CN101678866A - 能量有效的机器人系统 - Google Patents

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Abstract

一种带有被动式动力移动的、能量有效的双足式机器人系统包括身体，该身体具有框架。该框架内部悬挂了能量再捕获机构。该能量再捕获机构包括负载、与该负载以及框架互连的机械能量存储机构、以及固定到该负载以及框架上的导向装置。机械能量输入机构将该负载与电能产生机构互连。输出装置将所产生的电能传递给能量存储装置。该机器人还包括连接到该身体部分的腿。在被动式动力移动的过程中的腿的循环运动通过机械能量存储机构被传递给负载，并且所造成的负载的摆动运动被该机械能量输入结构传递给电能产生机构。所产生的电能被传递给电能存储装置上供该机器人系统使用。

Description

能量有效的机器人系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2007年5月25日递交的美国专利申请序号11/753,715的优先权，该申请的内容以引用合并于此。
技术领域
本发明总体上涉及一种能量有效的机器人系统，并且更确切地说，涉及具有被动式动力移动的能量有效的机器人系统。
背景技术
模仿人类功能，如移动、交谈、对物体进行操纵、或类似功能的不同类型的机器人系统是已知的。人类的行走是一种复杂的功能，涉及了足、踝、腿与髋，连同臂和大脑的协调活动。具有行走能力以及与人相似的形式的机器人系统的一个实例是双足式机器人。该双足式机器人要求有精确的致动器以及复杂的控制策略，以便通过主动地控制在腿与足中的每个关节的角度来模仿人的行走，这样使得机器人的质量中心尽可能地保持水平。然而，此类受控步态远不如实际的人类行走步态有效。其结果是，与可比大小的人的行走的能量消耗相比，该双足式机器人要求更大的能量消耗。
最近，已经证明以不太平稳的步态来行走(其中质量中心随着每一步以一种摆动的方式来升降)提供了在运动效率上的显著增长，由此将能量输出水平减少到与人类行走更可比的一种水平。具有摆动步态的机器人系统的一个实例是被动式动力行走器。这种被动式动力行走器是一种简单的机器，它将机器人的腿的部分模拟为一个被动式的机械结构，并且利用机器人摆动肢体的动力运动来推动该机器。早期的被动式动力行走器依赖于重力来走下一个倾斜的表面。近来，被动式动力行走器已经得到了发展，它们利用至少一个有源的动力源使该机器能够在水平地面上行走。这种被动式动力行走器的步态显著地是与人相似的，并且随着足接触到表面并且然后上推而离开该表面而类似于质量中心的一种上/下运动。由于被动式动力行走器不是主要依赖于持续通电的多个控制器以及致动器来控制多个关节的角度角，它使用的能量少于一个可比的双足式机器人。
近年中机器人系统的控制能力已经增强。然而，大多数机器人系统的能量存储能力仍然是一个基本的限制性因素。虽然以上描述的被动式动力行走器要比一个动力性机器人系统要求更少的能量，这种被动式动力行走器仍然受限于动力要求。因此，在本技术领域中存在着对于一种被动式动力机器人系统的需要，该机器人系统结合了一个可更新能源以便增加该机器人系统能量使用的效率。
发明内容
因此，本发明是一种具有被动式动力移动的能量有效的双足式机器人系统。该系统包括身体部分，该身体部分具有框架。在该框架内部悬挂了能量再捕获机构。该能量再捕获机构包括负载；机械能量存储机构，该机械能量存储机构与所述负载以及所述框架互连；以及导向装置，该导向装置被固定到所述负载上，用于引导所述负载相对于所述框架的运动。机械能量输入机构将该负载与电能产生机构互连用于从该负载的一种机械运动中产生电能。输出装置将所产生的电能传递给能量存储装置。该机器人还包括连接到身体部分上的腿。在被动式动力移动的过程中腿的循环运动通过该机械能量存储机构被传递给该负载，并且由腿的循环运动所引起的负载的一种摆动运动被机械能量输入机构作为一种机械能量输入传递给电能产生机构来产生电能。所产生的电能被传递给电能存储装置供机器人系统使用。
本发明的一个优点在于提供了依赖于被动式动力移动的一种能量有效的双足式机器人系统。本发明的另一个优点在于提供了包括一个便携的、可更新的能源的一种机器人系统。本发明的再一个优点在于提供了一种机器人系统，该机器人系统包括了可再充电的电池，该电池在移动过程中利用机器人的循环运动对该电池进行再充电。本发明另一个优点在于该被动式动力双足式机器人是能量有效的，因为它重新捕获了否则的话要损失掉的能量。在本发明的再另一个优点在于该被动式动力双足式机器人将基于弹簧的机械能量存储装置与基于发电机的电能再生装置结合在一起。
在结合附图阅读了以下说明以后，将会容易地了解并更好地理解本发明的其他特征和优点。
附图说明
图1是根据本发明的一种能量有效的机器人系统的侧视图。
图2是根据本发明的图1的能量有效的机器人系统的正视图。
图3是根据本发明的用于图1的能量有效的机器人系统模型的能量再捕获机构的透视图。
图4是根据本发明的图1的能量再捕获机构系统的俯视图。
图5是根据本发明的能量有效的机器人系统的另一个实例的正视图。
具体实施方式
参见图1至图5，其中展示了能量有效的机器人系统。在这个实例中，该机器人系统是有动力的、双足移动的机器人10，并且具体地是被动式动力行走机器人。被动式动力行走机器人10在沿着一个表面移动的过程中经历着垂直定向的循环的或摆动的变化。
机器人系统10包括身体部分12。身体部分12提供了壳体。在这个实例中，身体部分12具有像盒子一样的形状；然而，该形状是非限制的。该身体容纳了用于控制该机器人的功能性的控制机构14。例如，该控制机构是控制器，该控制器包括处理器、存储器以及多个输入/输出装置。身体部分12还容纳了有待说明的能量再捕获机构，它提供了用于机器人的预定水平的操作动力。身体部分12包括框架支撑结构16。例如，该框架支撑结构可以包括上框架构件18、下框架构件20、以及使上框架构件18与下框架构件20互连的多个侧框架构件22。在另一实例中，框架支撑结构16还可以包括多个交叉构件24，这些交叉构件将前框架部分26与后框架部分28互连，并且，前框架部分与后框架部分各自包括上框架构件18、下框架构件20以及多个侧框架构件22。应当理解，还考虑了其他结构的实例。
机器人系统10还包括臂30。该臂的上端运行性地连接到身体部分12上。臂30可以包括通过多个关节或致动器互连的多个单独的杆构件。臂30的下端可以运行性地连接到一只手(未示出)上。这只手可以包括多个互连的手构件，这些构件运行性地执行具体的操作。
机器人系统10还包括从身体部分向下延伸的腿32，并且优选是两条腿。应当认识到这些腿32在站立时支撑着身体部分12并且协助机器人系统10的移动。每个腿32包括由膝关节36互连的多个腿构件34。第一腿构件34a的上端运行性地附装在身体部分12上，类似于人的髋关节。第二腿构件34b的下端通过踝关节38运行性地连接到足部分34c上，该踝关节类似于人的踝关节。足的部分34c在移动的过程中与一个表面相接触。
机器人系统10的移动可以采取不同的形式。一个实例是被动式动力行走，由此使腿32保持直立并且使臂30在与腿32相反的方向上摆动。这种被动式动力机器人利用了简单的动力源，例如重力源或其他类型的微型致动，以便将任何额外的能量输入保持在一个最低限度。例如，只有踝关节38利用了致动器，以便将能量使用最小化。当机器人系统10运动时，以一种一侧到另一侧的运动方式使每只足34c交替地抬离地面。利用足的放置来使一侧到另一侧的冲击最小化并且协助机器人系统10的平衡。所造成的机器人系统10的运动是摆动性的，具有一个基本上垂直的分量。应当认识到，在移动过程中，控制器可通过对与表面的接触进行检测的多个传感器来控制机器人的足34c的一步步的运动。此外，该控制器可以利用学习的概念，以便使机器人系统10在移动过程中对不同表面进行调适。
能量再捕获机构40是在移动过程中利用了机器人系统10的摆动运动并且将其转换成有助于操作机器人系统10的电能的一种装置。能量再捕获机构40在身体部分12之内悬挂在框架支撑结构16上，以便在移动过程中使位移(并且因此使能量再捕获)最大化。能量再捕获机构40可以被定位在机器人系统10的质量中心附近，以便为机械摆动的能量再捕获机构40提供额外的稳定性。
能量再捕获机构40包括负载42或质量。在这个实例中，负载42是能量存储装置，如电池。能量存储装置的另一个实例是燃料电池、电容器、飞轮或者另一种类型的动力源。如图3中所示，该负载可以与一个板一体化。
能量再捕获机构40还包括至少一个机械能量存储机构44，例如弹簧或类似物。不同类型的弹簧都是适合的，并且该弹簧可以被设置在不同的位置中。例如，弹簧44有一端附装在负载42上而第二端附装在框架支撑结构16上。在另一个实例中，有上弹簧以及下弹簧。上弹簧44有一端附装在负载42上而第二端附装在上框架构件18上。相似地，下弹簧44有一端附装在负载42上而第二端附装在下框架构件20上。其他弹簧或弹簧位置的实例是可供使用的。
能量再捕获机构40还包括导向装置46，用于平滑地引导负载42的运动并且使其稳定。导向装置46优选地使由负载运动所造成的摩擦最小化。在一个实例中，导向装置46是在上框架构件18与下框架构件20之间延伸的垂直定向的杆48。套管50将负载42与垂直的杆48互连，并且它有利于负载42沿该垂直的杆48长度的垂直运动。能量再捕获机构40可包括线性换能器52，用于测量负载42作为机器人系统运动的结果沿垂直的杆48的垂直运动。导向装置的另一个实例是以上说明的杆48，以及可滑动地连接到杆上的轮。在本发明的范围中考虑了可滑动连接的其他实例。
能量捕获装置40包括电能产生装置54，例如发电机、齿轮式直流电动机、或类似物。在这个实例中，发电机56被固定地安装到上框架构件18上。有齿的梁58将该负载与发电机56上的小齿轮62互连。由负载42的摆动性运动所造成的有齿的梁58的运动使安装在该发电机壳体上的小齿轮62转动，以便将机械能量转化成电力。应当认识到，其他机构、如皮带、通过线圈进行摆动的磁体、或类似物可用于将摆动的质量连接到动力转化系统上，以回收机械能量用于存储以及以后的再使用。另外，这些机构可以被用于使能量再捕获机构40的能量收集效率最大化并且将质量摆动的机械性反应调谐至与具体的机器人运动的需求相匹配。此外，机器人移动(如行走步态)可以额外地进行优化，以将该系统的机械效率、电机效率或合成效率最大化。该效率允许该系统可以有利地将该机器人系统移动所要求的动力以及传递给该负载并由此回收而用于再利用的动力均考虑在内。
能量再捕获机构40还可以包括阻尼元件64，例如减震器或者其他类型的自适应机械性反应机构。阻尼元件64包括不同的特性或品质。这些特性或品质可以是静态的或动态的。另外，可以对这些特性或品质进行选择或调整，或者对这些特性或品质进行调谐以适应能量有效的机器人系统10的环境、活动水平、系统状态、或类似情况。例如，将阻尼系统的类型选择为使该负载的摆动适配于能量有效的机器人系统10的所打算的用图。品质的一个实例就是该负载摆动的品质因数。在另一个实例中，可以对该负载摆动的共振进行机械地调节以接近于由移动(如行走或跑步、或类似情况)所引起的运动频率。在又另一个实例中，使用者可以自适应地实时修改该能量再捕获机构以适应例如由于速度或表面的变化引起的负载、步态或步态周期、或类似情况的改变。在另一个实例中，使用者可以实时调谐阻尼元件64，以进一步地适应负载的改变。在又另一个实例中，预定的特性或品质可响应于多种变化而自适应地更新。可以使用一个学习过程，从而学习并且保存对预定事件的响应以便在相似的环境中使用。
应当认识到，发电机56的电输出可以被用于其他目的，例如为电池再充电或为机器人系统10提供额外的电能或用于其他目的。
在运行中，当机器人行走时，机器人的脚步引起了机器人的质量中心处的某种垂直的摆动性运动。这导致了摆动运动以及质量中心上的摆动力传递到负载42上。该负载的弹簧加载产生了一种周期性的向上运动，当该周期性的向上运动被调谐成机器人系统的步幅频率时这将有利于减轻机器人另一条腿上的重量，以允许增加的行走的效率，类似于相似状态下人的移动的情况。这是通过存储在弹簧中的机械能量而发生的，而不是要求消耗来自电能产生装置或电能存储器件的电能。应当认识到，通过选择弹簧44特征可以放大垂直的摆动运动。
所产生的梁58的线性运动驱动了小齿轮62，以便驱动发电机56。发动机56生成电能，该电能可以被送回本实例的电池或者被传递给另外一个电能存储装置，供该系统稍后使用或者供该机器人系统10另外的用途。应当认识到，电力的产生是取决于负载42的重量以及负载42的垂直位移。另外，通过能量存储可以增加机器人能量利用的总效率以及有效充电的持续时间。
在本实例中，机器人的质量中心是在一个大致垂直的表面上摆动，如68处所示。典型地，不是贯穿行走周期的每一个阶段来提供动力。在此考虑了该电池可以被定位在身体部分12的内部，或者以其他方式被连接到框架支撑结构16上。此外，该摆动物体可以是另一个适合的质量，如机器人肢体或者另外的杠杆臂或类似物。
应当认识到，该摆动运动可以是另一类型的非垂直的摆动运动或者转动运动。例如，能量再捕获机构捕获转动运动，并且摆动运动转动地驱动发电机。在图5中所示的另一个实例中，该移动是一种一侧到另一侧的或双向的摆动性步态，如70处所示。此类步态沿一个水平面引起了电池的一种一侧到另一侧或基本上水平的摆动。如在本实例中所示，该能量再捕获机构还可以具有一个基本上水平的定向。这些运动的任何一个都可以被类似地连接到发电机上，以增加机器人系统10的能量效率。
机器人系统10可以包括执行其功能所必须的其他部件或特征。例如，这些弹簧可以自适应地进行调谐以针对不同的运动将这些摆动最大化，由此提高了能量增益。相似地，该机器人系统可以包括多个较小的能量再捕获系统，这些系统被放置在该机器人对于延长的周期或运动发生摆动的不同位置上。例如，如果机器人的肢体执行一种摆动性擦拭功能，作用在关节上并且被调谐为利用该擦拭频率的能量再生系统可以潜在地减少用于执行该擦拭任务的能量。通过优化机械弹簧的使用将小的能量输入放大以便移动较大的擦拭臂、并且通过回收能量并将能量存储用于稍后的使用可以进一步地完成其他的能量减少。在另一个实例中，该机器人可以包括多个轮子，并且该运动被相似地再捕获。在又另一个实例中，使用能量再捕获结构可以获得转动运动，该能量再捕获机构转动地运作以将机械能量转化成电。
已经以一种解说性的方式对本发明进行了描述。应理解所使用的术语是旨在具有说明文字的性质而不是限定的性质。
根据以上传授内容有可能对本发明进行多种修改和变更。因此，在所附权利要求的范围内，本发明可在具体说明的方式之外以其他方式实施。

Claims (37)

1.一种具有被动式动力移动的能量有效的双足式机器人系统，包括：
身体部分，其中该身体部分包括框架；
能量再捕获机构，该能量再捕获机构悬挂在所述框架之内，其中所述能量再捕获机构包括负载；机械能量存储机构，该机械能量存储机构与所述负载以及所述框架互连；导向装置，该导向装置被固定到所述负载上用于引导所述负载相对于所述框架的运动；机械能量输入机构，该机械能量输入机构将所述负载与电能产生机构互连用于从该负载的一种机械运动中产生电能；以及输出装置，用于将所产生的电能传递给能量存储装置；
腿，该腿连接到所述的身体部分上，其中，在被动式动力移动过程中所述腿的一种循环运动通过该机械能量存储机构被传递给所述负载，并且由所述腿的循环运动所引起的所述负载的一种摆动运动被所述机械能量输入机构作为一种机械能量输入传递给所述电能产生机构来产生电能，并且所产生的电能被传递给所述电能存储装置供该机器人系统使用。
2.如权利要求1所述的机器人系统，其中，所述机器人系统包括运行性地连接到所述身体部分上的臂。
3.如权利要求2所述的机器人系统，其中，所述臂在移动过程中在与所述腿相反的反方向上摆动。
4.如权利要求1所述的机器人系统，其中，所述框架包括前框架部分以及后框架部分，各自具有上框架构件、下框架构件、与所述上框架构件以及所述下框架构件互连的侧框架构件、以及将该前框架部分与该后框架部分互连的多个交叉构件。
5.如权利要求1所述的机器人系统，其中，所述摆动运动是垂直定向的。
6.如权利要求1所述的机器人系统，其中，所述能量再捕获机构是水平定向的，并且该摆动运动是水平定向的。
7.如权利要求1所述的机器人系统，其中，所述能量再捕获机构捕获转动运动，并且该摆动运动转动地驱动该能量产生机构。
8.如权利要求1所述的机器人系统，其中，所述负载以及所述能量存储装置是电池。
9.如权利要求1所述的机器人系统，进一步包括两条腿，其中每条腿包括由膝致动器互连的两个腿构件，并且所述第二腿构件的下端被踝致动器互连到足上。
10.如权利要求9所述的机器人系统，其中，在移动过程中该负载的弹簧加载产生了周期性向上的运动，该运动交替地减少每条腿的重量以增加行走效率。
11.如权利要求1所述的机器人系统，其中，所述机械能量存储机构是选择性地可调谐的。
12.如权利要求1所述的机器人系统，其中，所述导向装置是在所述上框架构件与所述下框架构件之间延伸的垂直定向的杆，并且所述负载相对于所述导向装置进行运动。
13.如权利要求1所述的机器人系统，其中，所述电能产生装置是发电机，并且有齿的梁将所述负载与运行性地连接在所述发动机上的小齿轮互连。
14.一种具有被动式动力移动的、能量有效的双足式机器人系统，包括：
身体部分，其中该身体部分包括框架；
能量再捕获机构，该能量再捕获机构悬挂在所述框架之内，其中所述能量再捕获机构包括能量存储装置；弹簧，该弹簧将所述能量存储装置与所述框架互连；导向装置，该导向装置被固定到所述负载上用于引导所述负载相对于所述框架的运动；机械能量输入机构，该机械能量输入机构将所述能量存储机构与电能产生机构互连用于从所述能量存储机构的一种机械运动中产生电能；以及输出装置，用于将所产生的电能传递给所述能量存储装置；接到所述的身体部分上的一双腿，其中在被动式动力移动过程中所述两条腿的一种循环运动通过该弹簧被传递给所述能量存储装置，并且由所述腿的循环运动所造成的所述能量存储机构的一种摆动运动被所述机械能量输入机构作为一种机械能量输入传递给所述电能产生装置以产生电能，并且该电能被传递给所述电能存储装置供该机器人系统使用。
15.如权利要求14所述的机器人系统，进一步包括，运行性地连接到所述身体部分上的臂，其中所述臂在移动过程中在与所述腿相反的反方向上摆动。
16.如权利要求14中所述的机器人系统，其中，所述框架包括前框架部分以及后框架部分，各自具有上框架构件、下框架构件、与所述上框架构件以及所述下框架构件互连的侧框架构件、以及将该前框架部分与该后框架部分互连的多个交叉构件。
17.如权利要求14所述的机器人系统，其中，所述摆动运动是垂直定向的。
18.如权利要求14所述的机器人系统，其中，所述能量再捕获机构是水平定向的，并且该摆动运动是水平定向的。
19.如权利要求14所述的机器人系统，其中，所述能量再捕获机构捕获转动运动，并且该摆动运动转动地驱动该能量产生机构。
20.如权利要求14所述的机器人系统，其中，所述腿的每一个均包括由膝致动器互连的两个腿构件，并且所述第二腿构件的下端是由踝致动器互连到足上。
21.如权利要求14所述的机器人系统，其中，所述能量存储装置是电池。
22.如权利要求14所述的系统，其中，在移动过程中所述能量存储装置的弹簧加载产生了一种周期性向上的运动，该运动交替地减少每条腿的重量以增加行走效率。
23.如权利要求14所述的机器人系统，其中，所述弹簧是选择性地可调谐的。
24.如权利要求23所述的机器人系统，其中，对所述弹簧实时地进行自适应性更新。
25.如权利要求14所述的机器人系统，其中，所述导向装置是在所述上框架构件与所述下框架构件之间延伸的垂直定向的杆，并且所述负载相对于所述杆进行运动。
26.如权利要求14所述的机器人系统，其中，所述机械能量输入机构是有齿的梁，并且所述电能产生装置是发电机，并且所述带齿的梁将所述能量存储装置与运行性地连接到所述发电机上的小齿轮互连。
27.一种具有被动式动力移动的、能量有效的双足式机器人系统，包括：
身体部分，其中该身体部分包括框架，该框架具有前框架构件以及后框架构件，各自具有上框架构件、下框架构件、与所述上框架构件以及所述下框架构件互连的侧框架构件、以及将所述前框架构件与所述后框架构件互连的多个交叉构件；
臂，该臂运行性地连接到所述身体部分上；
能量再捕获机构，所述能量再捕获机构悬挂在所述上框架构件与所述下框架构件之间，其中所述能量再捕获机构包括能量存储装置；配置在所述能量存储装置与所述上框架构件之间的至少一个上弹簧；以及配置在所述能量存储装置与所述下框架构架之间的至少一个弹簧；导向装置，该导向装置被固定到所述能量存储装置上用于引导所述能量存储装置相对于所述框架的运动；机械能量输入机构，该机械能量输入机构将所述能量存储装置与电能产生机构互连用于从该负载的一种机械运动中产生电能；以及输出装置，该输出装置用于将所产生的电能传递给所述能量存储装置；
连接到所述身体部分上的一双腿，其中，在被动式动力移动的过程中所述腿的一种循环运动通过这些弹簧被传递给所述能量存储装置，并且由所述腿的循环运动造成的所述能量存储装置的摆动运动被所述机械能量输入机构作为机械能量输入传递给所述电能产生装置以产生电能，并且该电能被传递给所述电能存储装置供该机器人系统使用。
28.如权利要求27所述的机器人系统，其中，所述臂在所述移动过程中在与所述腿相反的反方向上摆动。
29.如权利要求27所述的机器人系统，其中，所述摆动运动是垂直定向的。
30.如权利要求27所述的机器人系统，其中，所述摆动运动是水平定向的。
31.如权利要求27所述的机器人系统，其中，所述能量再捕获机构捕获转动运动，并且该摆动运动转动地驱动该能量产生机构。
32.如权利要求27所述的机器人系统，其中，所述导向装置是在所述上框架构件与所述下框架构件之间延伸的垂直定向的杆，并且所述负载相对于所述杆进行运动。
33.如权利要求27所述的机器人系统，其中，所述机械能量输入机构是有齿的梁，并且所述电能产生装置是发电机，并且所述带齿的梁将所述能量存储装置与运行性地连接到所述发电机上的小齿轮互连。
34.如权利要求27所述的机器人系统，其中，在移动过程中所述能量存储装置的弹簧加载产生了一种周期性向上的运动，该运动交替地减少每个腿的重量以增加行走效率。
35.如权利要求27所述的机器人系统，其中，所述能量存储装置是电池。
36.如权利要求27所述的机器人系统，其中所述弹簧是选择性地可调谐的。
37.如权利要求36所述的机器人系统，其中对所述弹簧实时地进行自适应性更新。
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