低能耗六足机器人的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种适用于在山区长期无人化工作的低能耗六足机器人，包括6条腿和1个本体，每条腿相对于本体有3个可控单自由度关节，均采用绳驱方式驱动；本体包括驱动轮阵列、驱动轮锁定控制机构阵列、1个或数个主驱动器模块、环形轨道模块、功能扩展平台和支撑结构；主驱动器模块驱动各关节，其数量可少于关节，因此1个驱动器可控制多个关节的运动；按照分步运动方式应用各种慢速步态。与现有技术相比，本发明能避免驱动器作负功而产生的能量损耗，腿部惯量小、运动缓慢低摩擦、支撑自身重量时各关节可受控锁定而无须提供支撑力矩，可应用各种现有的六足机器人慢速步态，在保留崎岖地形适应性的同时，较根本地解决了六足机器人高能耗的问题。
【专利说明】低能耗六足机器人
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多足机器人领域，具体是一种适应在山地崎岖地形长期从事无人化农 林作业的低能耗六足机器人。
【背景技术】
[0002] 与山地农林业相关的作业种类众多，要解决它们的机械化、自动化、智能化问题， 首先就要解决各种作业工具和物资在山地崎岖地形上的移动运输问题。显然，依靠人驾驶 农用机械的运输方式不能称之为自动化、智能化的解决方案，而只能称为半机械化的解决 方案。这里所说的"移动运输"，尤其是在崎岖不平的道路上移动和运输，正是人们研究多足 机器人的基本出发点。然而到目前为止，多足机器人离实际应用还有较远的路要走。该领 域需要解决的技术难题很多，难以从实验室走向实际应用的原因也众多，能耗效率问题就 是其中之一。一个使用几十分钟甚至十几分钟就需要更换电池或充电的多足机器人显然不 能代替人类在崎岖不平的道路上移动多远，更不用说还留着电缆或油气管、能量由外在装 置提供的机器人了。例如，本田公司的阿西莫（Asimo)是离实际应用最近的类人二足机器 人的典型代表之一，它在30分钟左右的时间内将消耗完一块38. 4V、10AH的电池，而不得不 更换或充电(http：//world.honda.com/ASIMO/ :Honda，sASIMOcanwalkatavariety ofspeeds，kickballs，andevenclimbstairs.Itweighs510N，canwalkatspeeds upto1. 6kmperhour，anddrainsa38. 4_V，10-A-hourbatteryinabout30min) 〇 目前被誉为离实战应用最近的大狗（BigDog)四足机器人，采用了内燃机而非电机作为驱 动器，于是它能利用地球上能重比和性价比最高的汽油作为能量源，但其输出功率12. 5kW 的发动机本身就不是一个"省油的灯"。无论是阿西莫（Asimo)还是大狗（BigDog)，其设计 几乎不计制造成本和能耗效率，它们通常只能应用于军事等特殊高端需要和实验室。
[0003] 山地作业过程能耗大、能量补给依靠人力实现且费工费时，这是以微耕机为代表 的现有山地农林业机械在实际应用中的严重短板。同样地，对于意图实现山地作业自动化 和智能化的山地多足机器人而言，能耗问题依然是最大的瓶颈之一。不幸的是，能耗问题在 多足机器人设计方面的解决之道似乎少有人问津，因为其解决的难度远在其它问题解决难 度之上，人们更愿意将这个根本性的问题留给时间和更基础性领域的研究进展。梳理一下 上世纪八十年代以来人们研制的有代表性的多足机器人，我们会发现人们总是用一个单独 的驱动器驱动机器人的一个受控自由度。当然，多足机器人领域也不乏用更少的驱动器控 制一条甚至多条腿运动的例子，例如为了模仿生物的某种步态，每条腿的每个关节拥有独 立运动自由度是不必要的，因此很多研究者减少了多足机器人的自由度数量，让多关节联 动从而减少驱动器及其附属机构的使用量。这种方法的缺陷很明显，在于只能对该生物的 某些步态进行模仿，难以适用于全地形运动的要求。（本专利的机器人方案完全保留每个关 节的自由度，因此前述为了研究步态而设计的各类少自由度多足机器人并非本专利所涉及 的专门领域。）对于常规的多足机器人，一条典型腿部结构需要至少3个驱动器以使其足端 能在三维空间中自由移动，而一个多足机器人需要两条以上的腿，因此也就需要配置大量 的驱动器，这一"共识"导致了多足机器人结构设计上的臃肿。目前能够得到的驱动器（电 动机、液压杆等）的功率-重量比十分有限，多足机器人需要大量这样的驱动器，使得这种 机器人难以实际应用，有时它们甚至难以支撑起自身的重量。另外，一个能真正实际应用的 多足机器人应该自身携带诸如电池之类的能量源，而携带更多的能量源将带来重量和体积 的增加，这将使得本己因大量驱动器变低的功率-重量比进一步降低。用有限的能量源给 众多的驱动器提供能量，多足机器人的能耗效率无疑是影响实用性的关键指标。
[0004] 广濑茂男等（ShigeoHIR0SE)在研制"泰坦3"（TITAN-III)、"泰坦 8"（TITAN-VIII)忍者1"（NINJA-I)、"忍者2"（NINJA-II)等多足机器人的过程中，对这 类机器人的能耗效率问题作了比较深入的研究，并于2006年在"英国皇家学会哲学学报A 辑"(PhilosophicalTransactionsofTheRoyalSocietyA)上发表了文章《步行机的机 构设计》（《Mechanicaldesignofwalkingmachines》）。文章以电动机驱动的多足机器 人为例，论述了其能耗损失除了机械摩擦以外，主要发生在驱动器做负功过程中的电机线 圈发热上，这种现象是多足机器人的基本结构和步行运动方式所决定的，是其独有的问题。 所谓驱动器做负功，是指某驱动器动作时，驱动器的外界（一般来自机器人的其它结构和 其它驱动器）对该驱动器做功，一种典型的情况是该驱动器"被用于刹车的时候"。忽略机 械摩擦等其他因素，假设机器人使用了n个驱动器，某时刻各自输出功率及总功率分别为 Pi?Pn、P^，如果某一时刻其中1?i个做负功，则此时机器人的第i+1，?n个驱动器的 输出功率满足公式
【权利要求】
1. 一种低能耗六足机器人，其特征在于：包括6条腿和一个本体，每条腿相对于本体有 3个主动的运动自由度，机器人共18个主动的运动自由度；用一个作动器控制多个主动的 运动自由度，在应用各种步态时，按照分步运动方式完成每一次摆腿和姿态调节运动。
2. 如权利要求1所述的腿，其特征在于：由3个腿节和1个足部串联组成，腿节与本体 或两个腿节之间由1个主动的运动关节连接，每条腿共有3个这样的关节；末端腿节与足部 通过被动的球铰关节连接；所有主动的运动关节均为单自由度，采用绳驱方式产生旋转运 动，由主驱动器模块驱动，通过各关节的传动系统实现；一个关节的传动系统包括1个驱动 轮、2个或4个中间轮、1个从动轮和2根有一定弹性的绳索组成；驱动轮都安装在机器人的 本体内，可与主驱动器模块耦合产生旋转运动，中间轮成对并同轴地安装在比该关节更靠 近本体的同一条腿上的其它运动关节的旋转轴上，并可绕所在旋转轴自由旋转（最靠近本 体的关节的传动系统中不包括中间轮），从动轮与该关节所连接的那一个腿节固连并可绕 该关节旋转轴线同轴地转动；驱动轮、中间轮、从动轮之间由两根有一定弹性的绳索沿两个 相反的旋转方向进行传动；绳索的一端固定在从动轮的外圆周上，依次绕过从动轮、中间轮 和驱动轮，另一端固定在驱动轮的外圆周上并预紧；两条绳索缠绕方向相反，驱动轮可分别 通过两条绳索驱动从动轮向两个相反方向转动。
3. 如权利要求1所述的本体，其特征在于：由驱动轮阵列、驱动轮锁定控制机构阵列、 1个或不多于驱动轮数量的多个主驱动器模块、环形轨道模块、功能扩展平台和支撑结构 构成；支撑结构包括底板、外壳、中央腔室和中央立柱；功能扩展平台同轴安装在中央立柱 上并被其穿过，恰好覆盖中央腔室，其上表面可以外接安装太阳能电池板和各种山地农林 作业所需要的设备物资；中央腔室用于容纳和安装控制机器人完成移动、定位、导航、通信、 供电和充电等任务所需的各种电路板和供电装置，其中各种传感器分布安装于中央立柱周 围、外露于功能扩展平台以上，用于通信的天线安装在中央立柱最上端，机器人的充电接口 安装在外壳的侧面； 驱动轮的数量应与主动运动关节的总数量一致，均为18个，所有驱动轮按照中心对称 的方式安装在底板上，各驱动轮的上表面共面、下表面共面，且均与底板所在平面平行，所 有驱动轮的旋转轴线与底板垂直相交，交点位于同一圆周上并均匀分布，过该圆的中心与 底板垂直的轴线即为本体中心线，该中心线与中央立柱的中轴线重合，每条腿的3个主动 运动关节由3个相邻的驱动轮驱动和控制，所有18个驱动轮组成所述的驱动轮阵列；每个 驱动轮的上表面能提供用于驱动关节运动的摩擦力，下表面设有3条均布的沿径向方向的 槽，用于与驱动轮锁定控制机构配合完成驱动轮的锁定与释放动作；每一个驱动轮有三种 运动状态，一是可绕自身轴线自由转动，二是受主驱动器模块控制转动或不动，三是被驱动 轮锁定控制机构锁定而不能转动；驱动轮锁定控制机构安装在每一个驱动轮下方并与底板 固连，所有驱动轮锁定控制机构组成所述的驱动轮锁定控制机构阵列； 本体内还安装有环形轨道模块，包括上轨道和下轨道，均为圆环形状，每条圆环形轨道 所在平面与底板平行，其中心轴线与本体中心线重合；其中，上轨道中安装有与主驱动器模 块相同数量的自动小车，每个自动小车可以且只能在一个小电机驱动下沿上轨道路径方向 移动； 所述的主驱动器模块中的每一个，其上端与一个自动小车的下部固连，下端与环形轨 道模块的下轨道通过滚珠接触定向，使得每一个主驱动器模块可以且只能在自动小车的带 动下沿圆环形轨道路径移动；每一个主驱动器模块由主驱动器模块机架、主电机、摩擦离合 盘、离合控制电机和离合控制导轨系统组成；摩擦离合盘的摩擦面向下与各驱动轮上表面 相对，随着主驱动模块沿圆环形轨道移动，摩擦离合盘的中心轴线可以与任意一个驱动轮 的旋转轴线对准；摩擦离合盘上端与主电机输出轴固连，可绕自身轴线随主电机输出轴一 起转动；离合控制电机可以控制主电机及摩擦离合盘沿离合控制导轨系统的延伸方向上下 运动，运动方向与摩擦离合盘的中心轴线一致；当1个主驱动器模块的摩擦离合盘与1个 驱动轮轴线正好对准时，摩擦离合盘向下运动使其下表面与驱动轮上表面接触并产生正压 力，此时主电机旋转，则摩擦离合盘与驱动轮之间产生静摩擦力使驱动轮作旋转运动。
4. 如权利要求3所述的驱动轮锁定控制机构，其特征在于：驱动轮锁定控制机构固连 地安装于底板上，分别位于每一个驱动轮的下方，包括1个运动块、1个锁定销、1个导轨系 统；运动块可以且只能沿导轨系统的延伸方向作受控的直线平移运动，运动方向平行于驱 动轮的下表面；在自身非受控情况下，运动块不能因外力沿导轨作直线平移运动；锁定销 插入运动块上的一个孔内，可以且只能沿该孔的轴线作上下伸缩运动，且自然状态下将处 于并保持完全伸出的状态，除非受控时完全缩回运动块上的孔内，或因受驱动轮的下表面 阻挡而不能完全伸出；锁定销刚好能够插入驱动轮下表面的槽中，也可以从中顺利地拔出； 锁定销在运动块沿导轨作受控的直线平移运动的部分行程中，应能够正好不位于驱动轮正 下方，在运动块作受控的直线平移运动的另一部分行程中，应能够正好位于所述驱动轮正 下方，且在这部分行程中，应存在唯一位置，使锁定销可以插入驱动轮下表面的槽中；当驱 动轮未被锁定时，锁定销不位于驱动轮正下方，且处于完全伸出的自然状态，此时驱动轮可 以自由旋转或受主驱动器模块控制而作旋转运动或不动；当驱动轮被锁定时，锁定销插入 驱动轮下表面的槽中，并处于完全伸出的状态，运动块不作受控的直线平移运动，此时驱动 轮无法旋转。
5. 如权利要求3所述的摩擦离合盘，其特征在于：包括联轴块、弹性元件、离合盘和挡 板；联轴块上端与所述主电机的输出轴固连，下端有盲孔以容纳弹性元件，外圆周上有外花 键；离合盘下端为离合面，可与驱动轮的上表面接触产生摩擦力而驱动关节转动，其上端有 孔，且孔内圆周面有内花键，可与联轴块的外花键配合，内花键长度大于联轴块的外花键长 度，孔底有直径稍小的盲孔以容纳弹性元件；联轴块与离合盘通过所述的外花键和内花键 形成配合，二者不能发生相对转动但可以发生轴向平移运动，二者之间放置一定程度上预 紧的弹性元件，弹性元件处于压缩状态使离合盘与联轴块二者有相互分离的趋势，挡板固 连于离合盘上端防止离合盘与联轴块因弹性元件产生的弹力而分离；主驱动器模块的离合 控制电机固连地安装在主驱动器模块机架上，它可以带动主电机沿离合控制导轨系统的延 伸方向作直线平移运动，从而带动摩擦离合盘作直线平移运动，离合控制导轨系统的延伸 方向与所述驱动轮的轴线方向一致；如果离合控制电机不动作，主电机不会因其它外力沿 导轨作直线平移运动。
6. 如权利要求3所述的环形轨道模块，其特征在于：上轨道横截面为倒"U"形，包括四 处V形凹槽以容纳自动小车的八个滚轮在其中滚动，还包括一个外齿圈与自动小车传动齿 轮啮合；自动小车的所述传动齿轮由一个不能反向驱动的小电机驱动，可以主动旋转从而 使自动小车沿外齿圈方向亦即环形轨道方向运动；自动小车的每个滚轮与V形凹槽壁均有 上下两个接触配合点，使自动小车只能沿环形导轨方向作平移运动。
7.如权利要求1所述的分步运动方式，其特征在于：多足机器人步态规划中的每一次 摆腿或调姿运动都被依次地分解为1次或有限次运动步来完成，其机构的拓扑结构特征在 两个时间上相邻的运动步中将发生一次改变，从而使后一个运动步中机器人的运动方式相 对前一个运动步而言发生一次改变；这种机构拓扑结构特征的改变通过控制不同关节的锁 定或释放，以及不同驱动轮与主电机耦合或不耦合（对应由不同关节提供主动驱动力）来 获得。
【文档编号】B62D57/032GK104443105SQ201410592518
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年10月29日 优先权日:2014年10月29日
【发明者】张春 申请人:西南大学