四足行走机器人的制作方法
【专利摘要】一种人力驱动的四足行走机器人，包括机器人机架、传动机构、腿部连杆机构和附属配件；传动机构包括驱动模块和传动模块,传动模块包括：前链条传动机构、后链条传动机构和变传动比齿轮；变传动比齿轮中主动齿轮、从动齿轮各自对应的长曲线齿廓的形状相互配合，主动齿轮的大半径部分与从动齿轮的小半径部分包括杆、第一四杆机构、第二四杆机构、框架杆和足部单向转动模块。本发明实现了仿生马的四足运动形式，通过变传动比齿轮使得整个机器人行走时呈现三足落地的慢走步态，大大提高运动的平稳性和操作者的安全性。
【专利说明】四足行走机器人
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于机器人【技术领域】，涉及一种四足行走机器人。
【背景技术】
[0002]随着机器人技术的不断发展，步行机器人的应用领域越来越广。从实际的观点出发，步行运动确有轮式机械无法比拟的独到之处。它利用孤立的地面支撑而不是轮式机械所需的连续地面支撑；可在不平地域以稳定方式步行或以非接触方式规避障碍；可全方位运动而无损地面；可用跨步方式跨越粗糙地面等。
[0003]然而现有技术和方案难以通过简单的、单一的动力源(如人力或电机)驱动四足行走机器人，同时保证运动时至少有三条腿落地的平稳的运动姿态。
[0004]在其他领域中，也未出现过一对啮合齿轮在一个啮合运动周期中可以实现两段固定传动比的运动。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提供一种能通过人力或简单转动动力源驱动的四足行走机器人。在传动机构中，设计了一种异形变速齿轮，从而使得传动比可以在一个运动周期中实现两个保持长时间的定值，实现了在一个运动周期中脚离地时运动快，落地时运动慢，从而实现时刻有三条腿落地。另外，本发明在腿部连杆机构中发明了一种特定的结构和比例，从而实现了通过杆组运动仿生马类行走的运动形态。通过足部采用单向离合器或棘轮，解决了机器人行走时由于落地各脚水平速度不一致的干涉问题。
[0006]为了实现上述发明目的，本发明采用下述技术方案:
一种人力驱动的四足行走机器人，其特征在于，机械结构包括机器人机架1、传动机构
3、腿部连杆机构2和附属配件。
[0007]所述机器人机架I作为支架为一个平面框架结构，其平面中央再通过中央竖直梁19连结至传动机构3。
[0008]所述传动机构3包括驱动模块31和传动模块,所述传动模块包括:前链条传动机构33、后链条传动机构34和变传动比齿轮35、36、37、38、310、39、312和311 ;所述驱动模块31连接于机器人机架I下方，驱动模块固连于前链条传动机构33和后链条传动机构34的主动链轮，前链条传动机构33和后链条传动机构34的主动链轮又通过链条分别连接分别位于其机架前部和后部的两个从动链轮；该两组前链条传动机构33和后链条传动机构34分别同轴于前后两组变传动比齿轮。所述前后各两组变传动比齿轮:与前部从动链轮同轴在左右方向固连两个变传动比主动齿轮35和变传动比主动齿轮37 ;与后部从动链轮同轴在左右方向固连两个变传动比主动齿轮310和变传动比主动齿轮312 ;各个变传动比从动齿轮36、变传动比从动齿轮38、变传动比从动齿轮39、变传动比从动齿轮311的固定轴分别与腿部连杆模块2中的主动件连接。
[0009]每组变传动比齿轮(即异形变速齿轮)结构表征为:主动齿轮为非圆齿轮，其节线由90°大半径圆弧3102和270°的小半径圆弧3101组成，两种尺寸之间通过长曲线齿廓3103和3104过渡；从动齿轮为主动齿轮的共轭齿轮，其节线由90°小半径圆弧392和270°的大半径圆弧391组成，两种尺寸之间通过长曲线齿廓393和394过渡。主动齿轮、从动齿轮各自对应的长曲线齿廓的形状相互配合，主动齿轮的大半径部分与从动齿轮的小半径部分啮合，主动齿轮的小半径部分与从动齿轮的大半径部分啮合，运转至各自的长曲线齿廓也能啮合并过渡至齿轮的另外尺寸部分。
[0010]所述的腿部连杆机构2从上往下包括杆21、第一四杆机构、第二四杆机构、框架杆29和足部单向转动模块4 ;通过杆21的转动将动力输入第一四杆机构；框架杆29与第二四杆机构固连；框架杆29下连接单向转动模块4 ;杆21的活动端及其轴通过轴承座与机器人机架I固定，通过杆21的转动带动第一四杆机构运动，而后带动第二四杆机构运动，因此框架杆29和单向转动模块4运动形式与第二四杆机构中的与之固着的水平相对低位的框架杆相同，最终形成框架杆29和单向转动模块4相对机器人机架I在平面内做类椭圆曲线运动。单向转动模块4向后运动时卡死，向前运动时滚动。
[0011]所述的附属配件包括座椅51和扶手52,座椅51安装于机架I偏后上方，扶手52安装于机架I靠前上方。
[0012]当采用人力驱动时候，所述驱动模块31还包括一对踏板和一组外啮合齿轮32，设置外啮合齿轮32起到换向作用，使机器人前进时脚踏方向类似骑自行车的前进方向，使用人性化。通过踏板轴连接于一组外啮合齿轮32的主动轮，所述外啮合齿轮32的从动轮分别同轴固连于前链条传动机构33和后链条传动机构34的主动链轮。基于上述技术方案，本发明相对于现有技术具有以下有益效果:
1、通过简单的机械结构和传动方式实现了仿生马的四足运动形式，无需电脑控制并无需中途手动调节马腿运动时的传动比。
[0013]2、通过变传动比齿轮的发明和应用，使得整个机器人行走时呈现三足落地的慢走步态，大大提高运动的平稳性和操作者的安全性。
[0014]3、单向轮模块解决了四足行走时脚尖水平方向速度不一致而造成的运动困难或卡死的问题，使得机器人运动平滑、省力且无噪音。
[0015]4、本发明结构简单轻便，加工制作方便，成本也较低。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明提供的以人力驱动的机器人整体结构示意图。
[0017]图2为图1中机器人机架结构示意图。
[0018]图3为图1中机器人传动系统结构示意图。
[0019]图4为图3中特殊变传动比齿轮模块结构示意图。
[0020]图5为图1中机器人腿部连杆模块以及足部单向转动模块结构示意图。
[0021]图6为图5左视平面图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0023]如图1所示，是一种以人力驱动的四足行走机器人(以下简称机器人)，机械结构包括机器人机架1、传动机构3、腿部连杆机构2和附属配件。所述的附属配件包括座椅51和扶手52,座椅51安装于机架I偏后上方，扶手52安装于机架I靠前上方，座椅51、扶手52已都属于现有技术。
[0024]如图2所示，所述机器人机架I作为支架为一个平面框架结构，其平面中央再通过中央竖直梁19连结至传动机构3。
[0025]本实施例实际采用的是铝合金型材，在T型槽中插入槽条，然后通过螺钉顶紧而成的。具体的说，所述机器人机架I包括叉臂11、叉臂13、梁12、梁14、梁15、梁16、梁17、梁18、中央纵梁19和中央竖直梁110，它们的连接关系为:叉臂11、臂12、叉臂13、臂15、臂16、臂18通过外角件螺栓顶紧连接成平面结构，叉臂11和臂17通过把槽条插入T型孔中后，用螺钉顶紧连接，臂17和臂18通过在臂18上旋入长螺钉固定，臂14与叉臂13和臂18的连接方式与臂17的相关连接方式相同，后部结构与前部结构完全对称，连接方式相同，前后两部分框架结构中间通过长螺钉固定方式连接中央纵梁19，中央纵梁19下通过长螺钉固定方式固定中央竖直梁110。
[0026]所述传动机构3包括驱动模块31和传动模块,所述传动模块包括:前链条传动机构33、后链条传动机构34和变传动比齿轮35、36、37、38、310、39、312和311 ;所述驱动模块31连接于机器人机架I下方，驱动模块固连于前链条传动机构33和后链条传动机构34的主动链轮，前链条传动机构33和后链条传动机构34的主动链轮又通过链条分别连接分别位于其机架前部和后部的两个从动链轮；该两组前链条传动机构33和后链条传动机构34分别同轴于前后两组变传动比齿轮。
[0027]所述前后各两组变传动比齿轮:
与前部从动链轮同轴在左右方向固连两个变传动比主动齿轮35和变传动比主动齿轮
37 ；
与后部从动链轮同轴在左右方向固连两个变传动比主动齿轮310和变传动比主动齿轮 312 ；
各个变传动比从动齿轮36、变传动比从动齿轮38、变传动比从动齿轮39、变传动比从动齿轮311的固定轴分别与腿部连杆模块2中的主动件(即图5、图6中为杆21)轴孔连接，由此实现了传动机构3与腿部连杆机构2之间的连接。
[0028]每组变传动比齿轮视为变传动比齿轮模块，以变传动比主动齿轮和变传动比从动齿轮组成的变传动比齿轮模块为例:
如图4所示，主动齿轮为非圆齿轮，其节线由约90°大半径圆弧3102和约270°的小半径圆弧3101组成，两种尺寸之间通过长曲线齿廓3103和3104过渡；从动齿轮为主动齿轮的共轭齿轮，其节线由约90°小半径圆弧392和约270°的大半径圆弧391组成，两种尺寸之间通过长曲线齿廓393和394过渡；主动齿轮、从动齿轮各自对应的长曲线齿廓的形状相互配合。
[0029]主动齿轮的大半径部分与从动齿轮的小半径部分啮合，主动齿轮的小半径部分与从动齿轮的大半径部分啮合，运转至各自的长曲线齿廓也能啮合并过渡至齿轮的另外尺寸部分。在此段过渡曲线啮合时，不会由于齿轮突然反转造成啮合脱开，从而使得一组变传动比齿轮模块可以在正反转情况下都完美啮合，而不发生脱齿或者咬死现象。
[0030]如图3所示，所述驱动模块在本实施例中采用踏板驱动模式，当采用人力驱动时候，所述驱动模块31还包括一对踏板和一组外啮合齿轮32，设置外啮合齿轮32起到换向作用，使机器人前进时脚踏方向类似骑自行车的前进方向，使用人性化。通过踏板轴连接于一组外啮合齿轮32的主动轮，所述外啮合齿轮32的从动轮分别同轴固连于前链条传动机构33和后链条传动机构34的主动链轮。
[0031]如图5、图6所示，所述的腿部连杆机构2从上往下包括杆21、第一四杆机构、第二四杆机构、框架杆29和足部单向转动模块4 ;通过杆21的转动将动力输入第一四杆机构；框架杆29与第二四杆机构固连；框架杆29下连接单向转动模块4 ；。其运动形式为:杆21的活动端(如图5、图6)及其轴通过轴承座与机器人机架I固定，通过杆21的转动带动第一四杆机构运动，而后带动第二四杆机构运动，框架杆29与第二四杆机构中的相对低位的水平框架杆(例如框架杆24)固连，因此框架杆29和单向转动模块4运动形式与框架杆24相同，最终形成框架杆29和单向转动模块4相对机器人机架I在图6所示左视图竖直平面内做类椭圆曲线运动。单向转动模块4向后运动时卡死，向前运动时滚动。四足脚尖水平速度不一致时通过单向转动轮自动补偿。单向转动模块4包括利用单向离合器、单向棘轮等结构实现的功能模块，用于实现足部水平运动速度不一致的自动补偿。
[0032]具体实施时，为了考虑提高结构的稳定性，对第一四杆机构、第二四杆机构的厚度进行了加宽、加强处理，具体实施:
所述第一四杆机构包括杆22、杆27、杆25、框架杆26，它们依次连接成四杆机构；杆21与杆22和杆25通过一短轴铰接，通过杆21的转动将动力输入第一四杆机构。所述第二四杆机构包括杆28、框架杆23、框架杆24和框架杆26,它们依次连接成四杆机构。所述框架杆23为两个相同的杆，中间加上加强杆焊接而成的框架结构，其目的在于提高腿的宽度，提高结构的稳定性，其对于运动形式及杆间运动关系无影响；所述框架杆26为两个相同的杆，中间加上加强杆焊接而成的框架结构，并在对应位置的加强杆上加一铰接轴承支座，用于与杆25连接，其目的在于提高腿的宽度，提高结构的稳定性，其对于运动形式及杆间运动关系无影响；所述框架杆24为两个相同的杆，中央加一加强杆焊接而成的框架结构，其目的在于提高腿的宽度，提高结构的稳定性，其对于运动形式及杆间运动关系无影响。
[0033]所述框架杆29上端与框架杆24焊接固连。
[0034]所述杆27、杆215、杆216焊接固连为一三角形零件，杆215与杆28和杆210平行。
[0035]轴212依次穿过杆28、框架杆23、杆215、框架杆23、杆210。
[0036]轴211依次穿过杆28、框架杆26、杆215、框架杆26、杆210。
[0037]轴213依次穿过框架杆24、框架杆23、框架杆23、框架杆24。轴214依次穿过框架杆24、框架杆23、框架杆23、框架杆24。(轴214与轴213相对应；轴212与轴211相对应)
机架I与腿部连杆机构2之间连接，具体实现方式:在机架I的叉臂11和叉臂13上面分别固定两个相隔一定距离的轴承座，用于固定腿部连杆机构2中杆28、杆15和杆10共用的轴211。杆21的活动端(如图5、图6)和轴211通过轴承座与机器人机架I固定。
[0038]机架I与传动机构3之间连接，具体实现方式:
在机架I的梁14和梁17下面分别固定一连体轴承座，在梁15和梁16下面分别固定两个轴承座，用于固定变传动比齿轮中心距，并固定轴313和其后面的变传动比齿轮36的轴和变传动比齿轮38的轴； 在中央竖直梁110前面靠下固定两个轴承座，安装驱动模块31中的踏板轴，该轴连接一组外啮合齿轮32的主动轮；
在中央竖直梁110前面靠上固定两个轴承座，安装外啮合齿轮32第二级齿轮，及与该轴共轴固连两个小链轮的轴；
与一组外啮合齿轮32第二级外啮合齿轮共轴固连两个小链轮，分别通过两条链条连接前后两个大链轮，组成前后两个链传动模块33和链传动模块34。
[0039]传动机构3与腿部连杆机构2之间的连接，具体实现方式:变传动比从动齿轮36、变传动比从动齿轮38、变传动比从动齿轮39、变传动比从动齿轮311的固定轴分别与腿部连杆模块2中的杆21轴孔连接,所述杆21与腿部连杆模块2杆22、杆25同轴。
[0040]机器人是可以仅通过人力驱动踏板或者简单转动动力源就能实现四足行走的机器人。
[0041]机器人在运动时，需要人坐在座椅上，手扶扶手，脚踩住踏板，按照左脚自上向前，右脚自下向后的脚踏方向骑行。
【权利要求】
1.一种四足行走机器人，其特征在于，机械结构包括机器人机架(I)、传动机构(3)、腿部连杆机构(2)和附属配件； 所述机器人机架(I)作为支架为一个平面框架结构，其平面中央再通过中央竖直梁(19)连结至传动机构(3)； 所述传动机构(3)包括驱动模块(31)和传动模块,所述传动模块包括前链条传动机构(33),后链条传动机构(34 )和变传动比齿轮(35、36、37、38、310、39、312和311);所述驱动模块(31)连接于机器人机架(I)下方，驱动模块(31)固连于前后两组链条传动机构(33)和链条传动机构(34)的主动链轮，该两组链条传动机构(33)和链条传动机构(34)的主动链轮又通过链条分别连接位于机架前部和后部的两个从动链轮；该两组链条传动机构(33)和链条传动机构(34)分别同轴于前后两组变传动比齿轮； 所述前后各两组变传动比齿轮:与前部从动链轮同轴在左右方向固连两个变传动比主动齿轮(35 )和变传动比主动齿轮(37 );与后部从动链轮同轴在左右方向固连两个变传动比主动齿轮(310)和变传动比主动齿轮(312);各个变传动比从动齿轮(36)、变传动比从动齿轮(38 )、变传动比从动齿轮(39 )、变传动比从动齿轮(311)的固定轴分别与腿部连杆模块(2)中的主动件连接； 每组变传动比齿轮结构表征为:主动齿轮为非圆齿轮，其节线由90°大半径圆弧(3102)和270°的小半径圆弧(3101)组成，两种尺寸之间通过长曲线齿廓(3103)和(3104)过渡；从动齿轮为主动齿轮的共轭齿轮，其节线由90°小半径圆弧(392)和270°的大半径圆弧(391)组成，两种尺寸之间通过长曲线齿廓(393 )和(394 )过渡；主动齿轮、从动齿轮各自对应的长曲线齿廓的形状相互配合，主动齿轮的大半径部分与从动齿轮的小半径部分啮合，主动齿轮的小半径部分与从动齿轮的大半径部分啮合，运转至各自的长曲线齿廓也能啮合并过渡至齿轮的另外尺寸部分； 所述的腿部连杆机构(2)从上往下包括杆(21)、第一四杆机构、第二四杆机构、框架杆(29)和足部单向转动模块(4);通过杆(21)的转动将动力输入第一四杆机构；框架杆(29)与第二四杆机构固连；框架杆(29)下连接单向转动模块(4);杆(21)的活动端及其轴通过轴承座与机器人机架(I)固定，通过杆(21)的转动带动第一四杆机构运动，而后带动第二四杆机构运动，框架杆(29)和单向转动模块(4)运动形式与第二四杆机构中的与之固着的水平相对低位的框架杆相同，最终形成框架杆(29)和单向转动模块(4)相对机器人机架(I)在竖直平面内做类椭圆曲线运动；单向转动模块(4)向后运动时卡死，向前运动时滚动； 所述的附属配件包括座椅(51)和扶手(52),座椅(51)安装于机架(I)偏后上方，扶手(52)安装于机架(I)靠前上方。
2.如权利要求1所述的四足行走机器人，其特征在于，采用人力驱动时，所述驱动模块(31)还包括一对踏板和一组外啮合齿轮(32)，通过踏板轴连接于一组外啮合齿轮(32)的主动轮，所述外啮合齿轮(32)的从动轮分别同轴固连于前链条传动机构(33)和后链条传动机构(34)的主动链轮。
【文档编号】B62M29/02GK104029786SQ201410214222
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年5月21日 优先权日:2014年5月21日
【发明者】王世元, 刘玉炯, 弓鹏伟, 孙通, 潘强标, 訚耀保 申请人:同济大学