动时，收线电机201不工作，此时前齿圈203可以认为是固定不动的，前行星轮204转动，将会带动前太阳轮206转动，前太阳轮204与绕线轴205通过螺栓连接，实现运动同步，可以保证绕线轴205的运动与动力输出轴106同步，从而可以维持足-蹼结构的变形状态，能够满足在陆地运行时始终是C形足状态行进。

所述收线控制模块2包括收线电机201，收线电机201通过底座401上的安装孔，利用螺栓固定安装在底座401上，收线电机201的输出轴连接收线驱动齿轮202，收线驱动齿轮202与前端二级行星轮系的前齿圈203的外圈齿轮啮合，驱动前齿圈203运动，由于此时动力电机不工作，行星架107可以认为无法转动，因此前行星轮204只能自转，无法公转，通过前行星轮204自转带动前太阳轮206转动，前太阳轮206再带动绕线轴205转动，所述前太阳轮206与绕线轴205相连，通过固定在绕线轴205上的绕线盘301，将钢丝绳收紧，可变形足-蹼模块3完成变形。完成由蹼形足变为C形足的运动过程，实现两栖机器人推进单元的自动切换。

参见图4，为后端二级行星轮系，后齿圈109固定在底座401上，无法转动，后行星轮105安装在行星架107上，分别与后齿圈109和后太阳轮108啮合，起到运动传递的作用。

所述驱动模块工作原理，当驱动电机101工作时，直接带动动力输出轴106转动，驱动机器人运动，当机器人运动在陆地上时，要保证C形足状态运动，因此绕线轴205要与动力输出轴106同步转动，保证钢丝绳不松动，才能维持C形足的状态不改变，通过二级行星轮系，后太阳轮108与动力输出轴106同步转动，将运动传递给后行星轮105，此时后齿圈109不运动，因此后行星轮105进行公转，通过行星架107带动前行星轮204转动，而动力输出模块工作时，收线电机201不转动，此时可以认为前齿圈203不转动，因此前行星轮204将运动传递给前太阳轮206，从而带动绕线轴205转动，由于前后二级行星轮系齿数相同，无减速效果，因此绕线轴205与动力输出轴106的转速相同。

参见图5，为收线控制模块2，收线电机201安装在底座401上，收线驱动齿轮202安装在收线电机201的输出轴上，收线驱动齿轮202与前齿圈203的外齿圈啮合，将收线电机201的运动传递到前端二级行星轮系上。

参见图6，为前端二级行星轮系，前齿圈203安装在在底座前板402上，可以自由转动，前行星轮105安装在行星架107上，分别与前齿圈203和前太阳轮206啮合，起到运动传递的作用。

所述收线模块工作原理，收线电机201通过收线驱动齿轮202带动前齿圈203转动，当收线模块工作时，驱动电机101不转动，可以视作后太阳轮108不转动，后行星轮105无运动，因此行星架107被固定，前行星轮204只能自转，将运动传递给前太阳轮206，带动绕线轴205转动，将钢丝绳拉紧，实现足-蹼结构的动态变形。

参见图7、图8、图9，为可变形足-蹼模块3，绕线盘301为中空圆盘，穿过绕线轴205进行安装固定，与绕线轴同步运动，底座连接块304一端为圆孔，可以穿过绕线轴205，圆孔上装有四氟板衬套303，起到润滑作用，使得足-蹼结构转动更顺畅，底座连接块304另一端安装有第三联轴器302，第三连轴器302与动力输出轴106固定连接，与动力输出轴106同步转动。在弹簧钢307的一端，连接块305对称分布在两侧，用螺栓连接紧固，沿着连接块305往下，五对端块306左右对称分布，连接块305与连接块底座304通过螺栓连接固定。端块306中部有通孔，钢丝绳可以从底部开始，穿过通孔将个端块连接起来，连接块305中间也加工有通孔，将钢丝绳从通孔中穿过，再从连接块底座304底部的孔洞中穿出，拉紧后左右对称缠绕在绕线盘301上，可以通过顺逆时针转动绕线轴205，带动绕线盘301转动，从而实现足-蹼结构的双向变形。

参见图10，为底座模块4，底座401是采用3D打印的一个整体结构，其上分别有安装驱动电机101和收线电机201的电机安装座，后齿圈109固定安装在凸出的圆台结构上，前齿圈203通过轴承安装相对位置的底座前板402的圆台上，保证了二级行星轮系能够正常工作。外侧通过底座前板402和三个尼龙连接柱403实现行星轮系的轴向安装固定。底座401上有螺纹孔，可以将整个足-蹼结构安装在水陆两栖机器人上，作为推进单元驱动机器人的运动。

Claims (7)

1.一种二级行星齿轮系传动的可双向变形足-蹼结构，其特征在于，包括动力输出模块(1)、收线控制模块(2)、可变形足-蹼模块(3)以及底座模块(4)，所述底座模块(4)上安装有动力输出模块(1)和收线控制模块(2)，所述动力输出模块(1)和收线控制模块(2)之间设置有二级行星轮系，所述收线控制模块(2)控制可变形足-蹼模块(3)变形。

2.根据权利要求1所述的一种二级行星齿轮系传动的可双向变形足-蹼结构，其特征在于，所述动力输出模块(1)用于负责驱动可变形足-蹼模块(3)的转动，动力输出模块(1)包括驱动电机(101)，所述驱动电机(101)通过电机支座(102)固定到底座(401)上，电机(101)输出轴通过联轴器(103)与动力输出轴(106)一端连接，动力输出轴(106)另一端连接足-蹼结构(3)，动力输出轴(106)利用轴承支承安装在底座(401)上。

3.根据权利要求2所述的一种二级行星齿轮系传动的可双向变形足-蹼结构，其特征在于，所述二级行星轮系包括后端行星轮系和前端行星轮系，所述前后行星轮系共用一个行星架(107)，前后行星轮同步运动，后端行星轮系包括后太阳轮(108)，所述动力输出轴(106)与后端行星轮系的后太阳轮(108)采用螺栓连接紧固，实现运动同步，后太阳轮(108)和后行星轮(105)啮合，后行星轮(105)和后齿圈(109)啮合，后齿圈(109)固定在底座(401)上，前端行星轮系包括前太阳轮(206)，前太阳轮(206)与前行星轮(204)啮合，前行星轮(204)与前齿圈(203)啮合，前太阳轮(204)与绕线轴(205)通过螺栓连接，实现运动同步，绕线轴(205)设置在动力输出轴(106)上。

4.根据权利要求1所述的一种二级行星齿轮系传动的可双向变形足-蹼结构，其特征在于，所述收线控制模块(2)用于改变可变形足-蹼模块(3)的形状，完成C形足与蹼形足的转变，所述收线控制模块(2)包括收线电机(201)，收线电机(201)通过底座(401)上的安装孔，利用螺栓固定安装在底座(401)上，收线电机(201)的输出轴连接收线驱动齿轮(202)，收线驱动齿轮(202)与前端二级行星轮系的前齿圈(203)的外圈齿轮啮合，驱动前齿圈(203)运动，所述前太阳轮(206)与绕线轴(205)相连，通过固定在绕线轴(205)上的绕线盘(301)，将钢丝绳收紧，可变形足-蹼模块(3)完成变形。

5.根据权利要求1所述的一种二级行星齿轮系传动的可双向变形足-蹼结构，其特征在于，所述可变形足-蹼模块(3)包括弹簧钢(307)、端块(306)、连接块(305)以及连接块底座(304)，所述端块(306)从弹簧钢(307)一端开始布置，左右对称安装在弹簧钢(307)上并用螺栓螺母固定，所述连接块(305)左右对称固定在弹簧钢(307)的另一端，连接块(305)与连接块底座(304)相连，连接块底座(304)一侧有通孔，通过通孔安装在绕线轴(205)上，另一侧通过螺纹孔与第三联轴器(302)相连，并固定到收线轴上，用于实现可变形足-蹼模块(3)的固定。

6.根据权利要求5所述的一种二级行星齿轮系传动的可双向变形足-蹼结构，其特征在于，所述端块(306)与连接块(305)中部有小孔，钢丝绳从最末端端块(306)的小孔穿入，从连接块(305)上端孔中穿出，再穿过连接块底座(304)上的孔，连接到绕线盘(301)上。

7.根据权利要求1所述的一种二级行星齿轮系传动的可双向变形足-蹼结构，其特征在于，所述底座(401)采用3D打印的一个整体结构，底座(401)上分别有安装驱动电机(101)和收线电机(201)的电机安装座，并且通过凸出的圆台结构实现后齿圈(109)的固定安装，底座(401)外侧设置底座前板(402)，底座前板(402)用于实现行星轮系的轴向安装固定，电机安装座与底座前板(402)之间通过尼龙连接柱(403)连接。

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