专利名称：支撑模块及具有该支撑模块的机器人的制作方法
技术领域：
本发明的实施例涉及一种支撑机器人的负载的支撑模块及具有该支撑模块的机器人。
背景技术：
与被固定的工业机械手臂或者使用轮子运动的机器人不同，对于有腿的机器人，地和机器人之间的关系在每一步都是变化的。通常，为了使有腿的机器人在不跌倒的情况下运动或者站立，机器人的质心需要位于通过机器人的腿与地的接触点形成的支撑多边形内，或者零力矩点需要位于所述支撑多边形内。此外，由于根据当脚接触地时的运动可能发生冲击，并且机器人会由于这样的冲击而失去平衡，所以有效地控制所述冲击并保持所述支撑多边形是重要的。传统的有腿机器人具有各种结构的脚底，S卩，由可吸收冲击的材料形成的面附着到一个平坦板(主要由高强度金属形成)的结构和仅仅是多边形(三角形或者四边形)形状的角突出的结构，并且脚底的形状和材料根据各种行走运动而变化。在这些结构中，对于脚，仅仅是脚的角突出，可使用执行突出部分的长度改变的机构，或者传感器可附着到脚，从而增加对于地表面的适应性并测量脚之间的力。对于包括具有高强度的一个平坦板的脚，当脚接触地表面时发生的冲击直接传递到机器人的关节，从而降低了机器人的稳定性。如果脚由降低这样的冲击的材料形成，则机器人可甚至由于小振动而摇晃。此外，对于脚的结构，整个脚接触地，支撑多边形可能不通过小的突出部分形成，并且如果准备三点或者四点支撑的脚，以避免这样的问题，则脚的支撑多边形会具有过小的区域。
发明内容
因此，本发明一方面在于提供一种稳定地行走且具有改善的结构的机器人。将在接下来的描述中部分阐述本发明另外的方面，其中一部分通过描述将是显而易见的，或者可以通过本发明的实施而得知。根据本发明的一方面，一种执行行走的机器人包括:主体部；至少一个腿部，连接到主体部，并可运动地支撑主体部；脚，与所述至少一个腿部的下端结合；至少一个支撑模块，与脚的下端结合，其中，所述至少一个支撑模块包括:第一刚性体，与脚的下端结合；空间形成体，与第一刚性体的至少一部分结合，并与第一刚性体的所述至少一部分一起形成空间部分；多个硬颗粒，位于空间部分内，当所述至少一个支撑模块接触地表面，并因此使空间部分的体积减小到预定值或者更小的值时，所述多个硬颗粒拥挤以形成支撑机器人的负载的第二刚性体。
空间形成体可由以下材料形成，所述材料在所述至少一个支撑模块与地表面接触的过程中能够变形成与地表面的形状对应的形状，并且所述材料不沿着任何方向收缩或者膨胀。空间部分的体积可在压力没有施加到所述至少一个支撑模块的状态下最大。空气间隙可形成在所述多个硬颗粒之间，随着空间部分中的被空气间隙占用的体积增大，用于形成第二刚性体的压力可变得更大，随着空间部分中的被空气间隙占用的体积减小，用于形成第二刚性体的压力可更小。根据本发明的另一方面，一种用于支撑结构的支撑模块包括:第一刚性体；空间形成体，与第一刚性体的至少一部分结合，并与第一刚性体的所述至少一部分一起形成空间部分；多个硬颗粒，位于空间部分内，当压力施加到支撑模块并因此使空间部分的体积减小到预定值或者更小的值时，所述多个硬颗粒拥挤以形成支撑所述结构的第二刚性体。空间形成体可由不沿着任何方向收缩或者膨胀的材料形成。空间部分的体积可在压力没有施加到支撑模块的状态下最大。空气间隙可形成在所述多个硬颗粒之间，空间部分中的被空气间隙占用的体积可与形成第二刚性体的压力成比例。至少三个支撑模块可与所述结构结合，以支撑所述结构，所述结构的质心可位于由所述至少三个支撑模块形成的支撑多边形内。
通过下面结合附图对实施例进行的描述，本发明的这些和/或其他方面将会变得清楚和更易于理解，其中:图1是示出根据本发明的一个实施例的支撑模块的视图；图2A至图2C是示出形成刚性体的支撑模块的视图；图3是示出与根据本发明的实施例的支撑模块结合的机器人的视图；图4A至图4C是示出与机器人的脚结合的根据本发明的实施例的支撑模块的视图；图5是示出与机器人的手结合的根据本发明的实施例的支撑模块的视图；图6是示出支撑普通结构的根据本发明的实施例的支撑模块的视图。
具体实施例方式现在，将对本发明的实施例进行详细的描述，其示例在附图中示出，其中，相同的标号始终指示相同的元件。图1是示出根据本发明的一个实施例的支撑模块的视图，图2A至图2C是示出形成刚性体的支撑模块的视图。如图1至图2C中所示，支撑模块100包括:第一刚性体110，连接到将被支撑的物体(附图中，M表示物体的质心)；空间形成体120，与第一刚性体110的下部结合；空间部分130，通过第一刚性体110和空间形成体120形成；多个硬颗粒140，位于空间部分130内。第一刚性体110可由具有刚性的材料(例如，钢、铝或者塑料)形成，使得第一刚性体110的形状不容易由于外力而变形。
空间形成体120与第一刚性体110的下表面的至少一部分结合，第一刚性体110和空间形成体120形成空间部分130。空间形成体120可由以下材料形成，所述材料的形状可通过外力自由变形，并且所述材料自身不沿着任何方向收缩或者膨胀。多个硬颗粒140位于空间部分130内，空气间隙150形成在多个硬颗粒140之间。如果足够的空气间隙150形成在多个硬颗粒140之间，则多个硬颗粒140响应于外力具有弹性或者平稳性，并且当空气间隙150减少时，多个硬颗粒140具有刚性，从而形成硬支撑体。如图1中所示，当外力没有施加到支撑模块100时，空间形成体120基本上具有半圆形状，此时，空间部分130的体积变得最大。如图2A中所示，当外力施加到支撑模块100时，即，当支撑模块100接触地时，空间部分130的体积通过空间形成体120逐渐减小(空间形成体120的形状通过外力可自由变形)，空间部分130内的空气间隙150减少。空间部分130内的体积减小到指定值或者更小的值，因此，空间部分130中的被空间部分130内的空气间隙150占用的体积减小至指定值或者更小的值，空间部分130内的多个硬颗粒140拥挤，并且不沿着任何方向运动。这里，多个硬颗粒140形成具有刚性的第二刚性体140a。位于空间部分130内的多个硬颗粒140根据空间部分130的体积拥挤以形成硬刚性体的现象称为颗粒堵塞(particle jamming)。当外力没有施加到支撑模块100时通过调节空间部分130的最大体积和空间部分130内的空气间隙150的体积，可根据施加到支撑模块100的外力的强度来调节发生颗粒堵塞的时间点，并且空间部分130内的空气间隙150的体积可通过位于空间部分130内的多个硬颗粒140的数量或者体积来调节。随着空气间隙150的体积增加，造成颗粒堵塞的外压力更大，随着空气间隙150的体积减小，造成颗粒堵塞的外压力更小。即，随着空气间隙150的体积增加，使多个硬颗粒140形成第二刚性体140a的外力更大，随着空气间隙150的体积减小，使多个硬颗粒140形成第二刚性体140a的外力更小。图2B和图2C分别示出了当支撑模块100未竖直地支撑负载时和当接触支撑模块100的地表面不平坦时支撑模块100具有刚性的情况。在未发生颗粒堵塞的初始阶段，支撑模块100响应于施加到支撑模块100的负载的方向或者接触支撑模块100的地表面的形状平稳且柔性地操作，当根据施加指定强度或者更大强度的负载而使空间部分130内的体积减小到指定值或者更小的值并且空间部分130中的被空气间隙150占用的体积减小到指定值或者更小的值时，发生颗粒堵塞，并且支撑模块100可表现出刚性，从而支撑各种结构。图3是示出与根据本发明的实施例的支撑模块结合的机器人的视图，图4A至图4C是示出与机器人的脚结合的根据本发明的实施例的支撑模块的视图，图5是示出与机器人的手结合的根据本发明的实施例的支撑模块的视图。如图3中所示，机器人I包括:主体部10 ;至少一个腿部12，连接到主体部10，并可运动地支撑主体部10 ;至少一个脚14，与所述至少一个腿部12的下端结合；臂部16，可旋转地连接到主体部10 ;手18，与臂部16的端部结合；支撑模块100，可附着到机器人I的脚14或者手18。当机器人I行走时，附着到机器人I的脚14的支撑模块100吸收在机器人I与地表面接触的过程中施加到机器人I的冲击，并稳定地支撑机器人I。即，在支撑模块100接触地表面的初始阶段，不发生颗粒堵塞，因此，对应于地表面接触支撑模块100，支撑模块100平稳且柔性地操作，并吸收施加到机器人I的冲击，当支撑模块100与地表面的接触状态保持指定时间时，发生颗粒堵塞，并且支撑模块100形成具有刚性的支撑体，从而稳定地支撑机器人I。如图4A至图4C中所示，多个支撑模块100可与脚14的脚尖部分或者关节部分结合，从而稳定地分散机器人I的负载，以支撑机器人I。这里，机器人I的质心(COM)位于由支撑模块100形成的支撑多边形内。如图5中所示，当物体通过手18被抓住时，附着到机器人I的手18的支撑模块100使手18牢固地支撑所述物体，而不损坏所述物体。即，在支撑模块100接触物体的初始阶段，不发生颗粒堵塞，因此，对应于接触支撑模块100的物体的形状，支撑模块100平稳且柔性地操作，并吸收施加到手18的冲击，当支撑模块100与物体的接触状态保持指定时间时，发生颗粒堵塞，支撑模块100形成具有刚性的支撑体，从而稳定地支撑物体。支撑模块100既可以广泛地用于支撑机器人中的结构，也可广泛地用于支撑普通结构。图6是示出支撑普通结构的根据本发明的实施例的支撑模块的视图。如图6中所示，在初始阶段，支撑模块100对应于结构2和地表面的形状位于结构2和地表面之间，当指定强度或者更大强度的负载通过结构2施加到支撑模块100时，发生颗粒堵塞，并且支撑模块100形成具有刚性的支撑体，从而稳定地支撑结构2。至少三个支撑模块100可附着到结构2，以支撑结构2，并且结构2的质心位于由支撑模块100形成的支撑多边形内。如上所述，支撑模块100使用颗粒堵塞原理，并因此可稳定地支撑将被支撑的接触支撑模块100的结构，而不管结构的形状或者结构的部分的形状。从上面的描述清楚的是，在根据本发明的一个实施例的支撑模块以及具有该支撑模块的机器人中，安装在机器人的腿部上的支撑模块在支撑模块与地表面接触的过程中吸收施加到机器人的冲击，并且当指定强度或者更大强度的压力施加到支撑模块时，支撑模块形成刚性体，从而允许机器人稳定地行走。虽然已示出并描述了本发明的一些实施例，但本领域技术人员应当认识到，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行改变。
权利要求
1.一种执行行走的机器人，所述机器人包括: 主体部； 至少一个腿部，连接到主体部，并可运动地支撑主体部； 脚，与所述至少一个腿部的下端结合； 至少一个支撑模块，与脚的下端结合，其中，所述至少一个支撑模块包括: 第一刚性体，与脚的下端结合； 空间形成体，与第一刚性体的至少一部分结合，并与第一刚性体的所述至少一部分一起形成空间部分； 多个硬颗粒，位于空间部分内，当所述至少一个支撑模块接触地表面，并因此使空间部分的体积减小到预定值或者更小的值时，所述多个硬颗粒拥挤以形成支撑机器人的负载的第二刚性体。
2.如权利要求1所述的机器人，其中，空间形成体由以下材料形成，所述材料在所述至少一个支撑模块与地表面接触的过程中能够变形成与地表面的形状对应的形状，并且所述材料不沿着任何方向收缩或者膨胀。
3.如权利要求1所述的机器人，其中，空间部分的体积在压力没有施加到所述至少一个支撑模块的状态下最大。
4.如权利要求1所述的机器人，其中: 空气间隙形成在所述多个硬颗粒之间； 随着空间部分中的被空气间隙占用的体积增大，用于形成第二刚性体的压力变得更大； 随着空间部分中的被空气间隙占用的体积减小，用于形成第二刚性体的压力变得更小。
5.一种用于支撑结构的支撑模块，所述支撑模块包括: 第一刚性体； 空间形成体，与第一刚性体的至少一部分结合，并与第一刚性体的所述至少一部分一起形成空间部分； 多个硬颗粒，位于空间部分内，当压力施加到支撑模块并因此使空间部分的体积减小到预定值或者更小的值时，所述多个硬颗粒拥挤以形成支撑所述结构的第二刚性体。
6.如权利要求5所述的支撑模块，其中，空间形成体由不沿着任何方向收缩或者膨胀的材料形成。
7.如权利要求5所述的支撑模块，其中，空间部分的体积在压力没有施加到支撑模块的状态下最大。
8.如权利要求5所述的支撑模块，其中: 空气间隙形成在所述多个硬颗粒之间； 空间部分中的被空气间隙占用的体积与形成第二刚性体的压力成比例。
9.如权利要求5所述的支撑模块，其中，至少三个支撑模块与所述结构结合，以支撑所述结构，所述结构的质心位于由所述至少三个支撑模块形成的支撑多边形内。
全文摘要
本发明公开一种支撑模块及具有该支撑模块的机器人，所述机器人具有改善的结构且稳定地行走。所述机器人包括主体部；至少一个腿部，连接到主体部，并可运动地支撑主体部；脚，与所述至少一个腿部的下端结合；至少一个支撑模块，与脚的下端结合，所述至少一个支撑模块包括第一刚性体，与脚的下端结合；空间形成体，与第一刚性体的至少一部分结合，并与第一刚性体的所述至少一部分一起形成空间部分；多个硬颗粒，位于空间部分内，当所述至少一个支撑模块接触地表面，并因此使空间部分的体积减小到预定值或者更小的值时，所述多个硬颗粒拥挤以形成支撑机器人的负载的第二刚性体。
文档编号B62D57/032GK103171642SQ20121056762
公开日2013年6月26日 申请日期2012年12月24日 优先权日2011年12月23日
发明者金柱亨, 卢庆植, 徐基弘 申请人:三星电子株式会社