CN116279900B - 传动装置及机器人腿部总成 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种传动装置及机器人腿部总成，涉及机器人技术领域，传动装置包括安装支架，安装支架转动连接有连接件，连接件连接有前后摆驱动组件和侧摆驱动组件，前后摆驱动组件通过齿轮传动带动连接件绕轴转动；连接件的一端用于转动连接大腿臂，大腿臂的转动轴线与连接件的转动轴线垂直，侧摆驱动组件安装于连接件内并用于带动大腿臂摆动；机器人腿部总成包括大腿臂和传动装置，大腿臂与连接件转动连接且转动轴线与连接件的转动轴线垂直。该申请能够使得机器人腿足关节共轴传动以降低控制算法难度的优点。
Description
技术领域
本申请涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种传动装置及机器人腿部总成。
背景技术
随着智能装备发展，机器人在人们工作生活中应用越来越广泛。机器人有轮式和腿足式，其中腿足式机器人由于对地形的适应性更好，因此在巡检等场景应用广泛。腿足摆动控制是腿足机器人行走运动的关键。
相关技术见申请号为201310279393.X的专利，其公开了一种腿型结构可变的模块化液压驱动四足机器人，单腿模块包含髋关节、大腿组件、膝关节、小腿组件和侧摆组件以及液压缸。
针对上述相关技术，通过控制液压缸驱动单腿模块工作，由于机器人智能化要求提高，在编写控制程序代码时，由于液压缸的轴线在运动中发生变化，增加了程序控制算法难度。
发明内容
为了改善目前机器人腿足控制因传动结构导致控制程序算法难度大的问题，本申请提供一种传动装置及机器人腿部总成。
第一方面，本申请提供的一种传动装置采用如下的技术方案：
一种传动装置，包括安装支架，安装支架转动连接有连接件，连接件连接有前后摆驱动组件和侧摆驱动组件，前后摆驱动组件通过齿轮传动带动连接件绕轴转动；连接件的一端用于转动连接大腿臂，大腿臂的转动轴线与连接件的转动轴线垂直，侧摆驱动组件安装于连接件内并用于带动大腿臂摆动。
第二方面，本申请提供的一种机器人腿部总成采用如下的技术方案：
一种机器人腿部总成，包括大腿臂和上述的传动装置，大腿臂与连接件转动连接且转动轴线与连接件的转动轴线垂直。
通过采用上述技术方案，连接件可以与大腿臂转动连接，动力部与连接件通过齿轮传动，使得大腿臂在进行前后摆动以及内外摆动时连接件的轴线保持不变，优化了腿部运动控制的算法程序。
综上，本申请包括以下有益技术效果：通过对机器人腿足关节共轴传动设计以降低控制算法难度。
附图说明
图1为本申请实施例机器人腿部总成的结构示意图；
图2为安装支架的结构示意图；
图3为图2中的俯视图；
图4为图3中A-A向的剖视图；
图5为腿足前后摆动机构的结构示意图；
图6为图5的俯视图；
图7为图6中B-B向的剖视图；
图8为滑座位置的连接结构示意图；
图9为传动组件的结构示意图；
图10为安装座的结构示意图；
图11为髋关节机构与大腿臂连接结构示意图；
图12为连接件的结构示意图；
图13为图12的左视图；
图14为图13中C-C向的剖视图；
图15为侧摆驱动组件的结构示意图；
图16为髋关节机构的剖视图。
附图标记说明：
1、安装支架；11、第一侧板；12、第二侧板；121、固定孔；13、连接座；14、固定部；15、第一轴孔；16、第二轴孔；17、安装槽；
2、前后摆驱动组件；21、第一液压缸；211、活塞杆；22、第一滑轨；23、滑块；24、连接块；241、插口；242、第一耳板；243、斜面；25、第一连杆；
3、传动组件；31、安装座；311、连接部；312、第二耳板；313、开口；314、第三轴孔；315、固定孔；32、齿板；33、转轴；34、从动齿轮；
4、连接件；41、安装管；411、安装孔；412、定位环；413、安装槽；414、操作口；415、穿孔；416、固定孔；42、连接环；43、支臂；431、第四轴孔；432、销孔；433、退让槽；434、线道；
5、侧摆驱动组件；51、第二液压缸；52、第二滑轨；53、滑座；54、第二连杆；
6、大腿臂；61、内耳板；
7、轴承；
8、端盖。
具体实施方式
以下结合附图1-16对本申请作进一步详细说明。
本申请实施例公开了一种机器人腿部总成。
参考图1，机器人腿部总成包括安装支架1、腿足前后摆动机构、髋关节机构和大腿臂6，髋关节机构与大腿臂6连接并带动大腿臂6做内外侧摆，腿足前后摆动机构带动髋关节机构转动，使得大腿臂6进行前后摆动，腿足前后摆动机构与髋关节机构安装在安装支架1上实现共轴传动，简化控制系统算法难度。
参考图2至图4，安装支架1包括第一侧板11、第二侧板12和连接座13，第一侧板11与第二侧板12平行设置，连接座13固定于第一侧板11和第二侧板12之间。
第二侧板12与第一侧板11的中部对应开设有第一轴孔15，第二侧板12与第一侧板11的一端对应开设有第二轴孔16，第一轴孔15与第二轴孔16的中心连线与连接座13的长度方向平行。
为了减轻安装支架1的整体重量，第一侧板11与第二侧板12上均开设有减重孔，使得第一侧板11与第二侧板12呈镂空结构。第一侧板11与第二侧板12对应第二轴孔16的端部轮廓呈圆弧形。
第二侧板12远离第二轴孔16的一端较第一侧板11延伸一段形成有固定部14，第二侧板12远离连接座13的一侧开设有固定孔121。第一侧板11远离第二轴孔16的一端呈梯形设置。安装支架1位于连接座13与第二轴孔16之间的区域形成有安装槽17。安装支架1位于第一轴孔15与第二轴孔16的周围开设有钉孔，安装支架1位于第二轴孔16的周围还设有多个连接筋。连接座13上开设有钉孔。
参考图5至图7，腿足前后摆动机构包括前后摆驱动组件2和传动组件3，前后摆驱动组件2带动传动组件3实现传动。
前后摆驱动组件2包括第一液压缸21、第一滑轨22、滑座和第一连杆25。第一滑轨22可以通过螺栓固定在安装支架1的连接座13上，第一滑轨22的长度方向与第一轴孔15的轴线垂直；滑座能够沿着第一滑轨22长度方向相对滑移，第一液压缸21的缸体通过螺栓固定在安装支架1的固定部14处，第一液压缸21的活塞杆211与滑座连接，以便第一液压缸21能够带动滑座沿着第一滑轨22往复移动。第一液压缸21可以选用双作用液压缸。
结合图8，滑座包括固定连接的滑块23和连接块24，滑块23与连接块24的固定方式可以为螺栓连接、卡接、嵌固、焊接或一体成型等。滑块23上设有与第一滑轨22配合的滑槽，滑块23能够沿着第一滑轨22长度方向相对滑动。连接块24此处选用螺栓与滑块23固定，以便进行拆卸更换。
连接块24的一端开设有插口241，第一液压缸21的活塞杆211端部插接在插口241中并固定；连接块24的另一端固定有第一耳板242，第一连杆25的端部与第一耳板242之间通过销杆铰接连接，销杆的轴线与第一滑轨22垂直设置并平行于连接块24远离第一滑轨22的平面，使得第一连杆25能够在经过第一滑轨22的平面上转动。
连接块24设置第一耳板242区域的厚度小于连接块24设置插口241区域的厚度，为了减少连接块24对第一连杆25转动的影响，连接块24位于插口241和第一耳板242之间的位置设有斜面243。
参考图9和图10，传动组件3包括安装座31和齿板32，安装座31包括具有第三轴孔314的轴套，轴套的周向外壁固设有用于固定连接齿板32的连接部311，齿板32与连接部311可拆卸固定，齿板32上的齿牙外缘中心轴与轴套的中心重合。
安装座31通过第三轴孔314与转轴33配合转动连接于安装支架1的第一轴孔15，安装座31能够绕转轴33转动，固定在安装座31上的齿板32位于安装槽17位置并能够进行齿轮转动动作。当齿板32上的齿牙出现磨损或损坏需要更换时，将齿板32从连接部311上拆下并安装新的齿板32，则传动组件3仍然可以继续工作，延长整体的使用寿命。齿板32与安装座31还可以通过其他可拆卸方式连接，如卡接、插接、榫接、嵌固等。
连接部311设有至少一个连接孔，齿板32可以通过穿设于连接孔上的螺栓与连接部311固定连接。连接孔这里有4个，4个连接孔可以均匀分布。在其他实施方式中，连接孔的数量还可以为1个、2个、3个、5个及以上等，具体根据实际需要选择。
当传动组件3不需要进行完整的圆周运动而只需要部分圆弧运动时，齿板32可以为一弧形板，相应的，连接部311也可以为弧形板。
在轴套的外壁固定有第二耳板312，第二耳板312用于与第一连杆25铰接，通过第一液压缸21带动滑座移动对传动组件3施加力矩。
当第一连杆25位于安装座31的中部位置时，为了避免第一连杆25与安装座31产生干涉而影响转动，在轴套的中部沿周向弧面开设有开口313，第二耳板312设置在轴套外壁对应开口区域。第二耳板312可以设置在开口313的一端，这样能够使得安装座31转动更大角度。在其他实施方式中，第二耳板312也可以设置在轴套对应开口313的中间某一位置。
为了使得齿板32安装后，整个传动组件尽可能少的出现重心偏移，这里第二耳板312有两个并分布于开口313两侧。连接部311位于轴套与开口313相对的弧面区域。连接部311的一侧端面与开口313的中间截面接近设置，连接部311的另一侧端面远离开口313设置。
为了便于转轴33与安装座31的安装拆卸，安装座31沿径向设有贯穿侧壁的固定孔315。这样当安装座31套设在转轴33上后，通过螺栓穿过固定孔315拧紧固定。
为了提高螺栓的螺帽与安装座31外壁的接触紧密性，减少螺栓松动的可能，安装座31的轴套外壁位于固定孔315的周围区域为平面。
在本申请实施例的其他实施方式中，第二耳板312也可以有一个并位于安装座31的一侧，此时安装座31上也可以不开设开口313，安装时第一连杆25从安装座31的侧端与第二耳板312铰接。
在本申请实施例的其他实施方式中，连接部311也可以有两个或以上数量，多个连接部311可以沿安装座31的周向分布，多个连接部311连接的齿板32可以形成不完全齿轮。或者，至少有两个连接部311沿着轴套的轴线方向设置，这样安装座31转动时能够带动多个并排的连接部311转动，这样传动组件3可以构成双联齿结构。
根据需要，齿板32可以为弧形板或扇形板，也可以为圆形板。齿板32上的齿牙模数可以进行调整，这样，能够适合不同的传动比需要。
第一液压缸21带动滑座沿着第一滑轨22移动时，由于第一连杆25与传动组件3偏心连接，滑座通过第一连杆25带动传动组件3转动，通过滑座在第一滑轨22上的直线往复移动，转化为传动组件3绕自身轴线的往复摆动，从而驱动与传动组件3啮合的腿足前后摆动。由于第一液压缸21带动滑座直线移动，不会受到传统电机驱动产生的扭矩影响，易于控制。
参考图11至图14，髋关节机构包括连接件4和侧摆驱动组件5，侧摆驱动组件5用于带动大腿臂6做内外摆动。
连接件4包括同轴固定连接的安装管41和连接环42，连接环42远离安装管41的一端固定有一对支臂43，支臂43用于与大腿臂6转动连接。
结合图15，侧摆驱动组件5包括第二液压缸51、第二滑轨52、滑座53和第二连杆54，第二液压缸51同轴连接于安装管41远离连接环42的一端，第二滑轨52沿安装管41轴向固定在安装管41内壁，滑座53连接于第二滑轨52并相对第二滑轨52滑移，第二液压缸51的活塞杆与滑座53连接，第二连杆54的一端与滑座53铰接，第二连杆54的另一端与大腿臂6铰接。
支臂43与大腿臂6转动连接形成初步支撑，连接件4可以通过轴承7转动连接于安装支架1的第二轴孔16中，第二液压缸51的活塞杆伸缩能够带动位于安装管41内的滑座53在第二滑轨52上滑移，滑座53通过第二连杆54驱动大腿臂6绕转动轴摆动。这样机器人运动时，髋关节的第二液压缸51轴线能够保持相对不变，位置基准简化，方便优化机器人控制算法程序。
支臂43远离安装管41的一端开设有第四轴孔431，第四轴孔431的轴线与安装管41的轴线垂直。大腿臂6的端部设有内耳板61，支臂43通过穿设于第四轴孔431的转轴与大腿臂6转动连接，第二连杆54与内耳板61通过销轴转动连接。
结合图12至图14，安装管41的侧壁沿径向设有穿孔415，传动组件3还包括套设于安装管41外部的从动齿轮34，从动齿轮34通过穿设于穿孔415的螺钉固定以防止周向滑移。从动齿轮34与齿板32的外缘啮合，这样当髋关节机构通过传动组件3与前后摆驱动组件2连接后，使得髋关节机构可以同步整体绕安装管41轴线转动，由于通过齿轮传动，从而能够提高腿足的前后摆动精确性。穿孔415可以有多个并沿安装管41的周向均匀分布，使得从动齿轮34与安装管41的连接点受力均匀，固定牢靠。
参考图12至图14，安装管41的内壁沿轴向设有安装槽413，安装管41位于安装槽413的区域开设有固定孔416，第二滑轨52可以通过穿过固定孔416的螺钉与安装管41固定。安装槽413的横截面可以呈阶梯状，也可以是其他形状如矩形、梯形、半圆形、圆形等。
在本申请实施例的其他实施方式中，第二滑轨52也可以与安装管41嵌固或者一体成型。
安装管41内部中空形成安装孔411，安装管41远离连接环42的一端内壁固设有定位环412，第二液压缸51的缸体端部可以抵接在定位环412处并通过轴承连接于安装管41。
为了便于操作或观察，安装管41上还开设有操作口414，操作口414靠近定位环412设置。穿孔415与定位环412位于操作口414沿安装管41轴向的两端。
连接环42的外壁可以为台阶状结构，轴承7可以套设在连接环42处，使得机器人腿足髋关节能够转动支撑于安装支架1上。为了对轴承7进行防护，连接环42上还套设有端盖8，端盖8可以通过螺钉固定在安装支架1的第二轴孔16上。连接环42的轮廓外径大于安装管41的外径，连接环42增加了支臂43与安装管41连接处的结构强度。
结合图12至图14，支臂43上的第四轴孔431高度对应安装孔411设置。支臂43沿第四轴孔431径向设有销孔432，转轴穿过销孔432后可以通过螺钉固定，保持转轴相对支臂43固定，仅有大腿臂6转动。
为了减少机器人腿足移动时线路发生缠绕而出现故障的现象，支臂43上开设有用于线缆穿设的线道434，线道434可以沿着安装管41的轴向设置。线道434可以分布在一个支臂43上，也可以在两个支臂43均有分布。每个支臂43上可以是一个线道434，也可以是2个或3个线道，具体根据需要设计。
参考图14至图16，大腿臂6绕转轴摆动时为了减少大腿臂6的顶端与支臂43之间干涉而影响摆动范围，支臂43位于第四轴孔431靠近连接环42的一侧边缘形成有退让槽433。
该机器人腿部总成的工作原理如下：
第一液压缸21带动滑块23在第一滑轨22上往复移动，与连接块24连接的第一连杆25偏心拉动安装座31往复摆动，从而齿板32往复摆动，与齿板32啮合的从动齿轮34则相应往复转动。
由于连接件4与从动齿轮34同轴固定连接，连接件4往复进行转动，与连接件4转动连接的大腿臂6进行前后摆动。髋关节机构通过齿轮传动在前后摆驱动组件2的动力下进行转动，从而实现大腿臂6绕安装管41轴线摆动时能够精准控制。
第二液压缸51工作带动滑座53沿着第二滑轨52往复滑移，与滑座53连接的第二连杆54拉动大腿臂6上的内耳板61进行往复摆动，从而大腿臂6实现内外摆动。
机器人腿足在整个运动过程中，侧摆驱动组件5的第二液压缸51的轴线以及前后摆驱动组件2的第一液压缸21的轴线保持不变，有利于优化机器人控制算法程序。
控制算法简化原理说明如下，以相邻两关节传动为例，三维直角坐标系1(x1,y1,z1)绕z1轴旋转θ1，三维直角坐标系2(x2,y2,z2)绕x2轴旋转θ2，一般两关节转换时，以坐标系1为参考坐标系、坐标系2相对于坐标系1的空间坐标表示如下：
当两关节轴线相交为一点即两关节坐标系原点重合时，矩阵中表示两关节坐标系原点距离的x2、y2、z2为0，能够简化传动控制软件中的矩阵表达，简化后的空间坐标表示为
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种传动装置，包括安装支架(1)，其特征在于：安装支架(1)转动连接有连接件(4)，连接件(4)连接有前后摆驱动组件(2)和侧摆驱动组件(5)，前后摆驱动组件(2)通过齿轮传动带动连接件(4)绕轴转动；连接件(4)的一端用于转动连接大腿臂(6)，大腿臂(6)的转动轴线与连接件(4)的转动轴线垂直，侧摆驱动组件(5)安装于连接件(4)内并用于带动大腿臂(6)摆动；前后摆驱动组件(2)包括第一液压缸(21)、第一滑轨(22)、滑座和第一连杆(25)，第一滑轨(22)固定于安装支架(1)，第一滑轨(22)的长度方向与连接件(4)的转动轴线垂直；第一液压缸(21)的缸体固定在安装支架(1)，第一液压缸(21)的活塞杆(211)与滑座连接并能带动滑座沿第一滑轨(22)相对滑移；第一连杆(25)的一端与滑座铰接，第一连杆(25)的另一端连接传动组件(3)；传动组件(3)包括安装座(31)和齿板(32)，安装座(31)转动连接于安装支架(1)，安装座(31)的转动轴线与连接件(4)的转动轴线平行，安装座(31)包括具有第三轴孔(314)的轴套，轴套的周向外壁固设有用于固定连接齿板(32)的连接部(311)，齿板(32)与安装座(31)可拆卸固定，在轴套的外壁固定有第二耳板(312)，第二耳板(312)用于与第一连杆(25)铰接。
2.根据权利要求1所述的传动装置，其特征在于：连接件(4)上同轴固设有从动齿轮(34)，安装支架(1)转动连接有主动齿轮，主动齿轮与从动齿轮(34)啮合，前后摆驱动组件(2)与主动齿轮连接并能够带动主动齿轮旋转。
3.根据权利要求1或2所述的传动装置，其特征在于：连接件(4)包括安装管(41)和一对支臂(43)，支臂(43)沿安装管(41)的轴线设置并固定于安装管(41)的一端，安装管(41)与安装支架(1)转动连接，支臂(43)远离安装管(41)的一端开设有轴孔，轴孔的轴线与安装管(41)的轴线垂直。
4.根据权利要求3所述的传动装置，其特征在于：传动装置还包括侧摆驱动组件(5)，侧摆驱动组件(5)包括第二液压缸(51)、第二滑轨(52)、滑座(53)和第二连杆(54)，第二滑轨(52)沿轴线固定于安装管(41)的内壁，第二液压缸(51)连接于安装管(41)远离支臂(43)的一端，第二液压缸(51)能够带动滑座(53)沿第二滑轨(52)相对滑移，第二连杆(54)的一端与滑座(53)铰接，第二连杆(54)的另一端伸出安装管(41)朝向支臂(43)设置。
5.根据权利要求4所述的传动装置，其特征在于：第二液压缸(51)的缸体与安装管(41)的端部转动连接。
6.根据权利要求3所述的传动装置，其特征在于：支臂(43)沿轴孔径向设有销孔(432)。
7.根据权利要求3所述的传动装置，其特征在于：至少一个支臂(43)设有用于线缆穿设的线道(434)。
8.根据权利要求3所述的传动装置，其特征在于：支臂(43)位于轴孔靠近安装管(41)的一侧边缘形成有退让槽(433)。
9.一种机器人腿部总成，包括大腿臂(6)，其特征在于：还包括权利要求1-8中任一所述的传动装置，大腿臂(6)与连接件(4)转动连接且转动轴线与连接件(4)的转动轴线垂直。
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- 2023-02-14 CN CN202310110595.5A patent/CN116279900B/zh active Active
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