DE10032640A1

DE10032640A1 - Walking robot has legs of at least one pair suspended in gimbal fashion in sliding joints on movable steering beam; each beam is mounted on robot body to be pivotable about vertical axis

Info

Publication number: DE10032640A1
Application number: DE2000132640
Authority: DE
Inventors: Jan Stein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-07-05
Filing date: 2000-07-05
Publication date: 2002-01-17

Abstract

The device is at least two pairs of legs (12,14) (16,18) (20,22) and a drive mechanism that drives the legs of each pair to perform a walking motion. The legs of at least one of the pairs are suspended in a gimbal fashion in sliding joints (26) on a movable steering beam (44,48). Each steering beam is mounted on the body (10) of the robot (64) at a joint so as to be pivotable about a vertical axis.

Description

Die Erfindung betrifft einen Schreitroboter mit mindestens zwei Beinpaaren und einem Antriebsmechanismus, der die Beine jedes Paares zu einer Schreitbewe gung antreibt.The invention relates to a walking robot with at least two pairs of legs and a drive mechanism that moves the legs of each pair to walk drive drives.

Solche Schreitroboter ahmen mehr oder weniger genau die Beinbewegungen von mehrbeinigen Lebewesen nach und eignen sich deshalb besonders für die Fort bewegung in unwegsamen Gelände, das für eine Fortbewegung auf Rädern nicht geeignet wäre. Da die einzelnen Beine bei der Schreitbewegung relativ kompli zierte Bewegungen ausführen und die Bewegungen der einzelnen Beine zudem noch mit einander koordiniert werden müssen, ist für die Steuerung des An triebsmechanismus eines Schreitroboters generell ein elektronischer Rechner und eine entsprechende Software erforderlich. Richtungsänderungen werden ge nerell dadurch bewirkt, daß die Schrittweite auf einer Körperseite größer ge wählt wird als auf der anderen. Dies erfordert bei herkömmlichen Schreitrobo tern einen beträchtlichen zusätzlichen Rechenaufwand, um einen einfachen Richtungsbefehl in geeignete Antriebsbefehle für die Beine umzusetzen.Such walking robots more or less exactly imitate the leg movements multi-legged creatures and are therefore particularly suitable for the fort movement in rough terrain, which is not possible for getting around on wheels would be suitable. Since the individual legs are relatively complicated when walking graceful movements and the movements of the individual legs still have to be coordinated with each other is for the control of the An drive mechanism of a walking robot generally an electronic computer and appropriate software is required. Changes of direction are ge nerell thereby causes the step size on one side of the body to be larger is chosen as on the other. This requires with conventional walking robots a considerable additional computational effort to make a simple To convert the direction command into suitable drive commands for the legs.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schreitroboter zu schaffen, der ohne auf wendige Rechenoperationen gelenkt werden kann.The object of the invention is to create a walking robot that without agile arithmetic operations can be controlled.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Beine zumindest eines der Beinpaare kardanisch in Gleitgelenken an einem beweglichen Lenkbal ken aufgehängt sind.This object is achieved in that the legs at least one of the pairs of legs cardanic in sliding joints on a movable steering ball ken are hung.

Die kardanische Aufhängung der Beine in Gleitgelenken ermöglicht es, den Lenkbalken zu bewegen, ohne daß dadurch die Funktion des Antriebsmechanis mus beeinträchtigt wird. Antrieb und Lenkung werden auf diese Weise entkop pelt, und Richtungsänderungen werden allein durch eine entsprechende Ein stellung des oder der Lenkbalken bewirkt, so daß zur Ausführung eines Lenkbe fehls lediglich ein einfacher Servoantrieb benötigt wird, der den oder die Lenk balken entsprechend verstellt.The cardanic suspension of the legs in sliding joints enables the Move the steering beam without affecting the function of the drive mechanism mus is impaired. Drive and steering are decoupled in this way pelt, and changes in direction are detected only by an appropriate one position of the steering beam or beams causes so that to perform a steering all that is required is a simple servo drive, the one or the steering beams adjusted accordingly.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprü chen. Advantageous embodiments of the invention result from the subclaims chen.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Schreitroboter drei Beinpaare und dementsprechend drei Lenkbalken auf. Der vordere und der hintere Lenk balken sind um eine senkrechte Achse in bezug auf den Rumpf des Roboters schwenkbar. Bei einer Richtungsänderung werden die Lenkbalken gegensinnig verschwenkt, so daß sich die Fortbewegungsrichtungen des vorderen und hinte ren Beinpaares entsprechend ändern und der Roboter folglich auf einer Kurve läuft. Das Lenkungsprinzip ist in diesem Fall analog zu einer Vierradlenkung ei nes Radfahrzeugs, bei dem die Vorderräder und die Hinterräder gegensinnig ein geschlagen werden. Eine gezielte Anpassung der Schrittweite des Schreitrobo ters an die unterschiedlichen inneren und äußeren Kurvenradien findet bei die ser Ausführungsform nicht statt. Die Unterschiede in der Schrittweite werden durch Schlupf ausgeglichen.In a preferred embodiment, the walking robot has three pairs of legs and accordingly three steering beams. The front and rear steering bars are about a vertical axis with respect to the robot's body pivotable. If the direction changes, the steering beams turn in opposite directions pivoted so that the directions of movement of the front and rear ren pair of legs accordingly and the robot consequently on a curve running. In this case, the steering principle is analogous to four-wheel steering nes wheel vehicle, in which the front wheels and the rear wheels in opposite directions be beaten. A targeted adjustment of the step size of the walking robot ters the different inner and outer curve radii this embodiment does not take place. The differences in step size will be balanced by slip.

Im Rahmen der Erfindung ist jedoch auch eine andere Ausführungsform denk bar, bei der die Lenkbalken nicht geschwenkt, sondern in derselben Richtung seitlich parallelversetzt werden. Dies führt zu einer Verschiebung der Gleitgelen ke, so daß sich die Positionen der Drehpunkte der Beine verlagern. Hierdurch wird der Hebelarm, über den der Antriebsmechanismus auf die einzelnen Beine wirkt, auf der einen Körperseite verkürzt und auf der anderen Körperseite ver längert, so daß sich unterschiedliche Schrittweiten auf den beiden Körperseiten ergeben und der Roboter ebenfalls eine Kurve durchläuft. In diesem Fall findet nur eine Anpassung der Schrittweite und keine Anpassung der Fortbewegungs richtung der Beine statt. Weiterhin ist jedoch auch eine Ausführungsform mög lich, bei der eine Anpassung der Schrittweite mit einer Anpassung der Fortbewe gungsrichtung kombiniert wird, beispielsweise durch Verstellen der Lenkbalken in einer überlagerten Schwenk- und Verschiebebewegung.However, another embodiment is also possible within the scope of the invention bar, with the steering beam not pivoted, but in the same direction are laterally offset in parallel. This leads to a shift of the lubricating gels ke, so that the positions of the pivot points of the legs shift. hereby becomes the lever arm, through which the drive mechanism on the individual legs works, shortened on one side of the body and ver on the other side of the body lengthens so that there are different steps on both sides of the body result and the robot also turns. In this case it takes place only an adjustment of the step size and no adjustment of the locomotion direction of the legs instead. However, an embodiment is also possible Lich, with an adjustment of the step size with an adjustment of the progress direction is combined, for example by adjusting the steering beam in a superimposed pan and slide movement.

Der Antriebsmechanismus für jedes Bein wird bevorzugt durch einen Exzenter antrieb gebildet, der über ein Universalgelenk auf das innere Ende des in dem Gleitgelenk aufgehängten Beines wirkt. Das äußere, den Fuß tragende Ende des Beines führt daher eine kreisende Bewegung gegenphasig zur Drehung des Ex zenters aus, und der Fuß berührt jeweils den Boden, während er den unteren Scheitel seiner kreisförmigen Bahn durchläuft.The drive mechanism for each leg is preferred by an eccentric drive formed by a universal joint on the inner end of the Sliding joint suspended leg acts. The outer end of the foot supporting the foot Therefore, a circular movement in the opposite phase leads to the rotation of the Ex center, and each foot touches the floor while touching the bottom Vertex passes through its circular path.

Bei einem Roboter mit drei Beinpaaren werden jeweils das vordere und das hin tere Bein auf einer Seite und das mittlere Bein auf der gegenüberliegenden Seite gleichphasig angetrieben, während die drei übrigen Beine gegenphasig dazu an getrieben werden. Ähnlich wie bei sechsbeinigen Insekten bilden somit jeweils drei Beine ein stabiles Dreibein, das während eines Schrittes das Körpergewicht trägt.In the case of a robot with three pairs of legs, the front and the back are used tere leg on one side and the middle leg on the opposite side driven in phase, while the other three legs are in phase opposition to be driven. Similar to six-legged insects, each form three legs form a stable tripod that supports body weight during one step wearing.

Da die Phasenbeziehungen zwischen den Beinen konstant bleiben, können die Exzenterantriebe der Beine einfach durch Zahnräder miteinander gekoppelt wer den. Dies ermöglicht einen äußerst einfachen konstruktiven Aufbau, bei dem für die gesamte Fortbewegung des Roboters nur ein einziger Motor benötigt wird. Insgesamt wird so ein äußerst einfach aufgebautes und einfach steuerbares An triebssystem für die relativ komplexen Beinbewegungen des Schreitroboters ge schaffen.Since the phase relationships between the legs remain constant, the Eccentric drives of the legs are simply coupled together by gears the. This enables an extremely simple construction, in which for the entire movement of the robot requires only a single motor. Overall, this is an extremely simple structure and easy to control drive system for the relatively complex leg movements of the walking robot create.

Der erfindungsgemäße Schreitroboter eignet sich daher insbesondere als Kin derspielzeug, mit einem batteriebetriebenen Elektromotor für den Antrieb und einem durch eine Fernsteuerung betätigbaren Servomotor für die Lenkung. Auf grund des einfachen und entsprechend robusten Aufbaus des Roboters sind je doch auch technische Anwendungen der Erfindung denkbar.The walking robot according to the invention is therefore particularly suitable as a kin the toy, with a battery powered electric motor for driving and a servomotor for steering that can be operated by a remote control. on due to the simple and appropriately robust construction of the robot but technical applications of the invention are also conceivable.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnun gen näher erläutert.In the following an embodiment of the invention with reference to the drawing gene explained in more detail.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Frontansicht eines Schreitroboters gemäß der Erfindung; Fig. 1 is a front view of a robot according to the invention;

Fig. 2 eine Teil-Seitenansicht des Schreitroboters; Fig. 2 is a partial side view of the walking robot;

Fig. 3 den Schreitroboter nach Fig. 1 in der Draufsicht; und Fig. 3 the walking robot of Figure 1 in plan view. and

Fig. 4 eine Darstellung entsprechend Fig. 3, jedoch für den Zustand des Roboters beim Durchlaufen einer Kurve. FIG. 4 shows a representation corresponding to FIG. 3, but for the state of the robot when passing through a curve.

Der in Fig. 1 gezeigte Schreitroboter weist einen Rumpf 10 auf, an dem auf jeder Seite drei Beine 12, 14, 16, 18, 20, 22 angeordnet sind, die einander paarweise gegenüber liegen. In Fig. 1 ist nur das vordere Beinpaar 12, 14 und das in dün neren Linien eingezeichnete mittlere Beinpaar 16, 18 zu erkennen, da die Hin terbeine 20, 22 dieselbe Position wie die Vorderbeine einnehmen. Die Beine sind als starre Stäbe ausgebildet, die sich im wesentlichen waagerecht und quer zur Längsachse des Rumpfes 10 erstrecken und lediglich an den äußeren Enden nach unten abgewinkelt sind und sich mit Füßen 24 auf dem Boden abstützen. Jedes Bein ist etwa in der Mitte seines annähernd waagerecht verlaufenden Ab schnitts kardanisch in einem Gleitgelenk 26 aufgehängt. Das innere Ende jedes Beines ist über ein Universalgelenk 28, das im gezeigten Beispiel einfach durch ein flexibles Schlauchstück gebildet wird, mit einem Exzenterantrieb 30 verbun den.The walking robot shown in FIG. 1 has a trunk 10 , on which three legs 12 , 14 , 16 , 18 , 20 , 22 are arranged on each side, which lie opposite one another in pairs. In Fig. 1, only the front pair of legs 12 , 14 and the middle pair of legs 16 , 18 shown in thin lines can be seen, since the rear legs 20 , 22 assume the same position as the front legs. The legs are designed as rigid rods which extend essentially horizontally and transversely to the longitudinal axis of the fuselage 10 and are only angled downwards at the outer ends and are supported on the floor by feet 24 . Each leg is gimbal-mounted in a sliding joint 26 approximately in the middle of its approximately horizontal section. The inner end of each leg is connected via a universal joint 28 , which in the example shown is simply formed by a flexible piece of hose, to an eccentric drive 30 .

Der Exzenterantrieb 30 weist eine Exzenterscheibe 32 auf, die mit waagerechter Achse drehbar am Rumpf 10 gelagert ist und auf der Außenseite einen exzentri schen Stift 34 trägt, der über das Universalgelenk 28 mit dem Bein gekoppelt ist. Wenn die Exzenterscheibe 32 gedreht wird, während der mittlere Teil des Beines in dem Gleitgelenk 26 gehalten wird, führt somit das äußere Ende jedes Beines eine Kreisbewegung gleichsinnig und gegenphasig zur Drehung der Ex zenterscheibe 32 aus.The eccentric drive 30 has an eccentric disk 32 which is rotatably mounted on the fuselage 10 with a horizontal axis and carries an eccentric pin 34 on the outside, which is coupled to the leg via the universal joint 28 . If the eccentric disc 32 is rotated while the middle part of the leg is held in the sliding joint 26 , the outer end of each leg thus executes a circular movement in the same direction and in opposite phase to the rotation of the eccentric disc 32 .

In Fig. 2 ist der Aufbau des Gleitgelenks 26 für das Bein 14 gezeigt. Der mittle re Abschnitt des Beines erstreckt sich durch eine Gelenkgabel 36 und weist ein Langloch 38 auf, das von einer Achse 40 der Gelenkgabel durchsetzt wird. Die Gelenkgabel 36 ist an einer vertikalen Welle 42 gehalten, die drehbar in einem Lenkbalken 44 gelagert ist. Durch die vertikale Drehachse der Welle 42 und die horizontale Achse 40 der Gelenkgabel wird somit eine kardanische Aufhängung für das Bein 14 gebildet, während das Langloch 38 die Gleitbewegung ermög licht.In FIG. 2, the structure of the sliding joint 26 is shown for the leg fourteenth The middle section of the leg extends through an articulated fork 36 and has an elongated hole 38 which is penetrated by an axis 40 of the articulated fork. The articulated fork 36 is held on a vertical shaft 42 which is rotatably mounted in a steering beam 44 . Through the vertical axis of rotation of the shaft 42 and the horizontal axis 40 of the joint fork, a gimbal for the leg 14 is thus formed, while the slot 38 enables the sliding movement light.

Die Exzenterscheibe 32 ist als Zahnrad ausgebildet und kämmt gemäß Fig. 2 mit einem Antriebsritzel 46, das zugleich die entsprechende Exzenterscheibe für das mittlere Beinpaar 16, 18 antreibt. Alle sechs Exzenterscheiben 32 sind in dieser Weise durch Antriebsritzel 46 miteinander gekoppelt. Die Exzenterschei ben 32 drehen sich somit gleichsinnig, so daß sich sämtliche Füße 24, während sie den Boden berühren, in der selben Richtung bewegen, wie durch einen Pfeil A in Fig. 2 angedeutet wird. Die Fortbewegungsrichtung des Rumpfes 10 ist die ser Richtung entgegengesetzt und wird in Fig. 2 durch einen Pfeil B angegeben.The eccentric disc 32 is designed as a gear and meshes according to FIG. 2 with a drive pinion 46 , which at the same time drives the corresponding eccentric disc for the middle pair of legs 16 , 18 . All six eccentric disks 32 are coupled to one another in this way by drive pinions 46 . The Exzenterschei ben 32 thus rotate in the same direction, so that all feet 24 , while they touch the ground, move in the same direction, as indicated by an arrow A in Fig. 2. The direction of travel of the fuselage 10 is opposite this direction and is indicated in Fig. 2 by an arrow B.

Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, bewegen sich die Beine 12, 14 jedes Beinpaares gegenphasig. Wenn das Bein 12 auf dem Boden abgesetzt ist, so ist das Bein 14 angehoben, und umgekehrt. Die Bewegungen des mittleren Beinpaares 16, 18 sind zu denen des vorderen Beinpaares um 180° phasenversetzt, während die Bewegung des hinteren Beinpaares 20, 22 wieder gleichphasig mit der des vor deren Beinpaares ist.As can be seen in Fig. 1, the legs 12 , 14 of each pair of legs move in opposite phase. When the leg 12 is placed on the floor, the leg 14 is raised, and vice versa. The movements of the middle pair of legs 16 , 18 are out of phase with those of the front pair of legs, while the movement of the rear pair of legs 20 , 22 is again in phase with that of the front pair of legs.

In Fig. 3 sind die Stellungen aller drei Beinpaare in der Draufsicht zu erkennen. Auf die gleiche Weise wie die vorderen Beine 12 und 14 jeweils mit einem Gleit gelenk 26 an dem Lenkbalken 44 aufgehängt sind, sind auch die hinteren Beine 20, 22 an einem Lenkbalken 48 aufgehängt, während die mittleren Beine 16, 18 kardanisch (aber nicht notwendigerweise gleitend) an einem starren Balken 50 aufgehängt sind.The positions of all three pairs of legs can be seen in plan view in FIG. 3. In the same way as the front legs 12 and 14 are each suspended with a sliding joint 26 on the steering beam 44 , the rear legs 20 , 22 are also suspended on a steering beam 48 , while the middle legs 16 , 18 are gimbaled (but not necessarily sliding) are suspended from a rigid beam 50 .

In dem Rumpf 10 des Roboters sind eine Batterie 52 und ein Motor 54 unterge bracht, der über ein nicht gezeigtes Getriebe und über zwei der Antriebsritzel 46 die Exzenterscheiben 32 aller sechs Beine antreibt. Weiterhin nimmt der Rumpf 10 einen Funkempfänger 56 auf, der Befehlssignale von einem nicht gezeigten Sender einer Fernsteuerung empfängt und an den Motor 54 so wie an einen Ser voantrieb 58 für die Lenkung weiterleitet.In the fuselage 10 of the robot, a battery 52 and a motor 54 are housed, which drives the eccentric discs 32 of all six legs via a gear (not shown) and two of the drive pinions 46 . Furthermore, the fuselage 10 receives a radio receiver 56 , which receives command signals from a transmitter, not shown, of a remote control and forwards it to the motor 54 as well as to a servo drive 58 for steering.

Der Servoantrieb 58 ist über einen Hebel 60 und ein Gestänge 62 mit den in Fig. 3 linken Enden der Lenkbalken 44 und 48 verbunden. Wenn der Hebel 60 mit Hilfe des Servoantriebs 58 in der in Fig. 4 gezeigten Weise verschwenkt wird, übt das Gestänge 62 einen Zug auf die Enden der Lenkbalken 44, 48 auf, die jeweils in der Mitte mit einem Gelenk 64 schwenkbar am Rumpf 10 gelagert sind. Da her werden die Lenkbalken 44, 48 in der in Fig. 4 gezeigten Weise verschwenkt. Wenn die Füße 24 den Boden berühren, haben sie die Fortbewegungsrichtungen die in Fig. 4 durch Pfeile A' angegeben sind. Folglich beschreibt der Roboter eine kurvenförmige Bahn entsprechend dem Pfeil B' in Fig. 4.The servo drive 58 is connected via a lever 60 and a linkage 62 to the left ends of the steering beams 44 and 48 in FIG. 3. If the lever 60 is pivoted with the aid of the servo drive 58 in the manner shown in FIG. 4, the linkage 62 exerts a pull on the ends of the steering beams 44 , 48 , which are each pivotally mounted on the fuselage 10 with a joint 64 in the middle are. Since the steering beams 44 , 48 are pivoted in the manner shown in FIG. 4. When feet 24 touch the ground, they have the directions of travel indicated by arrows A 'in FIG. 4. The robot consequently describes a curved path corresponding to the arrow B 'in FIG. 4.

Bei den Schwenkbewegungen der Lenkbalken 44, 48 ändern sich die Abstände zwischen den Exzenterscheiben 32 und den Gleitgelenken 26, genauer, zwi schen den Exzenterscheiben 32 und den Achsen 40 der Gelenkgabeln 36. Diese Abstandsänderungen werden durch die Ausbildung der Gelenke als Gleitgelen ke, speziell durch die Lagerung der Achse 40 im Langloch 38 ermöglicht. Der Antriebsmechanismus für die Beine wird deshalb durch die Lenkbewegungen der Lenkbalken 44, 48 nicht beeinträchtigt.During the pivoting movements of the steering beams 44 , 48 , the distances between the eccentric discs 32 and the sliding joints 26 change , more precisely, between the eccentric discs 32 and the axes 40 of the joint yokes 36 . These changes in distance are made possible by the formation of the joints as sliding gels ke, especially by the mounting of the axis 40 in the elongated hole 38 . The drive mechanism for the legs is therefore not affected by the steering movements of the steering beams 44 , 48 .

Claims

1. walking robot with at least two pairs of legs ( 12 , 14 ; 16 , 18 ; 20 , 22 ) and a drive mechanism ( 30 ) which drives the legs of each pair to a Schreitbe movement, characterized in that the legs ( 12 , 14 , 20th , 22 ) at least one of the pairs of legs is gimbal-mounted in sliding joints ( 26 ) on a movable steering beam ( 44 , 48 ).

2. walking robot according to claim 1, characterized in that each steering beam ( 44 , 48 ) with a joint ( 64 ) about a vertical axis is pivotally mounted on the fuselage ( 10 ) of the robot.

3. walking robot according to claim 2, characterized in that the front re ( 12 , 14 ) and the rear ( 20 , 22 ) of a total of three pairs of legs on a respective steering beam ( 44 , 48 ) is suspended, while the middle pair of legs ( 16 , 18 ) is gimbaled on a rigid beam ( 50 ).

4. Walking robot according to one of the preceding claims, characterized in that the drive mechanism for each leg has an eccentric drive ( 30 ), with a mounted on the body ( 10 ) of the robot, about a transverse axis of the robot rotatable eccentric, which is eccentric via a The universal joint ( 28 ) is connected to one end of the leg mounted in the slide bearing ( 26 ), and that the leg is angled downward at the outer end and is supported once with each foot of the eccentric with one foot ( 24 ) on the bottom ,

5. walking robot according to claims 3 and 4, characterized in that the eccentric drives ( 30 ) by eccentric discs formed as gears ben ( 32 ) and that on each side of the fuselage ( 10 ) two drive pinions ( 46 ) are arranged, the Comb each with two eccentric discs ( 32 ).

6. walking robot according to claim 4 or 5, characterized in that the universal joints ( 28 ) are formed by flexible hose pieces.

7. walking robot according to one of the preceding claims, characterized in that the sliding joints ( 26 ) each have an articulated fork ( 36 ) which is rotatably held about a vertical axis on the steering beam ( 44 , 48 ) and the legs of which by a horizontal axis ( 40 ) are connected, which passes through an elongated hole ( 38 ) of the relevant leg ( 12 , 14 , 20 , 22 ).

8. Walking robot according to one of the preceding claims, characterized in that the steering beams ( 44 , 48 ) are connected by a linkage ( 62 ) with a servo drive ( 58 ) which controls the steering movements of the steering beams.

9. walking robot according to claim 8, characterized in that the servo drive ( 58 ) is electrically connected to a receiver ( 56 ) of a remote control.

10. Walking robot according to one of the preceding claims, characterized records that the walking robot is a toy robot.