能被動適應地形變化的步行機器的製作方法

2023-05-05 02:29:36 1

專利名稱：能被動適應地形變化的步行機器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種可在崎嶇地形上作全方位移動的步行機器。
步行機器在野外作業、排除救災、設備維護等領域，具有廣泛的應用前景，國內、外都在積極進行研究開發。這方面的近期報導可見「日本高級機器人計劃的開發現狀」，《自動化技術快報》(內部)，(14，15)1988年10月25日，國家科委新技術局高技術辦公室、中國科技情報研究所情報研究部編。
步行機器在崎嶇地形上移動時，需要根據地形變化確定各腿運動方式及其著地點。為了解決這個問題，一種方法是設定地形變化為已知但這並不符合實際移動情況。國外常用的方法則是通過壓覺、力覺、觸覺、視覺、光覺、超聲測距、電容或電感式測驗等方式，實時感知地形變化，這種方法是可行的，但其缺點是信息處理過程及構造均較複雜，且成本較高。這方面的近年報導可見「TheMechanicsofMobileRobots」，K.J.Waldron，85ICAR，PP533～544及「BasicExperimentsonaHexapodWalkingMachinewithanApproximateStraight-LineLinkMechanism」，M.Kaneko，et.al.，85ICAR，PP397～404。
本發明的任務是要提供一種能實時被動適應地形變化的步行機器，它的結構簡單、控制方便，能在崎嶇地形上作全方位移動。
本發明的任務是以如下方式完成的步行機器由上、下車體及水平驅動系統、垂直被動適應驅動系統組成。上車體上面上布有上車體垂直被動適應驅動系統，這一系統用直流力矩電機作為驅動機，齒形帶和齒輪傳動將直流力矩電機的受控伺服轉動經錐面摩擦離合器和齒輪齒條分別傳到上車體上三條可作垂直運動的腿上，使各腿可分別或同時作垂直主動運動或被動適應地形變化的運動。下車體下面上布有下車體垂直被動適應驅動系統，其構造和上車體垂直被動適應驅動系統相同，使下車體上三條可作垂直運動的腿，可分別或同時作垂直主動運動或被動適應地形變化的運動。上、下車體之間布有由兩個互相垂直的直線驅動系統組成的水平驅動系統，使上、下二車體可作水平相對運動。按一定順序控制上、下車體垂直被動適應驅動系統中的兩個驅動機和六個錐面摩擦離合器，以及水平驅動系統中的兩個驅動機，即可實現步行機器在崎嶇地形上的全方位移動。
以下將結合附圖對本發明作進一步的詳細描述。


圖1c是本發明的俯視結構圖，示出了上車體垂直被動適應驅動系統。圖1a是本發明的仰視結構圖，示出了下車體垂直被動適應驅動系統。圖1b是本發明的側視圖，在該視圖中為了清楚地表示上、下車體及各腿而去掉了上、下車體垂直被動適應驅動系統的側視部分。
圖1b中上車體[1]上圓周均布有三條可作垂直運動的腿，如圖1c中[2]、[3]、[4]所示。以腿[3]為例為圓柱形結構，直徑為40毫米，總長為1050毫米，在腿上部450毫米部分布有環狀齒條。圖1c中直流力矩電機[5]固定在上車體[1]上面上，通過減速齒形帶傳動付[6]、剛性軸[7]、小齒輪[8]，將直流力矩電機[5]的受控伺服轉動傳到內部為錐面摩擦離合器凹座的大齒輪[9]上，凹座大齒輪[9]空套在齒輪軸[10]上。[11]是固定在上車體[1]上面上支承齒輪軸[10]的軸承座。[12]是錐面摩擦離合器凸座，籍滑動平鍵和齒輪軸[10]一起轉動又可在其上作軸向滑動。當固定在上車體[1]上面上的拉力電磁鐵[13]吸合時，將使錐面摩擦離合器的凸座[12]和凹座大齒輪[9]壓緊，這時直流力矩電機[5]的受控伺服轉動將傳到齒輪軸[10]上，後者將使腿[3]作垂直主動運動，使上車體上升或下沉。當拉力電磁鐵[13]釋放時，錐面摩擦離合器的凸座[12]和凹座大齒輪[9]間將只存在由予緊彈簧[14]產生的予壓力，這時直流力矩電機[5]的受控伺服轉動將傳到齒輪軸[10]上，後者將使腿[3]作垂直被動適應地形變化的運動，即腿一旦接觸到地面，錐面摩擦離合器的凸座[12]和凹座大齒輪[9]間將打滑。予緊彈簧[14]的予壓力應選為足以使錐面摩擦離合器帶動腿[3]作上下運動的最小值即可，以免當腿[3]一旦觸地或上升到達極限位置時，產生過大的撞擊。腿[3]相對上車體[1]的上升極限位置由橫插在腿[3]上的限位銷釘[15]限定。[16]、[17]是固定在上車體[1]上面上的剛性軸[7]的支承座。[18]是拉力電磁鐵的拉杆導向座，亦固定在上車體上面。
腿[2]、腿[4]的結構、傳動方式和運動方式和上述腿[3]相同。
圖1b中下車體[19]上圓周均布有三條直徑為40毫米、長為750毫米可作垂直運動的腿，在腿上部550毫米部分布有環形齒條，如圖1a中[20]、[21]、[22]所示。此三腿的結構、傳動方式和運動方式和上車體上的三條腿相同，不同的是圖a中下車體垂直被動適應驅動系統布在下車體下面上，腿[20]、[21]、[22]的上升極限位置由此三腿上的環形齒條下限限定。
斷電時上、下車體[1]、[19]均將沿六條腿下沉，上、下車體相對各腿的下沉位置將由腿[3]上的限位銷釘[15]及腿[2]、[4]上相應的限位銷釘限定。
圖2a是本發明的水平驅動系統仰剖視圖，示出了布在下車體下面上的直線驅動系統。圖2c是本發明的水平驅動系統俯剖視圖，示出了布在下車體上面上的和上車體下面的直線驅動系統垂直的直線驅動系統。圖2b和圖1b相同。
圖2a中直流力矩電機[51]固定在上車體[1]的下面上，通過齒輪付[52]將直流力矩電機[51]的受控伺服轉動傳到螺距為6毫米的絲杆[53]上，[53]將帶動螺母塊[54]作受控移動，[55]、[56]是螺母塊[54]的圓柱導軌，[57]、[58]是固定在上車體[1]下面上的[53]、[55]、[56]的左、右支座。
圖2c中，下車體[19]上面上布有傳動方式和上車體下面上的直線驅動系統相同但方向互相垂直的直線驅動系統，這一直線驅動系統中的直流力矩電機和兩個絲杆、導軌支座均固定在下車體上面上。
螺母塊[54]位於上、下車體[1]、[19]之間，其上兩個螺母孔互相垂直，兩付雙圓柱導軌孔亦互相垂直，如圖2a、b、c所示。
使水平驅動系統中兩個直流力矩電機作受控伺服轉動，在互相垂直的直線驅動系統行程內，可使上、下車體[1]和[19]間產生水平全方位相對移動。
本步行機器的斷電狀態是螺母塊[54]位於水平驅動系統中二直線驅動系統的行程的中間位置，上、下車體[1]、[19]位於由[15]等三個布在上車體上的三條腿上的限位銷釘限定的最低位置上，且地面水平，六條腿均著地，整個穿行機器的重量由布在上車體上的三條腿支承。
本步行機器的初始狀態是螺母塊[54]位置和斷電狀態相同，但上車體垂直被動適應驅動系統中的直流力矩電機[5]及下車體垂直被動適應驅動系統中對應的直流力矩電機均進入位移伺服狀態(但暫不轉動)。上車體上面的[13]及另外兩個相同的拉力電磁鐵同時吸合，下車體下面上的三個拉力電磁鐵同時釋放，此後[5]作定向受控伺服轉動，使上、下車體[1]、[19]時同上升200毫米後停止。與此同時下車體下面上的垂直被動適應驅動系統中的直流力矩電機駐定不轉，使[19]上三條腿相對[19]的位置不變且隨[19]上升200毫米。
自初始狀態本步行機器按照移動指令在崎嶇地形上，作全方位移動的運作順序是(1)命[5]作定向受控伺服轉動，使上、下車體[1]、[19]再上升200毫米後停止。
(2)水平驅動系中的兩個直流力矩電機同時作受控伺服轉動，使下車體[19]相對[1]朝指令水平方向作相對移動。這一相對移動的最大距離應保證步行機器的合成重心不超出上車體上三腿著地點間連線圍呈的三角形的水平投影面域，以保持步行機器的靜態穩定性。
(3)下車體垂直被動適應驅動系統中的直流力矩電機作定向受控伺服轉動，使下車體上三條腿同時作下沉運動，由於地形崎嶇，下沉各腿的著地時間不同，由於下車體下面上的三個拉力電磁鐵都處在釋放狀態，所以先著地的腿將迫使本腿機械傳動鏈中的錐面摩擦離合器打滑，未著地的腿繼續下沉，至下車體上三條腿均著地為止。從三腿同時開始下沉至三腿在崎嶇地形上全部著地，可調整在1～2秒內完成，按照這一時間確定下車體下面上的三個拉力電磁鐵的本動作延時時間，即在三條腿全部著地後，相關的直流力矩電機停止轉動且相關的三個拉力電磁鐵同時吸合。這就是本步行機器下車體上三條腿被動適應地形變化的過程。
(4)上車體上三個拉力電磁鐵同時釋放，此後[5]作定向受控伺服轉動，使上車體上的三條腿同時上升。步行機器從上車體上的三條腿支承轉換成為由下車體上的三條腿支承。上車體上的三條腿均上升至由[15]等三個限位銷釘限定的極限位置為止，在此過程中上車體上和三條腿相關的三個錐面摩擦離合器相繼或同時打滑，依此調整本動作延時時間，使相關的直流力矩電機在三個錐面摩擦離合器全部打滑後才停止轉動。
(5)水平驅動系統中的兩個直流力矩電機同時作受控定向伺服轉動，使上車體[1]相對[19]朝指令水平方向作相對移動。為了保證步行機器的穩定性，對這一相對移動最大距離的限制和(2)相同。
(6)上車體垂直被動適應驅動系統中的直流力矩電機[5]作受控定向伺服轉動，使上車上三條腿同時作下沉運動，仿(3)完成本步行機器上車體三條腿被動適應地形變化的過程。
(7)下車體上三個拉力電磁鐵同時釋放，仿(4)使下車體上的三條腿同時上升。步行機器從上車體上的三條腿支承轉換成為由上車體上的三條腿支承。下車體上的三條腿均上升至由各腿上的環形齒條下限位置限定的極限位置為止，在此過程中下車體上的三條腿相關的三個錐面摩擦離合器相繼或同時打滑，依此調整本動作延時時間，使相關的直流力矩電機在三個錐面摩擦離合器全部打滑後才停止轉動。
(8)同(2)。
依此循環下去即
本步行機器即可完成按照移動指令在崎嶇地形上的移動。
在運作順序(2)、(4)、(7)中，使和支承三條腿相關的垂直被動適應驅動系統中的直流力矩電機，作定向受控伺服轉動，即可調整上、下車體相對地面的高度。把這一受控垂直位移和本步行機器的水平全方位移動結合起來，即可使本步行機器具有(空間)全方位移動能力。
權利要求
1.一種由圓周均布有三條腿[2]、[3]、[4]的上車體[1]，和圓周均布有三條腿的下車體[19]，和布在上、下車體之間的水平驅動系統等組成的能被動適應地形變化的步行機器，其特徵是在上車體[1]上面上和下車體[19]下面上布有垂直被動適應驅動系統。
2.按權項1所述的步行機器，其特徵是垂直被動適應驅動系統中的直流力矩電機[5]到相關各條腿的機械傳動鏈中，含由凹座大齒輪[9]和凸座[12]組成的錐面摩擦離合器。
3.按權項1、2所述的步行機器，其特徵是凹座大齒輪[9]空套在齒輪軸[10]上，凸座[12]籍滑動平鍵和齒輪軸[10]一起轉動又可在其上作軸向滑動，拉力電磁鐵[13]吸合時，將把凸座[12]壓緊在凹座大齒輪[9]上，由拉力電磁鐵[13]造成的這一壓緊力應足以使相關的腿支承步行機器總重的二分之一以上，而錐面摩擦離合器不致打滑。
4.按權項3規定的步行機器，其特徵是當拉力電磁鐵[13]釋放時，予緊彈簧[14]使凸座[12]和凹座大齒輪[9]間仍保持一定予壓緊力，這一予壓緊力應選為足以使錐面摩擦離合器能帶動相關的腿作上、下運動的最小值。
全文摘要
一種能被動適應地形變化的步行機器，屬步行機器人，它的結構簡單、控制方便，能在崎嶇的地形上作全方位移動。能被動適應地形變化的步行機器由上、下車體和六條腿組成。使各驅動機及離合器按一定順序運動，即可使步行機器在崎嶇地形上作全方位移動。
文檔編號B62D57/02GK1045737SQ8910146
公開日1990年10月3日 申請日期1989年3月23日 優先權日1989年3月23日
發明者張伯鵬, 袁菁, 黃亭亭, 榮松年 申請人:清華大學