CN103303389B - 可调控柔性弯曲式四足机器人仿生腰椎结构体系 - Google Patents

Abstract

可调控柔性弯曲式四足机器人仿生腰椎结构体系属于一种新型四足机器人仿生腰椎结构体系。针对现有机器人往往忽略动物腰椎的功能或引入后未充分发挥其功能的现象，本发明提供了一种可调控柔性弯曲式四足机器人仿生腰椎结构体系，该结构体系充分发挥了对猎豹腰椎的结构仿生和功能仿生，通过适度弯曲的弹簧钢板连接，加上双向反螺旋快速调节机构的快速运动与协调控制，可以实现四足机器人的爆发起跳、四足顺畅收拢和展开以及特定身姿的定格等功能；与此同时还充分利用了弹簧钢板的吸能减震的作用；弹簧钢板的连接处所设置的多组连接螺纹孔可实现对前后腰椎位置的控制，从而增加了对机器人整体长度尺寸的可调控性。

Description

可调控柔性弯曲式四足机器人仿生腰椎结构体系

技术领域

本发明涉及一种可调控柔性弯曲式四足机器人仿生腰椎结构体系，具体涉及该仿生腰椎结构体系的结构组成、仿生形态及其功能。

背景技术

当前，机器人技术的研究与应用正得到广泛关注与重视。如今，智能移动机器人的运动方式主要分为车轮式移动、履带式移动、腿足式移动、蠕动式移动、蛇形式移动等。这些运动方式有的对运动地面地形条件要求较高，有的自由度太多，运动缓慢，控制复杂，且大多数无法越过较高障碍物。而跳跃机器人则克服了这些缺点，能轻易越过与自身尺寸相当甚至大于自身尺寸的障碍物，大大提高了机器人的活动范围，增强了机器人的机动能力和生存能力，特别是在复杂地形条件下的星际探险、资源勘察、军事作战中，跳跃机器人能充分利用这个优势，开展卓有成效的工作。

从仿生学角度来看，猎豹等动物之所以具备惊人的奔跑能力，除了它体态轻盈，又有着接近流线型的身体外，更得益于它们拥有一副无与伦比的骨骼构架，尤其是腰椎部分，简直就像一把充满弹性和张力的“弓”——这赐予了它们速度和力量。

为了提高仿生跳跃机器人的运动能力，经过仿生学研究与结构学、运动学、动力学方面的深入思考，我们为跳跃四足机器人配备了弹性腿足和柔性脊柱，特别是其脊柱部分，既借鉴了生物猎豹腰椎的功能特性，又参考了弹性变形储能装置和快速运动调节装置的结构特点，具有构思巧妙、结构紧凑、重量轻盈、功能卓异、性能强劲、制造方便等优点。

相比之下，美国波士顿动力公司制作的BigDog以及其升级版AlphaDog腰部结构不够优异，甚至可以说被忽略掉了，显而易见的是其腰部结构不能为其带来性能上的提升；而日本东京大学做的一款SQ43四足机器人，虽然有柔性腰椎，但过于柔顺，并没有发挥生物腰椎所应有的弹性助力与吸能减震的基本功效；韩国庆北大学电子工程及计算机科学学院的Se-HoonPark等人研制的四足机器人腰部可以活动，但却缺少主动制动的能力，可调节性较差。

发明内容

本发明源于我们团队研制出的一种结合了仿生学研究与结构学、运动学、动力学方面的深入思考的仿生猎豹跑跳机器人。通过仿生原理，针对机器人的腰椎结构死板僵硬、冲击损害过大等缺点，本发明提供一种创新型腰椎结构体系。

本发明的技术方案：

该可调控柔性弯曲式四足机器人仿生腰椎结构体系由两部分组成，一部分为由精密双向反螺旋快速调节机构和步进电机以及相关连接件组成的双向反螺旋快速调节机构，另一部分为主要由弹簧钢板组成的弹性连接部分，共同连接前后两腰椎，组成了一种可调控柔性弯曲式四足机器人仿生腰椎结构体系。

所述腰椎具体来说能够凭借弹簧钢板的弹性变形，上下弯曲，既可配合机器人腿足的伸展与收缩，完成机器人的高速奔跑和爆发起跳，同时能吸能减震。双向反螺旋快速调节机构能够配合机器人腿足的运动变化，当机器人四足收缩时，它能快速收紧，使弹簧钢板向下弯曲，形成“弓背”效应；当机器人四足展开时，它能快速放松，使弹簧钢板向上弯曲，形成“鼓腹”效应，这样机器人的四足就能快速自然伸展开来。同时，双向反螺旋快速调节机构能使弹簧钢板能够绕前后腰椎上的相应转动点转动而形成上下弯曲的柔性转动，并且可在需要时自锁定，保持其腰椎的弯曲程度稳定不变以配合相关动作的协调完成。

所述腰椎双向反螺旋快速调节机构中的双向反螺旋螺杆分为前后两部分，为一基本中心对称的具有较好传导动力能力的梯形螺纹螺杆(仅最前端和最后端的连接口处不同)，通过螺纹紧固件与前后腰椎上的各自连接的拥有一个自由度的特制螺母连接；其后端通过一个万向联轴器连接一个德国百德拉步进电机。由于双向反螺旋螺杆连接上两个特制螺母，步进电机带动它转动时的速度理论上是单节梯形螺纹传动速度的两倍，加上所选步进电机有较好的伺服性能，故能产生惊人的爆发力和伺服性能，同时螺纹还具有较好的自锁能力，有利于保持机器人背部与腹部的伸展与收缩，有助于配合身体所需的特定的运动从而达到仿动物腰椎灵活弹跳的效果。

所述前后腰椎上有多组螺纹孔，通过螺纹紧固件和弹簧钢板相连接；由于每一组螺纹孔都可以和弹簧钢板独立连接，因此便于调节前后腰椎的距离，以协调弹簧钢板所发挥的效果。对于弹簧钢板，单独作用时可有效发挥他吸能减震的特性，将机器人在奔跑与跳跃的过程中产生的冲击力有效地耗散掉，从而减小了过大的地面冲击对零件及其连接部位的损害，自主地维护了体系的使用性能，同时延长了机器人的使用寿命。

有益效果：

通过仿生原理，针对机器人的腰椎结构死板僵硬、冲击损害过大等缺点，本发明提供一种设计巧妙、结构精致、重量轻盈、功能卓异、性能强劲、制造方便，且兼具柔韧性连接、爆发性力强、响应速度快、调节方便、辅助减震功能的新型腰椎结构体系。

附图说明

图1为可调控柔性弯曲式四足机器人仿生腰椎结构体系整体图；

图2为双向反螺旋快速调节机构示意图；

图3为双向反螺旋快速调节机构半剖视图；

图4为双向反螺旋快速调节机构正视图；

图5为特制螺母模型示意图；

图6为弹性仿生腰椎结构示意图。

图中标号：

1-前腰椎；

2-弹簧钢板；

3-后腰椎；

4-德国百德拉步进电机；

5-万向联轴器；

6-特制螺母；

7-双向反螺旋螺杆。

具体实施方式

本发明提供了一种可调控柔性弯曲式四足机器人仿生腰椎结构体系，具体涉及该仿生腰椎结构体系的结构组成、仿生形态及其功能。下面结合附图和具体实施方式对本发明的结构做进一步详细说明。

如图1，是我们所设计的可调控柔性弯曲式四足机器人仿生腰椎结构体系整体示意图，由(1)—(7)共7个主要零件组成，其中(1)和(3)分别为前腰椎和后腰椎，用于对跑跳机器人包括腰部在内的腰椎结构的仿生，同时与弹簧钢板(2)连接处设置一系列的螺纹孔，不仅可以减重，还方便弹簧钢板的安装，同时可以通过在不同位置固定弹簧钢板而调节前后腰椎的距离，从而调节机器人整体长度尺寸；(2)为半弯曲的弹簧钢板，材料为弹簧钢，由于具有较好的弹性和韧性，不仅可以柔性连接前后腰椎，同时又具有吸能减震的效果，可大大减少跳跃时地面冲击对机器人身体零部件的损害，从而能有效地保护机器人；(6)为两个螺纹旋向相反的特制螺母，(7)为双向反螺旋螺杆，该螺杆与特制螺母通过螺纹配合，同时通过万向联轴器(5)与德国百德拉步进电机(4)相连接，并将步进电机提供的动力传到特制螺母上，从而快速带动前后腰椎的收缩和舒张，既可以协调四足的收拢和展开，同时能为起跑蓄力，也可以配合保持身体姿势，调节身体的稳定性。

Claims (4)

1.一种可调控柔性弯曲式四足机器人仿生腰椎结构体系，其特征在于机器人的前后腰椎通过弹簧钢板和双向反螺旋螺杆的共同连接与有机协调，当机器人四足需要收拢时，双向反螺旋螺杆机构能够快速收紧，使弹簧钢板向下弯曲，使机器人形成“弓背”效应；当机器人四足需要展开时，双向反螺旋螺杆能够快速放松，使弹簧钢板向上弯曲，使机器人形成“鼓腹”效应，充分发挥弹簧钢板的柔性弯曲作用，协调配合机器人腿足的跑跳运动，实现对跳跃型、奔跑型机器人腰椎结构功能的仿生。

2.根据权利要求1所述的可调控柔性弯曲式四足机器人仿生腰椎结构体系，其特征在于前后腰椎与弹簧钢板的连接部分设计有多个螺纹孔，既便于相关零件的安装和拆卸，也便于实现对机器人前后腰椎距离的快速调节，还便于对机器人身长尺寸进行调整。

3.根据权利要求1所述的可调控柔性弯曲式四足机器人仿生腰椎结构体系，其特征在于用弹簧钢做的弹簧钢板可以充分模拟生物腰椎具有的良好弹韧性，能吸能减震，很好的保护机器人零部件。

4.根据权利要求1所述的可调控柔性弯曲式四足机器人仿生腰椎结构体系，其特征在于双向反螺旋螺杆和特制螺母共同形成的连接方式，既可实现机器人腰椎形状的快速调节运动，同时还保持了机器人腰椎结构简便轻巧、控制灵活的特点。