CN2312160Y - 能效型步行腿机构 - Google Patents
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Abstract
一种能效型步行腿机构,属步行机器人技术领域。本步行腿机构由变换机构和驱动系统两部分组成,驱动系统由电机、传动齿轮、丝杠、滑块、滑动轴、连杆组成。变换机构由大腿、小腿、连杆所组成。驱动系统的电机驱动传动齿轮和丝杠运动,使滑块在滑动轴上上、下滑动,带动连杆运动,从而使变换机构的大腿、小腿运动,完成行走动作。本步行腿机构输入运动由两个驱动器的协作驱动产生,从而降低了对单个驱动器峰值输出功率的要求,使得驱动器和整个步行机自身的重量和体积减小,有利于整个机器能量效率的提高。
Description
本实用新型涉及一种能效型步行腿机构，属步行机器人技术领域。该腿机构实现足端水平运动和垂直运动的相互分离，且这两种运动的实现是由两个驱动器协作共同产生，有效地利用驱动耦合，具有较好的能量效率，可用作步行机器人、步行车辆的移动机构。
腿机构是步行机器人与步行车辆的重要组成部分，其设计是步行机的关键技术之一，因为它对整个机器的能量效率有很大的影响，特别是对在野外作业的步行机来说，必需自身携带能源，且只能用其有限的能量来完成作业。另一方面其载重量是有限的，所携带的能源在重量和体积上受一定的限制。但是，人们总希望它能走更远的距离和工作更长的时间，唯一的方法就是提高步行机的效率，其中腿机构的合理设计是提高效率的重要途径。
目前，国内外步行机所采用的几种常用形式的腿机构有关节式、缩放式等。
关节式腿机构是人们受自然界动物腿的启发设计出的。由于肌肉的分散驱动形式和机械系统的集中驱动形式之间存在本质差别，实际通过机械仿生得到的关节式腿在行走时，关节驱动器存在反驱动状态。反驱动的结果使相当一部分能量转换成热能而消耗掉了。所以，关节式腿有着较差的能量效率。
图1是关节式腿机构示意图，其中1是机体，2是大腿，3是小腿，A和B处分别为髋关节和膝关节。如图所示，髋关节A驱动大腿2相对机体1运动，膝关节B驱动小腿3相对大腿2运动，协调控制关节A和B的运动，可在足端C点实现要求的轨迹。在这个运动过程中，关节A或B会出现运动和驱动力方向相反的状态，即所谓的反驱动状态，其结果使相当一部分能量转换成热能而消耗掉了。
缩放式腿机构实现了足端水平运动和垂直运动的完全分离，相应的输入运动可完全分离为两个驱动器的独立运动，因而可获得较好的能量效率。但是，由于驱动的独立性，在步行中有较高的峰值功率需求时，使得相应的那个驱动器必需能满足该功率需求，即输入水平运动的驱动器应满足水平运动的峰值功率需求，输入垂直运动的驱动器应满足垂直运动的峰值功率需求，所以，结果使得每一个驱动器必须有较高的额定功率，这就使得它们的重量和体积相应地较大，从而造成了步行机自身整体重量和体积的庞大。从这一角度求看，采用缩放式腿机构对整个步行机的能量效率同样很不利。图2是缩放式腿机构示意图，其中，4是机体，5是水平滑块，6是垂直滑块，7是缩放机构。如图所示，ABDE为平行四边形，A点、B点和C点成一直线。驱动滑块5运动，C点产生水平运动，驱动滑块6运动，C点产生垂直运动，所以该机构实现了足端水平运动和垂直运动的完全分离。但是，由于驱动的独立性，每一个驱动器有较高的额定功率，它们的重量和体积相应地较大，造成了步行机自身整体重量和体积的庞大，这对提高步行机的能量效率很不利。
本实用新型的目的是设计一种能效型步行腿机构，一方面能完全消除反驱动现象出现，实现足端水平运动和垂直运动的完全分离，提高单腿的能量效率。另一方面，输入运动由两个驱动器的协作驱动产生，使步行中的峰值功率需求由两个驱动器平均分配提供，以降低对单个驱动器最大输出功率的需求，使得驱动器和整个步行机自身的重量和体积减小，有利于整个机器能量效率的提高。
本实用新型步行腿机构由变换机构和驱动系统两部分组成(见图3)，驱动系统(8)由电机、传动齿轮、丝杠、滑块、滑动轴、连杆组成。变换机构(9)由大腿、小腿、连杆所组成。驱动系统(见图4)的电机驱动传动齿轮和丝杆运动，使滑块在滑动轴上上、下滑动，带动连杆运动，从而使变换机构的大腿、小腿运动，完成行走动作。
附图说明：
图1是已有技术：关节式腿机构示意图。
图2是已有技术：缩放式腿机构示意图。
图3是本实用新型步行腿机构结构示意图。
图4是驱动系统结构图。
图5是与关节式腿能效特性的比较曲线图。
图6是与缩放式腿关节峰值功率的比较曲线图。
结合附图说明实施例如下：
图3是本实用新型能效型步行腿机构结构示意图，其中，10是大腿，11是转轴，12、13、14和15是连杆，16和17是滑块，18是滑动轴，19是小腿，20是足。A点、B点、C点、D点和E点为转动副，E点相当于髋关节，C点相当于膝关节。F点为被动球副，相当于踝关节。H点和G点与连杆13和14之间为转动副，与滑动轴之间为移动副。运动由这两个移动副输入。
图3所示腿结构中，大腿10、连杆12、15和小腿19组成平行四边形机构。连杆13和14、滑块16和17、固定滑动轴18构成衍化的万斯机构。滑块16和17沿滑动轴作上下运动时，带动A点作平面运动，再经平行四边形机构产生足端运动。当滑块16和17作上下等速同向或反向滑动使A点作垂直或水平运动时，在F点产生所要求的足端水平或垂直运动。图中，ABCD构成平行四边形，BCE和DCF为直角三角形且相似。该机构的特点为：任何由点A输入的轨迹，点F都可跟随产生，所产生的轨迹以一定比值被放大，并转动90度，控制A点作垂直或水平运动，那么在F点就产生水平或垂直运动。
图4是驱动系统结构示意图，其中，21和22是电机，23和24传动齿轮，25和26是丝杠，16和17是滑块，13和14是连杆，27是机体，18是滑动轴。
图4所示驱动系统中，电机21和22分别经传动齿轮23和24驱动丝杠25和26使滑块16和17沿滑动轴18上下滑动。滑块16和17沿滑动轴18作等速同向或反向运动时，A点作垂直或水平运动。
图5为本实用新型能效型腿与关节式腿在不同速度下的能效特性比较曲线。从图中可以看出：在一定的速度下，本实用新型的能效特性比关节式腿要好得多。
图6为本实用新型能效型腿与缩放式腿的关节峰值功率比较曲线。从图中可以看出：在一定速度下，本实用新型的关节峰值驱动功率是缩放式腿的一半。
本实用新型具有以下效果：
1、完全消除反驱动现象出现，实现足端水平运动和垂直运动的完全分离，提高单腿的能量效率。
2、输入运动由两个驱动器的协作驱动产生，从而降低了对单个驱动器峰值输出功率的要求，使得驱动器和整个步行机自身的重量和体积减小，有利于整个机器能量效率的提高。
Claims (1)
1、一种能效型步行腿机构，其特征是由变换机构和驱动系统两部分组成，驱动系统由电机、传动齿轮、丝杠、滑块、滑动轴、连杆组成；变换机构由大腿、小腿、连杆所组成；驱动系统的电机驱动传动齿轮和丝杠运动，使滑块在滑动轴上、下滑动，带动连杆运动，从而使变换机构的大腿、小腿运动，完成行走动作。
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- 1997-07-11 CN CN 97219190 patent/CN2312160Y/zh not_active Expired - Fee Related
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