ДВУНОГИЙ ШАГАЮЩИЙ РОБОТ

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к двуногим шагающим роботам, включающим в себя объемное тело, соединенное с двумя ногами робота, блок управления, соединенный с датчиками определения смещения центра масс робота, источником электропитания, модулем корректирующего смещения центра масс робота, причем каждая из ног робота содержит верхнее звено для опоры объемного тела через первый шарнир, и нижнее звено для опоры верхнего звена через второй шарнир, а также ступни, подвижно соединенные с каждым нижним звеном через третий шарнир и может использоваться в робототехнике.
Уровень техники.
Шагоходы или шагающие роботы - разнообразные механизмы, передвигающиеся с помощью ног. Сложность такого решения заключается в поддержании равновесия. Для поддержание положения такого робота в пространстве применятся различные решения - гиростабилизированная платформа, устройства для смещения центра масс и другие аналогичные.
Известны из уровня техники устройства, которые стабилизируют положение в пространстве объемного тела без применения гироскопов. Так известно из уровня техники устройство для стабилизации положения объемного тела в пространстве с силовой компенсацией отклоняющих воздействий, включающее в себя два маховика с приводами маховиков, соединенные с объемным телом, блок управления, соединенный с датчиками положения, источником электропитания и приводами маховиков, причем оси вращения всех маховиков пересекаются в одной точке, см описание патента на изобретение №2507061, опубликован 27.06.2013.
В данном уровне техники описан способ управления стабилизацией шагающего робота за счет управления распределением центра масс по несущим конечностям исполнительной механической системы, и описан сам робот, в котором описан двуногий шагающий робот, включающий в себя объемное тело, соединенное с двумя ногами робота, блок управления, соединенный с датчиками определения смещения центра масс робота, источником электропитания, модулем корректирующего смещения центра масс робота, причем каждая из ног робота содержит верхнее звено для опоры объемного тела через первый шарнир, и нижнее звено для опоры верхнего звена через второй шарнир, а также ступни, подвижно соединенные с каждым нижним звеном через третий шарнир.
Данное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели и взято за прототип к предлагаемой полезной модели.
Недостатком данного устройства является недостаточная проходимость и недостаточное преодоление препятствий. Действительно, данное решение представляет собой аналог человека и не может преодолевать препятствия, сравнимые с собственным ростом (размером), тем более препятствия, превосходящие рост (размер) такого устройства. Отсюда следует и невысокая проходимость такого робота. Упершись в препятствие, сравнимое с собственным ростом, он перестанет иметь возможность двигаться дальше.
Раскрытие полезной модели.
Опирающееся на это оригинальное наблюдение настоящая полезная модель, главным образом, имеет целью предложить двуногого шагающего робота, включающего в себя объемное тело, соединенное с двумя ногами робота, блок управления, соединенный с датчиками определения смещения центра масс робота, источником электропитания, модулем корректирующего смещения центра масс робота, причем каждая из ног робота содержит верхнее звено для опоры объемного тела через первый шарнир, и нижнее звено для опоры верхнего звена через второй шарнир, а также ступни, подвижно соединенные с каждым нижним звеном через третий шарнире, позволяющую как минимум сгладить, указанный выше недостаток, а именно обеспечить повышение проходимости и преодоления препятствий, что и является поставленной технической задачей настоящей полезной модели.
Для достижения этой цели верхнее звено состоит из двух частей - первой и второй, соединенных друг с другом через четвертый шарнир, причем первая часть верхнего звена для опоры объемного тела через первый шарнир соединена с объемным телом, а вторая часть верхнего звена через второй шарнир соединена с нижним звеном, при этом в положении робота стоя на двух ногах, четвертый шарнир каждой ноги робота расположен выше второго и третьего шарниров.
Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность многократно повысить возможности маневренности такого устройства. За счет дополнительного шарнира и отдельных элементов верхнего звена, становится возможным поднимать ступни высоко вверх, не высоту, в разы превышающую размер самого робота. За счет того, что робот имеет возможность создавать упор на любую из ног, можно переносить центр масс, и затем перемещать самого робота.
Дополнительным преимуществом наличия указанных признаков является то, что появляется возможность существования новых положений равновесия.
Существует возможный вариант исполнения полезной модели, в котором верхнее и нижнее звенья каждой ноги робота выполнены криволинейными и охватывающими объемное тело таким образом, что в положении робота стоя на двух ногах ступни находятся под объемным телом, а четвертый шарнир каждой ноги робота расположен сверху объемного тела над ступнями. Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность повысить устойчивость робота и снизить величину корректирующего смещения центра масс робота.
Существует кроме того и такой возможный вариант исполнения полезной модели, в котором оси вращения первого и второго шарниров совпадают. Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность нижнего звена ноги робота делать полный оборот вокруг второго шарнира.
Существует и такой возможный вариант исполнения полезной модели, в котором объемное тело выполнено в виде эллипсоида. Благодаря такой выгодной характеристике появляется возможность снижения общего объема тела робота.
Совокупность существенных признаков предлагаемой полезной модели неизвестна из уровня техники для устройств аналогичного назначения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «новизна» для полезной модели.
Краткое описание чертежей.
Другие отличительные признаки и преимущества полезной модели ясно вытекают из описания, приведенного ниже для иллюстрации и не являющегося ограничительным, со ссылками на прилагаемые рисунки, на которых:
- фигура 1 изображает внешний вид спереди двуногого шагающего робота в статичном варианте, когда тело выполнено в виде шара, а оси вращения первого и второго шарниров совпадают, согласно полезной модели,
- фигура 2 изображает внешний вид спереди двуногого шагающего робота в статичном варианте, когда тело выполнено в виде параллелепипеда, а оси вращения первого и второго шарниров в общем не совпадают, совпадают, согласно полезной модели,
- фигура 3 изображает внешний вид спереди двуногого шагающего робота в шагающем варианте, когда тело выполнено в виде шара, оси вращения первого и второго шарниров совпадают, часть ноги поднята, центр масс выровнен, согласно полезной модели,
- фигура 4 изображает внешний вид спереди двуногого шагающего робота в шагающем варианте, когда тело выполнено в виде шара, оси вращения первого и второго шарниров совпадают, часть ноги поднята, тело робота также поднято, центр масс выровнен, согласно полезной модели,
- фигура 5 изображает внешний вид спереди двуногого шагающего робота в шагающем варианте, когда тело выполнено в виде шара, оси вращения первого и второго шарниров совпадают, одна нога полностью поднята, тело робота также поднято, центр масс выровнен, согласно полезной модели,
- фигура 6 изображает внешний вид сбоку двуногого шагающего робота в шагающем варианте, когда тело выполнено в виде шара, оси вращения первого и второго шарниров совпадают, одна нога вытянута и опирается на препятствие, показан вариант статического равновесия, согласно полезной модели,
- фигура 7 схематично изображает этапы функционирования двуногого шагающего робота, согласно полезной модели.
На фигурах обозначено:
1 - тело робота,
2 - блок управления,
4 - источник электропитания,
5 - модуль корректирующего смещения центра масс робота,
6 - поверхность,
7 - оси вращения первого и второго шарниров,
8 - ось силы тяжести, проходящая через центр масс
9 - препятствие,
11 - первая часть верхней ноги робота,
12 - вторая часть верхней ноги робота,
13 - нижняя нога робота,
14 - ступня
21 - первый шарнир,
22 - второй шарнир,
23 - третий шарнир,
24 - четвертый шарнир.
Согласно фигуре 1 двуногий шагающий робот, включает в себя объемное тело 1, соединенное с двумя ногами робота, блок управления 2, соединенный с датчиками 3 определения смещения центра масс робота, источником электропитания 4, модулем 5 корректирующего смещения центра масс робота. Каждая из ног робота содержит верхнее звено для опоры объемного тела через первый шарнир 21, и нижнее звено 13 для опоры верхнего звена через второй шарнир 22, а также ступни 14, подвижно соединенные с каждым нижним звеном через третий шарнир 23,
Верхнее звено состоит из двух частей - первой 11 и второй 12, соединенных друг с другом через четвертый шарнир 24, причем первая часть верхнего звена 11 для опоры объемного тела через первый шарнир 21 соединена с объемным телом 1, а вторая часть верхнего звена 12 через второй шарнир 22 соединена с нижним звеном 13, при этом в положении робота стоя на двух ногах, четвертый шарнир 24 каждой ноги робота расположен выше второго 22 и третьего 23 шарниров.
Верхнее и нижнее звенья каждой ноги робота - 11, 12, 13 выполнены криволинейными и охватывающими объемное тело 1 таким образом, что в положении робота стоя на двух ногах ступни 14 находятся под объемным телом 1, а четвертый шарнир 24 каждой ноги робота расположен сверху объемного тела 1 над ступнями 14.
Оси 7 вращения первого и второго шарниров преимущественно совпадают. Объемное тело преимущественно выполнено в виде эллипсоида
Все приводы между движущимися элементами могут быть выполнены в виде электродвигателей, в том числе иметь свои контроллеры и сервоприводы. На фигурах не показаны.
Модуль 5 корректирующего смещения центра масс робота может быть выполнен в виде:
- простейшего механического устройства, перемещающего расположенное внутри тела робота массивного тела, как показано на фигурах 3, 4 и 5;
- гиростабилизированной платформы,
- одного иди нескольких маховиков, которые могут раскручиваться и создавать момент силы, компенсирующий отклоняющее воздействие.
В качестве датчиков 3 определения смещения центра масс робота можно использовать и более сложные датчики, например, МЭМС-акселерометры ST, которые способны измерять ускорение и вибрацию одновременно в трех направлениях.
Осуществление полезной модели.
Двуногий шагающий робот работает следующим образом. (Приводится не ограничивающий применения полезной модели пример использования). Согласно фиг. 7:
Этап 1. В исходном статическом положении робот стоит как на фигуре 1. При необходимости привести робота в движение можно поворачивать части ног 11 и 12 относительно шарнира 24.
Этап 2. При этом при отрыве одной ноги от поверхности 6, датчик 3 фиксирует смещение положения центра масс робота.
Этап 3. Чтобы робот оставался в равновесии модуль 5 корректирующего смещения центра масс робота по команде с блока управления, который вычисляет необходимое корректирующее смещение (или скорость вращения по меньшей мере одного маховика) осуществляет корректирующее смещение центра масс робота, чтобы направление силы тяжести, проходящее через центр масс робота (ось 8 на фигурах) проходила через площадь соприкосновения стопы 14 с поверхностью 6.
Этап 4. Поднятая нога робота совершает упор в поверхность 6, отрывается вторая нога и повторяется предыдущие два этапа.
Этап 5. При необходимости преодоления высокого препятствия, робот может разложить все части ноги как на фигуре 5, упереться поднятой ступней и продолжить перемещение.
Приведенные варианты осуществления полезной модели являются примерными и позволяют добавлять новые варианты или модифицировать описанные.
Промышленная применимость.
Двуногий шагающий робот может быть осуществлен специалистом на практике и при осуществлении обеспечивает реализацию заявленного назначения. Возможность осуществления на практике следует из того, что для каждого признака, включенного в формулу полезной модели на основании описания, известен материальный эквивалент, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «промышленная применимость» для полезной модели и критерию «полнота раскрытия» для полезной модели.
В соответствии с предложенной полезной моделью заявителем был изготовлен опытный образец Двуногого шагающего робота. Опытная эксплуатация предлагаемого устройства показала, что зоны статической устойчивости выглядят очень просто и составляют до 250% от горизонтальных габаритов корпуса робота и до 100% от длины горизонтально вытянутой опоры. При этом робот может преодолевать препятствия, превышающие собственные размеры.
Все это, в конечном счете, обеспечивает выполнение достигаемого технического результата - повышение проходимости и преодоления препятствий.
Предлагаемое устройство может использоваться как шагающий робот и применяться:
- в образовательных целях для изучения соответствующих способов перемещения,
- в робототехнике для перемещения устройств,
- как самостоятельное транспортное средство, позволяющее передвигаться по сложнопрофилированной поверхности, например по горам, а также по поверхности других планет.