WO2002028600A2 - Actuador para las piernas de un robot caminante - Google Patents

Actuador para las piernas de un robot caminante Download PDF

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Manuel ARMADA RODRÍGUEZ
Rony Javier Caballero
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    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
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    • B62D57/00—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track
    • B62D57/02—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members
    • B62D57/032—Vehicles characterised by having other propulsion or other ground- engaging means than wheels or endless track, alone or in addition to wheels or endless track with ground-engaging propulsion means, e.g. walking members with alternately or sequentially lifted supporting base and legs; with alternately or sequentially lifted feet or skid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1615—Programme controls characterised by special kind of manipulator, e.g. planar, scara, gantry, cantilever, space, closed chain, passive/active joints and tendon driven manipulators

Definitions

  • This invention is related to the field of robotics, and more specifically with e! field of biped robots.
  • Actuator for the legs of a walking robot mostly bipedal robots, with a mobile element, with a motor located in the mobile element, with a base element of the leg which is connected to the mobile element by means of a joint of rotation connected kinematically with the motor.
  • the actuator motor together with a constant gear reduction box must compensate for the torque produced by the force of gravity.
  • the torque produced by the force of gravity can be compensated using small motors with large reduction ratios, but it has the disadvantage that greatly restricts the speed of the leg.
  • Another possibility is to compensate the torque produced by the force of gravity using large motors with small reduction ratios, but it has the disadvantage that increases the weight of the robot and its energy consumption.
  • the actuator for the legs of a walking robot mostly bipedal robots, with a mobile element, with a motor located in the mobile element, with a base element of the leg which is connected to the mobile element by means of a Rotational joint kinematically connected to the engine, the kinematic circuit between the engine and the base element of the leg has a crank-crank mechanism and the crank is kinematically connected to the engine and the crank is connected to the base element of the leg by means of a rotation joint, the length of the crank is less than the distance between the two rotation joints in the base element of the leg.
  • the crank has at least one stop element and this stop element is located in the mobile element. All rotational joints are hinge type and the axes of rotation in any hinge type joint are parallel to the axis of rotation of the crank.
  • the kinematic circuit between the motor and the crank has a speed reduction device.
  • the mobile element is the calf of the leg and the base element of the leg is the foot.
  • the mobile element is the thigh of the leg and the base element of the leg is the calf.
  • the mobile element is the pelvis and the base element of the leg is the thigh of the leg.
  • the objective of this invention is to reduce the weight of a walking robot, energy consumption and maintain high leg speeds in the area near the vertical.
  • the robot has a pelvis (12) and each leg consists of a hip joint (13), thigh (14), knee (15), calf (1), ankle (3) and foot (2).
  • This anthropomorphic joint (for example the ankle (3)) is operated by an actuator.
  • the movable leg element (for example the calf (1)), is connected to the base element of the leg (for example the foot (2)), by a rotation joint (for example the ankle with two degrees of freedom ( 3)).
  • the motor body (4) is connected to the movable leg element (in this case the calf (1)) by means of a support (5).
  • the motor output shaft is kinematically coupled (for example direct) to the crank (6), which is connected by means of a rotational joint of a degree of freedom (7) to the leg's movable element (in this case the calf (1)).
  • the crank (6) is connected by means of a rotational joint of a degree of freedom (8) to the connecting rod (9).
  • the connecting rod (9) is connected by means of a rotation joint (for example two degrees of freedom) (10) to the base element of the leg (in this case the foot (2)).
  • the length of the crank (6) is smaller than the distance between the rotation joint (in this case the ankle (3)) that connects the movable leg element (in this case the calf (1)) to the element leg base (in this case the foot (2)) and the rotation joint (10) connecting the connecting rod (9) to the base element of the leg (in this case the foot (2)).
  • the crank (6) is smaller than the crank (9).
  • the rotational movement of the movable leg element may continue to a desired position of advance, which is less than or equal to the advance limit of the mechanism.
  • the rotational movement of the movable leg element may continue to a desired recoil position, which is less than or equal to the recoil limit of the mechanism.
  • the system has a crank-crank mechanism in the kinematic circuit.
  • This mechanism is acting as a reduction box with a variable continuous reduction ratio. It is very important that if the angle that is formed between the movable leg and the vertical element (16) changes, the reduction ratio also changes. Because the motor must compensate the torque produced by the force of gravity and the torque produced by the force of gravity increases when the angle that is formed between the movable element of the leg and the vertical (16) is increased, it is very useful to change the transmission ratio between the engine and the base element, and this is done automatically with the help of crank-crank mechanism. Therefore the torque in the engine in this case does not increase much even if the torque produced by the force of gravity is large.
  • the rotating joints that connect the motor output shaft with the movable leg element (7); and the one that connects the crank with the connecting rod (9) must be of a degree of freedom and its parallel axes, while the rotating joints that connect the connecting rod with the base element of the leg (10) and the one that joins the element Leg base with the movable leg element (3) can be one or two degrees of freedom.
  • the crank of the system can have at least one stop element so that the leg can withstand tension and compression loads without using the motor in the forward or reverse limit of the mechanism.
  • the coupling between the engine and the connecting rod can be straightforward, but you can also use a reduction box to match the engine's torque and speed.
  • the actuator can be used on the knee (15), because the torque module produced by the force of gravity at that point (15) also increases with increasing angle between the thigh and the vertical.
  • the actuator can be used on the hip (13), because the torque module produced by the force of gravity at that point (13) also increases with increasing angle between the pelvis and the vertical.

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Abstract

El actuador para las piernas de un robot caminante, en su mayor parte robots bípedos, con un elemento móvil, con un motor localizado en el elemento móvil, con un elemento base de la pierna el cual es conectado con el elemento móvil por medio de una articulación de rotación conectada cinemáticamente con el motor, distinguido en que el circuito cinemático entre el motor y el elemento base de la pierna tiene un mecanismo de biela-manivela y la manivela esta conectada cinemáticamente con el motor y la biela esta conectada con el elemento base de la pierna por medio una articulación de rotación, la longitud de la manivela es menor que la distancia entre las dos articulaciones de rotación en el elemento base de la pierna.

Description

1. Título
Actuador para las piernas de un robot caminante
2. Sector de la Técnica
Esta invención esta relacionada con el campo de la robótica, y mas concretamente con e! campo de robots bípedos.
3. Estado de la Técnica
En soluciones técnicas conocidas [Articulated structure for legged waiking robot Patent Number EP0433096, Publication date 19-06-1991, lnventor(s) Gomi Hirosi, Kumagai Tomharu, Hirose Masato, Nishikawa Masao, B25J5/00; B25J11/00; G05D1/10 - Method and apparatus for dynamic waiking control of robot, Patent Number US4834200, Publication date 30-05-1989, lnventor(s) Kajita Syuji, B25J5/00; B62D57/02] se utiliza habitualmente lo siguiente. Actuador para las piernas de un robot caminante, en su mayor parte robots bípedos, con un elemento móvil, con un motor localizado en el elemento móvil, con un elemento base de la pierna el cual es conectado con el elemento móvil por medio de una articulación de rotación conectada cinemáticamente con el motor.
En estas soluciones el motor del actuador junto con una caja de reducción de engranajes constante debe compensar el par producido por la fuerza de gravedad. El par producido por la fuerza de gravedad se puede compensar utilizando motores pequeños con relaciones de reducción grandes, pero tiene el inconveniente que restringe mucho la velocidad de la pierna. Otra posibilidad, es compensar el par producido por la fuerza de gravedad utilizando motores grandes con relaciones de reducción pequeña, pero tiene el inconveniente que aumenta el peso del robot y el consumo energético del mismo. 4. Descripción de la Invención
4.1 Breve descripción de la invención.
El actuador para las piernas de un robot caminante, en su mayor parte robots bípedos, con un elemento móvil, con un motor localizado en el elemento móvil, con un elemento base de la pierna el cual es conectado con el elemento móvil por medio de una articulación de rotación conectada cinemáticamente con el motor, el circuito cinemático entre el motor y el elemento base de la pierna tiene un mecanismo de biela-manivela y la manivela esta conectada cinemáticamente con el motor y la biela esta conectada con el elemento base de la pierna por medio de una articulación de rotación, la longitud de la manivela es menor que la distancia entre las dos articulaciones de rotación en el elemento base de la pierna.
La manivela tiene al menos un elemento tope y este elemento tope esta localizado en el elemento móvil. Todas las articulaciones rotacionales son de tipo bisagra y los ejes de rotación en cualquier articulación tipo bisagra son paralelos al eje de rotación de la manivela. El circuito cinemático entre el motor y la manivela tiene un dispositivo de reducción de velocidad. El elemento móvil es la pantorrilla de la pierna y el elemento base de la pierna es el pie. El elemento móvil es el muslo de la pierna y el elemento base de la pierna es la pantorrilla. El elemento móvil es la pelvis y el elemento base de la pierna es el muslo de la pierna.
4.2 Descripción detallada de la invención.
El objetivo de esta invención es disminuir el peso de un robot caminante, el consumo energético y mantener altas velocidades de las piernas en la zona cerca de la vertical.
Se tiene un robot bípedo sobre una superficie plana (11) con al menos una articulación antropomórfica en las piernas. El robot tiene una pelvis (12) y cada pierna consta de una articulación en la cadera (13), muslo (14), rodilla (15), pantorrilla (1 ), tobillo (3) y pie (2). Esta articulación antropomórfica (por ejemplo el tobillo (3)) es accionada por un actuador. El elemento móvil de la pierna (por ejemplo la pantorrilla (1)), esta conectada al elemento base de la pierna (por ejemplo el pie (2)), por una articulación de rotación (por ejemplo el tobillo con dos grados de libertad (3)). El cuerpo del motor (4) se encuentra conectado al elemento móvil de la pierna (en este caso la pantorrilla (1 )) por medio de un soporte (5). El eje de salida del motor esta acoplado cinemáticamente (por ejemplo directo) a la manivela (6), la cual esta conectada por medio de una articulación rotacional de un grado de libertad (7) al elemento móvil de la pierna (en este caso la pantorrilla (1)). La manivela (6) esta conectada por medio de una articulación rotacional de un grado de libertad (8) a la biela (9). La biela (9) esta conectada por medio de una articulación de rotación (por ejemplo dos grados de libertad) (10) al elemento base de la pierna (en este caso el pie (2)). La longitud de la manivela (6) es de menor tamaño que la distancia entre la articulación de rotación (en este caso el tobillo (3)) que conecta el elemento móvil de la pierna (en este caso la pantorrilla (1)) al elemento base de la pierna (en este caso el pie (2)) y la articulación de rotación (10) que conecta la biela (9) al elemento base de la pierna (en este caso el pie (2)). La manivela (6) es de menor tamaño que la biela (9). Las cuatro articulaciones rotacionales de este mecanismo permiten rotaciones en el mismo plano del dibujo de la Figura 1.
Proceso de Funcionamiento
Para mover la pierna hacia adelante ( Figura 2 ) se tiene la pierna del robot bípedo sobre una superficie plana (11). El elemento base de la pierna (en este caso el pie (2)) está sobre esta superficie y el elemento móvil de la pierna (en este caso la pantorrilla (1)) está ¡nicialmente en alguna posición entre el límite de retroceso y el limite de avance del mecanismo. Luego, el eje de salida del motor gira en contra de las manecillas del reloj y produce una rotación sobre la manivela (6) en el mismo sentido. La manivela (6), a su vez empuja a la biela (9). La biela (9) produce un movimiento de rotación sobre la articulación de rotación (en este caso el tobillo (3)) que conecta el elemento base de la pierna (en este caso el pie (2)) con el elemento móvil de la pierna (en este caso la pantorrilla (1 )). Esto produce un movimiento de rotación del elemento móvil de la pierna (en este caso la pantorrilla (1)) en el sentido de las manecillas del reloj. El movimiento de rotación del elemento móvil de la pierna puede continuar hasta una posición deseada de avance, que es menor o igual al límite de avance del mecanismo.
Para mover la pierna hacia atrás se tiene la pierna del robot bípedo sobre una superficie plana (11). El elemento base de la pierna (en este caso el pie (2)) está sobre esta superficie y el elemento móvil de la pierna (en este caso la pantorrilla (1 )) está ¡nicialmente en alguna posición entre el límite de retroceso y el limite de avance del mecanismo. Luego el motor gira en sentido contrario a las manecillas del reloj y produce un movimiento en la manivela (6) en el mismo sentido. La manivela (6), a su vez tira de la biela (9) y ésta a su vez produce un movimiento de rotación sobre la articulación de rotación (en este caso el tobillo (3)) que conecta el elemento base de la pierna (en este caso el pie (2)) con el elemento móvil de la pierna (en este caso la pantorrilla (1)). Esto produce un movimiento de rotación del elemento móvil de la pierna (en este caso la pantorrilla (1 )) en el sentido contrario a las manecillas del reloj. El movimiento de rotación del elemento móvil de la pierna puede continuar hasta una posición deseada de retroceso, que es menor o igual al límite de retroceso del mecanismo.
El sistema tiene en el circuito cinemático un mecanismo de biela-manivela. La propiedades de este mecanismo se muestran en la Figura 4. Este mecanismo está actuando como una caja de reducción con una relación de reducción continua variable. Es muy importante que si el ángulo que se forma entre el elemento móvil de la pierna y la vertical (16) cambia, la relación de reducción también cambia. Debido a que el motor debe compensar el par producido por la fuerza de gravedad y el par producido por la fuerza de gravedad se incrementa cuando se incrementa el ángulo que se forma entre el elemento móvil de la pierna y la vertical (16), es muy útil cambiar la relación transmisión entre el motor y el elemento base, y esto se hace automáticamente con la ayuda del mecanismo biela-manivela. Por lo tanto el par en el motor en este caso no se incrementa mucho inclusive si el par producido por la fuerza de gravedad es grande. Prácticamente esto significa que el sistema automáticamente ajusta la relación de reducción. En este caso se tiene la posibilidad de mover la pierna lo suficientemente rápido en la zona cerca de la vertical (la relación de transmisión es pequeña) y compensar los valores grandes del par producido por la gravedad en la zonas alejadas de la vertical (la relación de transmisión es grande) con la ayuda de un motor de poca potencia. En este caso es posible reducir el peso del motor ( y el peso del robot completo y el consumo energético). Es imposible tener el mismo efecto con una caja de reducción constante, en ese caso es posible tener o una relación de reducción grande y velocidades pequeñas en cada punto de la trayectoria o una relación de reducción pequeña con un motor de alta potencia.
5. Descripción detallada de los dibujos (en su caso)
1. Pantorrilla
2. Pie
3. Tobillo
4. Cuerpo del motor
5. Soporte del motor
6. Manivela
7. Articulación rotacional
8. Articulación rotacional
9. Biela
10. Articulación rotacional
11. Superficie plana
12. Pelvis
13. Cadera
14. Muslo
15. Rodilla
16. Ángulo respecto a la vertical 6. Ejemplo de realización de la invención.
Las articulaciones de rotación que conectan el eje de salida del motor con el elemento móvil de la pierna (7); y la que conecta la manivela con la biela (9) deben ser de un grado de libertad y sus ejes paralelos, mientras que las articulaciones de rotación que unen la biela con el elemento base de la pierna (10) y la que une el elemento base de la pierna con el elemento móvil de la pierna (3) pueden ser de uno o dos grados de libertad.
La manivela del sistema puede tener al menos un elemento tope de modo que la pierna pueda soportar cargas de tensión y compresión sin utilizar el motor en el límite de avance o retroceso del mecanismo.
El acoplamiento entre el motor y la biela puede ser directo, pero también puede usar una caja de reducción para adecuar los pares y velocidades del motor. El actuador puede utilizarse en la rodilla (15), porque el módulo del par producido por la fuerza de gravedad en ese punto (15) también aumenta con el aumento del ángulo entre el muslo y la vertical.
El actuador puede utilizarse en la cadera (13), porque el módulo del par producido por la fuerza de gravedad en ese punto (13) también aumenta con el aumento del ángulo entre la pelvis y la vertical.

Claims

7. Reivindicaciones.
1. Actuador para las piernas de un robot caminante, en su mayor parte robots bípedos, caracterizado porque consta de un elemento móvil, con un motor localizado en el elemento móvil, con un elemento base de la pierna el cual es conectado con el elemento móvil por medio de una articulación de rotación conectada cinemáticamente con el motor, distinguido en que el circuito cinemático entre el motor y el elemento base de la pierna tiene un mecanismo de biela-manivela y la manivela esta conectada cinemáticamente con el motor y la biela esta conectada con el elemento base de la pierna por medio una articulación de rotación, la longitud de la manivela es menor que la distancia entre las dos articulaciones de rotación en el elemento base de la pierna.
2. Actuador según reivindicación 1 caracterizado porque la manivela tiene al menos un elemento tope y este elemento tope esta localizado en el elemento móvil.
3. Actuador según reivindicaciones 1 ,2 caracterizado porque todas las articulaciones rotacionales son de tipo bisagra y los ejes de rotación en cualquier articulación tipo bisagra son paralelos al eje de rotación de la manivela.
4. Actuador según reivindicaciones 1 ,2,3 caracterizado porque el circuito cinemático entre el motor y la manivela tiene un dispositivo de reducción de velocidad.
5. Actuador según reivindicaciones 1 ,2,3,4 caracterizado porque el elemento móvil es la pantorrilla de la pierna y el elemento base de la pierna es el pie.
6. Actuador según reivindicaciones 1 ,2,3,4 caracterizado porque el elemento móvil es el muslo de la pierna y el elemento base de la pierna es la pantorrilla.
7. Actuador según reivindicaciones 1 ,2,3,4 caracterizado porque el elemento móvil es la pelvis y el elemento base de la pierna es el muslo de la pierna.
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