CN107370328A - 一种野外足式机器人腿部减震机构的能量回收装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种野外足式机器人腿部减震机构的能量回收装置及方法，包括直线发电机定子铁芯和直线发电机动子空心轴，直线发电机动子空心轴安装在直线发电机定子铁芯的内腔中，绕组线圈缠绕在直线发电机定子铁芯内表面上，直线发电机动子空心轴的外壁上安装有空心圆柱永磁体，直线发电机动子空心轴与关节驱动及连接机构、电能存储单元相连。本发明为了在增加能量回收装置的同时，尽可能减少移动机器人的重量，采用机电一体化设计，根据直线发电机的机构原理，采用定子和动子在轴向方向的相对运动产生电能，并将机构嵌入到机器人的腿部中。2个弹簧可将行走时的动能通过弹性势能进行存储，进而转化为电能，同时能够改善机器人行走平稳性能。
Description
技术领域
本发明涉及一项能量回收系统明，具体涉及一种野外足式机器人腿部减震机构的能量回收装置及方法。
背景技术
随着机器人技术的发展，从轮式机器人到适合野外作业的足式行走机器人的科技水平都在不断提高，而且探索和工作的环境也在不断扩大，已经从规范化的环境扩展到野外作业。但是在野外作业的机器人由于远离供能设备，因此机器人的作业续航能力有限不能长时间运行，而且随着机器人作业复杂程度的提高其对能量的需求也在增加。为此，如何使机器人在作业过程中进行能量的回收利用以减轻其能量耗损，从而提高其持续作业能力是重要技术之一。在现有的能量回收系统中，大多是基于汽车、液压传动设备等的能量回收装置，而这些装置都有较强的针对性，很难利用到其它能量回收设备中。目前，野外作业足式机器人能量回收的研究较少，特别是将能量回收装置嵌入到机器人的行走机构中与机械本体形成一体化设计的研究；同时，针对足式机器人足部运动的动能和电能之间的转化系统的研究更加缺乏。
在野外作业的足式机器人一般情况下远离供能设施，因此在作业过程中应尽可能减少能量的耗损从而延长工作时间。由于机器人在工作过程中必不可少的会产生无用功而增加能量耗损，若能很好的解决无用功能量的回收技术并将其存储循环利用，这将有效的减少能耗提高机器人的工作时长。
给机器人增加能量回收装置时，若增加了机器人的重量，虽然回收了部分能量但是给机器人带来了额外的能耗负担。
发明内容
本发明的目的是提供一种野外足式机器人腿部减震机构的能量回收装置及方法。
为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：
一种野外足式机器人腿部减震机构的能量回收装置，包括关节驱动及连接机构、远地点减震弹簧、近地点减震弹簧、电能存储单元、绕组线圈、直线发电机定子铁芯和直线发电机动子空心轴，直线发电机动子空心轴安装在直线发电机定子铁芯的内腔中，并且直线发电机动子空心轴与直线发电机定子铁芯之间存在气隙，绕组线圈缠绕在直线发电机定子铁芯内表面上，直线发电机动子空心轴的外壁上安装有空心圆柱永磁体，直线发电机动子空心轴的上部套装有远地点减震弹簧，直线发电机动子空心轴的下部套装有近地点减震弹簧，直线发电机动子空心轴与关节驱动及连接机构、电能存储单元相连。
本发明进一步的改进在于，电能存储单元包括电能传输导线、交流-直流转换电路调理模块和能量回收蓄电池，绕组线圈伸入到直线发电机动子空心轴内并与电能传输导线相连，将电能输送到交流-直流转换电路调理模块，交流-直流转换电路调理模块与能量回收蓄电池。
本发明进一步的改进在于，第一远地点减震弹簧、第二远地点减震弹簧、绕组线圈以及空心圆柱永磁体都封闭在直线发电机定子铁芯的空心腔中。
本发明进一步的改进在于，远地点减震弹簧的顶部设置有弹簧挡圈，回收电能的交流-直流转换电路调理模块外侧设置有能量回收电路模块防护罩，弹簧挡圈设置在能量回收电路模块防护罩下方并与能量回收电路模块防护罩相接触。
本发明进一步的改进在于，直线发电机动子空心轴穿过能量回收电路模块防护罩与关节驱动及连接机构相连。
本发明进一步的改进在于，能量回收电路模块防护罩与直线发电机动子空心轴之间存在空心腔，固定交流-直流转换电路调理模块和能量回收蓄电池固定在空心腔中。
本发明进一步的改进在于，远地点减震弹簧的顶部设置有弹簧挡圈，并且远地点减震弹簧顶部与弹簧挡圈接触，弹簧挡圈套装在直线发电机动子空心轴上。
本发明进一步的改进在于，直线发电机定子铁芯内表面开设有凹槽，绕组线圈缠绕在直线发电机定子铁芯的凹槽内。
本发明进一步的改进在于，直线发电机动子空心轴外壁上等间距开设有若干圆柱形凹槽，圆柱形凹槽内安装有空心圆柱永磁体。
一种野外足式机器人腿部减震机构的能量回收方法，包括以下步骤：
1)通过关节驱动和连接机构使机器人足末端着地，直线发电机定子铁芯承受地面方向压力，直线发电机动子空心轴承受机器人本体重力；
2)近地点减震弹簧和远地点减震弹簧分别承受直线发电机动子空心轴的压力和拉力，并进行收缩和拉伸变形，将腿部运动动能部分转化为弹性势能存储，此时，直线发电机动子空心轴与直线发电机定子铁芯产生相对位移，即空心圆柱永磁体和绕组线圈相互移动产生电流，将腿部运动动能转化为电能；
3)绕阻线圈穿过直线发电机动子空心轴下端的孔进入到直线发电机动子空心轴的空腔中，然后传输导线穿过直线发电机动子空心轴上端的孔将电能传输给交流-直流转换电路调理模块，最后将调理好的稳定电流传输到能量回收蓄电池进行存储；
4)当足式移动机器人通过驱动和连接机构使机器人足末端离开地面时，由于直线发电机定子铁芯失去了地面的作用力，使其与直线发电机动子空心轴失去力平衡，此时被拉伸的远地点减震弹簧和被压缩的近地点减震弹簧将恢复原有形状；
5)随着远地点减震弹簧和近地点减震弹簧的形变复原，远地点减震弹簧和近地点减震弹簧将释放势能；同时直线发电机定子铁芯和直线发电机动子空心轴发生相对运动，即空心圆柱永磁体和绕组线圈相互移动产生电流，从而完成减震弹簧的势能转化为电能；
6)电能传输导线将势能转化的电能存储到蓄电池中；
7)重复步骤1)-6)，在使足式机器人在行走过程中，将腿部的部分动能进行回收。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：本发明为了在增加能量回收装置的同时，尽可能减少移动机器人的重量，采用机电一体化设计，根据直线发电机的机构原理，采用定子和动子在轴向方向的相对运动产生电能，并将机构嵌入到机器人的腿部中。机构中加入腿部运动的2个弹簧，可将行走时的动能通过弹性势能进行存储，进而转化为电能，同时能够改善机器人行走平稳性能。该方法将能量回收装置设计为机器人的腿部机构，不额外增加机器人能量回收专用机构的情况下解决了能量回收问题。在机器人行走过程中，腿部着地时将产生的动能转化为电能和弹性势能存储，腿部离地时弹性势能转化为电能进行二次电能回收。为了使将机器人移动过程中额外耗损的动能进行回收，本发明采用带有永磁体的直线发电机动子空心轴作为动子，在空腔缠绕绕组线圈的机械腿作为定子，机器人腿部运动中定子和动子在轴向方向相相对运动从而具有直线发电机功能，再将机械动能转化为电能，从而经电能存储单元将电能进行存储。本发明将足式机器人腿部接触地面的缓冲动能经过二次能量转化，将动能转化为电能储存回收。
本发明通过关节驱动和连接机构使机器人足末端着地，直线发电机定子铁芯承受地面方向压力，直线发电机动子空心轴承受机器人本体重力；近地点减震弹簧和远地点减震弹簧分别承受直线发电机动子空心轴的压力和拉力，并进行收缩和拉伸变形，将腿部运动动能部分转化为弹性势能存储，此时，直线发电机动子空心轴与直线发电机定子铁芯产生相对位移，即空心圆柱永磁体和绕组线圈互移动产生电流，将腿部运动动能转化为电能；绕阻线圈穿过直线发电机动子空心轴下端的孔进入到直线发电机动子空心轴的空腔中，然后传输导线穿过直线发电机动子空心轴上端的孔将电能传输给交流-直流转换电路调理模块，最后将调理好的稳定电流传输到能量回收蓄电池进行存储；当足式移动机器人通过驱动和连接机构使机器人足末端离开地面时，由于直线发电机定子铁芯失去了地面的作用力，使其与直线发电机动子空心轴失去力平衡，此时被拉伸的远地点减震弹簧和被压缩的近地点减震弹簧将恢复原有形状；随着远地点减震弹簧和近地点减震弹簧的形变复原，远地点减震弹簧和近地点减震弹簧将释放势能；同时直线发电机定子铁芯和直线发电机动子空心轴发生相对运动，即空心圆柱永磁体和绕组线圈相互移动产生电流，从而完成减震弹簧的势能转化为电能；电能传输导线将势能转化的电能存储到蓄电池中；通过本发明的能量回收系统能够在足式机器人在行走过程中，将腿部的部分动能进行回收。
附图说明
图1为足式机器人示意图；其中，椭圆处为本发明的能量回收装置。
图2为图1中的椭圆处的放大图；
图3为本发明的能量回收装置内部机构剖面图；
图4为足式机器人腿部能量回收过程流程图；
其中，1为交流-直流转换电路调理模块，2为能量回收电路模块防护罩，3为远地点减震弹簧挡圈，4为远地点减震弹簧，5为空心圆柱永磁体，6为绕组线圈，7为直线发电机动子空心轴，8为直线发电机定子铁芯，9为近地点减震弹簧，10为电能传输导线，11为能量回收蓄电池，12为关节驱动及连接机构，13为足式机器人。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
参见图1和图2，图1为足式机器人13的示意图，其中，椭圆处为本发明的能量回收装置。即图2为本发明的能量回收装置的外形图，本发明对现有的仿生六足机器人的腿部机械机构进行改进。
参见图2和图3，本发明包括绕组线圈6、直线发电机定子铁芯8和直线发电机动子空心轴7，直线发电机动子空心轴7安装在直线发电机定子铁芯8的内腔中，并且直线发电机动子空心轴7与直线发电机定子铁芯8之间存在气隙，直线发电机定子铁芯8内表面开设有凹槽，绕组线圈6缠绕在直线发电机定子铁芯8的凹槽内，直线发电机动子空心轴7的上部套装有远地点减震弹簧4，远地点减震弹簧4的顶部设置有弹簧挡圈3，并且远地点减震弹簧4顶部与弹簧挡圈3接触，弹簧挡圈3套装在直线发电机动子空心轴7上，即远地点减震弹簧4端部顶在弹簧挡圈3上，直线发电机动子空心轴7的下部套装有近地点减震弹簧9，直线发电机动子空心轴7的外壁上等间距开设有若干圆柱形凹槽，圆柱形凹槽内安装有空心圆柱永磁体5，圆柱形凹槽间距与空心圆柱永磁体5高度一致。
第一远地点减震弹簧4、第二远地点减震弹簧9、绕组线圈6以及空心圆柱永磁体5都封闭在直线发电机定子铁芯8的空心腔中。
为了便于安装将直线发电机定子铁芯8分为两半，待里面器件安装好后再进行封合。
直线发电机动子空心轴7的上下端均开设有一个孔，绕组线圈6从下端的孔伸入到直线发电机动子空心轴7的空腔内，并与电能传输导线10相连，电能传输导线10穿过上端的孔，将电能输送到交流-直流转换电路调理模块1，交流-直流转换电路调理模块1与能量回收蓄电池11。回收电能的交流-直流转换电路调理模块1外侧设置有能量回收电路模块防护罩2，弹簧挡圈3设置在能量回收电路模块防护罩2下方并与能量回收电路模块防护罩2相接触。直线发电机动子空心轴7穿过能量回收电路模块防护罩2与关节驱动及连接机构12相连，能量回收电路模块防护罩2与直线发电机动子空心轴7之间的空心腔中，固定交流-直流转换电路调理模块1和能量回收蓄电池11，交流-直流转换电路调理模块1与能量回收蓄电池11相连。
参见图4，本发明的野外足式机器人腿部减震机构的能量回收方法：
1)如图1所示的足式移动机器人，通过关节驱动和连接机构12使机器人足末端着地，即图2中所示的直线发电机定子铁芯8承受地面方向压力，而直线发电机动子空心轴7承受机器人本体重力；
2)近地点减震弹簧9和远地点减震弹簧4分别承受直线发电机动子空心轴7的压力和拉力，并进行收缩和拉伸变形，将腿部运动动能部分转化为弹性势能存储。此时，直线发电机动子空心轴7与直线发电机定子铁芯8产生相对位移，即空心圆柱永磁体5和绕组线圈6相互移动产生电流，将腿部运动动能转化为电能；
3)本发明电流通过直线发电机动子空心轴7内布置电能传输导线10，绕阻线圈6通过直线发电机动子空心轴7下端的孔进入到直线发电机动子空心轴7的空腔中，绕阻线圈6与电能传输导线10相连，电能传输导线10穿过直线发电机动子空心轴7上端的孔将电能传输给交流-直流转换电路调理模块1，最后将调理好的稳定电流传输到能量回收蓄电池11进行存储；
4)当足式移动机器人通过驱动和连接机构12使机器人足末端离开地面时，由于直线发电机定子铁芯8失去了地面的作用力，使其与直线发电机动子空心轴7失去力平衡，此时被拉伸的远地点减震弹簧4和被压缩的近地点减震弹簧9将恢复原有形状；
5)随着远地点减震弹簧4和近地点减震弹簧9的形变复原，远地点减震弹簧4和近地点减震弹簧9将释放势能。同时直线发电机定子铁芯8和直线发电机动子空心轴7发生相对运动，即空心圆柱永磁体5和绕组线圈6相互移动产生电流，从而完成减震弹簧的势能转化为电能；
6)然后再进行步骤3)的工作方式，电能传输导线10将势能转化的电能存储到蓄电池11中；
重复步骤1)-6)，将使足式机器人在行走过程中，通过本发明的能量回收系统把腿部的部分动能进行回收。
本发明为了在增加能量回收装置的同时，尽可能减少移动机器人的重量，采用机电一体化设计，根据直线发电机的机构原理，采用定子和动子在轴向方向的相对运动产生电能，并将机构嵌入到机器人的腿部中。机构中加入腿部运动的2个弹簧缓冲机构，可将行走时的动能通过弹性势能进行存储，进而转化为电能，同时能够改善机器人行走平稳性能。该方法将能量回收装置设计为机器人的腿部机构，不额外增加机器人能量回收专用机构的情况下解决了能量回收问题。在机器人行走过程中，腿部着地时将产生的动能转化为电能和弹性势能存储，腿部离地时弹性势能转化为电能进行二次电能回收。为了使将机器人移动过程中额外耗损的动能进行回收，本发明采用带有永磁体的轴直线发电机动子空心轴作为动子，在空腔缠绕绕组线圈的机械腿作为定子，机器人腿部运动中定子和动子在轴向方向相相对运动从而具有直线发电机功能，再将机械动能转化为电能，从而经电能存储单元将电能进行存储。该装置主要包括带有永磁体的动子、缠绕导电线圈的定子和2个能量转化和回收弹簧等组成的机械机构，电能传输导线、交流-直流转换电路调理模块和能量回收蓄电池等组成的电能存储单元，它们分别完成能量的转化和能量的回收功能。本发明将足式机器人腿部接触地面的缓冲动能经过二次能量转化，将动能转化为电能储存回收。
Claims (10)
1.一种野外足式机器人腿部减震机构的能量回收装置，其特征在于，包括关节驱动及连接机构(12)、远地点减震弹簧(4)、近地点减震弹簧(9)、电能存储单元、绕组线圈(6)、直线发电机定子铁芯(8)和直线发电机动子空心轴(7)，直线发电机动子空心轴(7)安装在直线发电机定子铁芯(8)的内腔中，并且直线发电机动子空心轴(7)与直线发电机定子铁芯(8)之间存在气隙，绕组线圈(6)缠绕在直线发电机定子铁芯(8)内表面上，直线发电机动子空心轴(7)的外壁上安装有空心圆柱永磁体(5)，直线发电机动子空心轴(7)的上部套装有远地点减震弹簧(4)，直线发电机动子空心轴(7)的下部套装有近地点减震弹簧(9)，直线发电机动子空心轴(7)与关节驱动及连接机构(12)、电能存储单元相连。
2.根据权利要求1所述的一种野外足式机器人腿部减震机构的能量回收装置，其特征在于，电能存储单元包括电能传输导线(10)、交流-直流转换电路调理模块(1)和能量回收蓄电池(11)，绕组线圈(6)伸入到直线发电机动子空心轴(7)内并与电能传输导线(10)相连，将电能输送到交流-直流转换电路调理模块(1)，交流-直流转换电路调理模块(1)与能量回收蓄电池(11)。
3.根据权利要求2所述的一种野外足式机器人腿部减震机构的能量回收装置，其特征在于，第一远地点减震弹簧(4)、第二远地点减震弹簧(9)、绕组线圈(6)以及空心圆柱永磁体(5)都封闭在直线发电机定子铁芯(8)的空心腔中。
4.根据权利要求2所述的一种野外足式机器人腿部减震机构的能量回收装置，其特征在于，远地点减震弹簧(4)的顶部设置有弹簧挡圈(3)，回收电能的交流-直流转换电路调理模块(1)外侧设置有能量回收电路模块防护罩(2)，弹簧挡圈(3)设置在能量回收电路模块防护罩(2)下方并与能量回收电路模块防护罩(2)相接触。
5.根据权利要求3所述的一种野外足式机器人腿部减震机构的能量回收装置，其特征在于，直线发电机动子空心轴(7)穿过能量回收电路模块防护罩(2)与关节驱动及连接机构(12)相连。
6.根据权利要求3所述的一种野外足式机器人腿部减震机构的能量回收装置，其特征在于，能量回收电路模块防护罩(2)与直线发电机动子空心轴(7)之间存在空心腔，固定交流-直流转换电路调理模块(1)和能量回收蓄电池(11)固定在空心腔中。
7.根据权利要求3所述的一种野外足式机器人腿部减震机构的能量回收装置，其特征在于，远地点减震弹簧(4)的顶部设置有弹簧挡圈(3)，并且远地点减震弹簧(4)顶部与弹簧挡圈(3)接触，弹簧挡圈(3)套装在直线发电机动子空心轴(7)上。
8.根据权利要求1所述的一种野外足式机器人腿部减震机构的能量回收装置，其特征在于，直线发电机定子铁芯(8)内表面开设有凹槽，绕组线圈(6)缠绕在直线发电机定子铁芯(8)的凹槽内。
9.根据权利要求1所述的一种野外足式机器人腿部减震机构的能量回收装置，其特征在于，直线发电机动子空心轴(7)外壁上等间距开设有若干圆柱形凹槽，圆柱形凹槽内安装有空心圆柱永磁体(5)。
10.一种基于权利要求2所述的装置的野外足式机器人腿部减震机构的能量回收方法，其特征在于，
1)通过关节驱动和连接机构(12)使机器人足末端着地，直线发电机定子铁芯(8)承受地面方向压力，直线发电机动子空心轴(7)承受机器人本体重力；
2)近地点减震弹簧(9)和远地点减震弹簧(4)分别承受直线发电机动子空心轴(7)的压力和拉力，并进行收缩和拉伸变形，将腿部运动动能部分转化为弹性势能存储，此时，直线发电机动子空心轴(7)与直线发电机定子铁芯(8)产生相对位移，即空心圆柱永磁体(5)和绕组线圈(6)相互移动产生电流，将腿部运动动能转化为电能；
3)绕阻线圈(6)穿过直线发电机动子空心轴(7)下端的孔进入到直线发电机动子空心轴(7)的空腔中，然后传输导线(10)穿过直线发电机动子空心轴(7)上端的孔将电能传输给交流-直流转换电路调理模块(1)，最后将调理好的稳定电流传输到能量回收蓄电池(11)进行存储；
4)当足式移动机器人通过驱动和连接机构(12)使机器人足末端离开地面时，由于直线发电机定子铁芯(8)失去了地面的作用力，使其与直线发电机动子空心轴(7)失去力平衡，此时被拉伸的远地点减震弹簧(4)和被压缩的近地点减震弹簧(9)将恢复原有形状；
5)随着远地点减震弹簧(4)和近地点减震弹簧(9)的形变复原，远地点减震弹簧(4)和近地点减震弹簧(9)将释放势能；同时直线发电机定子铁芯(8)和直线发电机动子空心轴(7)发生相对运动，即空心圆柱永磁体(5)和绕组线圈(6)相互移动产生电流，从而完成减震弹簧的势能转化为电能；
6)电能传输导线(10)将势能转化的电能存储到蓄电池(11)中；
7)重复步骤1)-6)，在使足式机器人在行走过程中，将腿部的部分动能进行回收。
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