一种欠驱动轮-腿复合式机械腿制造技术

本发明专利技术公开一种欠驱动轮-腿复合式机械腿，其特征在于该机械腿主要由4个关节组装部分、一个轮机构和一个换挡机构组成，且4个关节机构和一个轮机构均由一台大电机作为动力源，换挡机构采用一台小电机作为动力源；关键零件为中心主轴，中心主轴为阶梯轴，其上依次分布有动力源输入端锥齿轮、固定支架用轴承、固定蜗轮用轴承、同步带齿轮、关节三用换挡套、换挡轴、关节一用换挡套，关节二用换挡套和两个固定用轴承；换挡机构主要由电机输入输出齿轮组、棘轮棘爪间歇传动机构、绳轮拉力机构、换挡箱和蜗轮蜗杆机构组成，通过驱动换挡箱实现各个关节的换挡换向。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机器人技术，具体为一种欠驱动轮-腿复合式机械腿。
技术介绍
在移动机器人的行走机构中，研究较多的是轮式机器人、履带式机器人和具有仿生功能的腿式机器人(或称仿生机器人)。其中以轮式机器人的移动效率最高，运动灵活、控制和研制相对简单，但其地形适应能力相对较差；履带机器人对地形的适应能力较强，负载能力较大，行走较为平稳，但转向行驶并不灵活，移动速度相对较慢；而仿生机器人具有腿式机构，其适应能力相对最强，但其效率较低。参考上述移动机器人的优缺点，有些机器人的移动机构，将轮式移动机构和腿式移动机构相结合，组合成了轮-腿式移动机器人，增强了移动机器人在复杂路况环境下的道路适应性和通过性，即轮-腿式移动机器人兼具有仿生机器人和轮式移动机器人的优点，可在不同环境下采用不同的行进策略，极大地提高了移动机器人的前进速度和地形适应能力，成为当今室外机器人发展的一个主要方向。欠驱动机器人是一种含有欠驱动机构的机器人。由于其具有成本低、能耗低、灵活性高、实用性强等优点，因此引起普遍关注，成为机器人领域研究的热点之一。欠驱动机器人分别有空间机器人、水下机器人、地面移动机器人、以及多腿步行机器人、并联机器人、伺服机器人和柔性机器人等等。然而，欠驱动移动机器人系统虽然减少了驱动器的数目，具有体积小、能耗低的优点，但同时也给其运动控制增加了难度。机器人的机械腿系统设计要解决的实质问题是，通过对机器人的工作环境、要实现的具体功能等技术指标进行综合性能分析，设计出一套最优的机械结构，使机械腿能够在相应的控制指令下实现规定的动作。移动机械腿系统设计的首要问题是确定其机构的行进方式，单一的行进方式主要有轮式、腿式和履带式。单一的行进方式虽各有所长，但都不能满足复杂地形的要求，因而现在大都采用两种以上行进方式结合的复合行进方式。这样机械腿的机器人平台对复杂地形具有更强的适应能力。近些年比较典型的轮-腿移动机器人主要有1.美国“好奇号”火星探测车。该机器人为六轮腿移动机器人，具有轮式机器人及腿式机器人的特点，其地形适应能力得到 提高，但由于这类机器人采用悬架机构，其灵活移动性能仍受到局限，行进效率不高，能耗较大；2.美国JPL实验室的ATHLETE六轮-腿移动机器人，这类机器越障能力较强，可以灵活移动，并可完成多种运动功能，适应多种地形，但受其动力学性能影响，其动作效率较低，又因电机数目较多，其能耗较大。3.日本千叶大学研制的halluc II移动机器人，因具有“变形”功能，其移动能力进一步得到提高，可实现轮、腿、轮腿复合式运动，但此机器人是同样面临能耗闻、体积大等问题。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种欠驱动轮-腿复合式机械腿。该机械腿采用两台电机相互配合，可实现驱动5个自由度，并可实现关节自锁，通过调节各关节的角度，可实现机械腿在多种模式之间的转换，提高了机器人对不同地形的适应能力。在实现所述功能要求的前提下，本专利技术机械腿具有欠驱动功能，因此能耗较低，且采用金属自锁机构，具有承载能力强、续航能力大、控制简单等特点。本专利技术解决所述技术问题的技术方案是，设计一种欠驱动轮-腿复合式机械腿，其特征在于该机械腿主要由4个关节组装部分、一个轮机构和一个换挡机构组成，且4个关节机构和一个轮机构均由一台大电机作为动力源，换挡机构采用一台小电机作为动力源；所述机械腿的关键零件为中心主轴，中心主轴为阶梯轴，其上依次分布有动力源输入端锥齿轮、固定支架用轴承、固定蜗轮用轴承、同步带齿轮、关节三用换挡套、换挡轴、关节一用换挡套，关节二用换挡套和两个固定用轴承；关节一组装部分主要包括驱动关节一所用的蜗轮蜗杆机构、同步带轮及支撑用轴承，动力源由同步带轮提供，并带动蜗杆，进而驱动蜗轮实现关节一的转动；关节二组装部分主要包括两个同步带轮，3个直齿轮，2个斜齿轮和I个蜗轮蜗杆机构，同时包括7个轴承负责固定支撑，其中两个同步带分别独立驱动关节二转动，并配合关节三运动；关节三驱动部分采用了具有自锁功能的蜗轮蜗杆传动机构，使关节三在没有动力源输入的情况下能保持原来姿态；关节四组装部分由同步带轮、换挡套换挡机构、蜗轮蜗杆传动机构、锥齿轮传动机构和腿形机构组成，同时也包括相应数量的固定轴承，同步带轮负责完成对关节四和轮部的驱动；换挡机构主要由电机输入输出齿轮组、棘轮棘爪间歇传动机构、绳轮拉力机构、换挡箱和蜗轮蜗杆机构组成，通过驱动换挡箱实现各个关节的换挡换向。与现有技术相比，本专利技术机械腿采用欠驱动轮-腿复合式结构，只采用两个驱动电机，耗能较低，控制容易，工作效率大为提高。本专利技术由于特殊的结构设计，整体机构自由度没有损失，具有较高灵活度，可跨越一定高度的障碍，跨越一定长度的凹坑，具有较强的地形适应能力。附图说明图I为本专利技术欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例的整体三维结构示意图。图2为本专利技术欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例的传动机构原理示意图。图3为本专利技术欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例的主轴及关节三组装主视示意图。图4为本专利技术欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例的关节一组装主视示意图。图5为本专利技术欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例的关节二组装主视装配示意图。图6为本专利技术欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例关节二组装侧视局部示意图。图7为本专利技术欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例的关节四组装主视示意图。 图8为本专利技术欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例的换挡部位组装主视示意图。图9为本专利技术欠驱动轮-腿复合式机械腿一种实施例的换挡部位组装侧视示意图。具体实施例方式下面结合实施例及其附图详细叙述本专利技术。实施例是以本专利技术所述技术方案为前提进行的具体实施，给出了详细的实施方式和过程。但本申请的权利要求保护范围不限于所述实施例的描述范围。本专利技术设计的欠驱动轮-腿复合式机械腿(简称机械腿，参见图1-9)，其特征在于该机械腿主要由4个关节组装部分、一个轮机构和一个换挡机构组成，且4个关节机构和一个轮机构均由一台大电机作为动力源，换挡机构采用一台小电机作为动力源。从整体装配关系来看，本专利技术机械腿可分为五个主要部装部分，即负责驱动关节转角三和输出各关节转角及轮部转动所需动力的部装一部分，负责驱动关节转角一的关节一或部装二部分，负责驱动关节转角二的关节二或部装三部分，负责驱动关节转角四和轮 机构的关节四或部装四部分，以及负责换挡换位所需动力的部装五部分(参见图4-8)。实施例的整体机械腿共由160个不同的零件组成。所述部装一部分(参见图I中的I)为主轴传动机构及关节三组装部分，安装有驱动关节三所用零件；部装二部分(参见图I中的2)为关节一组装部分，安装有驱动关一所用零件；部装三部分(参见图I中的3)为关节二组装部分，安装有关节二驱动所用零件；部装四部分(参见图I中的4)为关节四组装部分，安装有驱动关节四所用零件；部装五部分(参见图I中的5)为换挡部位组装部分，安装有换挡换位所用零部件。本专利技术整体机械腿共有四个关节输出部件和一个轮子零件，且只用了两台电机负责全部动作，即两台电机实现了 5个自由度的运动。所述机械腿的传动机构中(参见图2)，蜗轮蜗杆组31为关节二部分的输入输出部分，换挡部分32可令蜗轮蜗杆组31部分按照相反方向旋转，换挡部分33主要负责关节一部分本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种欠驱动轮？腿复合式机械腿，其特征在于该机械腿主要由4个关节组装部分、一个轮机构和一个换挡机构组成，且4个关节机构和一个轮机构均由一台大电机作为动力源，换挡机构采用一台小电机作为动力源；所述机械腿的关键零件为中心主轴，中心主轴为阶梯轴，其上依次分布有动力源输入端锥齿轮、固定支架用轴承、固定蜗轮用轴承、同步带齿轮、关节三用换挡套、换挡轴、关节一用换挡套，关节二用换挡套和两个固定用轴承；关节一组装部分主要包括驱动关节一所用的蜗轮蜗杆机构、同步带轮及支撑用轴承，动力源由同步带轮提供，并带动蜗杆，进而驱动蜗轮实现关节一的转动；关节二组装部分主要包括两个同步带轮，3个直齿轮，2个斜齿轮和1个蜗轮蜗杆机构，同时包括7个轴承负责固定支撑，其中两个同步带分别独立驱动关节二转动，并配合关节三运动；关节三驱动部分采用了具有自锁功能的蜗轮蜗杆传动机构，使关节三在没有动力源输入的情况下能保持原来姿态；关节四组装部分由同步带轮、换挡套换挡机构、蜗轮蜗杆传动机构、锥齿轮传动机构和腿形机构组成，同时也包括相应数量的固定轴承，同步带轮负责完成对关节四和轮部的驱动；换挡机构主要由电机输入输出齿轮组、棘轮棘爪间歇传动机构、绳轮拉力机构、换挡箱和蜗轮蜗杆机构组成，通过驱动换挡箱实现各个关节的换挡换向。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张明路，宋孟军，张小俊，孙凌宇，张建华，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：