Опорно-двигательный механизм ноги двуного робота

(51) 62 57/02 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ средством и средством передвижения, для инвалидов. Передвижение по пересеченной местности, при работе в условиях завалов и возможность использования двуного робота, в качестве транспортного средства и в частности, в качестве средств передвижения, для людей с ограниченными возможностями, осуществляется за счет того, что робот обладает статической устойчивостью. Корпус и нога имеют шесть степеней свободы друг относительно друга корпус и нога могут совершать пространственные вращения друг относительно друга,также они могут поворачиваться относительно оси перпендикулярной плоскости стопы. Опорно-двигательный механизм ноги двуного робота обеспечивает статическую устойчивость робота при ходьбе по пересеченной местности.(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Казахский национальный технический университет им. К.И. Сатпаева Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ НОГИ ДВУНОГО РОБОТА(57) Изобретение относится к мобильным роботам и может быть использовано в двуногих роботах для движения по пересеченной местности. Двуногий робот может быть использован в экстремальных условиях и средах недоступных или опасных для жизнедеятельности,является транспортным Изобретение относится к мобильным роботам и может быть использовано в двуногих роботах, для движения по пересеченной местности. Двуногий робот может быть использован в экстремальных условиях и средах недоступных или опасных для жизнедеятельности, также может использоваться в качестве транспортного средства и средства передвижения для инвалидов. Известен Двуногий шагающий аппарат Предпатент РК 19270, БИ 4, от 15.08.2008,62 57/02 составлен из четырех функциональных элементов двух параллельно соединнных кинематических цепей из двух подвижных стержневых функциональных групп, верхнего и нижнего соединительных звеньев. Механизм ноги позволяет реализовать свободное (с шестью степенями свободы) управляемое движение корпуса и стопы относительно друг друга. Это становится возможным благодаря тому, что при переносе,например, стопы с помощью тормозных устройств(фиксаторов) исключаются движения в шарнирах и приводах верхнего соединительного звена. Затем, с помощью приводов каждого из двух подвижных механизмов перемещаются центры шарниров,расположенных на нижнем соединительном звене. Посредством дополнительного поступательного и вращательного движений относительно продольной оси нижнего соединительного звена, опорная пята перемещается с шестью степенями свободы. В положении, когда нога опирается на стопу, с помощью тормозных устройств исключаются движения в шарнирах, расположенных на нижнем соединительном звене. Затем, перемещаются заданным образом с помощью приводов двух подвижных механизмов центры шарниров верхних соединительных звеньев. Дополнительные поступательные движения с помощью приводов относительно верхнего соединительного звена позволяет перенести корпус,одновременно ориентируя его заданным образом в пространстве. Недостаток данного устройства в применении тормозных устройств на шарнирах соединительных звеньев, которые усложняют конструкцию, также отсутствует возможность вращения корпуса относительно опорной поверхности,что ограничивает функциональные возможности аппарата. Опорно-двигательный механизм двуного робота дает возможность переносить стопу относительно корпуса или корпус относительно стопы с шестью степенями свободы друг относительно друга, с возможностью вращения относительно оси перпендикулярной плоскости стопы, обеспечивая статическую устойчивость при ходьбе. Нога робота не является, в полной мере,антропоморфной. Например, в механизмах ног имеются поступательные соединения, которых нет в опорно-двигательном аппарате человека. В изобретении ставится задача создания опорнодвигательного механизма ноги двуногого шагающего робота, который давал бы возможность передвижения по пересеченной местности, при работе в условиях завалов и использования в 2 чрезвычайных ситуациях. При чм, главным требованием является необходимость обеспечить условие статической устойчивости при ходьбе. Поставленная задача решается за счет выбора опорно-двигательного механизма ноги, в котором корпус и нога имеют возможность совершать, друг относительно друга, пространственные вращения в стопе установлен привод вращательного движения дающий возможность поворачивать опорнодвигательный механизм ноги или стопу относительно оси перпендикулярной плоскости стопы. Техническим результатом, при использовании предлагаемого механизма, является - статическая устойчивость ходьбы двуногого шагающего робота. Это позволяет роботу перемещаться по пересеченной местности и использовать платформу в качестве транспортного средства или средства передвижения людей с ограниченными способностями. На фиг.1 приведена схема строения ноги шагающего робота. Эта схема разработана на основе анализа возможностей прототипа, а также на основе анализа существующих схем строения механизмов ноги. На фигурах приводные кинематические пары,т.е. кинематические пары в которых относительные движения звеньев осуществляются с помощью приводов,снабжены дополнительными двухсторонними стрелками. Как отмечено на рисунке, механизм одной ноги имеет 6 степеней подвижности. Учитывая функции ноги и фазы движения, схема строения выбрана так, что одни и те же приводы выполняют несколько функций перенос стопы и ориентацию стопы. На фиг.1 показаны оси, которые обычно используют в биомеханике ось - продольная ось,- сагиттальная ось, ОХ- фронтальная ось. Стопа 1 может вращаться относительно оси перпендикулярной стопе с помощью привода вращательного движения стопа 1 с помощью привода вращательного движения А 1 соединена с голенью 2. Привод 1 дат возможность вращения башмака относительно сагиттальной оси при необходимости адаптации к рельефу поверхности. Условное бедро представлено звеньями 4-8. Замкнутая кинематическую цепь из звеньев 3-6 снабжена двумя приводами В 1,1 поступательного движения параллельные направляющие приводов 4,5 и верхняя часть бедра 6 образуют неизменяемую в пространстве конструкцию. Нижняя часть бедра 3 соединенная с голенью 2 поступательной парой 3-2 образуют с направляющими 4 и 5 вращательные пары 2-4 и 3-5. Механизм бедра управляется двумя приводами В 1,1 так, что имеется возможность изменять угол наклона башмака (угол атаки при адаптации башмака) в сагиттальной плоскости. Ввиду того, что при этом изменяется положение осей нижней части бедра,в замкнутой кинематической цепи, за счет вращательных кинематических пар 2-4, 3-5 и поступательной пары 2-3 обеспечивается возможность изменения формы контура замкнутой кинематической цепи. Тазобедренная часть ноги представлена кинематической цепью из звеньев 7 и 8. Верхняя часть бедра образует шаровое соединение 6-16 с корпусом 16, так, что приводная вращательная кинематическая пара 1, приводная поступательная пара 1 и вращательные кинематические пары 6-7,8-16 позволяют выполнять пространственное вращение в виде двухподвижного сферического вращения ноги относительно корпуса и наоборот. При этом привод поступательного движения 1 позволяет изменять угол наклона ноги к корпусу. Приводы тазобедренного сустава используются для переноса ноги и корпуса. Особенность механизма ноги в том, что приводы выполняют различные функции в зависимости от фазы движения. На фиг.2 показана механическая модель одинаковых опорно-двигательных механизмов двух ног шагающего робота. Здесь 9-голень 10-призма 11,12 - направляющие приводов В 2, С 2 верхняя часть бедра левой ноги -13 звенья привода поступательного движения Е 2 -14,15 шаровые соединения-18. Приводы обеих ног выполняют функции по адаптации башмаков к рельефу поверхности. С другой стороны приводы участвуют в переносе башмаков. На фиг.3 показаны позиции ног и корпуса при перемещении двуногого робота. Здесь позиции робота обозначены строчными буквами. Позиция (а) обозначает устойчивое положение робота на обеих ногах. Данная позиция возникает в начале движения, а также в случаях,когда необходимо принять решение с какой ноги начать движение и куда переместить стопу. В позиции , опираясь на обе ноги, робот переносит центр масс всей системы на левую ногу, перемещая корпус относительно левой и правой стопы. При этом с помощью приводов В 2, С 2 сокращается длина бедра левой ноги, левая часть таза опускается, с помощью приводов 1, Е 2 создается горизонтальное ускорение вдоль фронтальной оси. Эти движения создают динамический момент относительно точки нулевого момента левой стопы. Перемещением с помощью привода Е, смещается положение центра масс правой ноги в сторону левой ноги. Затем в позиции (с) поворотом таза приводами 2 и 2 выполняется перенос правой ноги в направлении движения, одновременно все другие приводы правой ноги 11,1,1,1 обеспечивают адаптацию башмака к поверхности и правая нога опирается на стопу 1. В позициилевая нога с помощью приводов В 2, С 2 принимает необходимую длину для обеспечения горизонтального положения платформы 16. Затем правая нога сокращается в длине бедра с помощью приводов 1, С 1. Приводы Е 1, Е 2 изменяет угол между линией ноги и плоскостью таза, создавая ускорение в направлении фронтальной оси относительно точки нулевого момента правой стопы. В позицииподнимается стопа левой ноги и вращением с помощью привода 1 1 поворачивается тазобедренный сустав левой ноги. С участием приводов 2,2,2,2,2 левой ноги, она опирается на стопу 17 левой ноги. В позициицентр масс смещается в сторону левой ноги. В позициивыполняется перенос правой ноги. Затем цикл повторяется. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Опорно-двигательный механизм ноги двуного робота,который содержит замкнутую кинематическую цепь, нижняя кинематическая пара выполнена вращательной, каждая нога имеет шесть степеней подвижности, отличающийся тем, что тазобедренная часть ноги соединена с корпусом посредством шарового соединения, позволяющего в совокупности с приводами вращательного и поступательного движения и двух вращательных кинематических пар осуществлять пространственные вращения ноги относительно корпуса и наоборот. 2. Опорно-двигательный механизм ноги двуного робота по п.1, отличающийся тем, что стопа ноги, а также механизм йоги с корпусом могут поворачиваться относительно оси перпендикулярной к плоскости стопы.