CN205417850U - 一种基于线齿轮传动的六足仿生机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于线齿轮传动的六足仿生机器人，包括机体、单片机及两个微电机、两根相互平行且分别与两个微电机连接的传动轴、六个主动轮及从动轮及竖直柱状足，主动轮包括主动轮轮体、至少两个沿周向均布于主动轮轮体端面的空间螺旋线状主动线齿，从动轮包括从动轮轮体、多个均布于从动轮轮体周向的圆弧线状从动线齿，每根传动轴固定三个主动轮轮体，机体两侧各有三根固定从动轮轮体的输出轴，输出轴与传动轴间夹角为0～180°，主动线齿与从动线齿啮合，机体两侧各滑动配合三根滑杆，足活动穿过滑杆，输出轴与足之间有连杆，输出轴与连杆之间有离合器。本实用新型体积小、成本低、控制简单、传动比大，可在微小空间和复杂环境下工作。

Description

一种基于线齿轮传动的六足仿生机器人

技术领域

本实用新型涉及可在微小空间内行走的仿生机器人，尤其涉及一种基于线齿轮传动的六足仿生机器人。

背景技术

人们对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史，人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。1959年，第一台工业机器人在美国诞生，近几十年，各种用途的机器人相继问世，使人类的许多梦想变成了现实。随着机器人工作环境和工作任务的复杂化，机器人具有在微小空间内和复杂环境下能够实现工作的要求越来越迫切。而传统机器人简单的轮子和履带的移动机构已不能适应多变复杂的环境要求。

传统机器人：

（1）轮式机器人

轮式机器人的机构设计属于机械领域，在设计过程中不仅要考虑自身重量的影响，还要考虑到工作环境的影响，而且不能对数据的采集和分析产生干扰。在轮式机器人的机构设计中，最为重要的是转向机构的设计，如今，转向机构主要分为如下几种：艾克曼转向（前轮转向前轮驱动或者前轮转向后轮驱动）；滑动转向（两侧车轮独立驱动）；全向转动（基于全方位移动轮构建，如麦克纳姆轮）；轴－关节转向（车轮转动幅度较大）；车体－关节转向（转弯半径小，转向灵活，但是轨迹难以控制），在轮式机器人的设计中应根据具体需要来选择转向机构的设计。

（2）履带式机器人

履带式移动机器人的主要特点是两个履带独立驱动。其优点有，运动越障性好，可以原地转动，在不平的路面上运动性能良好，可以通过松软路面。缺点是运动速度缓慢，速度和方向不能单独控制，摩擦力很大，能量损失大，需要保持履带的张紧。

目前机器人体积大、成本高、控制算法复杂、较难实现大负载的运动，而且无法满足在微小空间内和复杂环境下能够实现工作的要求。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种基于线齿轮传动的六足仿生机器人，其体积小，且能够实现复杂环境的工作要求。

为实现上述目的，本实用新型的具体方案为：

一种基于线齿轮传动的六足仿生机器人，包括机体、位于机体内的单片机及两个微电机、两根相互平行的传动轴、六个主动轮、六个从动轮、六个竖直的柱状足，主动轮包括柱状主动轮轮体、至少两个沿周向均布于主动轮轮体端面的空间螺旋线状主动线齿，从动轮包括柱状从动轮轮体、多个均布于从动轮轮体周向的圆弧线状从动线齿，两根传动轴分别与两个微电机的输出端连接，其中三个主动轮的主动轮轮体分别同轴固定在一根传动轴上，另三个主动轮的主动轮轮体分别同轴固定在另一根传动轴上，在机体的两侧分别设有三根相互平行的输出轴，输出轴与传动轴之间的夹角为0～180°，其中三个从动轮的从动轮轮体分别同轴固定于机体一侧的三根输出轴上，另三个从动轮的从动轮轮体分别同轴固定于机体另一侧的三根输出轴上，六个主动轮的主动线齿分别与六个从动轮的从动线齿相啮合，在机体的两侧端面上分别设有水平的T型槽，在两侧的T型槽内分别滑动配合三根T型滑杆，在滑杆的端部设有轴心为竖直的圆环，六个柱状足分别活动穿过六根滑杆的圆环，在输出轴与柱状足之间设有Z型连杆，连杆的一端与输出轴端部连接，连杆的另一端与柱状足的顶端连接，在输出轴与连杆之间设有转向离合器。

主动线齿与从动线齿的横截面直径分别至少为0.1mm。

从动线齿的个数为主动线齿的个数与主、从动轮传动比之积。

在机体的前端、后端分别设有传感器。

两个微电机的驱动方向相反。

单片机与两个微电机及转向离合器电连接，六个柱状足采用三角步态方式行走，三角步态方式行走的两组足的三角步态相位差为0.5π。

主动轮、从动轮采用激光快速成型制造。

本实用新型主动轮与从动轮两个线齿轮为新型齿轮传动机构，不是基于传统齿轮的空间曲面啮合原理，而是基于空间曲线啮合原理，即实现啮合传动的是一对相互啮合的空间曲线。主动线齿曲线形状为空间螺旋线，从动线齿曲线形状为与主动线齿共轭的空间圆弧曲线。主动线齿均匀布置在主动轮的端部的一个圆周上，从动线齿均匀布置在从动轮柱面的圆周上，主动线齿与从动线齿作用可实现连续的空间啮合传动。

本实用新型微电机通过传动轴与主动轮轮体联接，多个主动线齿均匀安装在主动轮轮体的端面上，主动线齿纵向截面与主动轮体的平面垂直。多个从动线齿单排径向均匀布置在从动轮轮体的圆周上；主动轮轴与从动轮轴相互垂直，主动轮和从动轮组成一对传动副，通过主动线齿和从动线齿的啮合运动传动；当主动轮运动时，主动线齿开始与从动线齿接触，从动线齿阻碍主动线齿运动，其间的相互作用产生阻力，这个阻力即为传动力，从而实现传动。主动线齿为螺旋线形状，从动线齿为与主动线齿共轭的空间曲线。主动线齿至少为2个，从动轮线齿的个数为主动轮线齿的个数与传动比之积。主动线齿与从动线齿横截面直径为0.1mm以上。

线齿轮传动机构只有一个传动副，使得传动系零件数减至最少，且能实现在较高转速下的连续传动；与传统微小型变速机构（如微小行星齿轮机构）相比，该传动系结构十分简单，传动比大，占用体积比相同传动比的类似机构小很多；而此类传动技术（如SMA传动、热膨胀传动、压电传动和电磁传动），只能实现瞬间步进直线传动，很难实现平稳的连续旋转传动。线齿轮传动机构主要用于微小机电领域，如：微胶囊机器人、管道微小机器人等。

本实用新型的优点:

（1)在相同空间内，本设计的线齿轮与传统齿轮相比，主动轮与从动轮转速比更大，可达20:1，可以代替传统减速器，同时减小机器人体积，且传动系结构简单。线齿轮采用的是基于空间曲线啮合原理的技术。

(2)线齿轮主、从动线齿直径最小可达0.1mm，并且主动轮与从动轮可以实现任意角度的交错轴传动，更有利于缩小机器人体积，从而实现机器人在微小空间内和复杂环境下工作的要求。

(3)制造成本低，线齿轮等零件采用激光快速成型制造方法。同时把传统六足机器人的18个舵机改为2个电动机加电磁离合器，来实现机器人的行走，大大降低了成本与操作难度。

(4)控制简单快捷，节省成本，可实现较大负载运动。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为主动轮的结构示意图。

图3为从动轮的结构示意图。

图4为空间曲线啮合齿轮机构空间啮合原理示意图。

图中：机体1、T型槽1-1、单片机2、微电机3、传动轴4、主动轮5、主动轮轮体5-1、主动线齿5-2、从动轮6、从动轮轮体6-1、从动线齿6-2、左足一7、左足二8、左足三9、右足一10、右足二11、右足三12、输出轴13、滑杆14、圆环14-1、连杆15、转向离合器16、传感器17。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本实用新型作进一步说明。

实施例1：参见图1～图4，一种基于线齿轮传动的六足仿生机器人，包括机体1、位于机体1内的单片机2及两个微电机3、两根相互平行的传动轴4、六个主动轮5、六个从动轮6、六个竖直的柱状足，六个柱状足分别为左足一7、左足二8、左足三9、右足一10、右足二11、右足三12。

主动轮5包括柱状主动轮轮体5-1、六个沿周向均布于主动轮轮体5-1端面的空间螺旋线状主动线齿5-2，从动轮6包括柱状从动轮轮体6-1、多个均布于从动轮轮体6-1周向的圆弧线状从动线齿6-2。

两根传动轴4分别与两个微电机3的输出端连接，其中三个主动轮5的主动轮轮体5-1分别同轴固定在一根传动轴4上，另三个主动轮5的主动轮轮体5-1分别同轴固定在另一根传动轴4上，在机体1的两侧分别设有三根相互平行的输出轴13，本实施例输出轴13与传动轴4之间的夹角α为90°，输出轴13与传动轴4相垂直，其中三个从动轮6的从动轮轮体6-1分别同轴固定于机体1一侧的三根输出轴13上，另三个从动轮6的从动轮轮体6-1分别同轴固定于机体1另一侧的三根输出轴13上，六个主动轮5的主动线齿5-2分别与六个从动轮6的从动线齿6-2相啮合，在机体1的两侧端面上分别设有水平的T型槽1-1，在两侧的T型槽1-1内分别滑动配合三根T型滑杆14，在滑杆14的端部设有轴心为竖直的圆环14-1，六个柱状足分别活动穿过六根滑杆14的圆环14-1，在输出轴13与柱状足之间设有Z型连杆15，连杆15的一端与输出轴13端部连接，连杆15的另一端与柱状足的顶端连接，在输出轴13与连杆15之间设有转向离合器16。

主动线齿5-2与从动线齿6-2的横截面直径分别为1.2mm。

在机体1的前端、后端分别设有传感器17。

两个微电机3的驱动方向相反。

单片机2与两个微电机3及转向离合器16电连接，六个柱状足采用三角步态方式行走，三角步态方式行走的两组足的三角步态相位差为0.5π。

主动轮5、从动轮6采用激光快速成型制造。

如图4，S（o-x,y,z)及S_p(o_p-x_p,y_p,z_p)是两个空间坐标系，o、o_p分别为两个坐标系的原点，z轴与主动轮5的回转轴线重合，z_p轴与从动轮6的回转轴线重合,两轴之间的夹角为0～180°。x轴与z_p的间距为b，z轴与x_p轴的间距为a，a、b取值范围根据主动轮5和从动轮6半径来定，a不超过主动轮5直径，b不超过从动轮6直径。主动轮5以匀角速度ω₁绕z轴旋转，从动轮6以匀角速度ω₂绕z_p轴旋转。

主动线齿5-2的螺旋线方程为：

m为螺旋半径，p为螺距，-π≤θ≤-0.5π（θ为变量）。

与主动线齿5-2共轭的从动线齿6-2的曲线方程为：

β₁为啮合点M的主法失，即。

本实施例主动线齿5-2螺旋半径m=3mm，螺距p=6πmm。主动轮5与从动轮6传动比为3，主动线齿5-2数目n₁＝6，从动线齿6-2数目n₂＝n₁×3=18，线齿直径D＝1.2mm，主动轮5转轴与从动轮6转轴夹角为90°。与之共轭的从动线齿6-2的曲线方程：

式中θ为变量，-π≤θ≤-0.5π。

本实用新型一种基于线齿轮传动的六足仿生机器人采取三角步态，将六柱状足分为两组，左足二8、右足一10、右足三12为一组，左足一7、左足三9、右足二11为一组，两组三角步态相位差为0.5π，一组足运动时，另一组足保持原状态，如此轮换运动，通过足底摩擦力实现行走。

传感器17作为机器人的眼睛，微电机3驱动机器人行走，通过转向离合器16的结合与分开实现来实现机器人的转向，通过主动轮5带动从动轮6，然后从动轮6把扭力带给Z型连杆15，Z型连杆15带动机器人的六个柱状足行走，柱状足利用足底的摩擦力实现行走。

通过单片机2控制微电机3以及转向离合器16实现三角步态，单片机2发出指令使六个转向离合器16分别张开或结合，微电机3转动带动左足二8、右足一10、右足三12三足抬起，然后落下，接着抬起左足一7、左足三9、右足二11三足，反复循环，从而使其行走。而前后的传感器17可以检测到路障的高低，给出信号使六足的抬起高度随其变化。六足机器人的转向是通过离合器的结合与分开实现。

本实用新型克服了现有技术存在的不足，现有机器人无法满足在微小空间内和复杂环境下工作的要求，本实用新型的机器人极大地缩小了体积，且能够实现在复杂环境下工作。

Claims (7)

1.一种基于线齿轮传动的六足仿生机器人，其特征在于：包括机体、位于机体内的单片机及两个微电机、两根相互平行的传动轴、六个主动轮、六个从动轮、六个竖直的柱状足，主动轮包括柱状主动轮轮体、至少两个沿周向均布于主动轮轮体端面的空间螺旋线状主动线齿，从动轮包括柱状从动轮轮体、多个均布于从动轮轮体周向的圆弧线状从动线齿，两根传动轴分别与两个微电机的输出端连接，其中三个主动轮的主动轮轮体分别同轴固定在一根传动轴上，另三个主动轮的主动轮轮体分别同轴固定在另一根传动轴上，在机体的两侧分别设有三根相互平行的输出轴，输出轴与传动轴之间的夹角为0～180°，其中三个从动轮的从动轮轮体分别同轴固定于机体一侧的三根输出轴上，另三个从动轮的从动轮轮体分别同轴固定于机体另一侧的三根输出轴上，六个主动轮的主动线齿分别与六个从动轮的从动线齿相啮合，在机体的两侧端面上分别设有水平的T型槽，在两侧的T型槽内分别滑动配合三根T型滑杆，在滑杆的端部设有轴心为竖直的圆环，六个柱状足分别活动穿过六根滑杆的圆环，在输出轴与柱状足之间设有Z型连杆，连杆的一端与输出轴端部连接，连杆的另一端与柱状足的顶端连接，在输出轴与连杆之间设有转向离合器。

2.根据权利要求1所述的基于线齿轮传动的六足仿生机器人，其特征在于：主动线齿与从动线齿的横截面直径分别至少为0.1mm。

3.根据权利要求2所述的基于线齿轮传动的六足仿生机器人，其特征在于：从动线齿的个数为主动线齿的个数与主、从动轮传动比之积。

4.根据权利要求1或2或3所述的基于线齿轮传动的六足仿生机器人，其特征在于：在机体的前端、后端分别设有传感器。

5.根据权利要求4所述的基于线齿轮传动的六足仿生机器人，其特征在于：两个微电机的驱动方向相反。

6.根据权利要求5所述的基于线齿轮传动的六足仿生机器人，其特征在于：单片机与两个微电机及转向离合器电连接，六个柱状足采用三角步态方式行走，三角步态方式行走的两组足的三角步态相位差为0.5π。

7.根据权利要求1所述的基于线齿轮传动的六足仿生机器人，其特征在于：主动轮、从动轮采用激光快速成型制造。