基于不完全齿轮的轮足式机器人腿部结构及轮足式机器人

1.本发明涉及一种基于不完全齿轮的轮足式机器人腿部结构及轮足式机器人，属于机器人技术领域。


背景技术：

2.目前足式机器人存在续航性能差、轮式机器人存在越障性能差等问题，将轮式、足式运动合并为一体的轮足式机器人随之应运而生。但是目前存在的轮足式机器人单腿电机数量过多，导致机器人单腿结构复杂，机器人机身重量增加、机器人腿部惯量居高不下，如何解决使用较少数量的电机控制较多的运动，仍是一个难题。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种基于不完全齿轮的轮足式机器人腿部结构，通过两条运动链实现轮式运动及足式运动的动力切换，并进一步构建了基于不完全齿轮的轮足式机器人，四条腿采用前膝后肘式设计，从而可以以轮式和足式两种不同的运动方式进行切换行走。
4.本发明的技术方案是：一种基于不完全齿轮的轮足式机器人腿部结构，包括电机模组1、悬挂机构2、轮足动力切换机构3、轮式机构24、小腿4、大腿5，所述电机模组1包括两个动力源；轮式机构24安装在轮足动力切换机构3上；第一动力源与第二动力源连接，第二动力源与大腿5一端固定连接，大腿5另一端、小腿4一端与轮足动力切换机构3连接，悬挂装置2用于悬挂小腿4另一端；所述轮足动力切换机构3包括两条运动链，第一运动链用于驱动轮式机构24运动，第二运动链包括两种工作状态：工作状态一为第二运动链断开，工作状态二为第二运动链连续进而驱动小腿4运动。
5.所述悬挂机构2包括：机身上板41、机身下板42、悬挂板43、悬挂机构转轴45、足端支撑机构38、足端支撑转轴37、避震器39、避震器固定座40、拉伸弹簧35、拉伸弹簧架34；其中，悬挂板43与机身上板41、机身下板42突出侧连接，悬挂机构转轴45两端连接在外部机架44与悬挂板43之间；足端支撑机构38分为足端支撑ⅰ33和足端支撑ⅱ36，通过足端支撑转轴37连接，形成转动配合；足端支撑ⅱ36与悬挂机构转轴45转动配合且通过卡簧固定；足端支撑ⅰ33和足端支撑ⅱ36配合端开有滑槽、卡槽，在足端支撑ⅰ33和足端支撑ⅱ36的侧边各安装一个拉伸弹簧支架34，在两拉伸弹簧支架34上安装拉伸弹簧35，使得足端支撑ⅰ33与足端支撑ⅱ36的卡槽形成夹具，用来固定小腿4中的足端50；避震器固定座40安装在机身上板41，用来固定避震器39一端，避震器39另一端与足端支撑ⅱ36连接。
6.所述足端支撑ⅰ33与足端支撑ⅱ36设有圆弧凸起作为卡槽入口，卡槽入口贴合使卡槽形成夹具。
7.所述第一运动链具体传动过程为：电机模组1中第二动力源传递动力到同步轮驱动转轴18，通过同步轮驱动转轴18将动力传递给轮式机构24；
8.所述第二运动链具体传动过程为：通过同步轮ⅱ14与大同步ⅱ15将同步轮驱动转轴18的动力传递至同步轮从动转轴17，进而传递给安装在同步轮从动转轴17上的完全齿轮
19，完全齿轮19与不完全齿轮20非啮合状态时，第二运动链为断开状态，动力传递中断；完全齿轮19与不完全齿轮20啮合状态时，第二运动链连续，动力传递到不完全齿轮20，不完全齿轮20和小腿4固定连接，从而用于驱动小腿4运动。
9.所述第一运动链包括同步轮ⅳ16、同步轮驱动转轴18、联轴器23；其中，电机模组1中的同步轮ⅰ11与同步轮ⅳ16通过同步带ⅰ52配合运动，同步轮ⅳ16固定安装在同步轮驱动转轴18上；联轴器23安装在同步轮驱动转轴18一端，用来连接轮式机构24；
10.所述第二运动链包括同步轮ⅱ14、同步轮ⅲ15、同步轮从动转轴17、完全齿轮19、不完全齿轮20；其中，同步轮ⅱ14与同步轮ⅲ15通过同步带ⅱ53配合运动，同步轮ⅱ14固定安装在同步轮驱动转轴18上，同步轮ⅲ15固定安装在同步轮从动转轴17上；完全齿轮19与不完全齿轮20配合运动，完全齿轮19安装在同步轮从动转轴17上，不完全齿轮20与同步轮驱动转轴18中间嵌套一不完全齿轮轴承48，不完全齿轮轴承48通过卡簧固定在同步轮驱动转轴18上；不完全齿轮20一侧固定小腿4。
11.所述第二运动链上设有防顶齿机构49，防顶齿机构49包括：防顶齿侧板ⅰ25、防顶齿侧板ⅱ27、防顶齿转轴26，防顶齿侧板ⅰ25、防顶齿侧板ⅱ27分别安装在不完全齿轮20两侧且防顶齿侧板ⅱ27与小腿4固定，防顶齿转轴26连接防顶齿侧板ⅰ25、防顶齿侧板ⅱ27且用于作为不完全齿轮20有齿部分与无齿部分的过渡齿。
12.所述小腿4包括小腿上半段ⅰ13、小腿上半段ⅱ21、小腿下半段30、足端50；其中，小腿上半段ⅰ13、小腿上半段ⅱ21一端与第一运动链中同步轮驱动转轴18之间嵌套小腿上半段轴承47，小腿上半段轴承47通过卡簧固定，小腿上半段ⅱ21一端与不完全齿轮20固定连接；小腿下半段30一端与小腿上半段ⅰ13、小腿下半段21另一端连接；足端50包括：足端本体29、足端定位销28；足端本体29与足端定位销28一端连接在小腿下半段30另一端，足端定位销28另一端用于与悬挂机构2配合。
13.所述大腿5包括大腿外板ⅰ12、大腿外板ⅱ22、同步轮挡圈31、大腿连接轴32；其中，大腿外板ⅰ12一端连接在小腿电机8、同步轮挡圈31一侧之间，大腿外板ⅱ22一端连接在同步轮挡圈31另一侧，大腿连接轴32两端安装在大腿外板ⅰ12、大腿外板ⅱ22之间；大腿外板ⅰ12、大腿外板ⅱ22另一端分别与第一运动链中的同步轮驱动转轴18、第二运动链中的同步轮从动转轴17之间嵌套大腿外板轴承46，大腿外板轴承46通过卡簧固定。
14.一种基于不完全齿轮的轮足式机器人，包括上述中任一项所述的腿部结构，还包括机架44；机架44用于安装腿部结构。
15.所述腿部结构采用四条，包括两条前腿、两条后腿，前腿、后腿结构相同呈前膝后肘式布置。
16.本发明的有益效果是：
17.1、本发明巧妙地利用不完全齿轮作为第二运动链，用简单的机构解决了复杂的切换问题，减少了动力源的使用。
18.2、结合悬挂机构，轮足式机器人可以在轮式运动时关闭大腿电机，大大节省了能源消耗，增强机器人的续航能力。
19.3、再进一步地在第二运动链的应用中，设计了防顶齿机构，通过该结构解决了不完全齿轮与正常齿轮啮合时会发生的顶齿、撞齿问题，该设计不仅限于本发明场景，可以延申到其他使用不完全齿轮的场景，为其解决顶齿、撞齿问题提供一种新思路。
附图说明
20.图1是本发明应用于四腿轮足式机器人的等轴测视图；
21.图2是本发明的电机模组爆炸图；
22.图3是本发明的电机模组装配图；
23.图4是本发明的悬挂机构爆炸图；
24.图5是本发明的悬挂机构装配图；
25.图6是本发明的悬挂机构剖视图；
26.图7是本发明的轮足动力切换机构爆炸图；
27.图8是本发明的轮足动力切换机构装配图；
28.图9是本发明的轮足动力切换机构剖视图；
29.图10是本发明的防顶齿机构爆炸图；
30.图11是本发明的防顶齿机构装配图；
31.图12是本发明的防顶齿机构运作图；
32.图13为小腿爆炸图；
33.图14为小腿装配图；
34.图15为大腿爆炸图；
35.图16为大腿装配图；
36.图17为轮式运动状态下不完全齿轮与完全齿轮非啮合工作状态图；
37.图18为足式运动状态下不完全齿轮与完全齿轮啮合工作状态图；
38.图19为足端装配图；
39.图20为机架装配图；
40.图21为轴承零件爆炸图；
41.图22为悬挂机构安装示意图一；
42.图23为悬挂机构安装示意图二；
43.图24为同步轮-同步带配合图；
44.图25为轮式运动状态图；
45.图26为足式运动状态图；
46.图中各标号为：1-电机模组，2-悬挂机构，3-轮足动力切换机构，4-小腿，5-大腿，6-大腿电机，7-电机连接环，8-小腿电机，9-同步轮转轴，10-锥端紧定螺钉，11-同步轮ⅰ，12-大腿外板ⅰ，13-小腿上半段ⅰ，14-同步轮ⅱ，15-同步轮ⅲ，16-同步轮ⅳ，17-同步轮从动转轴，18-同步轮驱动转轴，19-完全齿轮，20-不完全齿轮，21-小腿上半段ⅱ，22-大腿外板ⅱ，23-联轴器，24-麦克纳姆轮，25-防顶齿侧板ⅰ，26-防顶齿转轴，27-防顶齿侧板ⅱ，28-足端定位销，29-足端本体，30-小腿下半段，31-同步轮挡圈，32-大腿连接轴，33-足端支撑ⅰ，34-拉伸弹簧架，35-拉伸弹簧，36-足端支撑ⅱ，37-足端支撑转轴，38-足端支撑机构，39-避震器，40-避震器固定座，41-机身上板，42-机身下板，43-悬挂板，44-机架，45-悬挂机构转轴，46-大腿外板轴承，47-小腿上半段轴承，48-不完全齿轮轴承，49-防顶齿机构，50-足端，51-机架连接角码，52-同步带ⅰ，53-同步带ⅱ。
具体实施方式
47.下面结合附图和实施例，对发明做进一步的说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
48.实施例1：如图1-26所示，一种基于不完全齿轮的轮足式机器人腿部结构，包括电机模组1、悬挂机构2、轮足动力切换机构3、轮式机构24、小腿4、大腿5，所述电机模组1包括两个动力源；轮式机构24安装在轮足动力切换机构3上；第一动力源与第二动力源连接，第二动力源与大腿5粗端固定连接，大腿5细端、小腿4粗端与轮足动力切换机构3连接，悬挂装置2用于悬挂小腿4细端；所述轮足动力切换机构3包括两条运动链，第一运动链用于驱动轮式机构24运动，第二运动链包括两种工作状态：工作状态一为第二运动链断开，工作状态二为第二运动链连续进而驱动小腿4运动。工作状态一下进行轮式运动，工作状态二下进行足式运动。
49.可选地，所述电机模组1将大腿电机6作为第一动力源，将小腿电机8作为第二动力源，大腿电机6内转子转动通过电机连接环7将转动传递给小腿电机8，带动小腿电机8的内、外转子一起转动；小腿电机8的外转子转动带动整条大腿5转动，大腿5整体转动带动整条小腿4跟随大腿5转动；小腿电机8的内转子相对于外转子独立转动时，将动力传送给安装在同步轮座9上的同步轮ⅰ11，同步轮ⅰ11跟随小腿电机8内转子转动，同步轮ⅰ11将转动传递给轮足动力切换机构3上的同步轮ⅳ16。具体而言，所述电机模组1包括大腿电机6、电机连接环7、小腿电机8、同步轮座9、同步轮ⅰ11；其中，大腿电机6、小腿电机8借助电机连接环7采用串联的方式连接，大腿电机6通过螺钉将外转子固定在机架44的侧板上，电机连接环7小圆端穿过不接触机架侧板上面的过孔，使用螺钉连接在大腿电机6的内转子上，其大圆端通过螺钉连接在小腿电机8的外转子后侧上；同步轮转轴9与小腿电机8固定连接，可以将同步轮座9通过螺钉连接在小腿电机8内转子上；同步轮ⅰ11通过锥端紧定螺钉10固定在同步轮座9上。
50.可选地，所述悬挂机构2包括：机身上板41、机身下板42、悬挂板43、悬挂机构转轴45、足端支撑机构38、足端支撑转轴37、避震器39、避震器固定座40、拉伸弹簧35、拉伸弹簧架34；其中，机身上板41、机身下板42与机架44通过机架连接角码51连接，悬挂板43通过机架连接角码51与机身上板41、机身下板42突出侧连接，悬挂机构转轴45两端为螺纹状，通过螺母连接在外部机架44与悬挂板43之间；足端支撑机构38分为足端支撑ⅰ33和足端支撑ⅱ36，通过足端支撑转轴37连接，形成转动配合；足端支撑ⅱ36与悬挂机构转轴45转动配合且通过卡簧固定；足端支撑ⅰ33和足端支撑ⅱ36配合端开有滑槽、卡槽，在足端支撑ⅰ33和足端支撑ⅱ36的侧边各安装一个拉伸弹簧支架34，在两拉伸弹簧支架34上安装拉伸弹簧35，使得足端支撑ⅰ33与足端支撑ⅱ36的卡槽形成夹具，用来固定小腿4中的足端50；避震器固定座40安装在机身上板41，用来固定避震器39一端，避震器39另一端与足端支撑ⅱ36连接，起到减震作用；悬挂机构转轴45安装在悬挂板43与机架44上，用来安装悬挂机构2使其可以转动；悬挂机构2在轮足式机器人中固定小腿足端50，不仅为轮式运动提供避震减震的能力，减少不平坦路面冲击，而且为轮式运动提供了稳定的支撑，减少电机电能的消耗，增强续航能力。
51.可选地，所述足端支撑ⅰ33与足端支撑ⅱ36设有圆弧凸起作为卡槽入口，拉伸弹簧35自然伸展状态下，卡槽入口贴合使与足端定位销28适配的卡槽形成夹具，用于固定足端
定位销28一端。
52.可选地，以足端支撑ⅰ33上圆弧凸起的圆心与足端支撑ⅱ36上圆弧凸起的圆心连线作为线a，以第一动力源旋转中心与夹具中心的连线为线b(或者为足端定位销处被拉出时的线速度方向)，线a与线b垂直。使得足端能更好地被大腿5拉出。
53.可选地，所述第一运动链具体传动过程为：电机模组1中第二动力源传递动力到同步轮驱动转轴18，通过同步轮驱动转轴18将动力传递给轮式机构24；所述第二运动链具体传动过程为：通过同步轮ⅱ14与大同步ⅱ15将同步轮驱动转轴18的动力传递至同步轮从动转轴17，进而传递给安装在同步轮从动转轴17上的完全齿轮19，完全齿轮19与不完全齿轮20非啮合状态时，第二运动链为断开状态，动力传递中断，此时轮足式机器人只能轮式运动；完全齿轮19与不完全齿轮20啮合状态时，第二运动链闭合，动力传递到不完全齿轮20，不完全齿轮20和小腿4固定连接，从而用于驱动足式运动中的小腿4运动，进而实现足式运动。
54.可选地，所述第一运动链包括同步轮ⅳ16、同步轮驱动转轴18、联轴器23；其中，电机模组1中的同步轮ⅰ11与同步轮ⅳ16通过同步带ⅰ52配合运动，同步轮ⅳ16用锥端紧定螺钉10固定安装在同步轮驱动转轴18上；联轴器23安装在同步轮驱动转轴18一端，用来连接轮式机构24；所述第二运动链包括同步轮ⅱ14、同步轮ⅲ15、同步轮从动转轴17、完全齿轮19、不完全齿轮20；其中，同步轮ⅱ14与同步轮ⅲ15通过同步带ⅱ53配合运动，同步轮ⅱ14用锥端紧定螺钉10固定安装在同步轮驱动转轴18上，同步轮ⅲ15用锥端紧定螺钉10固定安装在同步轮从动转轴17上；完全齿轮19与不完全齿轮20配合运动，完全齿轮19用锥端紧定螺钉10安装在同步轮从动转轴17上，不完全齿轮20与同步轮驱动转轴18中间嵌套一不完全齿轮轴承48，不完全齿轮轴承48通过卡簧固定在同步轮驱动转轴18上；不完全齿轮20一侧固定小腿4。不完全齿轮中间开有一轴承孔，该孔与不完全齿轮轴承48外圈采取过盈配合，轴承内圈与同步轮驱动转轴18采取过盈配合，并通过卡簧固定在同步轮驱动转轴上；轮足动力切换的关键在于不完全齿轮20，不完全齿轮20与完全齿轮19是否啮合决定了轮足动力是否切换；第一运动链用于驱动轮式机构24，第二运动链用于驱动足式运动中的小腿4运动；由于安装有同步轮ⅰ11的同步轮转轴9安装在小腿电机8上，故小腿电机8直接传递动力到同步轮驱动转轴18；第二运动链由同步轮ⅱ14与大同步ⅱ15将同步轮驱动转轴18的动力传递至同步轮从动转轴17，进而传递给完全齿轮19，完全齿轮19与不完全齿轮20非啮合状态时，第二运动链为断开状态，动力传递中断，完全齿轮19无法传递动力到与不完全齿轮20连接的小腿4上，小腿电机8只控制轮式机构24运动，此时轮足式机器人只能轮式运动，如图17所示；如图18所示，完全齿轮19与不完全齿轮20啮合状态时，第二运动链闭合，运动链完整，完全齿轮19可以传递动力至与不完全齿轮20连接的小腿4上，小腿电机8此时同时控制轮式机构24与小腿4的运动，进而实现足式运动。通过轮足动力切换机构3切换动力实现工作法方式一、工作方式二之间的切换；其中，工作方式一为轮式机构和小腿4共同获得第二动力源的方式，工作方式二为轮式机构获得第二动力源的方式。
55.可选地，所述第二运动链上设有防顶齿机构49，防顶齿机构49包括：防顶齿侧板ⅰ25、防顶齿侧板ⅱ27、防顶齿转轴26，防顶齿侧板ⅰ25、防顶齿侧板ⅱ27分别安装在不完全齿轮20两侧，防顶齿转轴26连接防顶齿侧板ⅰ25、防顶齿侧板ⅱ27且用于作为不完全齿轮20有齿部分与无齿部分的过渡齿。防顶齿机构49用于完全齿轮19与不完全齿轮20准备发生啮合
时，将原本两齿之间的滑动摩擦、挤压转变为滚动摩擦，防止其可能出现的顶齿、撞齿现象，为成功啮合提供保障，同时防顶齿机构49起到防止两齿轮发生轴向偏移的作用。
56.可选地，所述小腿4包括小腿上半段ⅰ13、小腿上半段ⅱ21、小腿下半段30、足端50；其中，小腿上半段ⅰ13、小腿上半段ⅱ21为两块薄板，小腿下半段30为实心铝块，足端50通过螺栓固定连接在小腿下半段30一端；小腿上半段ⅰ13、小腿上半段ⅱ21一端与第一运动链中同步轮驱动转轴18之间嵌套小腿上半段轴承47，小腿上半段轴承47通过卡簧固定，小腿上半段ⅱ21一端与防顶齿侧板ⅱ27、不完全齿轮20固定连接，防顶齿侧板ⅱ27的厚度起到限制小腿上半段21与不完全齿轮20之间距离的作用；小腿下半段30另一端通过螺栓与小腿上半段ⅰ13、小腿下半段21另一端连接；足端50包括：足端本体29、足端定位销28；足端本体29与足端定位销28一端通过螺栓连接在小腿下半段30一端，足端本体29用于接触地面，应对复杂地形，足端定位销28另一端用于与悬挂机构2配合，用于悬挂小腿4以辅助足式运动切换至轮式运动。小腿上半段ⅰ13、小腿上半段ⅱ21上有一轴承安装孔，与轴承外圈采取过盈配合，轴承内圈与同步轮驱动转轴18采取过盈配合，并通过卡簧固定在同步轮驱动转轴18上。
57.可选地，所述大腿5包括大腿外板ⅰ12、大腿外板ⅱ22、同步轮挡圈31、大腿连接轴32；其中，大腿外板ⅰ12一端通过螺栓连接在小腿电机8、同步轮挡圈31一侧之间，大腿外板ⅱ22一端通过螺栓连接在同步轮挡圈31另一侧，大腿连接轴32两端为螺纹状，通过螺母安装在大腿外板ⅰ12、大腿外板ⅱ22之间；大腿外板ⅰ12、大腿外板ⅱ22另一端分别与第一运动链中的同步轮驱动转轴18、第二运动链中的同步轮从动转轴17之间嵌套大腿外板轴承46，大腿外板轴承46通过卡簧固定。同步轮挡圈31起到保护同步轮ⅰ11的作用；每块大腿外板上有两个轴承安装孔，每个孔与轴承外圈采取过盈配合，轴承内圈分别于同步轮驱动转轴18、同步轮从动转轴17采取过盈配合连接，并通过卡簧分别固定在同步轮驱动转轴18、同步轮从动转轴17上。
58.可选地，所述轮式运动的轮式机构24使用麦克纳姆轮；轮式机构24通过螺栓与联轴器23连接。上述中，大腿外板轴承、小腿上半段轴承、不完全齿轮轴承分别表示安装在大腿外板、小腿上半段、不完全齿轮上的轴承。
59.根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种基于不完全齿轮的前膝后肘轮足式机器人，包括上述任意一项所述的腿部结构，还包括机架44；机架44用于安装腿部结构。具体而言，所述机架44由两长两短四块铝板通过机架连接角码51连接；机架44用于连电机模组1、接悬挂机构2和整体腿部结构。
60.可选地，所述腿部结构采用四条，包括两条前腿、两条后腿，前腿、后腿结构相同呈前膝后肘式布置。
61.本发明的工作原理是：
62.本发明基于不完全齿轮20的非连续传动原理，结合轮足式机器人的足式运动的特点，将不完全齿轮20分为两个范围，有齿部分为足式运动工作范围，无齿轮部分为轮式运动范围；即在需要传递动力时，保持运动链完整，使用到不完全齿轮20的有齿部分，在不需要传递动力时，运动链断开，使用到不完全齿轮20的无齿轮部分；结合大腿电机6、小腿电机8、悬挂机构2、防顶齿机构49，使得轮足动力切换得以实现；通过大腿电机6、小腿电机8提供动力可以实现足式运动，再结合悬挂机构2使得轮式运动得以实现，保证运动链断开，结合防
顶齿机构49防止轮式向足式运动转变时发生的顶齿、撞齿现象，保证转换的可靠性。
63.具体的：轮足式机器人由足式运动转变为轮式运动时，大腿电机6带动整条腿部向内转动，同时小腿电机8带动小腿4向内收缩，当轮式机构24接触到地面时，小腿电机8将小腿4转动到极限位置，即小腿4上的足端50转动到足端支撑机构38滑槽口，不完全齿轮20最后一颗齿与完全齿轮19断开啮合，运动链断开，此时可以打开大腿电机6(或者关闭大腿电机6通过重力)，足端50会顺着滑槽斜面滑进卡槽口，通过拉伸弹簧34将足端定位销28卡紧，使不完全齿轮20的有齿部分完全避开完全齿轮19，保证轮式运动时不会发生碰撞。
64.机器人由轮式运动变为足式运动时，大腿电机6带动整条腿部向外转动，将足端50拉出足端支撑机构38卡槽口，足端限位销28可以被大腿5带动拉出，足端50被拉出后，小腿4重心在小腿下半段30处，在重力作用下小腿4落下，直至不完全齿轮20第一颗齿与完全齿轮19啮合，当两齿轮啮合时，运动链完整，此时小腿电机8转动，即可带动小腿4转动，从而站立，实现足式运动。考虑到从轮式运动切换到足式运动时，不完全齿轮20第一颗齿与完全齿轮19啮合时，会发生顶齿、撞齿现象，所以设计除了防顶齿机构49，如图11所示；防顶齿机构49将会发生顶齿、撞齿现象的第一颗齿改为圆柱形转轴，将会发生的滑动摩擦改为滚动摩擦，有效避免了顶齿、撞齿，使得轮足动力切换过程变得更加可靠。
65.上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。