一種基于線齒輪傳動的六足仿生機器人的制作方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種基于線齒輪傳動的六足仿生機器人，包括機體、單片機及兩個微電機、兩根相互平行且分別與兩個微電機連接的傳動軸、六個主動輪及從動輪及豎直柱狀足，主動輪包括主動輪輪體、至少兩個沿周向均布于主動輪輪體端面的空間螺旋線狀主動線齒，從動輪包括從動輪輪體、多個均布于從動輪輪體周向的圓弧線狀從動線齒，每根傳動軸固定三個主動輪輪體，機體兩側(cè)各有三根固定從動輪輪體的輸出軸，輸出軸與傳動軸間夾角為0～180°，主動線齒與從動線齒嚙合，機體兩側(cè)各滑動配合三根滑桿，足活動穿過滑桿，輸出軸與足之間有連桿，輸出軸與連桿之間有離合器。本實用新型體積小、成本低、控制簡單、傳動比大，可在微小空間和復(fù)雜環(huán)境下工作。
【專利說明】
一種基于線齒輪傳動的六足仿生機器人
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型涉及可在微小空間內(nèi)行走的仿生機器人，尤其涉及一種基于線齒輪傳 動的六足仿生機器人。
【背景技術(shù)】
[0002] 人們對機器人的幻想與追求已有3000多年的歷史，人類希望制造一種像人一樣的 機器，以便代替人類完成各種工作。1959年，第一臺工業(yè)機器人在美國誕生，近幾十年，各種 用途的機器人相繼問世，使人類的許多夢想變成了現(xiàn)實。隨著機器人工作環(huán)境和工作任務(wù) 的復(fù)雜化，機器人具有在微小空間內(nèi)和復(fù)雜環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)工作的要求越來越迫切。而傳 統(tǒng)機器人簡單的輪子和履帶的移動機構(gòu)已不能適應(yīng)多變復(fù)雜的環(huán)境要求。
[0003] 傳統(tǒng)機器人：
[0004] (1)輪式機器人
[0005] 輪式機器人的機構(gòu)設(shè)計屬于機械領(lǐng)域，在設(shè)計過程中不僅要考慮自身重量的影 響，還要考慮到工作環(huán)境的影響，而且不能對數(shù)據(jù)的采集和分析產(chǎn)生干擾。在輪式機器人的 機構(gòu)設(shè)計中，最為重要的是轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計，如今，轉(zhuǎn)向機構(gòu)主要分為如下幾種:艾克曼轉(zhuǎn) 向（前輪轉(zhuǎn)向前輪驅(qū)動或者前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動）;滑動轉(zhuǎn)向（兩側(cè)車輪獨立驅(qū)動）；全向轉(zhuǎn)動 (基于全方位移動輪構(gòu)建，如麥克納姆輪）;軸一關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)向（車輪轉(zhuǎn)動幅度較大）;車體一關(guān)節(jié) 轉(zhuǎn)向（轉(zhuǎn)彎半徑小，轉(zhuǎn)向靈活，但是軌跡難以控制），在輪式機器人的設(shè)計中應(yīng)根據(jù)具體需要 來選擇轉(zhuǎn)向機構(gòu)的設(shè)計。
[0006] (2)履帶式機器人
[0007] 履帶式移動機器人的主要特點是兩個履帶獨立驅(qū)動。其優(yōu)點有，運動越障性好，可 以原地轉(zhuǎn)動，在不平的路面上運動性能良好，可以通過松軟路面。缺點是運動速度緩慢，速 度和方向不能單獨控制，摩擦力很大，能量損失大，需要保持履帶的張緊。
[0008] 目前機器人體積大、成本高、控制算法復(fù)雜、較難實現(xiàn)大負載的運動，而且無法滿 足在微小空間內(nèi)和復(fù)雜環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)工作的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 為了解決上述問題，本實用新型提供了一種基于線齒輪傳動的六足仿生機器人， 其體積小，且能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜環(huán)境的工作要求。
[0010]為實現(xiàn)上述目的，本實用新型的具體方案為：
[0011] -種基于線齒輪傳動的六足仿生機器人，包括機體、位于機體內(nèi)的單片機及兩個 微電機、兩根相互平行的傳動軸、六個主動輪、六個從動輪、六個豎直的柱狀足，主動輪包括 柱狀主動輪輪體、至少兩個沿周向均布于主動輪輪體端面的空間螺旋線狀主動線齒，從動 輪包括柱狀從動輪輪體、多個均布于從動輪輪體周向的圓弧線狀從動線齒，兩根傳動軸分 別與兩個微電機的輸出端連接，其中三個主動輪的主動輪輪體分別同軸固定在一根傳動軸 上，另三個主動輪的主動輪輪體分別同軸固定在另一根傳動軸上，在機體的兩側(cè)分別設(shè)有 三根相互平行的輸出軸，輸出軸與傳動軸之間的夾角為0~180°，其中三個從動輪的從動輪 輪體分別同軸固定于機體一側(cè)的三根輸出軸上，另三個從動輪的從動輪輪體分別同軸固定 于機體另一側(cè)的三根輸出軸上，六個主動輪的主動線齒分別與六個從動輪的從動線齒相嚙 合，在機體的兩側(cè)端面上分別設(shè)有水平的Τ型槽，在兩側(cè)的Τ型槽內(nèi)分別滑動配合三根Τ型滑 桿，在滑桿的端部設(shè)有軸心為豎直的圓環(huán)，六個柱狀足分別活動穿過六根滑桿的圓環(huán)，在輸 出軸與柱狀足之間設(shè)有Ζ型連桿，連桿的一端與輸出軸端部連接，連桿的另一端與柱狀足的 頂端連接，在輸出軸與連桿之間設(shè)有轉(zhuǎn)向離合器。
[0012]主動線齒與從動線齒的橫截面直徑分別至少為0.1_。
[0013]從動線齒的個數(shù)為主動線齒的個數(shù)與主、從動輪傳動比之積。
[0014] 在機體的前端、后端分別設(shè)有傳感器。
[0015] 兩個微電機的驅(qū)動方向相反。
[0016] 單片機與兩個微電機及轉(zhuǎn)向離合器電連接，六個柱狀足采用三角步態(tài)方式行走， 二角步態(tài)方式行走的兩組足的二角步態(tài)相位差為〇. 5π。
[0017] 主動輪、從動輪采用激光快速成型制造。
[0018] 本實用新型主動輪與從動輪兩個線齒輪為新型齒輪傳動機構(gòu)，不是基于傳統(tǒng)齒輪 的空間曲面嚙合原理，而是基于空間曲線嚙合原理，即實現(xiàn)嚙合傳動的是一對相互嚙合的 空間曲線。主動線齒曲線形狀為空間螺旋線，從動線齒曲線形狀為與主動線齒共輒的空間 圓弧曲線。主動線齒均勻布置在主動輪的端部的一個圓周上，從動線齒均勻布置在從動輪 柱面的圓周上，主動線齒與從動線齒作用可實現(xiàn)連續(xù)的空間嚙合傳動。
[0019] 本實用新型微電機通過傳動軸與主動輪輪體聯(lián)接，多個主動線齒均勻安裝在主動 輪輪體的端面上，主動線齒縱向截面與主動輪體的平面垂直。多個從動線齒單排徑向均勻 布置在從動輪輪體的圓周上；主動輪軸與從動輪軸相互垂直，主動輪和從動輪組成一對傳 動副，通過主動線齒和從動線齒的嗤合運動傳動；當(dāng)主動輪運動時，主動線齒開始與從動線 齒接觸，從動線齒阻礙主動線齒運動，其間的相互作用產(chǎn)生阻力，這個阻力即為傳動力，從 而實現(xiàn)傳動。主動線齒為螺旋線形狀，從動線齒為與主動線齒共輒的空間曲線。主動線齒至 少為2個，從動輪線齒的個數(shù)為主動輪線齒的個數(shù)與傳動比之積。主動線齒與從動線齒橫截 面直徑為0.1mm以上。
[0020] 線齒輪傳動機構(gòu)只有一個傳動副，使得傳動系零件數(shù)減至最少，且能實現(xiàn)在較高 轉(zhuǎn)速下的連續(xù)傳動；與傳統(tǒng)微小型變速機構(gòu)（如微小行星齒輪機構(gòu))相比，該傳動系結(jié)構(gòu)十 分簡單，傳動比大，占用體積比相同傳動比的類似機構(gòu)小很多；而此類傳動技術(shù)（如SMA傳 動、熱膨脹傳動、壓電傳動和電磁傳動），只能實現(xiàn)瞬間步進直線傳動，很難實現(xiàn)平穩(wěn)的連續(xù) 旋轉(zhuǎn)傳動。線齒輪傳動機構(gòu)主要用于微小機電領(lǐng)域，如:微膠囊機器人、管道微小機器人等。
[0021] 本實用新型的優(yōu)點：
[0022] (1)在相同空間內(nèi)，本設(shè)計的線齒輪與傳統(tǒng)齒輪相比，主動輪與從動輪轉(zhuǎn)速比更 大，可達20:1，可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)減速器，同時減小機器人體積，且傳動系結(jié)構(gòu)簡單。線齒輪采用 的是基于空間曲線嚙合原理的技術(shù)。
[0023] (2)線齒輪主、從動線齒直徑最小可達0.1mm，并且主動輪與從動輪可以實現(xiàn)任意 角度的交錯軸傳動，更有利于縮小機器人體積，從而實現(xiàn)機器人在微小空間內(nèi)和復(fù)雜環(huán)境 下工作的要求。
[0024] (3)制造成本低，線齒輪等零件采用激光快速成型制造方法。同時把傳統(tǒng)六足機器 人的18個舵機改為2個電動機加電磁離合器，來實現(xiàn)機器人的行走，大大降低了成本與操作 難度。
[0025] (4)控制簡單快捷，節(jié)省成本，可實現(xiàn)較大負載運動。
【附圖說明】
[0026]圖1為本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖2為主動輪的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖3為從動輪的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖4為空間曲線嚙合齒輪機構(gòu)空間嚙合原理示意圖。
[0030] 圖中：機體1、T型槽1-1、單片機2、微電機3、傳動軸4、主動輪5、主動輪輪體5-1、主 動線齒5-2、從動輪6、從動輪輪體6-1、從動線齒6-2、左足一 7、左足二8、左足三9、右足一 10、 右足二11、右足三12、輸出軸13、滑桿14、圓環(huán)14-1、連桿15、轉(zhuǎn)向離合器16、傳感器17。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖和實施方式對本實用新型作進一步說明。
[0032] 實施例1:參見圖1~圖4,一種基于線齒輪傳動的六足仿生機器人，包括機體1、位 于機體1內(nèi)的單片機2及兩個微電機3、兩根相互平行的傳動軸4、六個主動輪5、六個從動輪 6、六個豎直的柱狀足，六個柱狀足分別為左足一 7、左足二8、左足三9、右足一 10、右足二11、 右足三12。
[0033] 主動輪5包括柱狀主動輪輪體5-1、六個沿周向均布于主動輪輪體5-1端面的空間 螺旋線狀主動線齒5-2，從動輪6包括柱狀從動輪輪體6-1、多個均布于從動輪輪體6-1周向 的圓弧線狀從動線齒6-2。
[0034] 兩根傳動軸4分別與兩個微電機3的輸出端連接，其中三個主動輪5的主動輪輪體 5-1分別同軸固定在一根傳動軸4上，另三個主動輪5的主動輪輪體5-1分別同軸固定在另一 根傳動軸4上，在機體1的兩側(cè)分別設(shè)有三根相互平行的輸出軸13，本實施例輸出軸13與傳 動軸4之間的夾角α為90°，輸出軸13與傳動軸4相垂直，其中三個從動輪6的從動輪輪體6-1 分別同軸固定于機體1 一側(cè)的三根輸出軸13上，另三個從動輪6的從動輪輪體6-1分別同軸 固定于機體1另一側(cè)的三根輸出軸13上，六個主動輪5的主動線齒5-2分別與六個從動輪6的 從動線齒6-2相嚙合，在機體1的兩側(cè)端面上分別設(shè)有水平的Τ型槽1-1，在兩側(cè)的Τ型槽1-1 內(nèi)分別滑動配合三根Τ型滑桿14,在滑桿14的端部設(shè)有軸心為豎直的圓環(huán)14-1，六個柱狀足 分別活動穿過六根滑桿14的圓環(huán)14-1，在輸出軸13與柱狀足之間設(shè)有Ζ型連桿15,連桿15的 一端與輸出軸13端部連接，連桿15的另一端與柱狀足的頂端連接，在輸出軸13與連桿15之 間設(shè)有轉(zhuǎn)向離合器16。
[0035]主動線齒5-2與從動線齒6-2的橫截面直徑分別為1.2mm。
[0036]在機體1的前端、后端分別設(shè)有傳感器17。
[0037]兩個微電機3的驅(qū)動方向相反。
[0038]單片機2與兩個微電機3及轉(zhuǎn)向離合器16電連接，六個柱狀足采用三角步態(tài)方式行 走，二角步態(tài)方式行走的兩組足的二角步態(tài)相位差為〇. 5π。
[0039] 主動輪5、從動輪6采用激光快速成型制造。
[0040] 如圖4，S(o_x，y，z)及51)(〇1^1)，71)，2 1))是兩個空間坐標(biāo)系，〇、〇1)分別為兩個坐標(biāo)系 的原點，z軸與主動輪5的回轉(zhuǎn)軸線重合，z P軸與從動輪6的回轉(zhuǎn)軸線重合，兩軸之間的夾角 為0~180'x軸與^的間距為b，z軸與xP軸的間距為a，a、b取值范圍根據(jù)主動輪5和從動輪6 半徑來定，a不超過主動輪5直徑，b不超過從動輪6直徑。主動輪5以勻角速度ω 1繞2軸旋轉(zhuǎn)， 從動輪6以勻角速度《2繞2[)軸旋轉(zhuǎn)。
[0041 ]主動線齒5-2的螺旋線方程為：
[0043] m為螺旋半徑，ρ為螺距，-π < θ < -〇·5π(θ為變量）。
[0044] 與主動線齒5-2共輒的從動線齒6-2的曲線方程為：
[0046] &為嚙合點Μ的主法失，即4 =
[0047] 本實施例主動線齒5-2螺旋半徑m=3mm，螺距p=6_n。主動輪5與從動輪6傳動比為 3，主動線齒5-2數(shù)目m = 6，從動線齒6-2數(shù)目n2 = m X 3=18，線齒直徑D= 1.2 mm，主動輪5轉(zhuǎn) 軸與從動輪6轉(zhuǎn)軸夾角為90°。與之共輒的從動線齒6-2的曲線方程：
[0049] 式中Θ為變量，θ <-0·5πο
[0050] 本實用新型一種基于線齒輪傳動的六足仿生機器人采取三角步態(tài)，將六柱狀足分 為兩組，左足二8、右足一 10、右足三12為一組，左足一 7、左足三9、右足二11為一組，兩組三 角步態(tài)相位差為〇. 5π，一組足運動時，另一組足保持原狀態(tài)，如此輪換運動，通過足底摩擦 力實現(xiàn)行走。
[0051] 傳感器17作為機器人的眼睛，微電機3驅(qū)動機器人行走，通過轉(zhuǎn)向離合器16的結(jié)合 與分開實現(xiàn)來實現(xiàn)機器人的轉(zhuǎn)向，通過主動輪5帶動從動輪6,然后從動輪6把扭力帶給Ζ型 連桿15，Ζ型連桿15帶動機器人的六個柱狀足行走，柱狀足利用足底的摩擦力實現(xiàn)行走。
[0052] 通過單片機2控制微電機3以及轉(zhuǎn)向離合器16實現(xiàn)三角步態(tài)，單片機2發(fā)出指令使 六個轉(zhuǎn)向離合器16分別張開或結(jié)合，微電機3轉(zhuǎn)動帶動左足二8、右足一 10、右足三12三足抬 起，然后落下，接著抬起左足一 7、左足三9、右足二11三足，反復(fù)循環(huán)，從而使其行走。而前后 的傳感器17可以檢測到路障的高低，給出信號使六足的抬起高度隨其變化。六足機器人的 轉(zhuǎn)向是通過離合器的結(jié)合與分開實現(xiàn)。
[0053] 本實用新型克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，現(xiàn)有機器人無法滿足在微小空間內(nèi)和復(fù) 雜環(huán)境下工作的要求，本實用新型的機器人極大地縮小了體積，且能夠?qū)崿F(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下 工作。
【主權(quán)項】
1. 一種基于線齒輪傳動的六足仿生機器人，其特征在于:包括機體、位于機體內(nèi)的單片 機及兩個微電機、兩根相互平行的傳動軸、六個主動輪、六個從動輪、六個豎直的柱狀足，主 動輪包括柱狀主動輪輪體、至少兩個沿周向均布于主動輪輪體端面的空間螺旋線狀主動線 齒，從動輪包括柱狀從動輪輪體、多個均布于從動輪輪體周向的圓弧線狀從動線齒，兩根傳 動軸分別與兩個微電機的輸出端連接，其中三個主動輪的主動輪輪體分別同軸固定在一根 傳動軸上，另三個主動輪的主動輪輪體分別同軸固定在另一根傳動軸上，在機體的兩側(cè)分 別設(shè)有三根相互平行的輸出軸，輸出軸與傳動軸之間的夾角為〇~180°，其中三個從動輪的 從動輪輪體分別同軸固定于機體一側(cè)的三根輸出軸上，另三個從動輪的從動輪輪體分別同 軸固定于機體另一側(cè)的三根輸出軸上，六個主動輪的主動線齒分別與六個從動輪的從動線 齒相嚙合，在機體的兩側(cè)端面上分別設(shè)有水平的T型槽，在兩側(cè)的T型槽內(nèi)分別滑動配合三 根T型滑桿，在滑桿的端部設(shè)有軸心為豎直的圓環(huán)，六個柱狀足分別活動穿過六根滑桿的圓 環(huán)，在輸出軸與柱狀足之間設(shè)有Z型連桿，連桿的一端與輸出軸端部連接，連桿的另一端與 柱狀足的頂端連接，在輸出軸與連桿之間設(shè)有轉(zhuǎn)向離合器。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線齒輪傳動的六足仿生機器人，其特征在于:主動線齒與 從動線齒的橫截面直徑分別至少為0.1_。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于線齒輪傳動的六足仿生機器人，其特征在于:從動線齒的 個數(shù)為主動線齒的個數(shù)與主、從動輪傳動比之積。4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的基于線齒輪傳動的六足仿生機器人，其特征在于:在機 體的前端、后端分別設(shè)有傳感器。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于線齒輪傳動的六足仿生機器人，其特征在于:兩個微電機 的驅(qū)動方向相反。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于線齒輪傳動的六足仿生機器人，其特征在于:單片機與兩 個微電機及轉(zhuǎn)向離合器電連接，六個柱狀足采用三角步態(tài)方式行走，三角步態(tài)方式行走的 兩組足的二角步態(tài)相位差為〇.5π。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于線齒輪傳動的六足仿生機器人，其特征在于:主動輪、從 動輪采用激光快速成型制造。
【文檔編號】B62D57/032GK205417850SQ201620209644
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月18日
【發(fā)明人】孫磊厚, 劉光新, 楊佳偉, 丁宇飛, 梁平, 陳成
【申請人】常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院