[發明專利]一種欠驅動輪-腿復合式機械腿

有效

• 申請號: 201210371613.7
• 申請日: 2012-09-28
• 公開（公告）號: CN102849139A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發明（設計）人: 張明路;宋孟軍;張小俊;孫凌宇;張建華
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: B62D57/028
• 分類號: B62D57/028
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 李濟群

技術領域

本發明涉及機器人技術，具體為一種欠驅動輪-腿復合式機械腿。

背景技術

在移動機器人的行走機構中，研究較多的是輪式機器人、履帶式機器人和具有仿生功能的腿式機器人（或稱仿生機器人）。其中以輪式機器人的移動效率最高，運動靈活、控制和研制相對簡單，但其地形適應能力相對較差；履帶機器人對地形的適應能力較強，負載能力較大，行走較為平穩，但轉向行駛并不靈活，移動速度相對較慢；而仿生機器人具有腿式機構，其適應能力相對最強，但其效率較低。參考上述移動機器人的優缺點，有些機器人的移動機構，將輪式移動機構和腿式移動機構相結合，組合成了輪-腿式移動機器人，增強了移動機器人在復雜路況環境下的道路適應性和通過性，即輪-腿式移動機器人兼具有仿生機器人和輪式移動機器人的優點，可在不同環境下采用不同的行進策略，極大地提高了移動機器人的前進速度和地形適應能力，成為當今室外機器人發展的一個主要方向。

欠驅動機器人是一種含有欠驅動機構的機器人。由于其具有成本低、能耗低、靈活性高、實用性強等優點，因此引起普遍關注，成為機器人領域研究的熱點之一。欠驅動機器人分別有空間機器人、水下機器人、地面移動機器人、以及多腿步行機器人、并聯機器人、伺服機器人和柔性機器人等等。然而，欠驅動移動機器人系統雖然減少了驅動器的數目，具有體積小、能耗低的優點，但同時也給其運動控制增加了難度。

機器人的機械腿系統設計要解決的實質問題是，通過對機器人的工作環境、要實現的具體功能等技術指標進行綜合性能分析，設計出一套最優的機械結構，使機械腿能夠在相應的控制指令下實現規定的動作。移動機械腿系統設計的首要問題是確定其機構的行進方式，單一的行進方式主要有輪式、腿式和履帶式。單一的行進方式雖各有所長，但都不能滿足復雜地形的要求，因而現在大都采用兩種以上行進方式結合的復合行進方式。這樣機械腿的機器人平臺對復雜地形具有更強的適應能力。

近些年比較典型的輪-腿移動機器人主要有：1.美國“好奇號”火星探測車。該機器人為六輪腿移動機器人，具有輪式機器人及腿式機器人的特點，其地形適應能力得到提高，但由于這類機器人采用懸架機構，其靈活移動性能仍受到局限，行進效率不高，能耗較大；2.美國JPL實驗室的ATHLETE六輪-腿移動機器人，這類機器越障能力較強，可以靈活移動，并可完成多種運動功能，適應多種地形，但受其動力學性能影響，其動作效率較低，又因電機數目較多，其能耗較大。3.日本千葉大學研制的halluc?II移動機器人，因具有“變形”功能，其移動能力進一步得到提高，可實現輪、腿、輪腿復合式運動，但此機器人是同樣面臨能耗高、體積大等問題。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明擬解決的技術問題是，提供一種欠驅動輪-腿復合式機械腿。該機械腿采用兩臺電機相互配合，可實現驅動5個自由度，并可實現關節自鎖，通過調節各關節的角度，可實現機械腿在多種模式之間的轉換，提高了機器人對不同地形的適應能力。在實現所述功能要求的前提下，本發明機械腿具有欠驅動功能，因此能耗較低，且采用金屬自鎖機構，具有承載能力強、續航能力大、控制簡單等特點。

本發明解決所述技術問題的技術方案是，設計一種欠驅動輪-腿復合式機械腿，其特征在于該機械腿主要由4個關節組裝部分、一個輪機構和一個換擋機構組成，且4個關節機構和一個輪機構均由一臺大電機作為動力源，換擋機構采用一臺小電機作為動力源；

所述機械腿的關鍵零件為中心主軸，中心主軸為階梯軸，其上依次分布有動力源輸入端錐齒輪、固定支架用軸承、固定蝸輪用軸承、同步帶齒輪、關節三用換擋套、換擋軸、關節一用換擋套，關節二用換擋套和兩個固定用軸承；關節一組裝部分主要包括驅動關節一所用的蝸輪蝸桿機構、同步帶輪及支撐用軸承，動力源由同步帶輪提供，并帶動蝸桿，進而驅動蝸輪實現關節一的轉動；關節二組裝部分主要包括兩個同步帶輪，3個直齒輪，2個斜齒輪和1個蝸輪蝸桿機構，同時包括7個軸承負責固定支撐，其中兩個同步帶分別獨立驅動關節二轉動，并配合關節三運動；關節三驅動部分采用了具有自鎖功能的蝸輪蝸桿傳動機構，使關節三在沒有動力源輸入的情況下能保持原來姿態；關節四組裝部分由同步帶輪、換擋套換擋機構、蝸輪蝸桿傳動機構、錐齒輪傳動機構和腿形機構組成，同時也包括相應數量的固定軸承，同步帶輪負責完成對關節四和輪部的驅動；換擋機構主要由電機輸入輸出齒輪組、棘輪棘爪間歇傳動機構、繩輪拉力機構、換擋箱和蝸輪蝸桿機構組成，通過驅動換擋箱實現各個關節的換擋換向。