专利名称：能被动适应地形变化的步行机器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种可在崎岖地形上作全方位移动的步行机器。
步行机器在野外作业、排除救灾、设备维护等领域，具有广泛的应用前景，国内、外都在积极进行研究开发。这方面的近期报导可见“日本高级机器人计划的开发现状”，《自动化技术快报》(内部)，(14，15)1988年10月25日，国家科委新技术局高技术办公室、中国科技情报研究所情报研究部编。
步行机器在崎岖地形上移动时，需要根据地形变化确定各腿运动方式及其着地点。为了解决这个问题，一种方法是设定地形变化为已知但这并不符合实际移动情况。国外常用的方法则是通过压觉、力觉、触觉、视觉、光觉、超声测距、电容或电感式测验等方式，实时感知地形变化，这种方法是可行的，但其缺点是信息处理过程及构造均较复杂，且成本较高。这方面的近年报导可见“TheMechanicsofMobileRobots”，K.J.Waldron，85ICAR，PP533～544及“BasicExperimentsonaHexapodWalkingMachinewithanApproximateStraight-LineLinkMechanism”，M.Kaneko，et.al.，85ICAR，PP397～404。
本发明的任务是要提供一种能实时被动适应地形变化的步行机器，它的结构简单、控制方便，能在崎岖地形上作全方位移动。
本发明的任务是以如下方式完成的步行机器由上、下车体及水平驱动系统、垂直被动适应驱动系统组成。上车体上面上布有上车体垂直被动适应驱动系统，这一系统用直流力矩电机作为驱动机，齿形带和齿轮传动将直流力矩电机的受控伺服转动经锥面摩擦离合器和齿轮齿条分别传到上车体上三条可作垂直运动的腿上，使各腿可分别或同时作垂直主动运动或被动适应地形变化的运动。下车体下面上布有下车体垂直被动适应驱动系统，其构造和上车体垂直被动适应驱动系统相同，使下车体上三条可作垂直运动的腿，可分别或同时作垂直主动运动或被动适应地形变化的运动。上、下车体之间布有由两个互相垂直的直线驱动系统组成的水平驱动系统，使上、下二车体可作水平相对运动。按一定顺序控制上、下车体垂直被动适应驱动系统中的两个驱动机和六个锥面摩擦离合器，以及水平驱动系统中的两个驱动机，即可实现步行机器在崎岖地形上的全方位移动。
以下将结合附图对本发明作进一步的详细描述。
图1c是本发明的俯视结构图，示出了上车体垂直被动适应驱动系统。图1a是本发明的仰视结构图，示出了下车体垂直被动适应驱动系统。图1b是本发明的侧视图，在该视图中为了清楚地表示上、下车体及各腿而去掉了上、下车体垂直被动适应驱动系统的侧视部分。
图1b中上车体[1]上圆周均布有三条可作垂直运动的腿，如图1c中[2]、[3]、[4]所示。以腿[3]为例为圆柱形结构，直径为40毫米，总长为1050毫米，在腿上部450毫米部分布有环状齿条。图1c中直流力矩电机[5]固定在上车体[1]上面上，通过减速齿形带传动付[6]、刚性轴[7]、小齿轮[8]，将直流力矩电机[5]的受控伺服转动传到内部为锥面摩擦离合器凹座的大齿轮[9]上，凹座大齿轮[9]空套在齿轮轴[10]上。[11]是固定在上车体[1]上面上支承齿轮轴[10]的轴承座。[12]是锥面摩擦离合器凸座，籍滑动平键和齿轮轴[10]一起转动又可在其上作轴向滑动。当固定在上车体[1]上面上的拉力电磁铁[13]吸合时，将使锥面摩擦离合器的凸座[12]和凹座大齿轮[9]压紧，这时直流力矩电机[5]的受控伺服转动将传到齿轮轴[10]上，后者将使腿[3]作垂直主动运动，使上车体上升或下沉。当拉力电磁铁[13]释放时，锥面摩擦离合器的凸座[12]和凹座大齿轮[9]间将只存在由予紧弹簧[14]产生的予压力，这时直流力矩电机[5]的受控伺服转动将传到齿轮轴[10]上，后者将使腿[3]作垂直被动适应地形变化的运动，即腿一旦接触到地面，锥面摩擦离合器的凸座[12]和凹座大齿轮[9]间将打滑。予紧弹簧[14]的予压力应选为足以使锥面摩擦离合器带动腿[3]作上下运动的最小值即可，以免当腿[3]一旦触地或上升到达极限位置时，产生过大的撞击。腿[3]相对上车体[1]的上升极限位置由横插在腿[3]上的限位销钉[15]限定。[16]、[17]是固定在上车体[1]上面上的刚性轴[7]的支承座。[18]是拉力电磁铁的拉杆导向座，亦固定在上车体上面。
腿[2]、腿[4]的结构、传动方式和运动方式和上述腿[3]相同。
图1b中下车体[19]上圆周均布有三条直径为40毫米、长为750毫米可作垂直运动的腿，在腿上部550毫米部分布有环形齿条，如图1a中[20]、[21]、[22]所示。此三腿的结构、传动方式和运动方式和上车体上的三条腿相同，不同的是图a中下车体垂直被动适应驱动系统布在下车体下面上，腿[20]、[21]、[22]的上升极限位置由此三腿上的环形齿条下限限定。
断电时上、下车体[1]、[19]均将沿六条腿下沉，上、下车体相对各腿的下沉位置将由腿[3]上的限位销钉[15]及腿[2]、[4]上相应的限位销钉限定。
图2a是本发明的水平驱动系统仰剖视图，示出了布在下车体下面上的直线驱动系统。图2c是本发明的水平驱动系统俯剖视图，示出了布在下车体上面上的和上车体下面的直线驱动系统垂直的直线驱动系统。图2b和图1b相同。
图2a中直流力矩电机[51]固定在上车体[1]的下面上，通过齿轮付[52]将直流力矩电机[51]的受控伺服转动传到螺距为6毫米的丝杆[53]上，[53]将带动螺母块[54]作受控移动，[55]、[56]是螺母块[54]的圆柱导轨，[57]、[58]是固定在上车体[1]下面上的[53]、[55]、[56]的左、右支座。
图2c中，下车体[19]上面上布有传动方式和上车体下面上的直线驱动系统相同但方向互相垂直的直线驱动系统，这一直线驱动系统中的直流力矩电机和两个丝杆、导轨支座均固定在下车体上面上。
螺母块[54]位于上、下车体[1]、[19]之间，其上两个螺母孔互相垂直，两付双圆柱导轨孔亦互相垂直，如图2a、b、c所示。
使水平驱动系统中两个直流力矩电机作受控伺服转动，在互相垂直的直线驱动系统行程内，可使上、下车体[1]和[19]间产生水平全方位相对移动。
本步行机器的断电状态是螺母块[54]位于水平驱动系统中二直线驱动系统的行程的中间位置，上、下车体[1]、[19]位于由[15]等三个布在上车体上的三条腿上的限位销钉限定的最低位置上，且地面水平，六条腿均着地，整个穿行机器的重量由布在上车体上的三条腿支承。
本步行机器的初始状态是螺母块[54]位置和断电状态相同，但上车体垂直被动适应驱动系统中的直流力矩电机[5]及下车体垂直被动适应驱动系统中对应的直流力矩电机均进入位移伺服状态(但暂不转动)。上车体上面的[13]及另外两个相同的拉力电磁铁同时吸合，下车体下面上的三个拉力电磁铁同时释放，此后[5]作定向受控伺服转动，使上、下车体[1]、[19]时同上升200毫米后停止。与此同时下车体下面上的垂直被动适应驱动系统中的直流力矩电机驻定不转，使[19]上三条腿相对[19]的位置不变且随[19]上升200毫米。
自初始状态本步行机器按照移动指令在崎岖地形上，作全方位移动的运作顺序是(1)命[5]作定向受控伺服转动，使上、下车体[1]、[19]再上升200毫米后停止。
(2)水平驱动系中的两个直流力矩电机同时作受控伺服转动，使下车体[19]相对[1]朝指令水平方向作相对移动。这一相对移动的最大距离应保证步行机器的合成重心不超出上车体上三腿着地点间连线围呈的三角形的水平投影面域，以保持步行机器的静态稳定性。
(3)下车体垂直被动适应驱动系统中的直流力矩电机作定向受控伺服转动，使下车体上三条腿同时作下沉运动，由于地形崎岖，下沉各腿的着地时间不同，由于下车体下面上的三个拉力电磁铁都处在释放状态，所以先着地的腿将迫使本腿机械传动链中的锥面摩擦离合器打滑，未着地的腿继续下沉，至下车体上三条腿均着地为止。从三腿同时开始下沉至三腿在崎岖地形上全部着地，可调整在1～2秒内完成，按照这一时间确定下车体下面上的三个拉力电磁铁的本动作延时时间，即在三条腿全部着地后，相关的直流力矩电机停止转动且相关的三个拉力电磁铁同时吸合。这就是本步行机器下车体上三条腿被动适应地形变化的过程。
(4)上车体上三个拉力电磁铁同时释放，此后[5]作定向受控伺服转动，使上车体上的三条腿同时上升。步行机器从上车体上的三条腿支承转换成为由下车体上的三条腿支承。上车体上的三条腿均上升至由[15]等三个限位销钉限定的极限位置为止，在此过程中上车体上和三条腿相关的三个锥面摩擦离合器相继或同时打滑，依此调整本动作延时时间，使相关的直流力矩电机在三个锥面摩擦离合器全部打滑后才停止转动。
(5)水平驱动系统中的两个直流力矩电机同时作受控定向伺服转动，使上车体[1]相对[19]朝指令水平方向作相对移动。为了保证步行机器的稳定性，对这一相对移动最大距离的限制和(2)相同。
(6)上车体垂直被动适应驱动系统中的直流力矩电机[5]作受控定向伺服转动，使上车上三条腿同时作下沉运动，仿(3)完成本步行机器上车体三条腿被动适应地形变化的过程。
(7)下车体上三个拉力电磁铁同时释放，仿(4)使下车体上的三条腿同时上升。步行机器从上车体上的三条腿支承转换成为由上车体上的三条腿支承。下车体上的三条腿均上升至由各腿上的环形齿条下限位置限定的极限位置为止，在此过程中下车体上的三条腿相关的三个锥面摩擦离合器相继或同时打滑，依此调整本动作延时时间，使相关的直流力矩电机在三个锥面摩擦离合器全部打滑后才停止转动。
(8)同(2)。
依此循环下去即
本步行机器即可完成按照移动指令在崎岖地形上的移动。
在运作顺序(2)、(4)、(7)中，使和支承三条腿相关的垂直被动适应驱动系统中的直流力矩电机，作定向受控伺服转动，即可调整上、下车体相对地面的高度。把这一受控垂直位移和本步行机器的水平全方位移动结合起来，即可使本步行机器具有(空间)全方位移动能力。
权利要求
1.一种由圆周均布有三条腿[2]、[3]、[4]的上车体[1]，和圆周均布有三条腿的下车体[19]，和布在上、下车体之间的水平驱动系统等组成的能被动适应地形变化的步行机器，其特征是在上车体[1]上面上和下车体[19]下面上布有垂直被动适应驱动系统。
2.按权项1所述的步行机器，其特征是垂直被动适应驱动系统中的直流力矩电机[5]到相关各条腿的机械传动链中，含由凹座大齿轮[9]和凸座[12]组成的锥面摩擦离合器。
3.按权项1、2所述的步行机器，其特征是凹座大齿轮[9]空套在齿轮轴[10]上，凸座[12]籍滑动平键和齿轮轴[10]一起转动又可在其上作轴向滑动，拉力电磁铁[13]吸合时，将把凸座[12]压紧在凹座大齿轮[9]上，由拉力电磁铁[13]造成的这一压紧力应足以使相关的腿支承步行机器总重的二分之一以上，而锥面摩擦离合器不致打滑。
4.按权项3规定的步行机器，其特征是当拉力电磁铁[13]释放时，予紧弹簧[14]使凸座[12]和凹座大齿轮[9]间仍保持一定予压紧力，这一予压紧力应选为足以使锥面摩擦离合器能带动相关的腿作上、下运动的最小值。
全文摘要
一种能被动适应地形变化的步行机器，属步行机器人，它的结构简单、控制方便，能在崎岖的地形上作全方位移动。能被动适应地形变化的步行机器由上、下车体和六条腿组成。使各驱动机及离合器按一定顺序运动，即可使步行机器在崎岖地形上作全方位移动。
文档编号B62D57/02GK1045737SQ8910146
公开日1990年10月3日 申请日期1989年3月23日 优先权日1989年3月23日
发明者张伯鹏, 袁菁, 黄亭亭, 荣松年 申请人:清华大学