蛇形機器人履帶車的制作方法

專利名稱：蛇形機器人履帶車的制作方法
技術領域：
本發明涉及小型無人駕駛的地面機器人車輛。更具體地，本發明涉及 一種具有多個通過高自由度驅動式聯接件互連的履帶式機架單元的蛇形機 器人履帶車。
背景技術：
機器人學是活躍的研究領域，已研制出許多不同類型的機器人車輛用 于各種任務。例如，無人駕駛的飛行器已非常成功地用于軍事空中偵察。然而，無人駕駛的地面車輛獲得較少成功，這部分地是由于在地面環境中 運動顯著地比在空中環境中運動困難。無人駕駛地面車輛當試圖實現機動性時會面臨許多挑戰。地形的變化 很廣泛，例如包括木>散和易變的材料、障礙物、植被、有限寬度或高度的 開口、臺階等。優化用于在一種環境中運行的車輛可能在另一種環境中運 行不佳。還有一些與車輛的尺寸有關的折衷方案。大型車輛可以更好地處理某 些障礙物，例如臺階、落差、間隙等。另一方面，大型車輛不能容易地通 過狹窄的通道或者在管道內部行進，且更容易被植物阻擋。大型車輛還往 往更容易被看到，并因此不太希望用于獨立的監視應用。相比之下，盡管小型車輛更獨立，但越過障礙變成更大的行駛問題。
各種各樣的機動性構造已經適合于通過困難的地形。這些選擇方案包 括腿、車輪和履帶。有腿的機器人可能是靈活的，但采用復雜的控制機構 來移動和達到穩定性。輪式車輛可以提供高度機動性，但提供有限的附著 作用并需要寬度以便得到穩定性。
履帶式車輛是已知的，且通常構造成坦克構型。盡管履帶式車輛在某 些環境中可以提供高度穩定性，但履帶式車輛在車輛很小的情況下通常提 供有限的可操縱性。此外，已知的履帶式車輛不能適應在寬范圍內變化的 障礙，尤其是當地形狹窄并且道路彎曲時。

發明內容
本發明包括一種蛇形機器人履帶車，該履帶車克服現有技術中固有的 問題和不足。在一個實施例中，蛇形機器人履帶車包括第一機架和第二機 架，每個機架都具有一旋轉式支承于其中的連續履帶。第一和第二機架通 過驅動式聯接臂連接。聯接臂具有 一對位于聯接到相應的機架的各端部處
的腕狀(wrist-like)驅動式聯接件，并具有位于腕狀驅動式聯接件之間的 肘狀(elobw-like )驅動式接頭。


從下文結合附圖的描述和所附權利要求中可以更清楚地看到本發明。 應當理解，這些附圖僅描述了本發明的示例性實施例，它們不應當凈皮認為 是對本發明的范圍的限制。可以容易地認識到，文中一般性地描述以及在 附圖中示出的本發明的部件可布置成或設計成各種不同的構造。但是下面 將通過附圖更加詳細和具體地描述和解釋本發明，其中
圖1示出按照本發明的示例性實施例的蛇形機器人履帶車的透視圖； 圖2示出按照本發明的實施例的腕狀驅動式聯接件的透視圖； 圖3示出按照本發明的實施例的肘狀驅動式聯接件的透視圖； 圖4示按照本發明的實施例的腕狀驅動式聯接件的透視圖；圖5示出按照本發明的實施例的具有基;^f皮包圍的連續履帶的機架的 透視圖，其中履帶底部露出；圖6示出按照本發明的實施例的具有連續履帶的機架的透視圖，其中 履帶的頂部和底部露出；圖7示出按照本發明的實施例的處于坦克構型的蛇形機器人履帶車的 透視圖；圖8示出按照本發明的實施例的處于蛇形構型的蛇形機器人履帶車的 透視圖；圖9示出按照本發明的實施例的處于外部爬升構型的蛇形機器人履帶 車的透視圖；圖10 U) -10 (c)示出按照本發明的實施例的處于不同的內部爬升構型的蛇形機器人履帶車的透視圖；圖11 (a)-ll (e)示出按照本發明的實施例的蛇形機器人履帶車恢復常態的一連串運動的俯視圖；圖12 (a) -12 (f)示出按照本發明的實施例的蛇形機器人履帶車的各種姿勢的透視圖；圖13示出按照本發明的實施例的控制系統的示意圖；圖14示出按照本發明的可供選擇的實施例的蛇形機器人履帶車；以及圖15示出按照本發明的又一可供選擇的實施例的蛇形機器人履帶車。
具體實施方式
下文對本發明的示例性實施例的詳細描述參考了附圖，該附圖形成描 述的一部分，在該附圖中作為示例示出了本發明可實施的示例性實施例。 盡管這些示例性實施例被充分詳細地描述以使得本領域技術人員能夠實施 本發明，但應當理解可實現其他實施例且可在不脫離本發明的精神和范圍 的情況下對本發明作各種改變。因此，下文對本發明的實施例的更詳細的 描述并不用于限制所要求的本發明的范圍，而僅僅為了進行舉例說明且不 限制對本發明的特點和特征的描述，以提出執行本發明的最佳方式，并足以使得本領域技術人員能夠實施本發明。從而，本發明的范圍僅由所附權 利要求來限定。
下文對本發明的詳細描述和示例實施例可結合附圖來更好地理解，其 中本發明的元件和特征由附圖標記標識。
參見圖1，圖1示出的是按照本發明的第一示例性實施例的蛇形機器
人履帶車的例圖。更具體地，圖1將蛇形機器人履帶車10示出為包括第一 機架12和第二機架14。每個機架都包括由機架旋轉支承的連續履帶16、 18。機架通過多自由度驅動式聯接臂20聯接在一起。多自由度聯接臂包括 聯接到第一機架的第一腕狀驅動式聯接件22， ^i接到第二機架的第二腕狀 驅動式聯接件24,和聯接在第一和第二腕狀驅動式聯接件之間的肘狀驅動 式接頭26。
在圖2中更詳細示出的腕狀驅動式聯接件22、24提供繞兩個不同的橫 向軸線28、 29的彎曲運動和繞縱向軸線30的^L轉運動。縱向是指一般沿 驅動式聯接件取向的方向，因此繞縱向軸線的運動對應于扭轉或旋轉運動。 橫向是指一般與縱向軸線垂直或成一角度取向的方向，因此繞橫向軸線的 運動對應于彎曲運動。兩個不同的橫向軸線可以、但不限于相互成直角。 在圖3中更詳細示出的肘狀驅動式接頭提供繞 f黃向軸線32的彎曲運動。
腕狀驅動式聯接件22、 24可以用不同的方式構造。例如，腕狀驅動式 聯接件可以包括一系列相聯的偏轉彎曲接頭、俯仰彎曲接頭和旋轉接頭的 組合，其中在接頭和機架之間聯接有各種臂聯接件。例如，如圖4所示， 按照本發明的實施例，腕狀軀動式聯接件40可以包括通過偏轉彎曲接頭 44聯接到機架12、 14的偏轉臂42，當連續履帶16、 18處于既定(nominal) 工作位置并與大體水平的表面接觸時，上述偏轉彎曲接頭44提供繞橫向軸 線28彎曲的偏轉(運動)46,所述橫向軸線28相對于機架大體上豎直地
俯仰臂48,上述俯仰彎曲接頭50提供繞橫向軸線29彎曲的俯仰(運動) 52，所述橫向軸線29相對于機架大體上水平地取向。腕狀驅動式聯接件還 可以包括旋轉接頭54，所述旋轉接頭54提供繞俯仰臂的縱向軸線30旋轉的滾動50。對豎直和水平的引用是指，相對于蛇形機器人履帶車在其上工 作的大體上水平的支承表面、且當連續履帶與支承表面接觸時的既定方向。 應該認識到，當蛇形機器人履帶車翻倒時，相對于蛇形機器人履帶車的豎 直方向相對于支承表面實際上是水平的。更詳細地考慮機架12、 14和連續履帶16、 18，機架可以用各種方式 構造，使得連續履帶基^ 皮包圍，從而只有底部60露出，如圖5所示； 或者連續履帶部分地被包圍，從而連續履帶16、 18的頂部62和底部60 露出，如圖6所示。應該注意，當連續履帶的頂部和底部都露出時，機架 可以取向成任一側朝上，并仍然能運動。通過下面對蛇形機器人履帶車的 工作的進一步的討論，可以清楚地看到這種構型的好處。機架可以包括聯 接到連續履帶的驅動裝置(未示出)，以驅動連續履帶。可選地，驅動裝 置可以構造成在一定的速JL范圍內沿任一方向(如順時針和逆時針)驅動 連續履帶。用于對連續履帶施加驅動力的各種類型的驅動裝置和聯接技術 是已知的，且可應用在本發明的實施例中。回過來參見圖1,高自由度驅動式聯接臂20與兩個單獨的履帶式機架 12、 14的組合使蛇形機器人履帶車10能實現許多不動的運動模式，下面 將對其進行說明。操縱蛇形機器人履帶車可以包括扭鉸多自由度驅動式聯 接臂，以便為蛇形機器人履帶車建立所需的姿勢。連續履帶16、 18的驅動 操作可以與高自由度驅動式聯接臂的扭鉸協調，以進一步控制姿勢和提供 蛇形機器人履帶車的運動。當確定蛇形機器人履帶車的姿勢時，可考慮作 用在接頭上的力矩和力，這將在文中進一步地描述。第一種姿勢在本文稱之為"坦克"構型，其中第一機架12和第二機架 14并排設置，如圖7所示。兩個機架從驅動式聯接臂20朝同一方向延伸， 并可以是、但不是必須平行。例如當經過陵坡時，坦克構型為蛇形機器人 履帶車提供橫向穩定性。通過沿相同的方向驅動連續履帶16、 18,蛇形機 器人履帶車可以沿向前和向后的方向移動；通過沿相反的方向驅動連續履 帶，蛇形機器人履帶車可以轉動。通常，使處于坦克構型的蛇形機器人履 帶車運動可以包括向連續履帶施加不同的驅動速度(包括相反的方向)。本文稱之為"列車"構型的第二姿勢是第一機架12和第二機架14首 尾相連地排成一行的構型，如圖8所示。兩個機架可以是、但不是必須平 行。列車構型提供較小的輪廓，從而允許蛇形機器人履帶車10進入小的孑L、 管道、隧道等。列車構型還使蛇形機器人履帶車能跨越空隙和孔。在列車 構型中，向前和向后運動通過驅動連續履帶16、 18來提供。應該注意，相 對于坦克構型，連續履帶中的一個的方向4皮改變。通過操作驅動式聯接臂 20，以在第一機架和第二機架之間形成一夾角，可實現蛇形機器人履帶車 的轉動。
蛇形機器人履帶車也可以構造用于爬升結構的外部。如圖9所示，蛇 形機器人履帶車IO包住結構70,使得連續履帶的露出部分72、 74彼此朝 向，并接觸所述結構的相對的外表面76、 78。連續履帶可以被驅動，以便 沿著所述結構上下移動蛇形機器人履帶車。許多不同的結構幾何形狀，包 括例如柱，都可以用這種外部爬升構型進行爬升。
蛇形機器人履帶車也可以構造用于爬升結構的內部。圖10 (a)和IO (b)示出兩種不同的內部爬升構型。在內部爬升構型中，蛇形機器人履帶 車構造成使得連續履帶的露出部分72、 74彼此背離，并與結構70的相對 的內表面80、 82接觸。內部爬升構型可用于爬升管道、煙囪、墻內部等。
對蛇形機器人履帶車來說，通過使連續履帶的露出部分72、 74面向同 一方向、與結構的同甘共苦內表面80，及將驅動式聯接件放置成與對置的 內表面接觸來爬升結構部分70的內部可能也是可行的，如圖10 (c)中所 示。
對蛇形機器人履帶車來說，各種不同的扭鉸運動也是可行的。例如， 圖11 (a) -11 (e)用俯視風示出翻轉的蛇形機器人履帶車的一種自動復原 技術。蛇形機器人履帶車10在圖11 (a)中示出為側放著，其中連續履帶 的露出部分72、 74不再與表面接觸。在第一步驟中，啟動驅動式聯接件 20，以將機架以約90°角定位，如圖11 (b)中所示。這提供了一種穩定 的構型，此時，可以使一個腕狀接頭旋轉，以將連續履帶的一個露出部分 安放成與表面接觸，如圖11 (c)所示。然后旋轉另一個腕狀接頭，以類似地定位另一個機架，如11 (d)所示。此時，兩個連續的履帶與表面接 觸。然后使聯接臂變直，使得蛇形機器人履帶車可以繼續(工作)，如圖
ll(e)所示。可選地，使聯接臂變直可以在蛇形機器人履帶車已開始向前 移動時進行。蛇形機器人履帶車可以包括一些系統，如履帶載荷傳感器、 慣性基準等，以幫助確定和校正履帶車的取向。例如，引用在此作為參考 的、共同所有并均處于審理中的、于2006年11月13日提交的標題為 "Conformable Track Assembly For A Robotic Crawler"(用于才幾器人履 帶車的順應性履帶組件)的美國臨時專利申請No. 60/858,805,描述了一種 用于履帶的懸架系統，該懸架系統包括可以在本發明的實施例中使用的偏 轉器和載荷傳感元件。
其它自動復原運動模式也是可行的。例如，可以通過操作驅動式聯接 臂20將蛇形機器人履帶車10安放成拱形構型(這將在下文進一步說明)， 使得蛇形機器人履帶車基本僅由履帶的最遠地分開的端部支承。這種構型 可能不穩定，從而允許進一步致動扭鉸的聯接臂，以使蛇形機器人履帶車 翻倒。
不具有的大量姿勢和運動模式。蛇形機器人履帶車10可以采用的其它姿勢 在圖12 (a) -12 (f)中示出。例如，驅動式聯接件20可以將機架12、 14 彼此成一角度地設置。因此，蛇形機器人履帶車可以沿向上(圖12(a))、 向下(圖12 (b))、向左(圖12 (c))、或向右(圖12 (d))的方向 形成拱形。向上和向下形成拱性可以幫助通過地形的不平坦部分，如凹陷 部或抬升部。向左和向右形成拱形可幫助轉動和避免障礙。
另一種姿勢可以稱為急轉彎(zag)構型，其中機架以平行的線取向， 但從驅動式聯接臂朝相反的方向偏移并延伸，如圖12(e)所示。與坦克 構型類似，急轉彎構型可以給蛇形機器人履帶車提供附加的穩定性。
盡管已描述了處于靜態的各種姿勢，但應該理解，蛇形機器人履帶車 可以在工作時動態地改變姿勢。此外，根據蛇形機器人履帶車在其中工作 的環境，上述姿勢的經過修改的型式也可以證明是有用的。如上所述，各種動態運動模式是可行的。盡管上述討論主要集中在履 帶操作提供推進力上，但應認識到，驅動式聯接件的操作也可以幫助推進。 例如，驅動式聯接件的突然急拉運動可以幫助提供牽引作用，或者當被纏 繞時幫助釋放蛇形機器人履帶車。作為另一個例子，履帶的空間取向可以 通過驅動式聯接件周期性地或連續地調節，以符合所經過的表面。例如，圖12 (f)示出一扭鉸構型。返回到對扭鉸的多自由度聯接臂20的討論，對蛇形機器人履帶車來 說，各種其它構型也是可行的。通常，聯接臂包括至少七個驅動接頭，這 七個驅動接頭提供繞七個不同軸線的運動(雖然這些軸線中的某些有時可 以相互對準)。這些接頭可以是單軸、雙軸、或三軸接頭。聯接臂可以包 括下面 一 系列相聯接的組合中的任一種 7個單軸接頭 3個單軸接頭和2個雙軸接頭 1個單軸接頭和2個三軸接頭 2個雙軸接頭和1個三軸接頭例如，聯接臂可以包括五個驅動式單軸彎曲接頭和兩個驅動式單軸旋 轉接頭的一系列組合。例如，四個彎曲接頭可以圍繞位于聯接件中央的第 五個彎曲接頭對稱地設置，在中央的各側上有兩個彎曲接頭。旋轉接頭也 可以圍繞中心對稱地^L置。例如，旋轉接頭可以與第五(位于中央的)彎 曲接頭相鄰(例如，如圖7所示)、位于對稱設置的彎曲接頭之間、或者 與機架相鄰。或者，也可以使用雙軸接頭或三軸接頭，其中，雙軸接頭提供與兩個 串聯的單軸接頭相同的自由度，三軸接頭提供與串聯的三個單軸接頭相同 的自由度。雙軸接頭可以提供例如繞兩個軸線的彎曲。這些軸線可以、但 不是必須相互正交。三軸接頭可以提供例如繞兩個橫向軸線的彎曲和繞一 第三縱向軸線的旋轉。接頭不需要限于提供彎曲或旋轉運動的繞轉接頭。也可以包括提供平 移運動的棱柱接頭(/滑移接頭，prismatic joint)。接頭可以包括繞轉接頭15和棱柱接頭的特點，以提供例如偏心運動。
現在將更詳細地討論蛇形機器人履帶車10的控制。如上所述，可以通 過驅動式多自由度聯接臂20的扭鉸和連續履帶16、 18的旋轉來控制蛇形 機器人履帶車的運動和姿勢。因此，如圖13示意示出的，蛇形機器人履帶 車可以包括控制子系統90。控制子系統與聯接臂20的各驅動式接頭92通 信，以控制蛇形機器人履帶車的姿勢。控制系統還可以與驅動單元94通信， 該驅動單元94聯接到第一和第二連續履帶上，以控制連續履帶旋轉的速度 和方向，從而控制蛇形機器人履帶車的運動。控制系統還可以包括一通信 網絡系統96,該通信網絡系統構造用于在控制子系統、聯接臂中的接頭和 驅動單元之間互相通信。
通信網絡的各種實現方式是可行的。例如，已知允許大量的通信節點 在有限數量的線路上通信的各種通信協議，包括例如RS-485, RHAMIS, USB， Ethernet等。或者，通信網絡可以包括無線部件。例如，通信網絡 可包括在蛇形機器人履帶車和位于遠離該蛇行機器人履帶車處的控制系統 之間提供通信的無線部分。
控制子系統的各種實現方式是可行的。例如在一個實施例中，控制系 統可以利用主復本(replica)來控制蛇形機器人履帶車。在主復本控制系 統中，主復本位于遠離蛇形機器人履帶車處。主復本包含與蛇形機器人履 帶車相同的接頭，且被手動操縱成所希望的姿勢。位于接頭處的傳感器檢 測接頭的位置，這些位置與蛇形機器人履帶車通信，該蛇行機器人履帶車 致動其接頭，以試圖形成相同的姿勢。可選地，蛇形機器人履帶車中的接 頭可以包括力傳感器、力矩傳感器或者這兩種傳感器，從而允許測量接頭 上的力和/或力矩。可選地，接頭上的力和/或力矩可返回與主復本通信，從 而向控制系統提供力反饋。各種力反饋控制系統是已知的，并可以應用于 本發明的實施例。
控制系統可以結合到蛇形機器人履帶車中，從而允許履帶車自動地工 作。例如，履帶車可以長時間自動地工作。在一實施例中，控制系統可以 包括局部控制一個或多個密切聯結的接頭的履帶控制器和分布式接頭。分布式接頭和履帶控制器可以與位于履帶車內部或位于履帶車外部的主控制 器通信。在另一個實施例中，蛇形機器人履帶車的控制可以包括控制第一機架， 其它機架從動于第一機架。例如，操作者可以控制第一機架的取向和運動。 然后其它機架跟隨第一機架。 一個特別的控制方案可以包括在第一機架之 后自動地使其它機架轉向，以減小施加在驅動式聯接臂上的力。作為另一個例子，蛇形機器人履帶車的控制可以包括使用操縱桿。例 如，例如通過由操縱桿控制驅動式聯接件的運動，可以利用兩維操縱桿來控制機器人的姿勢。操縱桿的兩維運動可以通過預定的原語(premitive) 轉變成多自由度驅動式聯接件的復雜運動。作為一特定的例子，操縱桿向 左或向右的運動可以使蛇形機器人履帶車向左向右形成拱形，其中持續地 保持操縱桿會使蛇形機器人履帶車在坦克構型和蛇形構型之間運動。作為 另一個特定的例子，操縱桿向前或向后運動可以使蛇形機器人履帶車向上 或向下形成拱形，其中持續地保持操縱桿向前或向后會將蛇形機器人履帶 車設置成內部爬升或外部爬升構型。當然，可以認識到，可限定從操縱桿 到(蛇形機器人履帶車)運動的各種映射關系。操作者和控制系統之間的 接口可以通過在個人計算機、膝上型計算機、個人數據助手等上操作的菜 單驅動接口來提供，這是已知的。控制系統還可以構造成在接頭中提供一定程度的順應性。例如，由柔 性機器人履帶車的環境施加到接頭上的力可以被檢測出并與控制系統通 信。當超過某些力的閾值時，可以允許接頭移動。例如，接頭可以包括通 過機械系統、電子系統、或者混合機電系統實現的斷開式離合器。力限制 閾值可以進行調節，以便給蛇形機器人履帶車提供可變的順應性。例如， 在通過某種類型障礙物時，提供剛硬姿態的高閾值可以證明是有用的。或 者，在圍繞其它類型障礙彎曲時，低閾值可以證明是有用。作為另一個例子，控制系統可以利用過程處理系統來實現。各種運動 原語可以預先編程，其中包括例如采取某些姿勢(比如，坦克構型、急轉 彎構型、拱形構型、列車構型、或爬升構型)的原語，及用于運動(比如,向前、向后)的原語。控制可以包括從接頭力傳感器和環境傳感器反饋。 混合式的人和自動控制可以組合。例如，利用執行指令/原語的自動的低級
反饋回路可實現高^lA工指令/原語。控制功能可以分成子系統，其中包括， 例如，姿勢控制，順應性控制、運動控制、力控制及其混合式組合。
按照本發明的實施例，在圖14中示出蛇形機器人履帶車的可供選擇的 構型。蛇形機器人履帶車100包括多個機架單元102，每個機架單元102 都具有旋轉式支承于其中的連續履帶。例如，連續履帶可以具有一個或多 個露出的表面，如上所述。在各機架單元之間聯接至少一個驅動式高自由 度聯接臂104。例如，在N個機架單元情況下，利用N-1個聯接臂來將機 架互連成多機架長列。驅動式多自由度聯接臂包括例如如上所述的至少七 個接頭軸線。可選地，驅動式高自由度聯接件臂可以可拆卸地連接在各機 架單元之間，以允許將多機架長列例如重新構造成許多單個的機架、若干 對機架、或較短的多機架長列。
蛇形機器人履帶車還可以包括設置在驅動式多自由度聯接臂和/或機 架上的各種傳感器或工具。例如，如圖15所示，蛇形機器人履帶車110 可以具有設置在一個^L架112上的攝^4/L 116。作為另一個例子，可以在 前機架和后機架上都設置攝像機。例如，前攝傳4幾主要用于觀測環境，而 后攝像機可以用于觀察蛇形機器人履帶車的姿勢以便控制。可以在蛇形機 器人履帶車上設置其它傳感器，包括例如雷達、激光雷達、紅外檢測器、 溫度傳感器、化學傳感器、力傳感器、運動檢測器、揚聲器、天線等。作 為另一個例子，也可以在蛇形機器人履帶車上^1置一些工具，包括例如光 源、夾具、鉗子、操縱裝置、切削刀具、鉆頭、材料取樣器等。作為另一 個例子，蛇形機器人履帶車可以包括設置在機架上的鉸接臂。共同所有并 均處于審理中的、于2006年11月13日提交的標題為"Tracked Robotic Vehicle with Articulated Arms"(具有鉸接臂件的履帶式機器人車輛)的 美國臨時專利申請No. 60/858,915描述了 一種具有鉸接臂的履帶式機器人 車輛，該申請被引用在此作為參考。
在某種程度上概括并重申，按照本發明的蛇形機器人履帶車可以在各種應用和環境中使用。例如，但不作為限制，應用可以包括搜索和救援、 軍事活動和工業操作。可有助于避免需要將人暴露于危險的環境中，例如 不穩定的建筑物、軍事沖突情況、和化學、生物或核污染的環境中。蛇形 機器人履帶車的構造柔性提供多種運動模式。例如，在坦克構型中的運動 可以提供高度穩定性。以蛇狀構型運動可以穿過狹窄的通道或管道。也可 以爬升結構的外部如柱子，以及爬升結構的內部如管道內部。在上文中結合具體的示例性實施例詳細描述了本發明。但是，應當理 解，可在不脫離由所附權利要求限定的本發明的范圍的情況下進行各種修 改和變型。詳細的描述和附圖應僅被認為是說明性的，而不是限制性的， 如果存在任何這樣的修改和變型，那么它們都將落入在此描述的本發明的 范圍內。更具體地，盡管在此已經描述了本發明的示例性實施例，但是本發明 并不局限于這些實施例，而是包括本領域技術人員根據前面的詳細描述可 認識到的經過修改、省略、(例如各個實施例之間的)組合、適應性改變 和/或替換的任何和全部實施例。權利要求中的限定可根據權利要求中使用 的語言而進行廣泛的解釋，且不限于在前述詳細描述中或在實施該申請期 間描述的示例，這些示例應^皮認為是非排他性的。例如，在本發明中，術 語"優選地"不是排他性的，這里它的意思是"優選地，但是并不限于"。限于權利要求中提出的順序。因此，本發明的范圍應當僅由所附權利要求 及其合法等同物來確定，而不是由上文給出的說明和示例來確定。
權利要求
1.一種蛇形機器人履帶車，包括第一機架，該第一機架具有由該第一機架可旋轉地支承的第一連續履帶；聯接到第一機架的第一腕狀驅動式聯接件，其中，第一腕狀驅動式聯接件提供繞一縱向軸線的旋轉運動和繞兩個不同的橫向軸線的彎曲運動；聯接到第一腕狀驅動式聯接件的肘狀驅動式接頭，其中，肘狀驅動式接頭提供繞一橫向軸線的彎曲運動；聯接到肘狀驅動式接頭的第二腕狀驅動式聯接件，其中，第二腕狀驅動式聯接件提供繞一縱向軸線的旋轉運動和繞兩個不同的橫向軸線的彎曲運動；以及第二機架，該第二機架聯接到第二腕狀驅動式聯接件，并具有由第二機架可旋轉地支承的第二連續履帶。
2. 如權利要求l所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，腕狀驅動 式聯接件的兩個不同的橫向軸線彼此基本成直角。
3. 如權利要求l所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，腕狀驅動 式聯接件包括第一偏轉臂，該第一偏轉臂通過第一偏轉彎曲接頭聯接到第一才幾架， 該第一偏轉彎曲接頭提供繞"橫向軸線的偏轉彎曲，該橫向軸線相對于第 一機架的既定工作位置基本豎直地取向；第一俯仰臂，該第一俯仰臂通過第一俯仰彎曲接頭聯接到偏轉臂，該 第一俯仰彎曲接頭提供繞一橫向軸線的俯仰彎曲，該橫向軸線相對于第一 機架的既定工作位置基本水平地取向；以及聯接到第 一俯仰臂的第 一旋轉接頭。
4. 如權利要求l所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，腕狀驅動 式聯接件包括第一彎曲接頭，該第一彎曲接頭提供繞一相對于第一連續履帶的既定工作位置基本豎直的軸線的偏轉彎曲；第二彎曲接頭，該第二彎曲接頭提供繞一相對于第一連續履帶的既定工作位置基本水平的軸線的俯仰彎曲；以及旋轉接頭，該旋轉接頭提供繞第二軸線的滾動旋轉，該第二軸線與第 一基本水平的軸線基本正交。
5. 如權利要求l所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，機架部分 地包圍連續履帶，使得沿機架的底部和頂部露出連續履帶。
6. 如權利要求l所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，除了連續 履帶沿機架底部的露出部分之外，機架基本上包圍連續履帶。
7. 如權利要求l所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，機架包括 聯接到連續履帶的驅動裝置。
8. 如權利要求l所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，還包括一 控制子系統，該控制子系統與第 一和第二腕狀驅動式聯接件及肘狀驅動式 接頭中的每個通信，并構造用于控制蛇形機器人履帶車的姿勢。
9. 如權利要求8所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，還包括通 信網絡，該通信網絡構造用于在控制子系統與第 一和第二腕狀驅動式聯接 件及肘狀驅動式接頭中的每個之間互相通信。
10. 如權利要求8所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，控制子系 統還與分別聯接到第一連續履帶和第二連續履帶的第一驅動裝置和第二驅 動裝置通信。
11. 如權利要求8所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，控制子系 統還構造成控制第 一和第二腕狀驅動式聯接件及肘狀驅動式接頭的順應 性。
12. 如權利要求8所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，控制子系 統包括主復本。
13. —種蛇形機器人履帶車，包括至少兩個機架單元，各機架單元具有可旋轉地支承于其中的第 一連續 履帶；聯接在機架單元之間的至少一個驅動式多自由度聯接臂，其中，至少一個驅動式多自由度聯接臂包括至少下述接頭的聯接組合 第一驅動式三軸接頭， 驅動式單軸接頭，和 第二驅動式三軸接頭。
14. 如權利要求13所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，驅動式 三軸接頭包括單軸轉動體和雙軸彎曲體。
15. 如權利要求14所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，單軸轉 動體提供繞一縱向軸線的旋轉。
16. 如權利要求14所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，雙軸彎 曲體提供繞兩個基本正交的橫向軸線的彎曲。
17. 如權利要求13所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，驅動式 三軸接頭包括兩個單軸彎曲體和一單軸轉動體的串聯連接。
18. 如權利要求13所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，驅動式 單軸接頭包括提供繞一橫向軸線的彎曲的單軸彎曲體。
19. 如權利要求13所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，第一和 第二驅動式三軸接頭聯接到不同的機架單元，驅動式單軸接頭聯接在第一 和第二驅動式三軸接頭之間。
20. 如權利要求13所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，單軸接 頭通過第 一聯接臂聯接到第 一三軸接頭，并且單軸接頭通過第二聯接臂聯 接到第二三軸接頭。
21. 如權利要求11所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，各機架 單元包括聯接到連續履帶的驅動單元。
22. 如權利要求21所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，還包括 驅動控制裝置，該驅動控制裝置與驅動單元通信，并構造用于控制蛇形機 器人履帶車的運動。
23. 如權利要求13所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，還包括 控制子系統，該控制子系統與驅動式多自由度聯接臂通信，并構造用于控制蛇形機器人履帶車的姿勢。
24. 如權利要求13所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，還包括 控制子系統，該控制子系統與驅動式多自由度聯接臂通信，并構造用于控 制施加到蛇形機器人履帶車的接頭上的力或力矩。
25. —種蛇形機器人履帶車，包括第 一機架，該第 一機架具有由該第 一機架可旋轉地支承的第 一連續履帶；第二機架，該第二機架具有由第二機架可旋轉地支承的第二連續履帶；以及聯接在第一機架和第二機架之間的驅動式多自由度聯接臂，其中，驅 動式多自由度聯接臂包括下述接頭的聯接組合 第一驅動式雙軸接頭， 驅動式三軸接頭，和 第二驅動式雙軸接頭。
26. 如權利要求25所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，驅動式 雙軸接頭包括雙軸彎曲體。
27. 如權利要求26所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，雙軸彎 曲體提供繞兩個基本正交的橫向軸線的彎曲。
28. 如權利要求25所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，驅動式 雙軸接頭包括通過聯接臂聯接的兩個單軸彎曲體。
29. 如權利要求25所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，驅動式 三軸接頭包括兩個單軸轉動體和一單軸彎曲體。
30. 如權利要求29所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，單軸彎 曲體聯接在兩個單軸轉動體之間。
31. —種蛇形機器人履帶車，包括至少兩個機架單元，各機架單元包括可旋轉地支承在其中的連續履帶； 聯接在機架單元之間以形成機架單元的長列的至少一個多自由度聯接 臂，其中，至少一個驅動式多自由度聯接臂包括至少七個驅動式接頭的串聯聯接的組合。
32. 如權利要求31所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，至少七 個驅動式接頭包括至少七個旋轉接頭的串聯聯接的組合。
33. 如權利要求31所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，至少七 個驅動式接頭包括至少七個彎曲接頭的串聯聯接的組合。
34. 如權利要求31所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，至少七 個驅動式接頭包括五個彎曲接頭和兩個旋轉接頭的串聯聯接的組合。
35. 如權利要求32所述的蛇形機器人履帶車，其特征在于，五個彎 曲接頭和兩個旋轉接頭圍繞多自由度聯接臂的中心對稱地設置。
36. —種操縱蛇形機器人履帶車的方法，包括 提供第一機架和第二機架，其中各機架具有可驅動的連續履帶； 利用驅動式多自由度聯接臂將第一機架聯接到第二機架，其中多自由度聯接臂包括至少七個驅動式接頭的串聯聯接的組合，以形成蛇形機器人 履帶車；以及扭鉸驅動式多自由度聯接臂，以便為蛇形機器人履帶車建立所希望的 姿勢。
37. 如權利要求36所述的方法，其特征在于，還包括使可驅動的連 續履帶的驅動操作與驅動式多自由度聯接臂的扭鉸相協調，以控制蛇形機 器人履帶車的運動。
38. 如權利要求37所述的方法，其特征在于，還包括操縱驅動式多 自由度聯接臂，以產生蛇形機器人履帶車的短的急拉運動。
39. 如權利要求36所述的方法，其特征在于，還包括使可驅動的連 續履帶的驅動操作與驅動式多自由度聯接臂的扭鉸相協調，以進一步控制 蛇形機器人履帶車的姿勢。
40. 如權利要求39所述的方法，其特征在于，還包括將第一機架和 第二機架定位成坦克構型，其中，第一機架和第二機架并排，并相對于驅 動式多自由度聯接臂朝相同的方向延伸。
41. 如權利要求40所述的方法，其特征在于，還包括沿相同的方向驅動各連續履帶，以提供蛇形機器人履帶車的行進運動。
42. 如權利要求40所述的方法，其特征在于，還包括沿相反的方向 驅動各連續履帶，以提供蛇形機器人履帶車的轉動運動。
43. 如權利要求39所述的方法，其特征在于，還包括將第一機架和 第二機架定位成列車構型，其中第 一機架和第二機架首尾相連地排成一行。
44. 如權利要求43所述的方法，其特征在于，還包括沿相同的方向 驅動各連續履帶，以提供蛇形機器人履帶車的行進運動。
45. 如權利要求39所述的方法，其特征在于，還包括將第一機架和 第二機架定位在外部爬升構型，其中第一機架和第二機架取向成使得，連 續履帶的露出部分彼此面對，并與要爬升的結構的相對的外表面接觸。
46. 如權利要求39所迷的方法，其特征在于，還包括將第一機架和 第二機架定位在內部爬升構型，其中第一機架和第二機架取向成使得，連 續履帶的露出部分彼此背離，并與要爬升的結構的相對的內表面接觸。
47. 如權利要求39所述的方法，其特征在于，還包括將第一機架和 第二機架定位在急轉彎構型，其中第一機架和第二機架并排，并相對于驅 動式多自由度聯接臂朝相反方向延伸。
48. 如權利要求39所迷的方法，其特征在于，還包括將第一機架和 第二機架定位在拱形構型，其中第一機架和第二機架彼此間成一角度地定 位。
全文摘要
本發明涉及一種能以多種方式運動的蛇形機器人履帶車。該蛇形機器人履帶車包括通過至少一個驅動式聯接件聯接在一起的多個機架單元。各機架單元包括能使蛇形機器人履帶車向前運動的連續履帶。至少一個驅動式聯接件具有多個運動自由度，從而使蛇形機器人履帶車能采用多種姿勢。
文檔編號F16L55/32GK101583820SQ200780049718
公開日2009年11月18日 申請日期2007年11月13日 優先權日2006年11月13日
發明者S·C·雅各布森 申請人:雷神薩科斯公司