腿足式机器人的制作方法

腿足式机器人
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2018年9月26日提交的更早的美国临时申请no.62/736,739以及于2018年9月26日提交的更早的美国临时申请no.62/736,743的权益和优先权，在此通过引用将其全部内容并入本技术。


背景技术：

3.由于腿足式机器人的机电复杂性，难以在不依靠训练有素的技术人员的情况下对它们进行维护和修理。这可能限制这种机器人的功能和使用，特别是当技术人员不能立即可用时或者在诸如军事情况或警务情况的高压力环境中，其中，复杂的设计将增加修理时间或者使现场修理困难或不可能。当期望机器人在部件可能快速劣化或者机器人装置在操作期间具有高损坏概率的恶劣环境中操作时，该问题可能进一步复杂化。机器人系统具有模块化设计可能是有利的，使得核心部件可以由具有较少维修经验或系统设计知识的用户更替。由于可能期望机器人系统在不利于人类存在的环境中使用，因此可能在不需要人类物理上接近机器人系统的情况下进行部件更替也可能是有利的。
4.机器人(特别是腿足式机器人)的用户可能想要针对不同的用例和环境交换关键部件的变体，而无需购买新的机器人。例如，外骨骼框架的尺寸可以更大以容置更大的传感器、电池或机器人致动器和支腿、或机器人致动器。类似地，支腿的长度可以针对特定应用比如地下隧道勘探或者针对攀爬楼梯而定尺寸，而不同尺寸和类型的电机可以用于特定任务和功率要求，比如在某些基底(诸如沙子或泥浆)上移动、在水中游泳、或承载较重的有效载荷。这种可互换性增加了机器人在更广泛的用例范围内的可用性并且降低了用户的成本。
5.此外，可能期望具有单独注入惰性气体以产生正压的密封子组件，用以阻止外部可燃气体、灰尘和颗粒进入子组件中并引起潜在的火灾或爆炸物排放，并且允许密封子组件用于诸如煤矿、气体制造厂和炼油厂的环境中，在这样的环境中，设备必须是本质上安全运行的。
6.最后，可能期望具有一种子组件设计，在该设计中，所有电子器件被分离并且用机械装置密封，该子组件设计可以在没有外部盖(蒙皮)的情况下操作，从而减轻重量并且支持特定子组件的更快互换。


技术实现要素：

7.上述需要和/或问题中的一些或全部需要和/或问题可以通过本公开的某些实施方式来解决。在一个方面，本发明可以具有腿足式机器人，该腿足式机器人具有：框架，该框架具有与多个支架机械连接的多个连杆，该框架形成前部、后部、顶部、底部和侧部；支腿，该支腿与多个支架中的一个或多个机械连接，每个支腿均具有膝部电机、外展电机和髋部电机；计算机模块，该计算机模块与多个支架中的一个或多个机械连接并且与支腿电性连接；以及电源模块，该电源模块与多个支架中的一个或多个机械连接并且与支腿和计算机
模块电性连接。
附图说明
8.参照附图对详细描述进行阐述，附图不一定按比例绘制。在不同的图中使用相同的附图标记指示类似或相同的术语。
9.图1是根据本公开的一方面的腿足式机器人的分解立体图。
10.图2是根据本公开的一方面的框架的立体图。
11.图3是根据本公开的一方面的支腿子组件的立体图。
12.图4是根据本公开的一方面的能量盒的立体图。
13.图5是根据本公开的一方面的计算盒的立体图。
14.图6是根据本公开的一方面的框架的一部分的侧视图。
15.图7是根据本公开的一方面的支腿子组件的吊舱的侧视图。
16.图8是根据本公开的一方面的框架的一部分的俯视图。
17.图9是根据本公开的一方面的在支腿子组件内的吊舱的俯视图。
18.图10是根据本公开的一方面的传感器面板的正视图。
具体实施方式
19.为了可以完全理解本发明并容易地付诸实践，现在将通过本发明的优选实施方式的非限制性示例来描述，该描述参照所附说明性附图。
20.图1示出了根据本公开的一方面的机器人系统500的分解立体图。机器人系统500可以具有框架1，框架1能够固定支腿子组件2、计算盒3、能量盒4和其他部件并且与支腿子组件2、计算盒3、能量盒4和其他部件对接。框架1可以由适合于预期环境的材料制成，所述材料包括但不限于金属、陶瓷、塑料、复合材料和木材。一般来说，通常适用于许多应用的材料可以是铝、钢或复合材料。
21.机器人系统500可以具有传感器面板5、传感器条带6和传感器外壳7，其可以支承各种部件和连接件，所述各种部件和连接件包括但不限于传感器、屏幕、按钮、接口端口和总线、开关、能够在存在电磁场的情况下向外部源传输电力或从外部源接收电力的电气部件。
22.传感器部件的非限制性示例可以包括：光传感器，比如相机、光敏电阻器、光电管、光电晶体管或光伏电池；声音传感器，比如麦克风；温度传感器，比如lm34传感器、lm35传感器、tmp35传感器、或tmp36传感器；接触式传感器，比如按钮开关、触觉缓冲器开关、或电容式接触式传感器比如触摸屏；近距离传感器，比如红外(ir)收发器、超声传感器或光敏电阻器；距离传感器，比如包括lidar和立体相机的激光范围传感器；压力传感器，比如气压计；倾斜传感器，比如模拟水银悬浮玻璃灯泡传感器；定位传感器，比如全球定位系统(gps)传感器和数字磁罗盘；加速度传感器，比如加速度计；陀螺仪；惯性测量单元；电传感器，比如电压表；射频传感器；雷达；化学传感器；或者任何其他能够接收或发送信息或者将环境信息转换成分析上有用的信号的装置。
23.传感器面板5可以是对能够附接至框架1的前部、后部或侧部的电气、传感和用户接口部件进行保持的面板。传感器条带6可以是电气和传感部件的外壳或附接点，其可以通
过各种连接技术附接至侧支架8或角支架9，所述各种连接技术包括但不限于焊接、夹子、粘合剂、螺纹紧固件、过盈配合、磁性、钩环、或类似的连结技术。传感器外壳7可以是电气和传感部件的外壳，其可以附接至计算盒3、能量盒4、框架1、或附接至框架1的面板。传感器外壳7的附接可以通过各种连接技术来完成，所述各种连接技术包括但不限于粘合剂、螺纹紧固件、过盈配合、磁性、钩环、或类似的连接机构，或者传感器外壳7可以直接嵌入机器人系统500中或机器人系统500上的另一部件中。在如图1所示的一个非限制性方面，传感器外壳7可以附着至计算盒3，但是应当理解的是，传感器外壳7可以移动至机器人系统500内的其他部件。
24.仍然参照图1，框架1可以包含侧支架8和角支架9，侧支架8和角支架9可以为框架1和固定在框架1上的部件提供结构支承。侧支架8和角支架9可以由与框架1类似的材料制成，这取决于机器人系统500的预期用途。通常，侧支架8和角支架9可以设计成考虑到机器人系统500的特定功能。例如，如果机器人系统500旨在承载大的有效载荷，则侧支架8和角支架9可以由比框架1的其他部件更坚固的材料制成，以更好地支承有效载荷抵抗重力。一般来说，适用于许多应用的常用材料包括钢、铝和复合材料。
25.仍然参照图1，框架1可以连接至一个或多个支腿子组件2。每个支腿子组件2可以实现机器人运动，使得机器人系统500能够以受控的方式在环境内以平移或以旋转的方式移动。
26.仍然参照图1，机器人系统500可以包括计算盒3，该计算盒3可以容纳辅助机器人系统500的操作和控制的电气和计算部件。机器人系统500还可以包括能量箱4，能量箱4可以容纳能够存储电力并向机器人系统500供应电力的部件。尽管图1示出了基本上位于框架1的中心处的计算箱3和能量箱4，但是取决于机器人系统500的预期用途，其他构型也是可能的。例如，能量盒4可以切换至顶部，并且计算盒3切换至底部；能量箱4和计算箱3两者可以向前或向后移位；或者能量箱4和计算箱3可以在框架1内、框架1上或框架1周围以各种构型旋转。
27.图2是根据本公开的一方面的框架1的视图。框架1可以由连杆和支架构成，比如由侧支架8紧固或紧固至侧支架8的侧连杆10、以及通过角支架9由侧连杆10紧固或紧固至侧连杆10的端连杆11。在一个非限制性方面，附加的端连杆11(未示出)可以经由侧支架8垂直地紧固至侧连杆10，并且这可以以增加的重量和成本增加框架1的稳定性。紧固可以通过焊接、粘合剂、夹子、过盈配合、或其他连结技术或机构来完成。侧连杆10和端连杆11可以由适合于操作环境的任何材料形成，所述任何材料包括但不限于金属、陶瓷、塑料、复合材料和木材。通常，适用于许多应用的常用材料包括钢、铝和复合材料。在一个非限制性方面，侧连杆10和端连杆11可以构造成中空管。
28.侧连杆10和端连杆11能够将电力和电信号从机器人系统500的一个部件运送至其他部件。这可以以各种方式完成，包括但不限于侧连杆10和端连杆11内的集成电路、或容纳在侧连杆10和端连杆11内的电线或光纤。在一些非限制性示例中，电力和其他信号可以经由外部线缆、嵌入侧连杆10和/或端连杆11内的线缆、和/或在传感器或传感器头连接至框架1时接合的嵌入式连接件运送。
29.侧支架8可以为框架1提供结构支承，并且可以提供到诸如能量箱4和计算箱3之类的内部部件和外部部件的连接点。在一些非限制性示例中，侧支架8可以通过螺纹紧固件、
夹子、粘合剂、钩环、电磁、过盈配合、或其他类似的连接机构来连接至能量箱4和计算箱3。在一些非限制性示例中，侧支架8可以利用螺纹紧固件、夹子、粘合剂、钩环、电磁、过盈配合、或其他类似的连接机构连接至传感器面板5、传感器条带6和传感器外壳7(如图1所示)。
30.角支架9可以为框架1提供结构支承，并且可以提供到诸如传感器面板5、传感器条带6和传感器外壳7之类的内部部件和外部部件的连接点(如图1所示)。在一些非限制性示例中，角支架9可以利用螺纹紧固件、夹子、粘合剂、钩环、电磁、过盈配合、或其他类似的连接机构连接至传感器面板5、传感器条带6和传感器外壳7。
31.尽管在图1或图2中未示出，但是应当理解的是，包括计算盒3、能量盒4、传感器面板5、传感器条带6和传感器外壳7的内部部件或外部部件可以根据机器人系统500的预期目的设计要求附着至侧支架8、角支架9或框架1。
32.侧支架8还可以通过对准引导件12和对准紧固件13提供与支腿子组件2的连接。对准引导件12可以是几何特征，包括但不限于能够在通过使用销、花键、边缘接触件、或类似机构附接至支腿子组件2时提供对准和承载连接的孔、插脚或或栓钉。对准紧固件13可以是保持机构，包括但不限于用以通过使用连接件使支腿子组件2与框架1对准的孔、插脚或栓钉，所述连接件包括但不限于螺纹紧固件、夹子、粘合剂、钩环、过盈配合、电磁、或其他紧固件。图2示出了一个非限制性方面，在该非限制性方面中，对准引导件12可以是插脚或栓钉，并且对准紧固件13可以是孔。尽管在图2中未示出，但是在一个非限制性方面，对准引导件12和对准紧固件13可以包括在角支架9上，从而能够经由角支架9连接至支腿子组件2。这种构型在某些操作情况下可能是有利的。
33.仍然参照图2，框架1还可以包括有效载荷紧固件14，该有效载荷紧固件14可以是保持机构，用以通过使用螺纹紧固件、夹子、粘合剂、钩环、电磁、过盈配合、或其他类似连接件将外部装置或有效载荷保持在框架1上。尽管图2示出了有效载荷紧固件14作为侧支架8和角支架9的一部分，但是有效载荷紧固件14可以位于框架1上的任何位置并且处于用户期望的任何构型中，使得有效载荷根据用户的独特需要被紧固和固定。
34.现在参照图1和图2，能量箱4能够以这种连接容易且有意地接合或脱离的方式连接至侧支架8。在图1中，能量箱4可以通过框架1的下侧滑入位于侧支架8上的端口中。类似地，计算盒4可以具有类似的连接器，该连接器容易有意地接合或脱离，从而允许计算盒4滑入框架1的顶部。
35.再次参照图2，面板可以安装在每个侧支架8与角支架9之间，使得框架1的内部是隔离或准隔离的环境。根据预期目的，这些面板可以由被认为适合用户使用的任何材料制成。例如，面板可以用于装饰、支承或保护目的。图1示出了根据一个非限制性方面的示例面板，其中，传感器面板5经由角支架9安装至框架1的前部。面板也可以固定至侧连杆10和端连杆11，用于通过诸如搭扣配合、过盈配合、电磁、钩环、或类似方法之类的连接方法进行附加支承。
36.图3是根据本公开的一方面的支腿子组件2的视图。支腿子组件2可以包含吊舱15，吊舱15可以包含电机控制电子器件、以及在安全且隔离的环境中的电机、机械减速器、变速器和编码器的子集。支腿子组件2还可以包括接口支架16，接口支架16可以使得能够通过对准引导件12和对准紧固件13中的一个或多个连接至框架1。吊舱15可以具有到接口支架16的电连接器，使得电力和/或电信号可以被接收并被引导至吊舱15内的部件，从而向吊舱15
的部件供应电力和控制。吊舱15还可以包含吊舱连接件18，吊舱连接件18可以提供用于向吊舱15的内部部件提供电力和电信号的附加接口或替代接口。
37.支腿子组件2还可以具有支腿部件17，该支腿部件17包括以可铰接的方式连接至下支腿的上支腿，该下支腿可以由诸如金属、复合材料、塑料、陶瓷或其他如果认为适合于预期用途的材料制成，并且可以包括附加的内部电动部件比如电机、减速器、变速器和编码器。根据由吊舱15的部件接收的电输入，支腿子组件2能够相对于框架1执行平移运动或旋转运动，使得机器人系统500能够在其环境中独立运动。上支腿可以与下支腿断开连接，从而能够互换下支腿部件。这可以完成以修复受损的下支腿，或者可以完成以用更适合于预期环境的构型——例如，用具有不同几何形状的部件——替换下支腿。类似地，支腿部件17的远端端部可以包括适于与环境表面或地面相接触的可移除踏面。可移除踏面的形状可以针对环境进行优化，并且可以包括机器人脚、翅片、轮子、爪、或其他。
38.图4是根据本公开的一方面的能量箱4的视图。能量箱4可以具有保护壳19，在该保护壳19中存储有电气和计算部件，所述电气和计算部件包括但不限于化学电池、电容器、燃料电池、内燃机、以及所有必要的计算和控制系统。保护壳19可以由专门设计用于机器人系统500将应用的环境的材料构成。例如，如果这样的环境在水附近或水下，则保护壳19可以由强耐腐蚀并具有适当浮力特性的材料制成防水的。
39.能量箱4可以包括能量箱引导件20，能量箱引导件20可以引导用户将能量箱4安装在框架1内。在一个非限制性方面，能量箱引导件20可以是独特的几何结构或框架，该几何结构或框架在能量箱4相对于框架1以特定且正确的方式定向时允许安装。能量箱4可以包括可脱离的能量箱紧固件21，其可以为能量箱4提供附加的结构支承。能量箱紧固件21可以是夹子、粘合剂、螺纹紧固件、过盈配合、磁性、钩环、推针或“推按”连接件、或类似的可脱离的支承技术。在一个非限制性方面，能量箱紧固件21可以是与位于侧支架8上的支架紧固件26相配合的孔。
40.能量箱4还可以具有电连接件22，该电连接件22允许向能量箱4内的部件传输电力和电信号以及从能量箱4内的部件传输电力和电信号。电连接件22可以包括用于将电信号和电力从能量箱4的外部传输至能量箱中的部件或从能量箱中的部件传输至能量箱4的外部的任何方法或机构，包括但不限于有线连接器、集成电路、无线电力传输、或动态感应发电。在一个非限制性示例中，能量连接件22可以是嵌入保护壳19内的导电材料，其能够在接触时将电信号和电力从能量箱4的外部传输至能量箱中的部件。在一个非限制性示例中，能量连接件22可以由高导电金属比如银或铜或其他电可用材料制成。
41.图5是计算盒3的立体图。计算盒3可以包含保护壳23，在该保护壳23中存储有电气部件、计算部件和控制部件。保护壳23可以由专门设计用于机器人系统500将应用的环境的材料构成。例如，如果这样的环境在水附近或水下，则保护壳23可以由强耐腐蚀并具有适当浮力特性的材料制成防水的。在一个非限制性方面，传感器外壳7可以附着至保护壳23或与保护壳23一体化，如图5所示。
42.计算盒3可以包括计算盒引导件24，该计算盒引导件24可以容易地引导用户将计算盒3安装在框架1内。在一个非限制性方面，计算盒引导件24可以是独特的几何结构或框架，该几何结构或框架仅在计算盒3相对于框架1以特定且正确的方式定向时允许安装。计算盒3可以包括可脱离的计算盒紧固件27，其可以为计算盒3提供附加的结构支承。计算盒
紧固件27可以是夹子、粘合剂、螺纹紧固件、过盈配合、磁性、钩环、推针或“推按”连接件、或类似的可脱离的支承技术。在一个非限制性方面，计算盒紧固件27可以是与位于侧支架8上的支架紧固件26相配合的孔。
43.图6是根据本公开的一方面的框架1的内侧端部的侧视图，其示出了包括对准引导件12和对准紧固件13的侧支架8和角支架9。侧支架8和角支架9还可以包括朝向框架1的顶部的对准引导件12和对准紧固件13。这可以使得框架1能够与除了支腿子组件2之外的其他动力子组件连接，这可以以其他方式提供受控的运动。接口支架16可以存在于不同类型的动力子组件上，从而能够经由对准引导件12和对准紧固件13与框架1进行受控连接和对接。其他子组件可以利用轮子、踏面、旋转转子、陀螺仪、风扇、涡轮机、推力部件、或其他机构来实现受控运动。这些组件可以经由位于侧支架8和角支架9的顶部或底部处的对准引导件12和对准紧固件13附接至框架1。
44.对准引导件12和对准紧固件13可以可选地通过它们与位于吊舱15上的接口支架16的连接将电信号和电力从框架1传输至支腿子组件2。在一个非限制性方面，接口支架16可以包括与对准紧固件13相配合的栓钉，其中，这两个部件都是导电的。框架1可以将电力和电信号从能量箱4和计算箱3传输至对准紧固件13，对准紧固件13然后可以通过栓钉将电力和电信号传输至接口支架16并传输至支腿子组件2。接口支架16、侧支架8和角支架9之间的接口可以是可互换的，其中，电连接可以通过对准引导件12而不是对准紧固件13来建立，并且这种连接可以通过除了栓钉和孔之外的方法来实现。例如，可以存在接口总线，在该接口总线中，通过有线连接器建立连接，或者可以通过无线远程传输技术将电力和电信号传输至支腿子组件2。
45.仍然参照图6，侧支架8可以包括支架紧固件26，支架紧固件26可以与能量盒紧固件21和计算盒紧固件27相配合，从而通过足够的连接机构提供结构支承，所述连接机构包括但不限于螺纹紧固件、夹子、粘合剂、钩环、磁体、“推按”连接件、过盈配合等。在另一非限制性方面，角支架9还可以包括支架紧固件26，从而允许与其类似的连接，尽管这在图6中未示出。
46.图7是根据本公开的一方面的支腿子组件2内的吊舱15的侧视图。吊舱15可以包括将支腿子组件2连接至框架1的接口支架16。在一个非限制性方面，接口支架16可以包括吊舱紧固件31和吊舱引导件32，吊舱引导件32分别与框架1上的配对件例如对准引导件12和对准紧固件13相配合。
47.吊舱引导件32可以是几何特征，包括但不限于能够在通过使用销、花键、边缘接触件、或类似机构将支腿子组件2附接至框架1时提供对准和承载连接的孔、插脚或栓钉。吊舱紧固件31可以是保持机构，包括但不限于用以通过使用连接件使支腿子组件2与框架1正确地对准的孔、插脚或栓钉，所述连接件包括但不限于螺纹紧固件、夹子、粘合剂、钩环、过盈配合、电磁、或其他紧固件。在一个非限制性方面，吊舱引导件12可以是插脚或栓钉，并且吊舱紧固件13可以是孔。吊舱引导件32和吊舱紧固件31能够通过与对准引导件12或对准紧固件13的连接将电信号和电力从框架1传输至吊舱15。
48.图8是根据本公开的一方面的框架1的俯视图。侧支架8可以具有脊部25，脊部25可以与能量箱引导件20或计算箱引导件24相互作用，从而防止不正确地安装到框架1中。脊部25可以是独特的几何结构或框架，该几何结构或框架仅在能量箱4或计算箱3相对于框架1
以特定且正确的方式定向时允许安装。侧支架8可以包括支架紧固件26，一旦脊部25允许正确安装，支架紧固件26就可以与能量盒紧固件21和计算盒紧固件27相配合，从而通过足够的连接机构提供结构支承，该连接机构包括但不限于螺纹紧固件、夹子、粘合剂、钩环、磁体、“推按”连接件、过盈配合等。在另一非限制性方面，角支架9还可以包括脊部25和支架紧固件26，从而允许与其类似的连接，尽管该特定构型在图8中未示出。
49.图9是根据本公开的一方面的吊舱15和支腿子组件2的俯视图。吊舱15可以包括外展电机29，外展电机29可以包括电机和必要的齿轮系、电气和控制部件比如编码器和电机控制器、以及设计成使支腿部件17围绕外展轴线aa的旋转致动的动力传动系统。吊舱15还可以包括髋部电机30，髋部电机30可以包括电机和必需的齿轮系、电气和控制部件比如编码器和电机控制器、以及设计成使支腿部件17围绕髋部轴线ha的旋转致动的动力传动系统。膝部电机28可以包括电机和必要的齿轮系、电气和控制部件比如编码器和电机控制器、以及设计成使支腿部件17围绕膝部轴线ka的旋转致动的动力传动系统。在一个非限制性示例中，轴线ha和轴线ka可以是平行的，并且轴线aa可以垂直于轴线ha和轴线ka。在一个非限制性示例中，膝部电机28可以靠近轴线ha定位以使惯性最小化。
50.在一个非限制性示例中，吊舱15可以机械连接至框架1。外展电机29可以机械连接至框架1。外展电机29的机械输出可以被传递至髋部电机30。髋部电机30的机械输出可以被传递至膝部电机28。
51.吊舱15可以包括电机控制器(未示出)，该电机控制器与计算盒3连接并且与膝部电机28、外展电机29和髋部电机30中的一者或更多者连接。作为电机控制器在吊舱15处的操作的结果，从计算盒3到吊舱15的导线的数量可能减少，比如在一个非限制性示例中为两条电源线加上四条信号线。在另一方面，吊舱15和电机可以从能量箱4接收附加电力或替代电力。
52.图10是根据本公开的一方面的传感器面板5的正视图。传感器面板5可以是支承或提供用于可以附接至框架1的前部、后部或侧部的电气、传感和用户接口部件的连接的面板。传感器面板5可以支承各种部件和连接件，所述各种部件和连接件包括但不限于传感器、屏幕、按钮、接口端口和总线、开关、能够在存在电磁场的情况下向外部源传输电力或从外部源接收电力的电气部件。在一个非限制性方面，传感器面板5可以具有电接口，在该电接口中，机器人系统500可以通过连接至外部电源来充电。在一个非限制性方面，传感器面板9可以通过各种连接技术附着至角支架9，所述各种连接技术包括但不限于焊接、夹子、粘合剂、螺纹紧固件、过盈配合、磁性、钩环、或类似的连接技术。
53.以上描述以完整、清楚、简明和准确的术语呈现了预期用于执行本实施方式的最佳模式以及实践它们的方式和过程，以便使本领域技术人员能够实践这些实施方式。然而，本实施方式易于进行修改，并且允许从上面论述的那些构造进行完全等同的替代构造。因此，本发明并不限于所公开的特定实施方式。相反，本发明覆盖落入本公开的精神和范围内的所有修改和替代构造。例如，本文所描述的过程中的步骤不需要以与它们已经被呈现的相同的顺序来执行，并且可以以任何顺序来执行。此外，在替代实施方式中，已经呈现为单独执行的步骤可以同时执行。同样，已经呈现为同时执行的步骤在替代实施方式中可以单独执行。