一种用于可变胞无人地面移动系统的可折叠腿部机构技术方案

本发明专利技术公开了一种用于可变胞无人地面移动系统的可折叠腿部机构，包括髋关节机构、膝关节机构、踝关节机构和车底板。车底板固定连接在可变胞无人地面移动系统的车架上。所述髋关节机构包括上旋转机构、中旋转机构和下旋转机构，所述踝关节机构包括踝俯仰机构和踝侧摆机构。上旋转机构、中旋转机构、下旋转机构、膝关节机构、踝俯仰机构和踝侧摆机构均设有一个驱动电机，当这六个驱动电机联动时，大腿构件分别实现Z1、X1、Y1方向的三个自由度的转动；小腿构件实现Y2方向一个自由度的转动；脚底板分别实现X3、Y3方向的二个自由度的转动。本发明专利技术通过谐波减速步进电机控制可变胞无人地面移动系统在复杂路况下实现转弯和攀爬等多种方式前进。

A collapsible leg mechanism for variable cell unmanned ground mobile system

The invention discloses a foldable leg mechanism for a variable cell unmanned ground movement system, which comprises a hip joint mechanism, a knee joint mechanism, an ankle joint mechanism and a vehicle floor. The vehicle floor is fixedly connected to the frame of the variable cell unmanned ground mobile system. The hip joint mechanism comprises an upper rotation mechanism, a middle rotation mechanism and a lower rotation mechanism, and the ankle joint mechanism comprises an ankle pitching mechanism and an ankle lateral swing mechanism. The upper rotating mechanism, the middle rotating mechanism, the lower rotating mechanism, the knee joint mechanism, the ankle pitching mechanism and the ankle side swing mechanism are all equipped with a driving motor. When these six driving motors are linked, the thigh components can rotate in Z1, X1 and Y1 directions respectively, and the lower leg components can rotate in Y2 direction with one degree of freedom. The bottom plates rotate two degrees of freedom in the direction of X3 and Y3 respectively. The invention adopts harmonic deceleration stepping motor to control variable cell unmanned ground moving system to realize turning and climbing in complex road conditions and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种用于可变胞无人地面移动系统的可折叠腿部机构
本专利技术涉及汽车态与类人态之间切换重构的可变胞无人地面移动系统
，具体地说，它涉及一种用于可变胞无人地面移动系统的可折叠腿部机构。
技术介绍
可变胞地面移动系统，是一种处在前沿研究领域且技术先进的移动载具，其结构可变形重构以适应于不同的行驶路面。当在易于通行的平坦路面时，该系统可变胞为汽车态快速行驶，当在道路难于通行的非平坦路面(譬如野外、台阶、沟壑等)时，该系统可变胞为类人态进行跨步行走，从而提高了道路的通过性。经过对现有的技术文献检索发现，现有技术具有以下特点：现有的可变胞无人地面移动系统腿机构设计都是采用类似多足(四足、六足、八足等)爬行动物的腿部机构；一般的两足机器人中的腿机构采用六个电机来驱动控制以实现腿机构的六个自由度的运动且腿部机构采用同步带减速的减速驱动方式。然而，现有技术中可变胞无人地面移动系统因为没有类人态的腿部机构，因而实现不了类人态的腿部的运动，而且在轮-腿切换前后，整个无人地面移动系统外形及质心位置都没有过多变化，是局部变胞，实现不了汽车态与类人态之间的全局变胞重构；一般的两足机器人的腿部机构虽然能够实现六自由度跨步行走运动，但是不能实现大角度的折叠展开重构变形，不能应用到可变胞无人地面移动系统中实现汽车态与类人态之间的重构变形；另外，同时由于电机以及减速机构放置的位置原因而使得腿部机构较为复杂，同时各旋转机构的转动角度也会受到很大限制。此外，相比来说，同步带减速的减速方式可靠度不高。在腿机构需要折叠时，同步带还可能会变松弛，不能很好地进行传动。因此，现有的可变胞无人地面移动系统腿机构待解决的问题有：(1)针对腿部机构进行六自由度结构设计以满足类人态的腿部机构的运动；(2)合理选择驱动电机的减速方案，以解决减速可靠度不高的问题；(3)电机以及减速机构位置合理放置以解决腿部机构的结构复杂以及变胞过程的不与其他构件干涉问题；(4)腿部结构大角度的折叠展开的结构设计。
技术实现思路
针对现有的可变胞无人地面移动系统腿机构现有状况需要解决的四个问题，本专利技术提供一种用于可变胞无人地面移动系统的腿部机构。具体技术方案如下：一种用于可变胞无人地面移动系统的可折叠腿部机构，包括髋关节机构1、膝关节机构2、踝关节机构3和车底板4，所述车底板4固定连接在可变胞无人地面移动系统的车架上。所述髋关节机构1包括上旋转机构11、中旋转机构12和下旋转机构13。所述上旋转机构11包括第一电机111、连接构件112和髋关节连接板113，所述第一电机111连接在车底板4的上侧，所述髋关节连接板113通过连接构件112和第一电机111输出轴连接，且髋关节连接板113位于车底板4的下侧。所述髋关节连接板113内侧连接十字套筒14，所述十字套筒14相互垂直的两个位置上分别连接中旋转机构12和下旋转机构13，所述中旋转机构12包括第二电机121和中行星齿轮减速机构122。所述下旋转机构13包括第三电机131和下行星齿轮减速机构133，所述下旋转机构13上连接大腿构件15的上端。第一电机111带动髋关节连接板113围绕Z1轴转动。第二电机121通过中行星齿轮减速机构122带动大腿构件15围绕X1轴转动。第三电机131通过下行星齿轮减速机构133带动大腿构件15围绕Y1轴转动。所述大腿构件15的下端连接膝关节机构2，所述膝关节机构2包括第四电机21、膝行星齿轮减速机构22和小腿构件24，所述第四电机21通过膝行星齿轮减速机构22带动小腿构件24围绕Y2轴转动。小腿构件24的下端连接踝关节机构3。所述踝关节机构3包括踝俯仰机构31和踝侧摆机构32，所述踝侧摆机构31包括第五电机311、踝行星齿轮减速机构313和踝关节板316，所述踝关节板316为两块平行的竖直板和一块水平板组合的U形板，所述水平板上侧安装踝侧摆机构32上的第六电机321，所述第六电机321的输出轴连接脚底板323，所述第五电机311通过踝行星齿轮减速机构313带动踝关节板316围绕Y3轴转动。所述第六电机321带动脚底板323围绕X3轴转动。当第一电机111、第二电机121、第三电机131、第四电机21、第五电机311和第六电机321联动时，大腿构件15分别实现Z1、X1、Y1方向的三个自由度的转动。小腿构件24实现Y2方向一个自由度的转动。脚底板323分别实现X3、Y3方向的二个自由度的转动。且大腿构件15、小腿构件24均能够实现由竖直方向向水平方向的折叠。进一步限定的技术方案如下：所述连接构件112包括电机端盖1121、第一联轴器1122、传动轴1123和第一轴承1124，所述电机端盖1121的上方连接第一电机111的输出端法兰，第一电机111的输出轴连接第一联轴器1122的一端，第一联轴器1122的另一端连接传动轴1123的上端，传动轴1123的下端套装第一轴承1124，第一轴承1124的外圆和车底板4上的轴承孔相配合。传动轴1123的下端还设有键槽，所述键槽上安装平键1127，通过平键1127向髋关节连接板113传递扭矩。键槽的下方设有螺纹轴颈，螺纹轴颈穿过髋关节连接板113的上连接孔1131，用锁紧螺母1125和平垫片1126将髋关节连接板113锁紧在传动轴1123上。所述髋关节连接板113为开口向下的U形弯板，上横板上设有上连接孔1131，一侧竖板上设有左连接孔1132，左连接孔1132的两侧分别设有一个行星齿轮轴孔1134，另一侧竖板上设有右连接孔1333。所述大腿构件15包括大腿连接板151、大腿左立板152和大腿右立板153，所述大腿左立板152和大腿右立板153之间连接大腿连接板151。所述十字套筒14的中间设有中间方孔143，所述X1轴方向设有第二电机座141和定位轴端板145，且第二电机座141和定位轴端板145分别位于中间方孔143的两侧，定位轴端板145的外侧设有定位轴端盖1451。所述Y1轴方向设有第三电机座142和轴承座端板144，且第三电机座142和轴承座端板144分别位于中间方孔143的两侧。所述第二电机121的输出端法兰安装在第二电机座141上，第二电机121的输出轴上连接中行星齿轮减速机构122的主动齿轮，中行星齿轮减速机构122的外侧连接密封板123和第一密封盖板124，中行星齿轮减速机构122，中行星齿轮减速机构122的两个行星轮轴分别插在行星齿轮轴孔1134内。所述定位轴端盖1451的中心孔内连接定位轴125的一端，定位轴125的另一端插在右连接孔1333内。所述第三电机131的输出端法兰安装在第三电机座142上，第三电机131的输出轴上连接下行星齿轮减速机构133的主动齿轮，下行星齿轮减速机构133的两个行星轮轴分别插在第三电机座142对应的孔内，第三电机座142上装有一个第二轴承132，所述第二轴承132内孔与大腿右立板153上端内侧止口配合，所述下行星齿轮减速机构133安装在大腿右立板153上端孔内，下行星齿轮减速机构133的外侧安装第二密封端盖134。所述轴承座端板144内安装第三轴承135，第三轴承135内孔与大腿左立板152上端内侧的止口配合。所述小腿构件24包括小腿连接板241、小腿左立板242和小腿右立板243，所述小腿左立板242和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于可变胞无人地面移动系统的可折叠腿部机构，其特征在于：包括髋关节机构(1)、膝关节机构(2)、踝关节机构(3)和车底板(4)，所述车底板(4)固定连接在可变胞无人地面移动系统的车架上；所述髋关节机构(1)包括上旋转机构(11)、中旋转机构(12)和下旋转机构(13)；所述上旋转机构(11)包括第一电机(111)、连接构件(112)和髋关节连接板(113)，所述第一电机(111)连接在车底板(4)的上侧，所述髋关节连接板(113)通过连接构件(112)和第一电机(111)输出轴连接，且髋关节连接板(113)位于车底板(4)的下侧；所述髋关节连接板(113)内侧连接十字套筒(14)，所述十字套筒(14)相互垂直的两个位置上分别连接中旋转机构(12)和下旋转机构(13)，所述中旋转机构(12)包括第二电机(121)和中行星齿轮减速机构(122)；所述下旋转机构(13)包括第三电机(131)和下行星齿轮减速机构(133)，所述下旋转机构(13)上连接大腿构件(15)的上端；第一电机(111)带动髋关节连接板(113)围绕Z1轴转动；第二电机(121)通过中行星齿轮减速机构(122)带动大腿构件(15)围绕X1轴转动；第三电机(131)通过下行星齿轮减速机构(133)带动大腿构件(15)围绕Y1轴转动；所述大腿构件(15)的下端连接膝关节机构(2)，所述膝关节机构(2)包括第四电机(21)、膝行星齿轮减速机构(22)和小腿构件(24)，所述第四电机(21)通过膝行星齿轮减速机构(22)带动小腿构件(24)围绕Y2轴转动；小腿构件(24)的下端连接踝关节机构(3)；所述踝关节机构(3)包括踝俯仰机构(31)和踝侧摆机构(32)，所述踝俯仰机构(31)包括第五电机(311)、踝行星齿轮减速机构(313)和踝关节板(316)，所述踝关节板(316)为两块平行的竖直板和一块水平板组合的U形板，所述水平板上侧安装踝侧摆机构(32)上的第六电机(321)，所述第六电机(321)的输出轴连接脚底板(323)，所述第五电机(311)通过踝行星齿轮减速机构(313)带动踝关节板(316)围绕Y3轴转动；所述第六电机(321)带动脚底板(323)围绕X3轴转动；当第一电机(111)、第二电机(121)、第三电机(131)、第四电机(21)、第五电机(311)和第六电机(321)联动时，大腿构件(15)分别实现Z1、X1、Y1方向的三个自由度的转动；小腿构件(24)实现Y2方向一个自由度的转动；脚底板(323)分别实现X3、Y3方向的二个自由度的转动；且大腿构件(15)、小腿构件(24)均能够实现由竖直方向向水平方向的折叠。...

【技术特征摘要】
1.一种用于可变胞无人地面移动系统的可折叠腿部机构，其特征在于：包括髋关节机构(1)、膝关节机构(2)、踝关节机构(3)和车底板(4)，所述车底板(4)固定连接在可变胞无人地面移动系统的车架上；所述髋关节机构(1)包括上旋转机构(11)、中旋转机构(12)和下旋转机构(13)；所述上旋转机构(11)包括第一电机(111)、连接构件(112)和髋关节连接板(113)，所述第一电机(111)连接在车底板(4)的上侧，所述髋关节连接板(113)通过连接构件(112)和第一电机(111)输出轴连接，且髋关节连接板(113)位于车底板(4)的下侧；所述髋关节连接板(113)内侧连接十字套筒(14)，所述十字套筒(14)相互垂直的两个位置上分别连接中旋转机构(12)和下旋转机构(13)，所述中旋转机构(12)包括第二电机(121)和中行星齿轮减速机构(122)；所述下旋转机构(13)包括第三电机(131)和下行星齿轮减速机构(133)，所述下旋转机构(13)上连接大腿构件(15)的上端；第一电机(111)带动髋关节连接板(113)围绕Z1轴转动；第二电机(121)通过中行星齿轮减速机构(122)带动大腿构件(15)围绕X1轴转动；第三电机(131)通过下行星齿轮减速机构(133)带动大腿构件(15)围绕Y1轴转动；所述大腿构件(15)的下端连接膝关节机构(2)，所述膝关节机构(2)包括第四电机(21)、膝行星齿轮减速机构(22)和小腿构件(24)，所述第四电机(21)通过膝行星齿轮减速机构(22)带动小腿构件(24)围绕Y2轴转动；小腿构件(24)的下端连接踝关节机构(3)；所述踝关节机构(3)包括踝俯仰机构(31)和踝侧摆机构(32)，所述踝俯仰机构(31)包括第五电机(311)、踝行星齿轮减速机构(313)和踝关节板(316)，所述踝关节板(316)为两块平行的竖直板和一块水平板组合的U形板，所述水平板上侧安装踝侧摆机构(32)上的第六电机(321)，所述第六电机(321)的输出轴连接脚底板(323)，所述第五电机(311)通过踝行星齿轮减速机构(313)带动踝关节板(316)围绕Y3轴转动；所述第六电机(321)带动脚底板(323)围绕X3轴转动；当第一电机(111)、第二电机(121)、第三电机(131)、第四电机(21)、第五电机(311)和第六电机(321)联动时，大腿构件(15)分别实现Z1、X1、Y1方向的三个自由度的转动；小腿构件(24)实现Y2方向一个自由度的转动；脚底板(323)分别实现X3、Y3方向的二个自由度的转动；且大腿构件(15)、小腿构件(24)均能够实现由竖直方向向水平方向的折叠。2.根据权利要求1所述的一种用于可变胞无人地面移动系统的可折叠腿部机构，其特征在于：所述连接构件(112)包括电机端盖(1121)、第一联轴器(1122)、传动轴(1123)和第一轴承(1124)，所述电机端盖(1121)的上方连接第一电机(111)的输出端法兰，第一电机(111)的输出轴连接第一联轴器(1122)的一端，第一联轴器(1122)的另一端连接传动轴(1123)的上端，传动轴(1123)的下端套装第一轴承(1124)，第一轴承(1124)的外圆和车底板(4)上的轴承孔相配合；传动轴(1123)的下端还设有键槽，所述键槽上安装平键(1127)，通过平键(1127)向髋关节连接板(113)传递扭矩；键槽的下方设有螺纹轴颈，螺纹轴颈穿过髋关节连接板(113)的上连接孔(1131)，用锁紧螺母(1125)和平垫片(1126)将髋关节连接板(113)锁紧在传动轴(1123)上。3.根据权利要求2所述的一种用于可变胞无人地面移动系统的可折叠腿部机构，其特征在于：所述髋关节连接板(113)为开口向下的U形弯板，上横板上设有上连接孔(1131)，一侧竖板上设有左连接孔(1132)，左连接孔(1132)的两侧分别设有一个行星齿轮轴孔(1134)，另一侧竖板上设有右连接孔(1333)。4.根据权利要求3所述的一种用于可变胞无人地面移动系统的可折叠腿部机构，其特征在于：所述大腿构件(15)包括大腿连接板(151)、大腿左立板(152)和大腿右立板(153)，所述大腿左立板(152)和大腿右立板(153)之间连接大腿连接板(151)。5.根据权利要求4所述的一种用于可变胞无人地面移动系统的可折叠腿部机构，其特征在于：所述十字套筒(14)的中...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘俊，卢明明，刘学成，孙磊，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34