[发明专利]基于差动轮系的三自由度腿部关节及方法

说明书

本发明公开了一种基于差动轮系的三自由度腿部关节及方法，腿部关节包括支架、第一至第三驱动电机、第一至第二传动齿轮、第一至第三锥传动齿轮、回旋架、近端驱动腿和远端驱动腿。本发明所涉及的三自由度腿部关节，采用差动轮系来实现驱动腿机构滚转与俯仰，并采用转动副实现远端驱动腿与近端驱动腿的相对回转。本发明所涉及的三电机驱动，基于差动轮系的腿部关节，具有体积小、驱动机构紧凑，减小转动惯量的优势，能够用于小型足式机器人上作为驱动关节。

技术领域

本发明涉及机器人腿部关节领域，具体涉及一种基于差动轮系的三自由度腿部关节及方法。

背景技术

 20世纪60年代，人类对于生物出色的特性进行理解、研究与再现的过程形成了一门学科——仿生学（Bionics）。该领域的专家学者对自然界中的生物进行了长期的实验观察，并对其运动特性以及生物特性进行了详细的剖析，发现有足动物在环境适应能力方面有着较强的优势。在国内外科研人员的不懈努力下，仿生足式移动机器人模仿有足动物的运动特征，通过控制一个或多个自由度的腿向前交替迈进，其地形适应性高于轮式和履带式移动机器人，在加装多种有效载荷后几乎可以实现任意地表的移动。但是目前该类机器人机构与控制复杂。大多数足式机器人腿部关节的运动由多个相互安装距离较远的执行机构，如电机驱动，导致机器人驱动腿体积过大，且质量分散，远端惯量过大，造成驱动机构的能耗过大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种基于差动轮系的三自由度腿部关节及方法。

本发明为解决所述技术问题采用以下技术方案：

基于差动轮系的三自由度腿部关节，包括支架、第一至第三驱动电机、第一至第二传动齿轮、第一至第三锥传动齿轮、回旋架、近端驱动腿和远端驱动腿；

所述支架包括第一固定板、第二固定板、前安装板、中安装板和若干固定支柱；其中，所述第一固定板、第二固定板平行设置；所述若干固定支柱均设置在第一固定板、第二固定板之间，两端分别和第一固定板、第二固定板垂直固连；所述前安装板、中安装板均呈矩形，两侧均分别和第一固定板、第二固定板垂直固连；所述前安装板设置在第一固定板、第二固定板的一侧，中安装板设置在第一固定板、第二固定板的中部，前安装板和中安装板平行设置；所述前安装板上设有第一通孔和供所述第二传动齿轮转轴穿过的第二通孔，所述中安装板上设有供所述第一驱动电机输出轴穿过的第三通孔；

所述回旋架呈U型，包含第一侧板、第二侧板和底板，所述第一侧板、第二侧板均和所述底板垂直固连，所述第一侧板上设有供所述第一锥传动齿轮转轴穿过的第四通孔，第二侧板上设有供所述第二锥传动齿轮转轴穿过的第五通孔，底板上设有供所述第三锥传动齿轮转轴穿过的第六通孔；

所述第一传动齿轮、第二传动齿轮均设置在前安装板外侧，其转轴分别穿过所述第一通孔、第二通孔且通过轴承和所述前安装板相连；

所述第一至第三锥传动齿轮均设置在所述回旋架内，其中，所述第一锥传动齿轮的转轴穿过所述第四通孔且通过轴承和所述第一侧板相连；所述第二锥传动齿轮的转轴穿过所述第五通孔且通过轴承和所述第二侧板相连；所述第三锥传动齿轮的转轴穿过所述第六通孔且通过轴承和所述底板相连；所述第一锥传动齿轮、第二锥传动齿轮均和所述第三锥传动齿轮啮合，且第一至第三锥传动齿轮的齿数相同；

所述回旋架设置在第一固定板、第二固定板、前安装板、中安装板围成的空间内；所述第一驱动电机固定在所述中安装板上，其输出轴穿过所述第三通孔和所述第二锥传动齿轮伸出第二侧板的转轴同轴固连；所述第二传动齿轮的转轴穿过所述第二通孔后和所述第一锥传动齿轮伸出第一侧板的转轴同轴固连；所述第二驱动电机固定在所述前安装板上，其输出端和所述第一传动齿轮的转轴同轴固连；

所述第一固定板、第二固定板上均设有用于供所述回旋架转动的缺口；

所述近端驱动腿一端和所述第三锥传动齿轮的伸出底板的转轴同轴固连；