关键词:
线齿轮
变传动比
柔顺机构
步行机器人
摘要:
本文研究一种新型的微小步行机器人的设计理论及其基本组成机构,该步行机器人的机械系统由传动机构和步行机构组成。传动机构来源于本课题组多年来研究的线齿轮,以前也称空间曲线啮合轮,它是基于空间共轭曲线啮合原理的新型齿轮,具有尺寸小、传动比大的特点。步行机构用柔顺机构设计,实现仿生的脚部运动轨迹。本文工作主要包括以下三方面:1.推导了变传动比线齿轮的设计公式。在尺度受限的微小机械装置中,有时有周期性变传动比的传动要求,这难以用控制的方式实现,而传统非圆齿轮又不适用于微小尺度。本文以陈扬枝教授团队所研发的线齿轮理论为基础,推导出具周期性变传动比的线齿轮副的设计公式,并进行建模加工和实验,结果证明,按本文建立的公式所设计和研制的变速比线齿轮副,在一个周期内实现两个或以上的传动比是可行的,各传动比之间也能平稳过渡。2.设计了一种基于柔顺机构的微小步行机器人的步行机构。本文先从传统机械入手,尝试设计出满足运动需求的刚体机构,发现结果不理想或者太复杂,于是从柔顺机构简洁的特性入手,设计出大致满足动作需要的机构,并用伪刚体模型法将其简化,进行分析计算,确定参数,然后建模仿真。该柔顺步行机构通过变形来实现仿生的步行轨迹,所需零件极少,加工装配简单,适用于中小型或微型机器人,适用于二足或多足机器人。并且该柔顺机构被设计成有双稳态特性,有“开启”和“收纳”两种特性,以便携带。3.基于变传动比线齿轮传动的柔顺步行机器人的系统设计。自然界动物的行走步态有一定规律,用机构模仿它们的步态往往不易,特别是在机构输出速度控制上,它们的动作往往有急回运动特性。本文首先尝试了在等传动比情况下设计步行机器人,结果机构很复杂,不易微小化;然后用变传动比线齿轮代替传统等传动比齿轮,机构明显简化,易于微小化;最后用柔顺机构代替了传统刚体步行机构,结合变传动比线齿轮,使步行机器人整个系统的机构大幅简化。