一种可用于迈步机器人的伸缩式机械腿
阅读说明：本技术 一种可用于迈步机器人的伸缩式机械腿 (Telescopic mechanical leg capable of being used for walking robot ) 是由 李晓艳 班书昊 吴王平 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可用于迈步机器人的伸缩式机械腿,属于机械腿领域。它包括连接板、机械大腿、机械小腿和机械脚底板；连接板上转动装设有转轴A、链轮A和大腿惰轮,机械大腿上装设有大腿驱动轮、链轮B、间隙啮合轮和齿条；大腿驱动轮转动装设在转轴A上,链轮A与大腿惰轮同轴固连,间隙啮合轮与链轮B同轴固连；机械大腿开设有转轴滑槽,机械小腿上转动装设有位于转轴滑槽中的转轴B和转轴C,转轴B上装设有与齿条间歇啮合的弧形齿轮。本发明是一种结构合理、采用单电机驱动机械小腿上升和机械大腿转动,能够消除迈步摩擦力降低迈步能耗、提高迈步效率和稳定性、可用于迈步机器人的伸缩式机械腿。(The invention discloses a telescopic mechanical leg capable of being used for a walking robot, and belongs to the field of mechanical legs. The mechanical leg comprises a connecting plate, a mechanical thigh, a mechanical shank and a mechanical foot bottom plate; a rotating shaft A, a chain wheel A and a thigh idle wheel are rotatably arranged on the connecting plate, and a thigh driving wheel, a chain wheel B, a gap meshing wheel and a rack are arranged on the mechanical thigh; the thigh driving wheel is rotationally arranged on the rotating shaft A, the chain wheel A is coaxially and fixedly connected with the thigh idle wheel, and the gap meshing wheel is coaxially and fixedly connected with the chain wheel B; the mechanical thigh is provided with a rotating shaft chute, a rotating shaft B and a rotating shaft C which are positioned in the rotating shaft chute are rotatably arranged on the mechanical shank, and an arc-shaped gear which is intermittently meshed with the rack is arranged on the rotating shaft B. The telescopic mechanical leg is reasonable in structure, adopts a single motor to drive the mechanical shank to ascend and the mechanical thigh to rotate, can eliminate the friction force of stepping, reduce the stepping energy consumption, improve the stepping efficiency and stability, and can be used for a stepping robot.)
技术领域
本发明主要涉及机械腿领域，特指一种可用于迈步机器人的伸缩式机械腿。
背景技术
机器人因具有良好的行走能力而得到广泛的应用。现有技术中的行走机器人通常又分为滑动前进式和迈步前进式，其中迈步前进式具有良好的越障能力可以应用到复杂地面情况。现有技术中的迈步机器人虽然可以越障，但由于其迈步时脚底板的转动导致对地面的摩擦力增加，从而增加了迈步能耗；更为重要的是，迈步机器人的机械腿在转动时长度通常不发生改变，从而使得向前迈步转动的机械腿在脚底板转动时总高度高于直立的机械腿，造成迈步时重心向后晃动，从而降低了迈步的运动稳定性。因此，需要设计一种更加节能的伸缩式迈步机械腿来提高迈步时的稳定性。
发明内容
本发明需解决的技术问题是：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构合理、采用单电机驱动机械小腿上升和机械大腿转动，能够消除迈步摩擦力降低迈步能耗、提高迈步效率和稳定性、可用于迈步机器人的伸缩式机械腿。
为了解决上述问题，本发明提出的解决方案为：一种可用于迈步机器人的伸缩式机械腿，包括用于连接机器人躯体的连接板，上端转动装设于所述连接板上的机械大腿，上端滑动装设于所述机械大腿上的机械小腿，上端装设于所述机械小腿下端的机械脚底板。
所述连接板上转动装设有转轴A、链轮A和大腿惰轮，所述机械大腿自上而下依次装设有大腿驱动轮、链轮B和齿条；所述大腿驱动轮转动装设在所述转轴A上并与所述机械大腿固连，所述链轮A与所述大腿惰轮同轴固连装设，间隙啮合轮与所述链轮B同轴固连装设。
所述大腿驱动轮与所述大腿惰轮外啮合，所述链轮A与所述链轮B采用交叉设置的弹性复合链条相连；所述弹性复合链条是由一段普通链条与两段拉伸弹簧收尾顺次相连而成。
所述机械大腿沿腿长方向开设有转轴滑槽，所述机械小腿上沿腿长方向转动装设有转轴B和转轴C，所述转轴B和转轴C位于所述转轴滑槽中，所述转轴B上装设有与所述齿条间歇啮合的弧形齿轮，转轴B与电机相连，电机装设在所述机械小腿上；金属螺旋弹簧上端与所述转轴滑槽上方的机械大腿相连，下端与所述转轴B相连。
所述机械小腿与所述机械脚底板之间装设有扭转弹簧A和扭转弹簧B，所述扭转弹簧A和扭转弹簧B关于机械小腿对称。
所述弧形齿轮与所述齿条啮合时与所述间隙啮合轮脱离啮合，所述弧形齿轮与所述间隙啮合轮外啮合时与所述齿条脱离啮合；所述金属螺旋弹簧始终处于拉伸状态，且最小弹簧力大于所述机械小腿和机械脚底板的总重力。
进一步地，连接板与机械大腿之间装设有大腿扭转弹簧。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明的一种可用于迈步机器人的伸缩式机械腿的机械大腿设有转轴滑槽、间隙啮合轮和齿条，机械小腿设有转轴、弧形齿轮和电机，从而使得电机转动时机械小腿和机械脚底板首先向上运动，然后再与机械大腿一起向前转动，从而消除了迈步初始时机械脚底板与地面的摩擦，降低了迈步能耗，增加了迈步初始动作的运动稳定性；弧形齿轮分别与齿条和间隙啮合轮啮合传动连接，从而使得机械小腿停止向上运动后再与机械大腿同步相对于连接板向前转动，转轴B和转轴C使得转动过程中机械小腿和机械大腿保持共线，从而增加了迈步落地时的稳定性；金属螺旋弹簧可以增加机械大腿与机械小腿之间的柔性，扭转弹簧可以增加机械脚底板与机械小腿之间的柔性。由此可知，本发明是一种结构合理、采用单电机驱动机械小腿上升和机械大腿转动，能够消除迈步摩擦力降低迈步能耗、提高迈步效率和稳定性、可用于迈步机器人的伸缩式机械腿。
附图说明
图1是本发明的一种可用于迈步机器人的伸缩式机械腿的结构原理示意图。
图中，11—连接板；12—机械大腿；13—机械小腿；14—机械脚底板；21—转轴A；22—大腿驱动轮；23—链轮A；24—大腿惰轮；25—链轮B；26—间隙啮合轮；27—弹性复合链条；28—金属螺旋弹簧；29—弧形齿轮；30—转轴B；31—齿条；32—转轴滑槽；33—转轴C；34—扭转弹簧A；35—扭转弹簧B。
具体实施方式
以下将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。为了便于描述，规定图1中向右的方向为前进方向，向左的方向为后退方向。
参见图1，本发明的一种可用于迈步机器人的伸缩式机械腿，它包括用于连接机器人躯体的连接板11，上端转动装设于连接板11上的机械大腿12，上端滑动装设于机械大腿12上的机械小腿13，上端装设于机械小腿13下端的机械脚底板13。
连接板11上转动装设有转轴A21、链轮A23和大腿惰轮24，机械大腿12自上而下依次装设有大腿驱动轮22、链轮B25及间隙啮合轮26、以及齿条31；大腿驱动轮22转动装设在转轴A21上并与机械大腿12固连，链轮A23与大腿惰轮24同轴固连装设，间隙啮合轮26与链轮B25同轴固连装设。
大腿驱动轮22与大腿惰轮24外啮合传动连接，链轮A23与链轮B25采用交叉设置的弹性复合链条27相连；弹性复合链条27是由一段普通链条与两段拉伸弹簧首尾顺次相连而成。
机械大腿12沿腿长方向开设有转轴滑槽32，机械小腿13上沿腿长方向转动装设有转轴B30和转轴C33，转轴B30和转轴C33位于转轴滑槽32中，转轴B30上装设有与齿条31间歇啮合的弧形齿轮29，金属螺旋弹簧28上端与转轴滑槽32上方的机械大腿12相连，下端与转轴B30相连。
机械小腿13与机械脚底板14之间装设有扭转弹簧A34和扭转弹簧B35，扭转弹簧A34和扭转弹簧B35关于机械小腿13对称。
转轴B30与电机相连，电机装设在机械小腿13上。
弧形齿轮29与齿条31啮合时与间隙啮合轮26脱离啮合，弧形齿轮29与间隙啮合轮26外啮合时与齿条31脱离啮合；金属螺旋弹簧28始终处于拉伸状态，且最小弹簧力大于机械小腿13和机械脚底板14的总重力。
本发明的工作原理如下：电机带动弧形齿轮29顺时针方向转动，弧形齿轮29沿固定装设在机械大腿12上的齿条31向上滚动，从而使得机械小腿13沿铅垂方向向上运动，机械脚底板14离开地面，金属螺旋弹簧28的拉伸变形逐渐减小；当转轴B30运动至最高位置时，弧形齿轮29与齿条31脱离啮合，并开始与间隙啮合轮26发生外啮合传动；电机带动弧形齿轮29继续顺时针方向转动，带动间隙啮合轮26和链轮B25逆时针方向转动，通过交叉设置的弹性复合链条27带动链轮A23顺时针方向转动，进而通过大腿惰轮24驱动大腿驱动轮22逆时针方向转动，从而使得与大腿驱动轮22固连的机械大腿12相对于连接板11逆时针方向转动，实施向前迈步；在机械大腿12转动的过程中，由于转轴C33和转轴B30始终位于转轴滑槽32中，从而使得机械小腿13与机械大腿12保持共线，即大腿驱动轮22同时驱动机械大腿12和机械小腿13向前迈步转动。由于开始时机械脚底板14是接触地面的，在电机转动的第一阶段中机械小腿13沿铅垂方向向上运动，从而使得机械大腿12带动机械小腿13向前转动迈步时不会产生与地面的摩擦力，降低了机器人迈步时的摩擦能耗，且提高了迈步初始运动的稳定性。
当机械大腿12相对于连接板11转动时，链轮B25与链轮A23之间的距离会发生变化，弹性复合链条27中的两段拉伸弹簧的长度会发生相应的变化，从而使得弹性复合链条27始终处于张紧状态，即链轮B25始终可以驱动链轮A23转动。两段拉伸弹簧对称分布在链轮A23与链轮B25轴心连线的两侧，从而使得链轮B25反向转动时与其正向转动时具有可逆性。
本发明的迈步工作过程如下：首先，将本发明的两根伸缩式机械腿安装在机器人躯体上，即分别将两个连接板11安装在机器人躯体上，为了便于描述，两根伸缩式机械腿的编号分别命名为机械腿A和机械腿B。连接板11与机械大腿12之间还可以安装大腿扭转弹簧，以便储存弹性势能并增加机械大腿12转动的稳定性。
机械腿A中的电机顺时针方向转动，使得机械腿A中的机械小腿13向上运动，进而带动机械脚底板14向上离开地面；机械腿A中的电机继续顺时针方向转动，机械小腿13停止向上运动，弧形齿轮29通过带动间隙啮合轮26转动，进而带动机械大腿12和机械小腿13同步向前转动；
此时机械腿B中的机械脚底板14接触地面，机械腿A离开地面，整个机器人的重心沿前进方向微小移动，因此在重力力矩作用下机器人躯体向前倾斜，直至抬起的机械腿A落地再次接触地面，整个落地过程中机械腿B中的扭转弹簧A34和扭转弹簧B35发生一定的扭转变形，即机械腿B中机械大腿12和机械小腿13相对于自己的机械脚底板14向前转动了一定的角度。由于此时机械腿A的长度小于机械腿B的长度，从而使得整个机器人的重心最终偏向于机械腿A。
然后机械腿A中的电机逆时针方向转动，按照相反的原理，机械腿A中的机械大腿12和机械小腿13相对于连接板11即机器人躯体向后转动，由于此时机械脚底板14已经完全接触地面，从而使得机器人躯体相对于机械腿A机械向前运动，直至机械腿A恢复到初始长度和初始铅垂位置。上述步骤实现了机械腿A的缩短、向前迈步、机械脚底板落地和恢复到初始状态四个连续动作，从而实现了机械腿A的伸缩式迈步动作姿态。
之后，机械腿B按照与前面机械腿A一样的动作来完成向前迈步，直至机械腿B恢复到初始状态，完成机械腿B的向前迈步。
机械腿A和机械腿B不断交叉重复上述动作，可以实现连续地迈步式前进。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应该属于本发明的保护范围之内。
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