Публикация
описывает конструкцию антропоморфной шагающей платформы, шаровой опорный шарнир
которой содержит гибкий элементе – аналог ligamentum capitis femoris (LCF).
Антропоморфная шагающая платформа
Заявка
на патент RU2015134113A
Изобретатели
Архипов Сергей Васильевич
Архипова Александра Сергеевна
2015-08-13 Заявление
подал: С.В. Архипов
2017-02-14 Публикация RU2015134113A
ФОРМУЛА
ИЗОБРЕТЕНИЯ
Антропоморфная
шагающая платформа, содержащая сенсоры, видеокамеры, устройства
позиционирования и управления, вычислительную систему, а также подвижно
соединенные носовую часть, снабженную манипуляторами и кормовую часть,
снабженную педипуляторами, имеющих два или более подвижно соединенные сегмента,
а также приводы, упругие элементы, датчики действующих сил и ускорений,
отличающаяся тем, что носовая часть, имеющая верхний и нижний корпус,
расположена преимущественно вертикально, а ее верхний корпус может быть снабжен
не менее чем двумя округлыми видеокамерами, расположенными на башнях, основания
которых соединены вогнутой плоскостью, кроме этого, верхний корпус носовой
части подвижно соединен с ее нижним корпусом, который подвижно, с возможностью
наклона во фронтальной и сагиттальной плоскости, а также вращения относительно
вертикальной оси, соединен со средним корпусом кормовой части, подвижно
соединенным с двумя боковыми корпусами, к каждому из которых подвижно
присоединен педипулятор посредством шаровых шарниров с гибкими элементами,
причем подвижные соединения корпусов, педипуляторов и манипуляторов содержат
управляемые силовые приводы, упругие растяжимые элементы, и гибкие нерастяжимые
элементы, являющиеся функциональными связями, и снабжены устройствами для
измерения силы, кроме этого кормовая часть содержит одно или более устройств
рекуперации энергии соединенных, с педипуляторами и нижним корпусом носовой
части, который также может содержать одно или более устройства рекуперации энергии,
соединенных с манипуляторами, верхним корпусом и кормовой частью.
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
Область
техники, к которой относится изобретение.
Изобретение
относится к транспортным средствам с движителями иными, чем обычные колеса или
гусеницы, а именно к шагающим
транспортным средствам, точнее к роботам с поочередно или последовательно
поднимающимися опорами.
Уровень
техники.
Для эффективного
передвижения в среде обитания человека, транспортировки грузов и научных
приборов, работы с машинами и оборудованием сконструированных для людей, робот
должен иметь не менее двух педипуляторов. Подобные роботы должны быть устойчивы как на двух, так и одном педипуляторе.
Устойчивость крайне необходима во время ходьбы по пересеченной местности. Для эффективного
функционирования робот должен отличаться от прочих транспортных средств повышенной
маневренностью и проходимостью, иметь низкие энергозатраты на единицу пути, быть
способным в автоматическом режиме избирать точки опоры. Указанных положительных
свойств можно достичь путем размещения манипуляторов, оборудования и силовой
установки робота на антропоморфной шагающей платформе, имеющей два педипулятора.
Важно, чтобы внешний вид подобного шагающего робота не вызывал «синдрома
терминатора», заключающегося в ожидании человеком от робота агрессии и
безжалостно-разумного поведения.
Отдельные известные из уже созданных
антропоморфных роботов например «Valkyrie» (NASA Johnson Space Center, США) - пропорциями и внешним видом, напоминающим женщину,
другие как «Atlas» (Boston Dynamics, США) - пропорциями и внешним видом напоминающим
мужчину, а некоторые, такие как «Asimo» (Honda, Япония) своими размерами и
пропорциями голова-туловище напоминающим взрослого ребенка [1, 2, 3]. Все указанные
роботы имеют тело, к верхней части которого прикреплена голова, а также два
манипулятора и два педипулятора. Недостатками известных роботов является наличие
гендерных и возрастных отличий, формирование внешнего образа разумной машины с
демонстрацией физического превосходства – мужчины, женщины и ребенка
соответственно. Кроме этого, наличие головы как элемента конструкции приводит к
удорожанию всей машины, а также не позволяет увеличить расстояние между
размещенными на голове робота видеокамерами с целью повышения качества стерооскопического
машинного зрения.
Известен робот, содержащий множество
подвижных единиц:
верхние и нижние конечности и туловище, множество датчиков ускорения, средств
для управления подвижными единицами, средство для вычисления неизвестного
момента и / или неизвестных внешней силы, приложенной к устройству робота с
использованием заранее заданного уравнения на основе информации об ускорении от
каждого из датчиков ускорения, средств управления, контролирующих перемещение
подвижных единиц [4]. Недостатком
данного робота является то, что его перемещение возможно только при активном
отталкивании от поверхности опоры без использования инерции колебательных
движений тела, а рекуперации энергии не предусмотрена.
Известен шагающий робот, имеющий
ноги и использующий при ходьбе эффект «пассивной динамики» с активным контролем
сил посредством датчиков, выполненный с возможностью выдвигания или втягивания ноги по ее длине, снабженный
по крайней мере одним двигателем ноги и пружиной, с возможностью хранения
энергии в ней во время ее сжатия и высвобождения накопленной энергии при старте
[5]. Недостатком
данного робота является то, что при телескопической конструкции ног робота
затруднительно поддержание его в позиции неподвижного равновесия на одной или
двух ногах.
Известен робот, созданный
в Cornell University (США), конструкция
которого содержит корпус, пружины для рекуперации энергии, электродвигатель,
электрическую батарею, четыре педипулятора, снабженных тазобедренными, коленными
и голеностопными шарнирами и стопами [6].
В конструкции данного робота использован принцип «passive dynamics», рекуперация механической энергии и закономерности
свойственные для движения маятника [7]. Недостатком известного робота является
то, что он может
ходить только по ровной горизонтальной поверхности, недостаточно маневрен,
обладает малой устойчивостью и не способен перемещаться через препятствия.
Известен мобильный робот, имеющий
тело, к нижней части которого, прикреплены две ноги посредством «тазобедренных
суставов», снабженных двумя сегментами, соединенных «коленными шарнирами» и
имеющий «стопы» в нижней части [8]. Недостатком данного робота является то, что его
искусственные «суставы» существенно отличаются по своему конструктивному
устройству от нормальных суставов человека [9], прежде всего тем, что не имеют
аналогов связок – функционально значимых гибких нерастяжимых элементов. В связи
с этим, поддержание тела робота в положении устойчивого равновесия достижимо
только за счет активного действия силовых приводов, что обуславливает
повышенные затраты энергии, прежде всего в одноопорном периоде шага при ходьбе.
Наиболее
близким по своей сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению,
является, двуногий шагающий робот-гуманоида, содержащий голову, руки и тело, а также ноги, прикрепленные к нижнему его концу с
обеих сторон, причем, нога состоит из двух сегментов и стоп, соединенных
подвижно, а тело состоит из двух частей – верхней и нижней, соединенных
подвижно с возможностью наклона вперед-назад и поворота вокруг вертикальной
оси, при этом подвижные соединения имеют приводы, кроме этого робот имеет
трехосные датчики ускорения, процессоры, источник питания, а при ходьбе
использует вес и момент инерции рук и верхней части тела [10]. Недостатком данного робота является то, что его подвижные
соединения существенно отличаются по своему конструктивному устройству от
нормальных суставов человека, так как не имеют аналогов связок – функционально
значимых гибких нерастяжимых элементов, кроме этого, верхняя и нижняя часть
тела не может совершать движений во фронтальной плоскости, что важно для
поддержания устойчивости во время ходьбы и боковом раскачивании. Рекуперация
энергии при ходьбе данного робота на предусмотрена, а поддержание тела робота в
положении устойчивого равновесия достижимо только за счет активного действия
силовых приводов, что обуславливает повышенные затраты энергии прежде всего в
одноопорном периоде шага.
Задачей, на решение которой направлено изобретение,
является: создание антропоморфной шагающей платформы лишенной внешних гендерных и возрастных, уменьшение стоимости конструкции,
повышение качества стереоскопического машинного зрения, уменьшение нагрузки на
узлы подвижности и приводы, повышение устойчивости шагающей платформы, снижение
затрат энергии в положении покоя и при ходьбе, снабжение антропоморфной
шагающей платформы системами рекуперации энергии, а
также конструктивное обеспечение условий для воспроизведения алгоритмов
естественных локомоций человека.
Решение
поставленной задачи достигается тем, что антропоморфная шагающая платформа,
содержащая сенсоры, видеокамеры, устройства позиционирования и управления,
вычислительную систему, а также подвижно соединенные носовую часть снабженную
манипуляторами, и кормовую часть, снабженную педипуляторами, имеющих два или
более подвижно соединенных сегмента, а также приводы, упругие элементы, датчики
действующих сил и ускорений, причем, носовая часть, имеющая верхний и нижний
корпус, расположена преимущественно вертикально, а ее верхний корпус может быть
снабжен не менее чем двумя округлыми видеокамерами, расположенных на башнях,
основания которых соединены вогнутой плоскостью, кроме этого, верхний корпус
носовой части подвижно соединен с ее нижним корпусом, который подвижно, с
возможностью наклона во фронтальной и сагиттальной плоскости, а также вращения
относительно вертикальной оси, соединен со средним корпусом кормовой части,
подвижно соединенным с двумя боковыми корпусами, к каждому из которых подвижно
присоединен педипулятор посредством шаровых шарниров с гибкими элементами,
причем подвижные соединения корпусов, педипуляторов и манипуляторов содержат
управляемые силовые приводы, упругие растяжимые элементы и гибкие нерастяжимые
элементы, являющиеся функциональными связями, и снабжены устройствами для
измерения силы, кроме этого, кормовая часть содержит одно или более устройства
рекуперации энергии, соединенных с педипуляторами и нижним корпусом носовой
части, который также может содержать одно или более устройств рекуперации
энергии, соединенных с манипуляторами, верхним корпусом и кормовой частью.
При этом, отсутствие головы робота
уменьшит его стоимость, расположение округлых видеокамер на башнях верхнего
корпуса основания которых соединены вогнутой плоскостью создает визуальный
эффект глаз и улыбки, лица не человеко-подобного существа, что повысит комфорт
при его коммуникации с человеком, исключит эффект ожидания
агрессии и безжалостно-разумного поведения, кроме этого расположение видеокамер
на расстоянии друг от друга более, чем обычно, позволит повысить качество стереоскопического машинного зрения, а наличие
гибких элементов в конструкции антропоморфной шагающей платформы,
способных к натяжению в определенных положениях педипуляторов и манипуляторов,
позволит снизить нагрузку на силовые приводы и поверхности пар трения, как
минимум в положениях покоя, кроме этого, натяжение гибких элементов, являющихся
функциональными связями подвижных соединений, позволит повысить устойчивость шагающей платформы при ходьбе за счет
уменьшения амплитуд возможных движений и стопора отдельных шарниров, наличие у
антропоморфной
шагающей платформы систем рекуперации энергии позволит
преобразовывать часть избыточной потенциальной и кинетической энергии, при
отклонениях и поворотах носовой части и при движениях педипуляторов, в
электрическую, а также, во внутреннюю энергию упругих растяжимых элементов,
например, пружин, а создание конструктивных условий для воспроизведения
алгоритмов естественных локомоций обеспечивается использованием в конструкции
шаровых шарниров с гибкими элементами, позволит воссоздать близкие к
естественным движения педипуляторов и кормовой части, при этом наличие
подвижного соединения нижнего
корпуса носовой части, с возможностью наклона во фронтальной и сагиттальной
плоскости, а также ее вращения относительно вертикальной оси, позволит
компенсировать отклонения носовой части при ходьбе, что характерно для
нормальной походки человека и повысит общую устойчивость машины.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется представленными
иллюстрациями:
Фиг.1 – Общий вид антропоморфной шагающей платформы.
Фиг.2 – Принципиальная схема антропоморфной шагающей
платформы.
Фиг.3 – Схема соединения верхнего и нижнего корпуса
носовой части антропоморфной шагающей платформы.
Фиг.4 – Схема соединения среднего и бокового корпуса
кормовой части антропоморфной шагающей платформы.
Фиг.5 – Схема соединения бокового корпуса кормовой
части антропоморфной шагающей платформы с одним из педипуляторов.
Фиг.6 – Схема соединения нижнего корпуса носовой части
и среднего корпуса кормовой части антропоморфной шагающей платформы.
Фиг.7 – Схема подвижных соединений и расположения
приводов левого педипулятора антропоморфной шагающей платформы.
Фиг.8 – Схема соединения нижнего корпуса носовой части
и среднего корпуса кормовой части антропоморфной шагающей платформы с системой
рекуперации энергии в данном подвижном соединении.
Фиг.9 – Прототип антропоморфной шагающей платформы,
вид спереди.
Фиг.10 – Прототип тазобедренного шарнира с гибкими
элементами антропоморфной шагающей платформы.
Фиг.11 – Приближение левого педипулятора прототипа
антропоморфной шагающей платформы к срединной плоскости, в эксперименте по
рекуперации потенциальной энергии.
Фиг.12 – Отведение левого педипулятора прототипа
антропоморфной шагающей платформы от срединной плоскости, в эксперименте по
рекуперации потенциальной энергии.
Фиг.13 – Исходное положение прототипа нижнего корпуса
носовой части антропоморфной шагающей платформы, в эксперименте по рекуперации
кинетической энергии в соединении носовой и кормовой части.
Фиг.14 – Положение после поворота прототипа нижнего
корпуса носовой части антропоморфной шагающей платформы, в эксперименте по
рекуперации кинетической энергии в соединении носовой и кормовой части.
Согласно предпочтительному варианту
изготовления по фиг.1-2, антропоморфная шагающая платформа 1,
содержащая сенсоры, например, датчики, реагирующие на свет и звук, видеокамеры
2, 3, устройства позиционирования, например, приемник GPS
и устройства управления, например, контроллеры, вычислительную систему,
например, бортовой компьютер, а также подвижно соединенные носовую часть 4,
снабженную манипуляторами 5, 6, и кормовую часть 7, снабженную педипуляторами
8, 9, каждый из которых имеет два или более подвижно соединенных сегментов:
сегмент бедра 10, 11, сегмент голени 12, 13, сегмент стопы 14, 15, а также
приводы, например, гидроприводы, электроприводы или пневмоприводы, упругие
элементы, например, пружины, датчики действующих сил, например, тензометры, и
датчики ускорений, например, акселерометры, причем, носовая часть 4, имеющая
верхний корпус 16, и нижний корпус 17, расположена преимущественно вертикально,
а верхняя поверхность 18, верхнего корпуса 16, может быть снабжена не менее чем
двумя округлыми видеокамерами 2, 3, расположенными на башнях 19, 20, по обеим
сторонам, а именно справа и слева на верхней поверхности 18, верхнего корпуса
16, причем, основания башни 19, и 20, соединены вогнутой плоскостью 21, при
обзоре в направлении спереди – назад, она данная вогнутая плоскость 21, создает
иллюзию улыбки на человеческом лице, а видеокамеры 2, 3, создают иллюзию глаз на
человеческом лице, кроме этого, каждый из манипуляторов 5, 6, имеет два или
более подвижно соединенных сегмента, а именно: сегмент плеча 22, 23, сегмент
предплечья 24, 25, сегмент - захват 26, 27, а также приводы, например,
гидроприводы, электроприводы или пневмоприводы, упругие элементы, например,
пружины, датчики действующих сил, например, тензометры, и датчики ускорений,
например, акселерометры, при этом нижний корпус 17, носовой части 4, подвижно
соединен с манипуляторами 5, 6, например, посредством шаровых шарниров 28, 29,
для уточнения терминологии и локализации, поименованные как плечевые шарниры, а
сегменты плеча 22, 23, подвижно соединены с сегментами предплечья 24, 25,
например, посредством петлевых шарниров 30, 31, для уточнения терминологии и
локализации поименованные как локтевые шарниры, а сегменты предплечья 24, 25,
подвижно соединены с сегментами - захватами 26, 27, например, посредством
карданного механизма 32, 33, кроме этого, верхний корпус 16, носовой части 4,
подвижно соединен с ее нижним корпусом 17, например, посредством карданного
механизма 34, с возможностью наклона во фронтальной и сагиттальной плоскости, а
также, вращения относительно вертикальной оси, соединение содержит также
приводы, например, гидроприводы, электроприводы или пневмоприводы, упругие
элементы, например, пружины 35, 36, гибкие нерастяжимые элементы, например,
металлические тросы 37, 38, по фиг.3, а также датчики действующих сил,
например, тензометры, и датчики ускорений, например, акселерометры, кроме
этого, кормовая часть 7, сдержит средний корпус 39, подвижно соединенный с
двумя боковыми корпусами 40, 41, расположенными по обеим сторонам от среднего
корпуса 39, и каждый из которых имеет возможность независимо поворачиваться
вокруг горизонтальных осей одноосевых шарниров 42, 43, причем, эти соединения
могут содержать приводы, например, гидроприводы, электроприводы, или
пневмоприводы, упругие элементы, например, пружины 44, 45, гибкие нерастяжимые
элементы, например, металлические тросы 46, 47, по фиг.4, а также датчики
действующих сил, например, тензометры, и датчики ускорений, например,
акселерометры, с боковыми корпусами 40, 41, кормовой части 7, подвижно
соединены сегменты бедра 10, 11, педипуляторов 8, 9, посредством шаровых
шарниров 48, 49, с гибкими элементами, 50, 51, по фиг.5, для уточнения терминологии
и локализации данные шарниры 48, 49, поименованные как тазобедренные шарниры, а
сегменты бедра 10, 11, подвижно соединены с соответствующими сегментами голени
12, 13, например, посредством двухосевых шарниров 52, 53, с гибкими элементами,
для уточнения терминологии и локализации поименованные как коленные шарниры, а
сегменты голени 12, 13, подвижно соединены с соответствующими сегментами стопы
14, 15, например, посредством двухосевых шарниров 54, 55, с гибкими элементами,
для уточнения терминологии и локализации поименованные как голеностопные шарниры,
причем, все подвижные соединения корпусов 16, 17, 39, 40, 41, педипуляторов 8,
9, и манипуляторов 5, 6, также как и подвижные соединения корпусов 40, 41, с
педипуляторами 8, 9, и корпуса 17, с манипуляторами 5, 6, содержат по два или
более управляемых силовых привода, которые могут быть, например, гидравлические,
пневматические или электрические, причем количество приводов определяется
числом степеней свободы каждого из подвижных соединений, например, управление
подвижным соединением корпуса 17, носовой части 4, с корпусом 39, кормовой
части 7, целесообразно обеспечить, например, гидроприводами с поступательным
характером движения выходного звена 56, 57, по фиг.6, подобные приводы, числом
три или более, установленные под углом к вертикали, могут обеспечить не только
наклоны корпуса 17, в сагиттальной и фронтальной плоскости, но и поворот
относительно вертикальной оси, например, в шаровом шарнире 58, которым корпус
17, и корпус 39, могут быть соединены между собой, а в качестве ограничителей
движений могут быть использованы гибкие элементы 59, числом три или более,
выполненные из металлического троса, соединенного одним концом с корпусом 39, а
другим концом с корпусом 17, обратное движение гидроприводов и демпфирование их
работы могут обеспечить упругие растяжимые элементы, например, пружины 60, 61,
соединяющие корпус 17, и корпус 39, все гибкие нерастяжимые элементы,
являющиеся функциональными связями подвижных соединений, могут быть снабжены
устройствами для измерения силы 62, 63, например, тензометрами, которые могут
располагаться в месте прикрепления каждого гибкого нерастяжимого элемента, как,
например, гибкого нерастяжимого элемента 51, к боковому корпусу 41, с
устройством для измерения силы 62, а также с устройством для измерения силы 63,
расположенного в месте прикрепления гибкого нерастяжимого элемента 51, к
шаровому пальцу 64, шарового шарнира 49, а также шарового шарнира 48, при этом
шаровой палец 64, каждого шарового шарнира 48, 49 соединен под углом к
продольной оси силового элемента 65, 66, сегмента бедра 10, и 11, педипулятора
8, и 9, соответственно, причем, силовой элемент 65, 66 сегмента бедра в нижней
части соединен с шарниром 52, 53, соответственно, а верхняя часть каждого
силового элемента 65, 66 сегмента бедра 10, 11, снабжена кронштейном 67, с
которым соединена система рекуперации энергии, числом одна или более, а в
предпочтительном варианте для рекуперации энергии при движениях педипуляторов,
оптимально антропоморфную шагающую платформу 1, снабдить двумя системами
рекуперации энергии для правой и левой стороны, по фиг.7, такой системой
рекуперации энергии может быть, например, обратимая электрическая машина 68,
установленная на кормовой части 7, и например, закрепленная на корпусе 41, а
для противоположной стороны на корпусе 40, причем на вал 69, обратимой
электрической машины 68, намотана, например, капроновая нить или металлический
трос 70, противоположный конец которого прикреплен к кронштейну 67, силового
элемента 65, сегмента бедра 11, педипулятора 9, или к кронштейну силового
элемента 66, сегмента бедра 10, педипулятора 8, для противоположной стороны,
движения в шарнирах педипуляторов целесообразно обеспечить, например,
гидроприводами с поступательным характером движения выходного звена, так,
например, для осуществления движений в шаровом шарнире 48, 49, соединяющим
педипулятор 8, 9, с кормовой частью 7, необходимо не менее двух приводов 71,
72, расположенных в различных плоскостях, соединяющих боковой корпус 40, 41 с
верхней частью силового элемента 65, 66, сегмента бедра 10, и 11, педипулятора
8, и 9, соответственно, третьим приводом может явиться, например, обратимая
электрическая машина 68, подобные системы рекуперации энергии, например,
обратимые электрические машины, числом одна или более, могут располагаться на
нижнем корпусе 17, носовой части 4, и соединяться с манипуляторами 5, 6, а
также верхним корпусом 16, а для осуществления движений в шарнире 52, 53,
соединяющих сегмент бедра 10, 11, с сегментом голени 12, 13, требуется один или
более приводов, один из вариантов предпочтительного расположения одного из
подобных приводов 73, прикрепленного к сегменту бедра 11, и сегменту голени 13,
по их задней поверхности, представлен на фиг.6, аналогичный привод может быть
расположен впереди от шарниров 52, 53, прикрепляющийся одним концом к сегменту
бедра 10, 11, а другим к сегменту голени 12, 13, соответственно, там же может
быть расположен гибкий нерастяжимый элемент 74, выполненный, например, из
металлического троса, прикрепляющийся одним концом к сегменту бедра 11, а
другим к сегменту голени 13, соответственно, для противоположной стороны,
прикрепляющийся одним концом к сегменту бедра 10, а другим к сегменту голени
12, подобные гибкие элементы могут быть расположены также позади или сбоку от
шарниров 52, 53, и предназначены для ограничения движений в них, выступая как
функциональные связи подвижных соединений, а при своем предельном натяжении
могут уменьшать нагрузку на приводы, кроме этого движения в шарнирах 54, 55,
посредством которых сегменты голени 12, 13, подвижно соединенные с сегментами
стопы 14, 15, могут обеспечивать один или более приводов, один из вариантов
предпочтительного расположения одного из подобных приводов 75, прикрепленного к
сегменту голени 13, и сегменту стопы 15, по их передней поверхности,
представлен на фиг.6, аналогичный привод может быть расположен позади от
шарниров 54, 55, прикрепляющийся одним концом к сегменту голени 12, 13, а
другим к сегменту стопы 14, 15, соответственно, кроме этого сегменты голени 12,
13, подвижно соединенные с сегментами стопы 14, 15, могут быть снабжены гибкими
нерастяжимыми элементами 76, например, металлическими тросами, для ограничения
амплитуды движений и упругими растяжимыми элементами, например, пружинами 77,
для рекуперации механической энергии при растяжении пружины и ее высвобождении
для осуществления обратного движения в шарнире, данные элементы, каждый числом
один или более, могут быть расположены впереди, позади, а также сбоку от
шарниров 54, 55, кроме этого, упругие растяжимые элементы, например, пружины
подобные, пружине 77, для рекуперации механической энергии при растяжении
пружины и ее высвобождении при осуществлении обратного движения, могут быть
расположены в области шарниров 52, 53, впереди, позади, а также сбоку от данных
шарниров, прикрепляясь одним концом к сегменту бедра 10, 11, а другим концом к
сегменту голени 12, 13, кроме этого, кормовая часть 7, содержит одно или более
устройств рекуперации энергии, соединенных с нижним корпусом 17, носовой части
4, в предпочтительном варианте, для рекуперации энергии при движениях носовой
части 4, относительно кормовой части 7, может, например, быть использована
обратимая электрическая машина 78, по фиг.8, установленная на кормовой части 7,
и, например, закреплена на корпусе 39, причем, на вал 79, обратимой
электрической машины 78, намотан трос 80, противоположный конец которого
прикреплен к нижнему корпусу 17, носовой части 4, антропоморфной
шагающей платформы 1.
Возможность реализации предлагаемого технического решения доказывается сконструированным нами прототипом антропоморфной шагающей платформы 81, по фиг.9, выполненным в соответствие с формулой предложенного нами изобретения - антропоморфной шагающей платформы 1, по фиг.1, устройство прототипа антропоморфной шагающей платформы 81, по представленному варианту исполнения, позволяет ему поддерживать вертикальное положение без дополнительных затрат энергии, при этом подвешенная к кормовой части 7, выполненной из металлических и полимерных пластин, скрепленных винтами, нагрузка 82, выполненная в виде диска из стали, расположенная позади от поперечной оси, соединяющей центры шаровых шарниров 48, 49, под действием собственного веса обуславливает наклон назад кормовой части 7, при этом гибкие нерастяжимые элементы 50, 51, как связки в естественном тазобедренном суставе человека, натягиваются и закручиваются вокруг шарового пальца 64, соединенного с шаровой головкой 83, установленной в гнезде 84, по фиг.10, при этом, за счет своего натяжения, гибкие элементы, которыми снабжены оба шаровых шарнира 48, 49, стопорят их в сагиттальной плоскости, за счет этого в данных подвижных соединениях не требуется дополнительного усилия, например, приводов 71, 72 для удержания в положении устойчивого равновесия кормовой части 7, кроме этого натянутые гибкие нерастяжимые элементы 50, 51, также позволяют уменьшить нагрузку на указанные приводы, не только в положении покоя, но и при ходьбе, в отдельные фазы шага, например при «разгибании», гибкие нерастяжимые элементы 50, 51, шаровых шарниров 48, 49, будут натягиваться, кроме этого, силовые элементы 65, 66, сегментов бедра 10, 11, педипуляторов 8, 9, подвижно соединены шарнирами 52, 53, с силовыми элементами 85, 86, сегментов голени 12, 13, педипуляторов 8, 9, за счет своего вертикального расположения, смещенной назад от поперечной оси их вращения, а также размещения кпереди от шарниров 52, 53, упругих растяжимых элементов, в данном случае пружин 87, 88, указанные шарниры 52, 53, стопорятся, что позволяет поддерживать вертикальное положение без дополнительных затрат энергии, например, необходимой для работы приводов 73, управляющих движениями в коленных шарнирах 52, 53, также, на прототипе антропоморфной шагающей платформы 81, экспериментально изучена возможность рекуперации энергии при функционировании педипуляторов, для этого к кормовой части 7, прототип антропоморфной шагающей платформы 81, в задненаружном отделе на верхней ее поверхности, в данном случае слева, прикреплен винтами прототип обратимой электрической машины 68, в качестве которого мы избрали пружинный двигатель 89, по фиг.10, 11, содержащий редуктор и намотанную на его рабочий вал, капроновую нить 90, с кольцом 91, которое прикреплялось к проволочному крючку 92, кронштейна 67, верхней части силового элемента 65, сегмента бедра 11, педипулятора 9, в случае приближения педипулятора 9, к срединной плоскости, либо наклона кормовой части 7, за счет вращательного движения в шарнире 49, во фронтальной плоскости, по фиг.11, а также при вращательном движении в шарнире 49, в сагиттальной плоскости вращении, либо наклона кормовой части 7, вперед прототип, обратимой электрической машины 68, а именно пружинный двигатель 89, удалялся от кронштейна 67, верхней части силового элемента 65, сегмента бедра 11, педипулятора 9, при этом капроновая нить 90, натягивалась, вращая редуктор пружинного двигателя 89, избранного нами, за прототип обратимой электрической машины 68, и закручивала расположенную внутри пружинного двигателя 89, пружину, при обратном движении, а именно при отведении педипулятора 9, от срединной плоскости, за счет вращательного движения в шарнире 49, во фронтальной плоскости, по фиг.12, натяжение капроновой нити 90, уменьшалось, так как пружинный двигатель 89, приближался к кронштейну 67, верхней части силового элемента 65, сегмента бедра 11, педипулятора 9, а ранее напряженная пружина пружинного двигателя 89, избранного нами как прототип обратимой электрической машины 68, приводила во вращение редуктор и обеспечивала наматывание капроновой нити 90, на рабочий вал пружинного двигателя 89, и обуславливала укорочение ее видимой части, соответственно опыты с описанными движениями педипулятора 9, подтверждают возможность вращения барабана обратимой электрической машины с намотанными на её вал нити или троса, другой конец которых прикреплен к кронштейну 67, верхней части силового элемента 65, сегмента бедра 11, педипулятора 9, аналогичным образом может вращаться, например, динамо-машина или обратимая электрическая машина, вырабатывая электроэнергию, за счет приведение педипулятора 8, 9, к срединной плоскости, либо наклона кормовой части 7, вниз, под влиянием веса антропоморфной шагающей платформы 1, при этом, часть потенциальной энергии приподнятого ранее общего центра масс, может быть использована не только для передвижения вперед, но и частично преобразована выше описанным способом в электрическую энергию, это возможно при движениях, например, во время ходьбы машины, с воспроизведением алгоритма естественной походки человека, при которой наклон таза вниз во фронтальной плоскости происходит, прежде всего, под действием силы тяжести, подобная естественная ходьба, также характеризуется вращательными движениями таза и пояснично-грудного отдела позвоночника, которые совершаются в противофазе, так как вращение таза отчасти происходит за счет действия веса тела и связано с функционированием тазобедренных шарниров, часть этой кинетической энергии возможно также преобразовать, например, в электрическую энергию, что мы доказали в экспериментах на прототипе антропоморфной шагающей платформы 81, для этого, к верхней поверхности ее кормовой части 7, была прикреплена мачта 93, по фиг.13, с возможностью ее вращения вокруг вертикальной оси, причем мачта 93, стала прототипом нижнего корпуса 17, носовой части 4, а к левому кронштейну 94, мачты 93, прикреплено винтом кольцо 91, соединенное с капроновой нитью 90, пружинного двигателя 89, который был избран за прототип обратимой электрической машины 78, в исходном положении, по фиг.13, мачта 93, располагалась во фронтальной плоскости, а при повороте мачты 93, вокруг вертикальной оси, по фиг.14, кронштейн 94, удалялся от пружинного двигателя 89, при этом капроновая нить 90, натягивалась, вращая редуктор пружинного двигателя 89, избранного нами за прототип обратимой электрической машины 78, и закручивала расположенную внутри пружинного двигателя 89, пружину, а при обратном движении мачты 93, за счет ее вращательного движения назад во фронтальной плоскости, по фиг.13, натяжение капроновой нити 90, уменьшалось, так как кронштейн 94, приближался к пружинному двигателю 89, а ранее напряженная пружина пружинного двигателя 89, избранного нами за прототип обратимой электрической машины 78, приводила во вращение редуктор и обеспечивала наматывание капроновой нити 90, на рабочий вал пружинного двигателя 89, приводя к укорочению ее видимой части, опыты с описанными движениями, подтверждают возможность вращения барабана обратимой электрической машины, с намотанной на ее вал нитью, другой конец которой прикреплен к нижнему корпусу 17, носовой части 4, поворачивающейся относительно кормовой части 7, аналогичным образом может вращаться, например, динамо-машина или обратимая электрическая машина, при этом вырабатывая электроэнергию, используя часть кинетической энергии спонтанного вращения нижнего корпуса 17, носовой части 4, относительно вертикальной оси, либо при наклоне носовой части 4, во фронтальной плоскости, при этом кинетическая энергия вращения и наклона носовой части, частично может быть преобразована выше описанным способом в электрическую энергию, это возможно и при движениях, например, во время ходьбы машины, с воспроизведением алгоритма естественной походки человека, при которой происходит как наклон корпуса тела, так и его вращения в пояснично-грудном отделе позвоночника, прежде всего, как компенсация вращательного и колебательного движения таза, происходящего под действием силы тяжести, а наличие подвижного соединения, нижнего корпуса 17, носовой части 4, с кормовой частью 7, с возможностью наклонов во фронтальной плоскости, позволит более эффективно стабилизировать антропоморфную шагающую платформу 1, при ее бортовой качке, что повысит устойчивость при ходьбе.
 |
| Фиг.1 – Общий вид антропоморфной шагающей платформы. |
 |
| Фиг.2 – Принципиальная схема антропоморфной шагающей платформы. |
 |
| Фиг.3 – Схема соединения верхнего и нижнего корпуса носовой части антропоморфной шагающей платформы. |
 |
| Фиг.4 – Схема соединения среднего и бокового корпуса кормовой части антропоморфной шагающей платформы. |
 |
| Фиг.5 – Схема соединения бокового корпуса кормовой части антропоморфной шагающей платформы с одним из педипуляторов. |
 |
| Фиг.6 – Схема соединения нижнего корпуса носовой части и среднего корпуса кормовой части антропоморфной шагающей платформы. |
 |
| Фиг.7 – Схема подвижных соединений и расположения приводов левого педипулятора антропоморфной шагающей платформы. |
 |
| Фиг.8 – Схема соединения нижнего корпуса носовой части и среднего корпуса кормовой части антропоморфной шагающей платформы с системой рекуперации энергии в данном подвижном соединении. |
 |
| Фиг.9 – Прототип антропоморфной шагающей платформы, вид спереди. |
 |
| Фиг.10 – Прототип тазобедренного шарнира с гибкими элементами антропоморфной шагающей платформы. |
 |
| Фиг.11 – Приближение левого педипулятора прототипа антропоморфной шагающей платформы к срединной плоскости, в эксперименте по рекуперации потенциальной энергии. |
 |
| Фиг.12 – Отведение левого педипулятора прототипа антропоморфной шагающей платформы от срединной плоскости, в эксперименте по рекуперации потенциальной энергии. |
 |
| Фиг.13 – Исходное положение прототипа нижнего корпуса носовой части антропоморфной шагающей платформы, в эксперименте по рекуперации кинетической энергии в соединении носовой и кормовой части. |
 |
| Фиг.14 – Положение после поворота прототипа нижнего корпуса носовой части антропоморфной шагающей платформы, в эксперименте по рекуперации кинетической энергии в соединении носовой и кормовой части. |
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ
ЛИТЕРАТУРА
1. NASA. Робот NASA Valkyrie
прошел очередные испытания на DRC. (2014, September 9). Retrieved April 19, 2015, from rutube.ru
2. Atlas - The Agile
Anthropomorphic Robot. (2013). Retrieved April
19, 2015, bostondynamics.com
3.
ASIMO Technical information. (2015). Retrieved
April 19, 2015, from asimo.honda.com
4.
Патент EP 1486298 A4, дата приоритета от 18.03.2002, МПК B25J13/08, B62D57/032, B62D57/02
5.
Патент US 8914151 B2, дата приоритета от 05.07.2002, МПК G06N3/00, B62D57/032, B62D57/02
6.
Патент US 7270589 B1, дата приоритета от 14.05.1999, МПК A63H3/00, A63H7/00
7. Passive
dynamics. (2015, April 14). Retrieved April 19, 2015, from wikipedia.org
8. Патент US 8387726 B2, дата приоритета от 04.06.2010, МПК B62D57/032
9.
Синельников, Р.Д., Синельников, Я.Р. (1996). Атлас анатомии человека. Т.1.
Москва: Медицина.
10.
Патент US 20040211603 A1, дата приоритета от 26.09.2001, МПК B62D57/032, A63H11/18, B25J5/00
Цитирование:
Архипов СВ, Архипова АС. Антропоморфная шагающая платформа. Заявка
на изобретение №2015134113 (052441) от 13.08.2015. [patents.google]
Ключевые
слова:
связка головки бедра, круглая связка, шагающая машина, шагающая платформа, робот, шаровой шарнир, шарнир с гибкими элементами, ligamentum capitis femoris, ligamentum teres
Механика и робототехника