CN103991490B - 一种可侧向弯曲和上下弯曲的仿生柔性机体 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可侧向弯曲和上下弯曲的仿生柔性机体，属于仿生机器人技术领域。本发明所述的仿生柔性机体由前机体、后机体、气动人工肌肉组件和仿生脊椎和滑块移动机构构成。气动人工肌肉组件通过滑块移动机构分别与前机体和后机体相连。仿生脊椎前端和后端分别通过螺钉与前机体和后机体相连。本发明所述仿生柔性机体可以实现侧向弯曲和上下俯仰弯曲运动，具有柔顺性、灵活性、仿生效果好等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种可侧向弯曲和上下弯曲运动的仿生柔性机体，适用于四足仿生机器人，能提高四足机器人适应非结构化环境的机动性。
背景技术
随着机器人技术的进步，四足机器人向着更好的机动性和高速动态稳定性方向发展，如四足机器人需具备快速转向或者奔跑等。通过观察四足动物（如猎豹、狗、马）在转向或奔跑时，其柔性机体呈现侧向弯曲和俯仰运动特点。从生物运动机理启发，为实现四足机器人的快速转向或奔跑功能，其机体需具备一定的弯曲能力。
国内外对四足机器人的研究多集中在环境感知、步态规划、步行控制等方面，在四足机器人仿生柔性机体研究方面未见报道。本发明涉及一种具有侧向弯曲和上下俯仰弯曲能力的仿生柔性机体机构。
发明内容
本发明的目的在于针对已有的技术存在的不足，提供一种可侧向弯曲和上下弯曲运动的机体，具有结构简单紧凑、运动灵活、柔顺性和良好的仿生效果等特点。
本发明所采用的技术方案是：一种可侧向弯曲和上下弯曲的仿生柔性机体，由1个前机体、1个后机体、4组气动人工肌肉组件、1条仿生脊椎和4对滑块移动机构组成。所述的前机体和后机体为空间框架结构，4组气动人工肌肉组件通过4对滑块移动机构与前机体、后机体相连，其中2组安装在机体左侧，另外2组安装在机体右侧，同侧的2组平行上下布置。仿生脊椎前后端分别通过螺钉与前机体、后机体相连。
所述的气动人工肌肉组件包括2个关节轴承、2个螺纹杆、1根气动人工肌肉和1个接气件。关节轴承通过螺纹杆与气动人工肌肉相连；关节轴承通过螺纹杆和接气件与气动人工肌肉相连；其中接气件用于向气动人工肌肉中进行充放气。
所述的滑块移动机构包括前机体、气缸、滑块。前机体、后机体上分别开有与滑块形成移动副的矩形槽；气缸固定于前机体上；气缸的活塞与滑块相连，通过给气缸充放气，就可以使滑块在前机体的矩形槽上滑动。
所述的仿生脊椎由若干节结构完全相同大小不同的仿生脊椎单元，从小到大依次排列而成。每一节仿生脊椎单元包括一个仿生椎骨和三根弹簧。前一节的仿生椎骨和后一节的仿生椎骨形成球副连接。同时，前一节的仿生椎骨和后一节的仿生椎骨通过三根弹簧连接，使整个仿生脊椎具有柔性。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步：
一、本发明改变传统四足机器人刚性机体的设计理念，将仿生脊椎和仿生人工肌肉驱动相结合，设计出一款可弯曲俯仰运动机器人机体。可扩展用于其它仿生机器人设计中。
二、本发明使机器人更加具有仿生性，仿照四足生物在转向时机体的弯曲，奔跑时机体的俯仰运动，即符合仿生学，又有高柔性的特点。
三、本发明面对气动人工肌肉无法伸长的应用局限，提出一种长度补偿措施。
附图说明
图1是本发明一种可侧向弯曲和上下弯曲的仿生柔性机体的初始状态示意图；
图2是本发明一种可侧向弯曲和上下弯曲的仿生柔性机体的气动人工肌肉组件图；
图3是本发明一种可侧向弯曲和上下弯曲的仿生柔性机体的机体的滑块图；
图4是本发明一种可侧向弯曲和上下弯曲的仿生柔性机体的侧向弯曲状态示意图；
图5是本发明一种可侧向弯曲和上下弯曲的仿生柔性机体的上下弯曲状态示意图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细说明：
实施例1
如图1~图4所示，本发明一种可侧向弯曲和上下弯曲的仿生柔性机体，由1个前机体（Ⅰ）、1个后机体（Ⅴ）、4组气动人工肌肉组件（Ⅱ）、1条仿生脊椎（Ⅲ）和4对滑块移动机构（Ⅳ）组成；其特征在于：所述的前机体（Ⅰ）和后机体（Ⅴ）为空间框架结构；4组气动人工肌肉组件（Ⅱ）通过4对滑块移动机构（Ⅳ）与前机体（Ⅰ）、后机体（Ⅴ）相连，其中2组安装在机体左侧，另外2组安装在机体右侧，同侧的2组平行上下布置；仿生脊椎（Ⅲ）前后端分别通过螺钉与前机体（Ⅰ）、后机体（Ⅴ）相连。
实施例2：
参见图2，本实施例与实施例1基本相同，特别之处是：所述的气动人工肌肉组件（Ⅱ）包括2个关节轴承（2、7）、2个螺纹杆（3、6）、1根气动人工肌肉（4）和1个接气件（5）。其中一个关节轴承（2）通过一个螺纹杆（3）与气动人工肌肉（4）的一端相连；而另一个关节轴承（7）通过另一个螺纹杆（6）和接气件（5）与气动人工肌肉（4）的另一端相连；其中接气件（5）有接气孔连通气动人工肌肉（4）内腔而对其进行充放气。
实施例3：
参见图3，本实施例与实施例1基本相同，特别之处是：所述的4对滑块移动机构（Ⅳ）结构相同，每个滑块移动机构（Ⅳ）包括前机体（Ⅰ）、气缸（8、26、25、24、16、17、19和20）、滑块（9、13、22、23、15、14、18和21）。前机体（Ⅰ）、后机体（Ⅴ）上分别开有与滑块（9、13、22、23、15、14、18和21）形成移动副的矩形槽；气缸（8、26、25、24、16、17、19和20）固定于前机体（Ⅰ）上；气缸的活塞与滑块相连，通过给气缸充放气，就可以使滑块，分别在前机体（Ⅰ）和后机体（Ⅴ）的矩形槽上滑动。
实施例4：
参见图4，本实施例与实施例1基本相同，特别之处是：所述的仿生脊椎（Ⅲ）由若干节结构完全相同大小不同的仿生脊椎单元，从小到大依次排列而成；每一节仿生脊椎单元包括一个仿生椎骨（10）和三根弹簧（11），前一节的仿生椎骨（10）和后一节的仿生椎骨（12）形成球副连接；同时，前一节的仿生椎骨（10）和后一节的仿生椎骨（12）通过三根弹簧（11）连接，使整个仿生脊椎（Ⅲ）具有柔性。
本发明一种可弯曲俯仰运动的机体工作原理结合附图说明如下：初始状态时，8个气缸（8、16、17、19、20、24、25、26）充气，使他们的活塞处于收缩状态。弯曲时，4个气缸（8、16、17、26）放气，其余气缸保持不变。同时两根气动人工肌肉（29、30）充气，此时，4个滑块（9、13、14、15）移动，弥补两气动人工肌肉（27、28）无法拉伸的长度。俯仰时，4个气缸（17、20、24、26）放气，其余气缸保持不变。同时两根气动人工肌肉（27、30）充气，此时，4个滑块（13、14、21、23）移动，弥补两气动人工肌肉（28、29）无法拉伸的长度。
Claims (3)
1.一种可侧向弯曲和上下弯曲的仿生柔性机体，由1个前机体（Ⅰ）、1个后机体（Ⅴ）、4组气动人工肌肉组件（Ⅱ）、1条仿生脊椎（Ⅲ）和4对滑块移动机构（Ⅳ）组成，其特征在于：所述的前机体（Ⅰ）和后机体（Ⅴ）为空间框架结构；4组气动人工肌肉组件（Ⅱ）通过4对滑块移动机构（Ⅳ）与前机体（Ⅰ）、后机体（Ⅴ）相连，其中2组安装在机体左侧，另外2组安装在机体右侧，同侧的2组平行上下布置；仿生脊椎（Ⅲ）前后端分别通过螺钉（1）与前机体（Ⅰ）、后机体（Ⅴ）相连；所述的气动人工肌肉组件（Ⅱ）包括2个关节轴承（2、7）、2个螺纹杆（3、6）、1根气动人工肌肉（4）和1个接气件（5），其中一个关节轴承（2）通过一个螺纹杆（3）与气动人工肌肉（4）的一端相连；而另一个关节轴承（7）通过另一个螺纹杆（6）和接气件（5）与气动人工肌肉（4）的另一端相连；接气件（5）有接气孔连通气动人工肌肉（4）内腔而对气动人工肌肉进行充放气。
2.根据权利要求1所述的可侧向弯曲和上下弯曲的仿生柔性机体，其特征在于所述的4对滑块移动机构（Ⅳ）结构相同，每个滑块移动机构（Ⅳ）包括前机体（Ⅰ）、气缸（8、26、25、24、16、17、19和20）、滑块（9、13、22、23、15、14、18和21）；前机体（Ⅰ）、后机体（Ⅴ）上分别开有与滑块（9、13、22、23、15、14、18和21）形成移动副的矩形槽；气缸（8、26、25、24、16、17、19和20）固定于前机体（Ⅰ）上；气缸的活塞与滑块相连，通过给气缸充放气，就可以使滑块，分别在前机体（Ⅰ）和后机体（Ⅴ）的矩形槽上滑动。
3.根据权利要求1所述的可侧向弯曲和上下弯曲的仿生柔性机体，其特征在于所述的仿生脊椎（Ⅲ）由若干节结构完全相同大小不同的仿生脊椎单元，从小到大依次排列而成；每一节仿生脊椎单元包括一个仿生椎骨（10）和三根弹簧（11），前一节的仿生椎骨（10）和后一节的仿生椎骨（12）形成球副连接；同时，前一节的仿生椎骨（10）和后一节的仿生椎骨（12）通过三根弹簧（11）连接，使整个仿生脊椎（Ⅲ）具有柔性。
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