CN104443105A - 低能耗六足机器人 - Google Patents

Abstract

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。

Description

低能耗六足机器人

技术领域

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

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’s ASIMO can walk at a variety of speeds，kick balls，and even climb stairs.It weighs 510 N，can walk atspeeds up to 1.6 km per hour，and drains a 38.4-V，10-A-hour battery in about 30 min)。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。

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。

广濑茂男等(Shigeo HIROSE)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”(Philosophical Transactions of The Royal Society A)上发表了文章《步行机的机构设计》(《Mechanical design of walking machines》)。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P₁～P_n、P_out，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：

显然，机器人要克服自身及有效载荷的重力并产生运动加速度，上述公式中的P_out通常为正，这说明机器人的一部分驱动器提供的功率之和通常会大于机器人对外做功的实际功率，多出来的这部分是它们不得不向另一部分作负功的驱动器提供的功率由于无法在机器人本己十分局促的设计空间中给每个驱动器布置能量回收系统(如发电机和储能装置)，所以这一部分负功将以电机线圈中增大的电流为载体体现出来，并最终转变为热量耗散掉。

广濑茂男等(Shigeo HIROSE)为了解决这个问题，提出了“GDA”方法和“耦合驱动”(Coupled Drive)方法。其主要做法是一方面采取特殊的关节驱动模式(如绳驱)以减小腿部惯量，另一方面采用特殊的关节驱动机构或者特殊的行走姿势来避免电机作负功并最大化利用机器人装备的所有电机。HIROSE的方法被证明对水平面内的结构化地形(如平面、少量台阶等)和平直墙面上的爬行有一定作用，但由于对驱动机构和行走姿势的限制，使得满足“GDA”方法和“耦合驱动”(Coupled Drive)方法的机器人很难应用各种优秀的步态算法，也就难以适应非结构化的崎岖地形，这一点可以从文中提到的各种机器人的设计用途看出来。

如何在不影响机器人行走方式的情况下真正避免驱动器作负功而带来的能耗损失问题，我们不妨回到前述公式中寻找答案。当公式中的n＝1时，P₁＝P_out，不再存在作负功问题。如果只由一个驱动器驱动机器人，在不考虑机械摩擦的情况下，无论机器人处于何种步态姿势，该驱动器的输出功率将全部只转化为机器人整体的对外做功，其利用率始终高达100％。退而求其次，当n＞1但比较小时，通过调整行走姿势来满足“GDA”方法和“耦合驱动”(Coupled Drive)方法所要求的条件也将变得更宽松，对步态姿势的限制也更少，这意味着机器人在尽量避免驱动器作负功的同时，还能最大限度地保留对非结构化的崎岖地形的适应性。

无论是减少驱动器数量还是只是用一个驱动器，在不减少机器人自由度的情况下，关键的问题在于能否用一个驱动器驱动更多的受控自由度(在多足机器人中体现为能主动运动的关节)。如果能实现，就将剔除多足机器人高能耗问题的根源，一种非常节能的多足机器人可能由此诞生。这种提法在广濑茂男等(Shigeo HIROSE)的论文中提到过(《步行机的机构设计》(《Mechanical design of walking machines》)173页)但他并未深究。事实上，单驱动器的想法在机械臂上实现过，例如德国航天局的研究员于2005年在RLI机械手抓的设计中使用了单马达驱动；南洋理工大学的研究人员在金刚机器人采用了单马达驱动；上海交通大学马培荪等设计的蛇形柔性臂动力也由一台电机提供；华中科技大学同样研究并实现过类似机械臂。它们的共同特点是使用了所谓的“弹性驱动技术”，即通过使用脉宽调制(PWM)技术控制电磁离合器的开合，在每一个运动关节处均需要一个这样的电磁离合器，由电机产生的连续运动被PWM离散化后通过离合器分时传递给各个关节。究其机理，是用一连串维持时间极为短暂的单自由度运动的首尾衔接来模拟多自由度的运动。这项技术至今尚未见到进一步的应用实例与其天生缺陷有关，一是由于电磁离合器与运动自由度一对一配套使用，使得机构体积重量不能因弃用电机而减小很多，二是这种对电磁离合器的PWM操作本身就不着眼于节能，与多电机驱动相比甚至可能更加耗能。根据现有资料，在多足机器人领域本着节能的目的，真正利用一个驱动器驱动控制多个运动自由度的机器人还从未被人提出。

发明内容

本发明旨在提供一种适应在山地崎岖地形长期无人化工作的低能耗六足机器人，以解决山地农林作业的地面移动运输这一基本问题，为未来发展适应大面积山区的智能化农林业生产作业系统建立基础平台和解决关键技术。

本发明可以通过以下技术方案来实现：

一种低能耗六足机器人，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，其基本特征在于用一个驱动器控制多个主动的运动自由度。针对这一特征，低能耗六足机器人在应用各种步态时，应当按照分步运动方式完成每一次摆腿和调姿(姿态调节)运动。这种运动方式决定了机器人的移动接近准静态过程，移动速度慢，一般不能完成快速机动；但对绝大多数农林作业所需的移动运输工作，不会影响最终效果。例如运输肥料进行施肥作业或运输植物种苗进行播种插秧等，运输器本身均无需进行快速机动，因为利用常规机械在1小时内完成1亩地的施肥播种与利用所述低能耗六足机器人在10小时内无人值守地完成1亩地的施肥播种将达到几乎一样的最终效果。

1、低能耗六足机器人的腿部结构

所述低能耗六足机器人的腿由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(受控的)运动关节连接，计为1个主动的运动自由度，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(最靠近本体的关节在本体上，其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。

2、低能耗六足机器人的本体结构

所述本体由驱动轮阵列、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，随着主驱动器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。

所述的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。驱动轮在未被锁定和被锁定这两种状态间相互转换的过程只能发生在驱动轮因外力作用而不能发生自由转动的情况下，其中包括驱动轮受主驱动器模块控制而不转动的情况。当驱动轮从未被锁定状态转换到被锁定状态时，锁定销先完全缩回所述的运动块上的孔内；接着运动块沿导轨作受控的直线平移运动，当锁定销刚刚进入驱动轮下表面的圆形投影区域内时，锁定销被释放而向上伸出，从而插入驱动轮下表面上的槽中或被驱动轮下表面阻挡而不能完全伸出；如果被驱动轮下表面阻挡而不能完全伸出，则运动块继续沿导轨作受控的直线平移运动，直到锁定销插入驱动轮下表面上的槽中为止。当驱动轮从被锁定状态转换到未被锁定状态时，锁定销先完全缩回所述的运动块上的孔内，使之从驱动轮下表面的槽中拔出；接着运动块沿导轨作受控的直线平移运动，当锁定销完全离开驱动轮下表面的槽的投影区域时，锁定销被释放而向上伸出运动块上的孔，从而完全伸出或被驱动轮下表面阻挡而不能完全伸出；如果被驱动轮下表面阻挡而不能完全伸出，则运动块继续沿导轨作受控的直线平移运动，直到锁定销完全离开驱动轮下表面的圆形投影区域为止，此时锁定销必完全伸出而处于自然状态。

所述的主驱动器模块的摩擦离合盘包括联轴块、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；上端有孔，孔内圆周面有内花键，可与联轴块的外花键配合，且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。当摩擦离合盘正对驱动轮靠近并与其上表面接触而受到向上的正压力时，离合盘与联轴块产生相对轴向平移而相互靠近，弹性元件被进一步压缩，从而在驱动轮上表面与离合盘下端的离合面之间产生静摩擦力以带动驱动轮转动(此时称驱动轮与主电机耦合)。

所述的环形轨道模块的上轨道，其横截面为倒”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，这使得自动小车只能沿环形导轨方向作平移运动(亦即只有1个受控的自由度)。

3、低能耗六足机器人的运动方式

所述的分步运动方式是指：将以单次摆腿和调姿为基本运动单位的各种多足机器人步态进一步细化成由运动步为基本运动单位的特殊步态的运动形式。具体地讲，机器人运动时，所有保持抓地的足部与地面共同构成机架，保持抓地的足部与连接该足部的腿节之间的球铰为整个机器人机构与机架之间的铰链，整个机器人机构的自由度就是其相对于机架的自由度。机器人运动时，要保证其运动的唯一性和可控性，必须保证机器人的自由度数与运动源数相等。在某一时刻，运动源数等于与主电机耦合但未被驱动轮锁定控制机构锁定的驱动轮数；找出未被驱动轮锁定控制机构锁定的驱动轮所驱动的主动运动关节，将其余主动运动关节均视为固定连接，再根据自由度计算公式可以计算出低能耗六足机器人的自由度数。通过对不同驱动轮的锁定或释放可控制相应关节锁定或释放，从而控制机器人整体机构自由度数；通过控制不同驱动轮与主电机耦合或不耦合可以控制机器人的运动源数量；于是，总可以通过对不同运动关节的锁定或释放、对不同驱动轮与主电机耦合或不耦合，使机器人整体机构自由度数与运动源数相等，从而使机器人能够发生受控的运动。机器人整体机构拓扑结构特征可以随着锁定与释放的运动关节的不同、耦合与不耦合的驱动轮的不同而发生改变，从而改变机器人运动方式。因此，低能耗六足机器人的运动可采用分步运动方式完成：在自然地形上移动时，按照各种现有的多足机器人的慢速步态规划方法(例如“波动步态”等)，依次完成各次摆腿运动或调姿运动；机器人的每1次根据步态规划要求的、完整的摆腿运动，需要依次地改变0次或有限次拓扑结构来完成；机器人的每1次根据步态规划要求的、完整的调姿运动，也需要依次地改变0次或有限次拓扑结构来完成。换句话说，低能耗六足机器人的每次摆腿或调姿运动都被依次地分解为1次或有限次的运动步来完成，整体机构的拓扑结构在两个时间上相邻的运动步中将发生一次改变，这种改变是通过控制不同关节的锁定或不锁定(释放)，以及不同驱动轮与主电机耦合或不耦合来获得的。

这样一来，目前机器人步态研究领域的各种慢速步态(无快速机动要求的步态，如“波动步态”等)均可通过所述的分步运动方式应用到低能耗六足机器人上，机器人的运动范围与常规的需要由1个单独的驱动器驱动1个运动自由度的六足机器人无异。所不同的是，常规的六足机器人通常让所有关节同时联动来完成摆腿或调姿运动，而低能耗六足机器人完成每次摆腿或调姿运动均需分步进行，因此运动缓慢，接近准静态过程。在常规的六足机器人通常让所有关节同时联动来完成摆腿或调姿运动的过程中，就会出现前述背景技术分析中提到的部分驱动器(电机)作负功而将能量以热能形式完全损耗的问题；而低能耗六足机器人在每一个运动步中，可以合理地选择与主电机耦合的驱动轮，甚至只有1个与主电机耦合的驱动轮，这样就能够避免任何一个主电机(驱动器)作负功，从而大大减少能量损耗，达到显著的节能目的。

4、有益效果

本发明的有益效果是：低能耗六足机器人以单个主驱动器驱动多个运动自由度，能够避免驱动器作负功而产生的能量损耗；与常规多足机器人必须使用大量笨重的电动机为主驱动器不同，除少量主驱动器(电机)外，没有其他高能耗部件，其余机构结构均可采用轻质材料制造，大大减轻机器人的重量与惯量，有利于节能与提高运输能力；腿部为绳驱机构，避免了常规多足机器人腿部的大惯量和大体积的缺陷；其运动方式接近缓慢的准静态过程，更有利于克服各种机械摩擦和机器人惯量带来的能耗损失；各关节均有锁定功能且无须笨重的刹车系统，在机器人支撑自身重量时不需要由驱动器提供支撑力矩，从而进一步降低了运行能耗；所采用的分步运动方式可以将各种六足机器人慢速步态分解并应用，使低能耗六足机器人保留了与常规六足机器人一样的地形适应性。低能耗六足机器人的节能特性为其能量自治提供了可能性。例如可以按地面面积划分机器人的作业范围，在每个作业范围内设立1个能量补给站点，采用太阳能、风能等就地取材的能量补充方式为能量补给站点充电，由于低能耗六足机器人的节能特性，能量补给站点可以为机器人补充足够的能量，从而实现能量自治。与目前丘陵山区普遍采用的修机耕道和梯田等农林基础设施建设相比，能量补给站点制造可在工厂完成，山区实地建设只需架设一定数量的站点，甚至无需铺设电线电缆，基础设施建设的工作量大为减少，对自然生态的破坏也大为减少。再例如，可以直接在低能耗六足机器人的功能扩展平台上安装太阳能电池板，对于部分低能耗农林作业和太阳光照充足的地区，可以直接实现机器人的能量自治。这样，一种能量自治的机器人运输作业系统可以在山区建立起来，为未来山区农林作业的智能化乃至无人化解决了关键技术问题。

附图说明

图1是低能耗六足机器人结构图。

图2是腿1的结构图。

图3是图2的A向局部视图。

图4是腿关节11的传动系统结构图(腿1的一部分结构仅局部表出)。

图5是腿关节12的传动系统结构图(腿1的一部分结构被剖切或局部表出)。

图6是腿关节13的传动系统结构图(腿1的一部分结构被剖切或局部表出)。

图7是低能耗六足机器人各组成部分结构的分解图。

图8是驱动轮锁定控制机构的结构图。

图9是驱动轮锁定控制机构锁定驱动轮过程第一步示意图。

图10是驱动轮锁定控制机构锁定驱动轮过程第二步示意图。

图11是驱动轮锁定控制机构锁定驱动轮过程第三步示意图。

图12是驱动轮锁定控制机构释放驱动轮过程第一步示意图。

图13是驱动轮锁定控制机构释放驱动轮过程第二步示意图。

图14是驱动轮锁定控制机构释放驱动轮过程第三步示意图。

图15是主驱动器模块的结构图。

图16是摩擦离合盘剖面图。

图17是环形轨道模块结构图及其局部详图。

图18是上轨道的横截面剖视图。

图19是低能耗六足机器人抬腿运动过程的初始状态示意图。

图20是低能耗六足机器人抬腿运动过程的完成第1个运动步后的状态示意图。

图21是低能耗六足机器人抬腿运动过程的完成第2个运动步后的状态示意图。

图22是低能耗六足机器人抬腿运动过程的完成第3个运动步后的最终状态示意图。

图23是低能耗六足机器人调姿运动过程的初始状态示意图。

图24是低能耗六足机器人调姿运动过程的完成第1个运动步后的状态示意图。

图25是低能耗六足机器人调姿运动过程的完成第2个运动步后的状态示意图。

图26是低能耗六足机器人调姿运动过程的完成第3个运动步后的状态示意图。

图27是低能耗六足机器人调姿运动过程的完成第4个运动步后的状态示意图。

图28是低能耗六足机器人调姿运动过程的完成第5个运动步后的状态示意图。

图29是低能耗六足机器人调姿运动过程的完成第6个运动步后的最终状态示意图。

图30是低能耗六足机器人步态的分解应用流程图。

图中标记为：

1、2、3、4、5、6为腿；

7为本体；

11、12、13、21、22、23、31、32、33、41、42、43、51、52、53、61、62、63为关节，其中11、12、13为腿1上的关节，21、22、23为腿2上的关节，31、32、33为腿3上的关节，41、42、43为腿4上的关节，51、52、53为腿5上的关节，61、62、63为腿6上的关节；

110、120、130、210、220、230、310、320、330、410、420、430、510、520、530、610、620、630为腿节，其中110、120、130为腿1上的腿节，210、220、230为腿2上的腿节，310、320、330为腿3上的腿节，410、420、430为腿4上的腿节，510、520、530为腿5上的腿节，610、620、630为腿6上的腿节；

10、20、30、40、50、60为腿基座，其分别依次为腿1、2、3、4、5、6与本体7连接的腿基座；

14、24、34、44、54、64为足部，其分别依次为腿1、2、3、4、5、6的足部；

111为关节11传动系统的驱动轮，112为关节11传动系统的从动轮，1151、1152为关节11传动系统的绳索；7211为安装于驱动轮111下方的驱动轮锁定控制机构；

121为关节12传动系统的驱动轮，122为关节12传动系统的从动轮，1231、1232为关节12传动系统的中间轮，1241、1242、1243、1244、1245为关节12传动系统的过渡轮，1251、1252为关节12传动系统的绳索；7212为安装于驱动轮121下方的驱动轮锁定控制机构；

131为关节13传动系统的驱动轮，132为关节13传动系统的从动轮，1331、1332、1333、1334为关节13传动系统的中间轮，1341、1342、1343、1344、1345为关节13传动系统的过渡轮，1351、1352为关节13传动系统的绳索；7213为安装于驱动轮131下方的驱动轮锁定控制机构；

101～108为安装在腿基座10中的过渡轴；

71为驱动轮阵列；72为驱动轮锁定控制机构阵列；73为主驱动器模块(736为滚珠，734为主驱动器模块机架，731为主电机，摩擦离合盘732包括联轴块7321、弹性元件7322、离合盘7323、挡板7324、摩擦面7325，733为离合控制电机，离合控制导轨系统735包括主驱动器丝杠7351和主驱动器圆形导轨7352)；74为环形轨道模块(其中741为上轨道、742为下轨道、743为自动小车、744为小电机、7411为V形凹槽、7431为滚轮、7412为外齿圈、7432为自动小车传动齿轮)；75为功能扩展平台，支撑结构包括底板761、外壳762、中央腔室763、中央立柱764；在每一个驱动轮锁定控制机构中，7201为运动块、7202为锁定销、导轨系统7203包括锁定控制丝杠72031和锁定控制圆形导轨72032、7204为锁定控制机架、72011为弹簧片、7205为矩形截面直槽。

具体实施方式

下面通过具体实施例，结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体说明。

实施例：所述的低能耗六足机器人如图1所示，包括6条腿1～6和一个本体7，每条腿有3个单自由度运动关节，每条腿的足部与末端腿节通过球铰相连；整个机器人有18个主动运动关节(受控自由度)，其主要特征是用1个驱动器控制所有18个自由度，并按照分步运动方式完成各种步态中的每一个摆腿和调姿(姿态调节)运动。

1、低能耗六足机器人的腿部结构

腿1～6具有相同的结构，现以腿1为例具体说明腿的每个主动运动关节的传动系统。如图2所示，腿1共有3个主动的运动关节、3个腿节、1个足部14和1个腿基座10。腿基座10固连安装在本体7上，腿节110与腿基座10通过运动关节11相连，运动关节11的旋转轴线垂直于底板761(见图1)；腿节120与腿节110通过运动关节12相连，运动关节12的旋转轴线垂直于运动关节11的旋转轴线，亦即平行于底板761；腿节130与腿节120通过运动关节13相连，运动关节13的旋转轴线平行于运动关节12的旋转轴线；足部14与腿节130通过球铰相连。如图3所示，腿基座内设有8根过渡轴101～108，各轴上均安装有过渡定滑轮，轴向固定，但可绕自身轴线自由转动。设置过渡定滑轮的作用主要是使绳索从驱动轮到中间轮的缠绕过程中，始终能沿滑轮(包括驱动轮、过渡定滑轮、中间轮)外圆的切线方向向外走线，以避免使用绳索导向结构并减小绳索与这些结构间的摩擦。

运动关节11的传动系统包括驱动轮111、从动轮112和有一定弹性的绳索1151、1152组成(见图4，参考图2、图3)。绳索1151的一端固定在从动轮112的外圆周上，沿图4中所示的实线箭头方向依次绕过从动轮112和驱动轮111并预紧，另一端固定在驱动轮111的外圆周上，当驱动轮111沿实线箭头方向旋转而拉动该绳索时，使从动轮112沿实线箭头方向旋转。绳索1152的一端固定在从动轮112的外圆周上，沿图4中所示的虚线箭头方向依次绕过从动轮112和驱动轮111并预紧，另一端固定在驱动轮111的外圆周上，当驱动轮111沿虚线箭头方向旋转而拉动该绳索时，可以使从动轮112沿虚线箭头方向旋转。

运动关节12的传动系统包括驱动轮121、安装在腿基座10中的过渡轴105～108上的过渡定滑轮1241～1245、安装在运动关节11轴上的中间轮1231和1232、从动轮122和有一定弹性的绳索1251、1252组成(见图5，参考图2、图3)。绳索1251的一端固定在从动轮122的外圆周上，沿图5中所示的实线箭头方向依次绕过从动轮122、中间轮1231、过渡定滑轮1241、过渡定滑轮1242、和驱动轮121并预紧，另一端固定在驱动轮121的外圆周上，当驱动轮121沿实线箭头方向旋转而拉动该绳索时，可以使从动轮122沿实线箭头方向旋转。绳索1252的一端固定在从动轮122的外圆周上，沿图5中所示的虚线箭头方向依次绕过从动轮122、中间轮1232、过渡定滑轮1243、过渡定滑轮1244、过渡定滑轮1245、和驱动轮121并预紧，另一端固定在驱动轮121的外圆周上，当驱动轮121沿虚线箭头方向旋转而拉动该绳索时，可以使从动轮122沿虚线箭头方向旋转。

运动关节13的传动系统包括驱动轮131、安装在腿基座10中的过渡轴101～104上的过渡定滑轮1341～1345、安装在运动关节12的轴上的中间轮1331与1333、安装在运动关节11的轴上的中间轮1332与1334、从动轮132和有一定弹性的绳索1351、1352组成(见图6，参考图2、图3)。绳索1351的一端固定在从动轮132的外圆周上，沿图6中所示的实线箭头方向依次绕过从动轮132、中间轮1333、中间轮1334、过渡定滑轮1341、过渡定滑轮1342和驱动轮131并预紧，另一端固定在驱动轮131的外圆周上，当驱动轮131沿实线箭头方向旋转而拉动该绳索时，可以使从动轮132沿实线箭头方向旋转。绳索1352的一端固定在从动轮132的外圆周上，沿图6中所示的虚线箭头方向依次绕过从动轮132、中间轮1331、中间轮1332、过渡定滑轮1343、过渡定滑轮1344、过渡定滑轮1345、和驱动轮131并预紧，另一端固定在驱动轮131的外圆周上，当驱动轮131沿虚线箭头方向旋转而拉动该绳索时，可以使从动轮132沿虚线箭头方向旋转。绳索在中间轮1331上缠绕的方向如果沿虚线方向的反方向，则运动关节12作受控运动而运动关节13被锁定(锁定的定义见后续说明)时，运动关节13将随运动关节12的转动而作较大幅度联动，不利于应用各种步态。

2、低能耗六足机器人的本体结构

如图1、图7，所述本体7由驱动轮阵列71、驱动轮锁定控制机构阵列72、1个主驱动器模块73、环形轨道模块74、功能扩展平台75和支撑结构构成。其中，支撑结构包括底板761、外壳762、中央腔室763和中央立柱764。所述的功能扩展平台75同轴安装在中央立柱764上并被其穿过，恰好覆盖中央腔室763，其上表面设置各种安装孔以便扩展安装容纳太阳能电池板及各种山地农林作业所需要的设备和物资。中央腔室763用于容纳和安装控制机器人移动、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。所有驱动轮111、121、131、211、221、231、311、321、331、411、421、431、511、521、531、611、621、631组成驱动轮阵列72，驱动轮数量为18个，与主动运动关节的总数量一致，这些驱动轮按照中心对称的方式安装在底板761上，每一条腿的3个主动运动关节由相邻的3个驱动轮来驱动和控制，例如驱动轮111、121、131分别依次控制腿1的关节11、12、13。各驱动轮的上表面共面、下表面共面，且均与底板761所在平面平行；所有驱动轮的旋转轴线与底板761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761垂直的轴线即为本体7中心轴线，该中心轴线与中央立柱764的轴线重合。所有驱动轮的上表面为硬橡胶材质，每个驱动轮下表面设有3条均布的沿径向方向的矩形截面直槽7205(见图8)。驱动轮锁定控制机构共18个，与驱动轮对应安装，例如驱动轮锁定控制机构7211、7212、7213分别依次安装于驱动轮111、121、131下方并与底板761固连，所有18个驱动轮锁定控制机构组成驱动轮锁定控制机构阵列72。本体7内安装有环形轨道模块74，分为上轨道741和下轨道742，均为圆环形状，上轨道741和下轨道742所在平面与底板761平行，上轨道741和下轨道742的中心轴线与中央立柱764的轴线重合(见图17)；其中，上轨道741中安装有1个自动小车743，可以且只能在一个高减速比的小电机744驱动下沿上轨道741路径方向移动。主驱动器模块73上端与自动小车743的下部固连，下端侧面与下轨道742通过滚珠736接触定向。主驱动器模块73由主驱动器模块机架734、主电机731、摩擦离合盘732、离合控制电机733、离合控制导轨系统735和滚珠736组成(见图15)。摩擦离合盘732的摩擦面7325(见图16)向下与各驱动轮上表面相对，其轴线可以与任意一个驱动轮的旋转轴线对准(见图1)，摩擦离合盘732上端与主电机731输出轴固连。离合控制导轨系统735包括相互平行的1根主驱动器丝杠7351和2根主驱动器圆形导轨7352，其轴线方向均与本体7中心线平行。离合控制电机733的输出轴与主驱动器丝杠7351同轴固连，主电机731的固连法兰与主驱动器丝杠7351形成螺旋运动副配合，与2根主驱动器圆形导轨7352均形成直线运动副配合。

所有驱动轮锁定控制机构的结构相同，包括1个运动块7201、1个锁定销7202、1个导轨系统7203和1个锁定控制机架7204，如图8。导轨系统7203包括1根锁定控制丝杠72031和1根锁定控制圆形导轨72032，其轴线均与驱动轮下表面平行；运动块7201与锁定控制丝杠72031形成螺旋运动副，与锁定控制圆形导轨72032形成直线运动副。锁定销7202插入运动块7201上的一个孔内，在自然状态下锁定销7202上下端均伸出运动块7201，可以且只能沿所述孔的轴线作上下伸缩运动。弹簧片72011一端固连于运动块7201上，另一端与锁定销7202下端接触，运动块7201内有一电磁螺线管。自然状态下，锁定销7202下端受弹簧片72011弹力而处于向上完全伸出状态，当电磁螺线管通电时，锁定销7202在电磁力的吸引下完全缩回孔内。锁定销7202截面为圆形，其直径与驱动轮下表面的矩形截面直槽7205的宽度一致，锁定销7202可以刚好插入矩形截面直槽7205，也可以从中顺利拔出。运动块7201沿锁定控制丝杠72031轴线方向作直线平移运动时，锁定销7202正好位于驱动轮正下方的直线运动轨迹距离该驱动轮轴线最短距离正好等于驱动轮半径的二分之一；锁定销7202的运动轨迹也存在不位于驱动轮正下方的部分。当驱动轮未被锁定时，锁定销7202不位于驱动轮正下方，且处于完全伸出的自然状态；当驱动轮被锁定时，锁定销7202插入矩形截面直槽7205中，并处于完全伸出的自然状态，运动块7201不作受控的直线平移运动，此时驱动轮无法旋转。当驱动轮从未被锁定状态转换到被锁定状态(这个过程只能发生在该关节因外力作用而不能发生自由转动的情况下)时，电磁螺线管先通电使锁定销7202完全缩回孔内(见图9)；接着运动块7201沿锁定控制丝杠72031轴线方向作受控的直线平移运动；当锁定销7202刚刚进入驱动轮下表面的圆形投影区域内时，电磁螺线管断电，弹簧片72011使锁定销7202向上伸出运动块7201，从而插入矩形截面直槽7205中或被驱动轮下表面阻挡而不能完全伸出(见图10)；如果此时锁定销7202没有插入槽中，则运动块7201将继续沿锁定控制丝杠72031轴线方向作受控的直线平移运动，直到锁定销7202运动到矩形截面直槽7205的正下方，在弹簧片72011弹力作用下继续向上伸出插入槽7205中为止(见图11)。当驱动轮从被锁定状态转换到未被锁定状态(这个过程只能发生在该关节转换到未被锁定状态后，仍然会因外力作用而不能发生自由转动的情况下)时，电磁螺线管先通电使锁定销7202完全缩回孔内(见图12)；接着运动块7201沿锁定控制丝杠72031轴线方向作受控的直线平移运动；当锁定销7202刚刚移出槽的正下方时，电磁螺线管断电，弹簧片72011使锁定销7202向上伸出运动块7201，如果此时锁定销7202己位于驱动轮投影区域外，则运动块7201停止运动；如果此时锁定销7202仍位于驱动轮投影区域内，则运动块7201将继续沿锁定控制丝杠72031轴线方向作受控的直线平移运动(见图13)，直到锁定销7202完全移出驱动轮投影区域，锁定销7202将在弹簧片72011弹力作用下向上完全伸出而处于自然状态(见图14)。

如图16，所述的主驱动器模块73的摩擦离合盘732包括联轴块7321、弹性元件7322、离合盘7323、挡板7324组成。联轴块7321上端与主电机731的输出轴固连，下端有盲孔以容纳弹性元件7322，外圆周上有外花键。离合盘7323下端为硬橡胶材质的摩擦面7325，上端有孔，孔内圆周面有内花键，可与联轴块7321的外花键配合，且内花键长度大于联轴块7321的外花键；孔底有直径稍小的盲孔以容纳弹性元件7322。联轴块7321与离合盘7323通过所述的外花键和内花键形成配合，离合盘7323与联轴块7321不能发生相对转动但可以发生轴向平移运动，二者之间放置的弹性元件7322为1根有一定预压缩量的压簧。挡板中心有孔，联轴块7321上端细部从孔下方向上穿出、下端膨大部分被挡板7324挡住，挡板7324通过螺纹连接固连于离合盘7323上端。当离合控制电机733旋转时，主电机731可沿主驱动器丝杠7351轴线方向(亦即本体7中心线方向，与驱动轮轴线方向一致)作直线平移运动，从而带动摩擦离合盘732作直线平移运动(见图15)。当摩擦面7325向驱动轮运动并与其上表面接触而受到向上的正压力时，离合盘7323与联轴块7321沿轴向靠近，弹性元件7322将被进一步压缩，从而在该驱动轮上表面与摩擦面7325之间产生摩擦力以带动该驱动轮转动，此时称驱动轮与主电机731耦合。

如图17、图18所示，所述的环形轨道模块74的上轨道741，其截面为倒”U”形，包括四处V形凹槽7411以容纳自动小车743的八个滚轮7431在其中滚动，以及一个外齿圈7412与自动小车传动齿轮7432啮合。自动小车传动齿轮7432由一个小电机744驱动，可以主动旋转从而使自动小车743沿外齿圈7412方向亦即环形轨道方向运动。小电机744为高比率减速电机，不能反向驱动，自动小车743的八个滚轮7431上下均与V形凹槽7411的内壁接触配合，使得自动小车743只能沿环形导轨方向作平移运动。

3、低能耗六足机器人的基本调整过程

所述的低能耗六足机器人共有18个可受控运动的关节，但只有1个动力源(主电机731)，因此运动时要求整体机构的实时总自由度数等于1，且机器人整体机构的拓扑结构必须发生改变，以使机器人运动方式改变，从而运用各种六足机器人步态。以下把使机器人整体机构的拓扑结构发生改变的过程称为基本调整过程，对于本实施例，基本调整过程包括以下四种：

(1)关节锁定

关节锁定是指18个主动运动关节中的某一个从未被锁定状态(包括可以作自由旋转运动的状态和其旋转运动受主驱动器模块73控制的状态)转换到锁定状态(既不能作自由旋转，也不能受主驱动器模块73控制而旋转的状态)的过程。这个过程只能发生在该关节因外力作用而不能发生自由转动的情况下，其中包括该关节的驱动轮受主驱动器模块73控制而不动从而导致的该关节不能转动的情况。其基本过程如下：要将某关节锁定，则其传动系统中的驱动轮应由未被锁定状态转换到锁定状态。参考图9～11，该驱动轮下方的驱动轮锁定控制机构的运动块7201中的电磁螺线管先通电使锁定销7202完全缩回运动块7201上的孔内；接着运动块7201沿锁定控制丝杠72031轴线方向作受控的直线平移运动；当锁定销7202刚刚进入驱动轮下表面的圆形投影区域内时，电磁螺线管断电，弹簧片72011使锁定销7202被释放而向上伸出运动块7201的孔外，从而插入矩形截面直槽7205中或被驱动轮下表面阻挡而不能完全伸出；如果此时锁定销7202没有插入槽7205中，则运动块7201将继续沿锁定控制丝杠72031轴线方向作受控的直线平移运动，直到锁定销7202运动到矩形截面直槽7205的正下方，在弹簧片72011弹力作用下向上伸出插入该槽中为止。此时，驱动轮不能转动，固连于其上并预紧的2根绳索将分别对该关节的从动轮产生沿两个相反旋转方向的大小相同的限制力矩，从而使关节不能转动；在运动学上视该关节处的自由度为0。

(2)关节释放

关节释放是指18个主动运动关节中的某一个从锁定状态(既不能作自由旋转，也不能受主驱动器模块73控制而旋转的状态)转换到未被锁定状态(包括可以作自由旋转运动的状态和其旋转运动受主驱动器模块73控制的状态)的过程。该过程一般只能发生在该关节被释放后也会因外力作用而不能发生自由转动的情况下，其中包括该关节被释放后，其传动系统中的驱动轮受主驱动器模块73控制而不动从而导致的该关节不能转动的情况。其基本过程如下：要将某关节释放，则其传动系统中的驱动轮应由锁定状态转换到未被锁定状态。参考图12～14，驱动轮下方的驱动轮锁定控制机构的运动块7201中的电磁螺线管先通电使锁定销7202完全缩回运动块7201上的孔内；接着运动块7201沿锁定控制丝杠72031轴线方向作受控的直线平移运动；当锁定销7202刚刚移出矩形截面直槽7205的正下方时，电磁螺线管断电，弹簧片72011使锁定销7202被释放而向上伸出运动块7201的孔外，如果此时锁定销7202己位于驱动轮投影区域外，则运动块7201停止运动；如果此时锁定销7202仍位于驱动轮投影区域内，则运动块7201将继续沿锁定控制丝杠72031轴线方向作受控的直线平移运动，直到锁定销7202完全移出驱动轮投影区域，锁定销7202将在弹簧片72011弹力作用下向上完全伸出而处于自然状态，此时，驱动轮已经可以转动。如果开始转动(例如驱动轮与主电机耦合后随主电机一起转动，或受其它外力而发生转动)，固连于其上并预紧的绳索将分别对该关节的从动轮产生沿两个相反旋转方向但大小不同的力矩，这两个力矩之差即为该关节的驱动力矩，它使该关节克服外力发生转动；在运动学上视此关节处的自由度为1。

(3)关节的驱动耦合

关节的驱动耦合是指18个主动运动关节中的某1个从不受主电机731控制的状态转换到受主电机731控制的状态。该过程一般只能发生在该关节锁定或因外力作用而不能发生自由转动的情况下。其基本过程如下：要对某关节进行驱动耦合，首先由自动小车743带动主驱动器模块73沿上轨道741路径方向移动，直到摩擦离合盘732的轴线与该关节传动系统中的驱动轮的轴线对准；接着离合控制电机733驱动主电机731沿主驱动器丝杠7351的轴线向下移动，直到摩擦面7325与该驱动轮的上表面接触并产生足够正压力；此时称该关节完成驱动耦合，如果将该关节释放并使主电机731旋转，则该驱动轮将随主电机731一起旋转，固连于其上并预紧的绳索将分别对该关节传动系统中的从动轮产生沿两个相反旋转方向但大小不同的力矩，这两个力矩之差即为该关节的驱动力矩，它将使该关节克服外力发生转动。

(4)关节的驱动解耦

关节的驱动解耦是指18个主动运动关节中的某1个在已经完成驱动耦合后，又需要使该关节从受主电机731控制的状态转换到不受主电机731控制的状态。这一过程一般只能发生在该关节锁定或因外力作用而不能发生自由转动的情况下。其基本过程如下：要对某关节进行驱动解耦，首先主电机731停止旋转，离合控制电机733驱动主电机731沿主驱动器丝杠7351的轴线向上移动，使得摩擦面7325与该关节传动系统中的驱动轮的上表面完全分离；接着由自动小车743带动主驱动器模块73沿上轨道741路径方向移动到其它需要的位置。

4、低能耗六足机器人的运动方式

所述低能耗六足机器人的分步运动方式包括摆腿和调姿两个方面。按照各种现有六足机器人步态规划所要求的任意1次摆腿或者调姿运动，均需要依次地改变机器人的0次或有限次拓扑结构，并在每1种拓扑结构下由主电机731驱动相应关节进行1次旋转运动来完成。我们把机器人在每1种拓扑结构下完成的1次关节旋转运动称为1个运动步。以下结合图19～30，说明本实施例的摆腿和调姿分步运动方式。设低能耗六足机器人各主动运动关节角度为(i＝1，2......6，标示低能耗六足机器人的第i条腿；j＝1标示最靠近机器人本体的主动运动关节、j＝3标示最靠近足部的主动运动关节、j＝2标示同一条腿上另一个主动运动关节；j＝1的关节旋转轴垂直于底板，j＝2的关节旋转轴平行于底板，j＝3的关节旋转轴平行于底板；下标ij的编号与各关节的编号一一对应，例如关节11的角度为q＝0，1，2.....，为摆腿运动或调姿运动所需经历的运动步数；以下同)，初始状态时q＝0；从初始状态开始经过u个运动步后完成步态规划所要求的1次摆腿运动，完成时q＝u，本例中u＝4从初始状态开始经过v个运动步后完成步态规划所要求的1次调姿运动，完成时q＝v，本例中v＝6。为保持图面整洁，图19～30所示的低能耗六足机器人与图1相比，其本体和腿的细部结构均被省略，代之以简单的圆柱体，示意图主要说明各主动运动关节角度和本体位置、姿态。

(1)摆腿运动的分步运动方式

在初始状态时不限定各关节角度(i＝1，2......6，j＝1，2，3)，任意1次抬腿及放腿运动均可以按以下方式完成(并不代表只有这种方式)。

抬腿：以抬腿1为例，图19为初始状态，关节11的初始角度为关节12的初始角度为关节13的初始角度为在保持一定数量关节锁定的情况下可保持机器人姿态不因外力改变(例如保持关节31、53、33、13、12、11锁定，则机器人以6个足部及地面为机架的整体机构的自由度数为0，机器人姿态不会因外力而改变)。保持关节11、12、13锁定，随即关节12驱动耦合，之后该关节12释放，随后该关节12沿实线箭头方向(如图19)旋转至新角度然后该关节12锁定，腿1的足部从地面抬起；关节11的角度为关节13的角度为至此完成本次抬腿运动的第1个运动步。如图20，保持关节11、12、13锁定，随即关节13驱动耦合，之后该关节13释放，随后该关节13沿实线箭头方向(图20)旋转至新角度然后该关节13锁定；关节11的角度为关节12的角度为至此完成本次抬腿运动的第2个运动步。如图21，保持关节11、12、13锁定，随即关节11驱动耦合，之后该关节11释放，随后该关节11沿实线箭头方向(图21)旋转至新角度然后该关节11锁定；关节12的角度为关节13的角度为至此完成本次抬腿运动的所有3个运动步，抬腿运动完成，如图22。

放腿：以腿1放下为例，当如图19～22的抬腿过程完成后，如果腿1的足部14仍高离地面，可以采取以下方式之一完成放腿至足部触地的动作。方式一：关节11的角度为关节12的角度为关节13的角度为保持关节11、12、13锁定，随即关节12驱动耦合，之后该关节12释放，随后该关节12开始旋转使腿1的足部向靠近地面的方向移动直至接触地面为止，此时该关节12角度为然后该关节12锁定；关节11的角度为关节13的角度为至此完成本次放腿运动完成。方式二：关节11的角度为关节12的角度为关节13的角度为保持关节11、12、13锁定，随即关节13驱动耦合，之后该关节13释放，随后该关节13开始旋转使腿1的足部向靠近地面的方向移动直至接触地面为止，此时该关节13角度为然后该关节13锁定；关节11的角度为关节13的角度为至此完成本次放腿运动完成。

完成抬腿及放腿运动后，即完成了1次完整的摆腿运动。按照本过程给出的分步运动方式，合理设定各关节转角(或)，可以实现绝大多数六足机器人慢速步态所要求的摆腿运动的最终位置效果，但不保证、也无须保证达到摆腿相的快速机动要求。

(2)调姿运动的分步运动方式

低能耗六足机器人的6个足部与机器人各腿之间均为球铰连接，各足部均抓住地面并被视为机器人整体机构的机架(连同大地一起)。机器人调姿运动主要是指本体7的几何中心相对于该机架的位移和本体7相对于该机架的转动，所述的几何中心的位置用坐标(x_q，y_q，z_q)表示(x_q，y_q，z_q分别代表本体7的中心在全局笛卡尔坐标系下的x、y、z坐标值)，本体7的姿态用欧拉角表示，以上二者数值的变化可以反映本体7几何中心的位移和本体7的转动。在初始状态时q＝0，不限定各关节初始角度每1个运动步执行之初(亦即上1个运动步执行完毕时)的各关节角度为设本体7的几何中心最终需要达到位置坐标(x_v，y_v，z_v)、欧拉角才视为完成本次调姿运动，如图29所示，此时q＝v，各关节角度终值通过六足机器人运动学逆解事先求出待用。以下给出任意1次调姿运动的一种分步运动方式(并不代表只有这种方式)。

运动步1：如图23，从初始状态开始，先完成关节52、32、13、33、53、11的锁定，再完成其余关节的释放，随即关节11驱动耦合，之后该关节11释放，随后腿节110相对于本体7绕关节11沿实线箭头方向(图23)旋转至新关节角度然后该关节11锁定，至此完成本次调姿运动的第1个运动步，新姿态如图24。此时各关节角度变为而关节11的角度己达到终值

运动步2：如图24，从前一运动步结束时的状态开始，先使关节51、33、53、13、12、11完成锁定，再释放其余关节，随即关节51驱动耦合，之后该关节51释放，随后腿节510相对于本体绕关节51沿实线箭头方向(图24)旋转至新关节角度然后该关节51锁定，至此完成本次调姿运动的第2个运动步，新姿态如图25。此时各关节角度变为而关节51的角度己达到终值关节11的角度保持终值不变。

运动步3：如图25，从前一运动步结束时的状态开始，先使关节31、33、53、51、13、11完成锁定，再释放其余关节，随即关节31驱动耦合，之后该关节31释放，随后腿节310相对于本体绕关节31沿实线箭头方向(图25)旋转至新关节角度然后该关节31锁定，至此完成本次调姿运动的第3个运动步，新姿态如图26。此时各关节角度变为而关节31的角度已达到终值关节11、51的角度保持终值不变。

运动步4：如图26，从前一运动步结束时的状态开始，先使关节31、33、53、51、12、11完成锁定，再释放其余关节，随即关节12驱动耦合，之后该关节12释放，随后腿节120相对于腿节110绕关节12沿实线箭头方向(图26)旋转至新关节角度然后该关节12锁定，至此完成本次调姿运动的第4个运动步，新姿态如图27。此时各关节角度变为而关节12的角度己达到终值关节11、51、31的角度保持终值不变。

运动步5：如图27，从前一运动步结束时的状态开始，先使关节31、33、53、51、12、11完成锁定，再释放其余关节，随即关节53驱动耦合，之后该关节53释放，随后腿节530相对于腿节520绕关节53沿实线箭头方向(图27)旋转至新关节角度然后该关节53锁定，至此完成本次调姿运动的第5个运动步，新姿态如图28。此时各关节角度变为而关节53的角度已达到终值关节11、51、31、12的角度保持终值不变。

运动步6：如图28，从前一运动步结束时的状态开始，先使关节31、32、53、51、12、11完成锁定，再释放其余关节，随即关节32驱动耦合，之后该关节32释放，随后腿节320相对于腿节310绕关节32沿实线箭头方向(图28)旋转至新关节角度然后该关节32锁定，至此完成本次调姿运动的第6个运动步，最终姿态如图29。此时各关节角度变为而关节32的角度已达到终值关节11、51、31、12、53的角度保持终值不变。

至此，机器人各关节角度将同时达到终值按六足机器人运动学正解求得的本体中心位置及姿态将与终值(x_v，y_y，z_v)、相等，亦即完成1次完整的调姿运动。按照本过程给出的分步运动方式，可以实现绝大多数六足机器人慢速步态所要求的调姿运动的最终位置效果，但不保证、也无须保证达到支撑相调姿的快速机动要求。结合上述低能耗六足机器人的基本调整过程和分步运动方式，可以用图30所示的流程在机器人上应用各种六足机器人慢速步态，以完成在自然地形上的准静态移动。

Claims (7)

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。