CN104859745A - 一种在腰部使用变胞机构的多足仿生机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在腰部使用变胞机构的多足仿生机器人，包括一个闭链和多条开链，闭链是由第一至第六杆构成的一个变胞六杆机构；第二、六杆长度相同，第三、五杆的长度相同；第二、三杆通过第一虎克铰链相连，第六、五杆通过第二虎克铰链相连；每条开链的结构相同，每条开链均为一2R串联机构且均分别通过一转动铰链与闭链中一条杆件铰接，每条开链中的各杆位于同一平面内。本发明将变胞机构应用到多足仿生机器人的腰部，利用变胞机构变构态、变自由度的特性，实现多足仿生机器人腰部变形，从而更好地模仿各类动物的腰部结构，实现对多类动物仿生，集多类动物优点于一身，提高多足仿生机器人的灵活性和对不同地形环境的适应能力。
Description
技术领域
本发明属于仿生机器人技术领域，涉及一种在腰部使用变胞机构的多足仿生机器人。
背景技术
多足仿生机器人机构简单且灵活，承载能力强、稳定性好，不仅能在复杂的非结构路面上行走，轻易地跨过较大的障碍(如壕沟、岩石等)，而且能以动态步态实现快速移动。多足仿生机器人可以代替人完成许多危险作业，在军事、矿山开采、核能工业、星球探测、消防营救、建筑业、农林采伐、示教娱乐等领域有着广阔的应用前景。
然而，传统多足仿生机器人在模仿动物时，关注点大多集中在腿部结构，而对于腰部结构常常没有给予太多关注。传统多足仿生机器人腰部普遍采用刚性结构。其缺点在于：1)腰部不可动，仅起支撑和载物平台的作用，对机器人的运动和姿势不起任何作用。2)多足仿生机器人刚性结构的腰部，无法改变其形状，机器人各条腿的相对位置保持不变，机器人只能通过改变腿部姿态来实现行走、奔跑、避障和转弯等动作，腰部对仿生机器人的运动和适应性调节不起任何作用，而且刚性的腰部结构极大地限制了机器人整体工作空间和灵活度。3)多足仿生机器人刚性腰部极大限制了机器人对自身重心的调节性能，使得机器人行走的稳定裕度很小，步态中存在临界稳定状态，行走过程不稳定。4)步态规划方面，刚性腰的仿生机器人步态有限，无法实现类似于动物的上下弓腰、仰腰、扭腰的动作。5)刚性腰部无法起到缓冲减震的作用，同时也限制了行走速度。6)传统仿生机器人只能模仿特定的一种动物，不能同时模仿多种动物的形态。
发明内容
针对传统多足爬行机器人的局限性，创造一种可变形，灵活，自适应能力更强的多足变胞仿生机器人，本发明提供一种在腰部使用变胞机构的多足仿生机器人。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种在腰部使用变胞机构的多足仿生机器人，包括一个闭链和多条开链，所述闭链是由第一杆、第二杆、第三杆、第四杆、第五杆和第六杆构成的一个变胞六杆机构；第一杆的两端分别通过第一转动铰链和第二转动铰链与第二杆的一端和第六杆的一端相连，第一转动铰链和第二转动铰链的轴线相互平行；第四杆的两端分别通过第三转动铰链和第四转动铰链与第三杆的一端和第五杆的一端相连，第三转动铰链和第四转动铰链的轴线相互平形；所述第二杆和所述第六杆长度相同，所述第三杆与所述第五杆的长度相同。第二杆和第三杆通过第一虎克铰链相连，第一虎克较链的两条轴线中，其中一条轴线与第一转动铰链的轴线垂直，另一条轴线与第三转动铰链的轴线平行；第六杆和第五杆通过第二虎克铰链相连，第二虎克铰链的两条轴线中，其中一条轴线与第二转动铰链的轴线垂直，另一条轴线与第四转动铰链的轴线平行；每条开链的结构相同，均分别包括第七杆、第八杆和第九杆，所述第七杆、第八杆和第九杆位于同一平面内；当开链数目为四条时，每条开链中的第七杆均分别通过第七转动铰链与第二杆、第三杆、第五杆和第六杆转动铰接，四条开链与第二杆、第三杆、第五杆和第六杆之间的四个第七转动铰链的轴线与第一转动铰链的轴线平行、且落在第七杆、第八杆和第九杆所在平面内；开链数目为六条时，每条开链中的第七杆均分别通过第七转动铰链与第一杆、第二杆、第三杆、第四杆、第五杆和第六杆转动铰接，六条开链与第一杆、第二杆、第三杆、第四杆、第五杆和第六杆之间的六个第七转动铰链的轴线与第一转动铰链的轴线平行，且落在第七杆、第八杆和第九杆所在平面内。
进一步讲，每条开链均为一2R串联机构。
第一虎克铰链中与第一转动铰链轴线垂直的转动铰链为转动铰链A，另一个转动铰链为转动铰链B；第二虎克铰链中与第二转动铰链轴线垂直的转动铰链为转动铰链A，另一个转动铰链为转动铰链B。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明中将变胞机构应用到多足仿生机器人的腰部，通过变胞机构在运动过程中改变机构构态，自由度，实现了腰部构型的改变。从而更好地模仿各类动物的腰部结构，实现对多类动物仿生，集多类动物优点于一身，包括哺乳类动物的速度、爬行类动物的灵活性以及昆虫类动物的稳定性，进而提高多足仿生机器人的灵活性和对不同地形环境的适应能力，实现更多的应用。
附图说明
图1是本发明变胞多足仿生机器人的结构示意图；
图2是图1中闭链结构示意图；
图3是图1中一个开链的结构示意图；
图4是本发明变胞多足仿生机器人模仿哺乳类动物的结构示意图；
图5是本发明变胞多足仿生机器人模仿节肢类动物的结构示意图；
图6是本发明变胞多足仿生机器人模仿昆虫类动物的结构示意图；
图7是本发明变胞多足仿生机器人具有六条开链的结构示意图；
图8是本发明变胞多足仿生机器人模仿蜈蚣的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，其描述仅是对本发明的解释性说明，并不用以限制本发明。
实施例一、在腰部使用变胞机构的多足仿生机器人，且具有四条开链结构。
如图1所示，本发明提出一种在腰部使用变胞机构的多足仿生机器人，包括一个闭链和四条开链，所述闭链是由第一杆1、第二杆2、第三杆3、第四杆4、第五杆5和第六杆6构成的一个变胞六杆机构。
如图2所示，第一杆1的两端分别通过第一转动铰链7和第二转动铰链8与第二杆2的一端和第六杆6的一端相连，第一转动铰链7和第二转动铰链8的轴线相互平行；第四杆4的两端分别通过第三转动铰链9和第四转动铰链10与第三杆3的一端和第五杆5的一端相连，第三转动铰链9和第四转动铰链10的轴线相互平形；所述第二杆2和所述第六杆6长度相同，所述第三杆3与所述第五杆5的长度相同。第二杆2和第三杆3通过第一虎克铰链11相连，第一虎克较链11的两条轴线中，其中一条轴线与第一转动铰链7的轴线垂直，另一条轴线与第三转动铰链9的轴线平行；第六杆6和第五杆5通过第二虎克铰链12相连，第二虎克铰链12的两条轴线中，其中一条轴线与第二转动铰链8的轴线垂直，另一条轴线与第四转动铰链10的轴线平行。
四条开链的结构相同，每条开链均为一2R串联机构。如图3所示，每条开链均分别包括第七杆13、第八杆14和第九杆15，所述第七杆13、第八杆14和第九杆15位于同一平面内，所述第八杆14的两端分别通过第五转动铰链16和第六转动铰链17与第七杆13和第九杆15相连，所述第五转动铰链16和第六转动铰链17的轴线相互平行。
如图1所示，四条开链中的第七杆13均分别通过第七转动铰链18与第二杆2、第三杆3、第五杆5和第六杆6转动铰接，四条开链与第二杆2、第三杆3、第五杆5和第六杆6之间的四个第七转动铰链18的轴线与第一转动铰链7的轴线平行、且落在第七杆13、第八杆14和第九杆15所在平面内。
本发明中，在闭链结构中如果将两个虎克铰铰链分解为两个轴线相互垂直的转动铰链，如：第一虎克铰链11中与第一转动铰链7轴线垂直的转动铰链为转动铰链A，另一个转动铰链为转动铰链B；第二虎克铰链12中与第二转动铰链8轴线垂直的转动铰链为转动铰链A，另一个转动铰链为转动铰链B；则该闭链结构共包含八个转动铰链，如图2所示，在这八个转动铰链中的第一转动铰链7、第一虎克铰链11中的转动铰链B、第三转动铰链9、第四转动铰链10、第二虎克铰链12中的转动铰链B、第二转动铰链8中的任意三个作为驱动再加上第一虎克铰链11中的转动铰链A和第二虎克铰链12中的转动铰链A的任意一个即可驱动该闭链结构，同时，驱动每条开链中的所述第五转动铰链16、第六转动铰链17和连接闭链和开链的第七转动铰链18，从而使本发明多足仿生机器人模仿多足不同形态。
本发明中可以具有多种不同的驱动形式，实际应用中可以择优选用，其择优的原则是：保证在各种构态下都能实现完全驱动，以及驱动过程中压力角较小，另外尽可能对称分布，以保证整个闭链结构质量分布均匀。
下面通过选取闭链中的第一转动铰链7、第三转动铰链9、第四转动铰链10以及第二虎克铰链12中的转动铰链A为驱动关节进行说明。
因为本发明变胞多足仿生机器人中闭链结构为一个变胞机构，因此可以通过改变闭链构态以及相应调整四条开链的形态模仿多种动物形态。例如驱动第一转动铰链7、第三转动铰链9、第四转动铰链10使得第一杆1与第二杆2垂直，第三杆3和第四杆4垂直，第四杆4和第五杆5垂直，这时闭链构态为如图1种所示的矩形，很容易从图1看出，此时第一虎克铰链11中的转动铰链A轴线与第二虎克铰链12中的转动铰链A轴线共线，因此这时驱动第二虎克铰链12中的转动铰链A可以使得第三杆3、第四杆4和第五杆5绕着这条共线的轴线旋转，这时通过驱动各条开链中第五转动铰链16、第六转动铰链17以及连接闭链与各个开链的第七转动铰链18，使得第八杆14近似水平，第九杆15近似竖直，每条开链所在平面与闭链中连接该条开链的对应杆近似垂直。这时变胞多足仿生机器人模仿的是爬行类动物(例如蜥蜴)的形态，如图1。
在图1基础上保持第一转动铰链7、第三转动铰链9、第四转动铰链10角度不变，驱动第二虎克铰链12中的转动铰链A使得第三杆3、第四杆4、第五杆5所在平面与第一杆1、第二杆2、第六杆6所在平面形成一个近似30度的夹角，同时驱动每条开链中的第五转动铰链16、第六转动铰链17以及连接闭链与各个开链的第七转动铰链18，使得第八杆14向下倾斜，第九杆15近似竖直，第八杆14与第九杆15之间成特定角度，并且使得每条开链所在平面与闭链中连接该条开链的对应杆近似共面。这时变胞多足仿生机器人模仿的是哺乳类动物(例如马)的形态，如图4。
在图1基础上驱动第一转动铰链7、第三转动铰链9、第四转动铰链10使得第一杆1与第二杆2，第三杆3与第四杆4，第四杆4与第五杆5之间的夹角近似为120度，同时驱动每条开链中的第五转动铰链16、第六转动铰链17以及连接闭链与各个开链的第七转动铰链18，使得第八杆14向上倾斜，第八杆14与第九杆15之间夹角近似60度，并且使得每条开链所在平面与闭链中连接该条开链的对应杆近似垂直，这时四条开链关于闭链中心对称分布且第一虎克铰链11中的转动铰链A轴线与第二虎克铰链12中的转动铰链A轴线不共线，所以此时第一虎克铰链11中的转动铰链A和第二虎克铰链12中的转动铰链A被锁死。这时变胞多足仿生机器人模仿的是节肢类动物(例如蜘蛛)的形态，如图5。
在图1基础上驱动第二虎克铰链12中的转动铰链A使得第三杆3、第四杆4、第五杆5所在平面绕第二虎克铰链12中的转动铰链A轴线旋转180度，这时第三杆3与第二杆2重合、第四杆4和第一杆1重合、第五杆5和第六杆6重合，且第三转动铰链9轴线和第一转动铰链7轴线共线，第四转动铰链10和第二转动铰链8共线。驱动第一转动铰链7和第三转动铰链9转动相同角度、第四转动铰链10，使得第一杆1与第二杆2(第三杆3和第四杆4)、第一杆1与第六杆6(第四杆4与第五杆5)夹角近似150度，这时闭链结构折叠成一个串联2R结构。这时变胞多足仿生机器人模仿的是昆虫类动物(例如螳螂)的形态，如图6。
实施例二、在腰部使用变胞机构的多足仿生机器人，且具有六条开链结构。
图7所示的是本发明中具有六条开链形式的实施例，六条开链的结构相同，每条开链均为一2R串联机构。如图3所示，每条开链均分别包括第七杆13、第八杆14和第九杆15，所述第七杆13、第八杆14和第九杆15位于同一平面内，所述第八杆14的两端分别通过第五转动铰链16和第六转动铰链17与第七杆13和第九杆15相连，所述第五转动铰链16和第六转动铰链17的轴线相互平行。
如图7所示，六条开链中的第七杆13均分别通过第七转动铰链18与第一杆1、第二杆2、第三杆3、第四杆4、第五杆5和第六杆6转动铰接，六条开链与第一杆1、第二杆2、第三杆3、第四杆4、第五杆5和第六杆6之间的六个第七转动铰链18的轴线与第一转动铰链7的轴线平行、且落在第七杆13、第八杆14和第九杆15所在平面内。
六条开链的实施例中闭链结构以及驱动选择和四条开链的实施例完全相同，这里不再累述。下面仍然通过选取闭链中的第一转动铰链7、第三转动铰链9、第四转动铰链10以及第二虎克铰链12中的转动铰链A为驱动关节进行说明该实施例的变形。
在图7基础上第一转动铰链7、第三转动铰链9、第四转动铰链10使得第一杆1与第二杆2，第三杆3与第四杆4，第四杆4与第五杆5之间的夹角近似垂直，如图2所示，然后驱动第二虎克铰链12中的转动铰链A使得第三杆3、第四杆4、第五杆5所在平面绕第二虎克铰链12中的转动铰链A轴线旋转180度，这时第三杆3与第二杆2重合、第四杆4和第一杆1重合、第五杆5和第六杆6重合，且第三转动铰链9轴线和第一转动铰链7轴线共线，第四转动铰链10和第二转动铰链8共线。驱动第一转动铰链7和第三转动铰链9转动相同角度、第四转动铰链10，使得第一杆1与第二杆2(第三杆3和第四杆4)、第一杆1与第六杆6(第四杆4与第五杆5)夹角近似150度，这时闭链结构折叠成一个串联2R结构。这时变胞多足仿生机器人模仿的是节肢类动物(例如蜈蚣)的形态，如图8。
本发明中，空间六杆变胞机构(即闭链)具有多种构态，每种构态下机构拓扑结构以及自由度不尽相同。
本发明变胞多足仿生机器人的腰部机构(闭链)可变形，可进行运动和适应性调节。例如在遇到较窄弯道的时候，本发明可以使腰部扭转一个角度，能够顺利地拐过该弯道，而如果是刚性腰的仿生机器人则不能做到这一点。
本发明变胞多足仿生机器人通过腰部机构(闭链)变形，可以调节腰部(闭链)整体的重心，使得腰部的重心始终处在稳定域中最佳的位置，这样能使变胞仿生机器人运行更加稳定。
本发明变胞多足仿生机器人通过腰部机构(闭链)的变形，可以实现弓腰，仰腰，扭腰的动作，这些动作对仿生机器人运动适应性的调节是大有裨益的，这一点是刚性腰机器人做不到的。
本发明变胞多足仿生机器人通过腰部关节(虎克铰链和转动铰链)的运动可以在奔跑过程中起到缓冲和减震的作用，同时具有一定柔性的腰部可以大大提高机器人的奔跑速度，这儿一点可以从模拟的马和猎豹的奔跑姿态和速度中得到证实。
本发明变胞多足仿生机器人通过腰部机构(闭链)的变化，机器人人不仅能改变各条腿(开链)之间的相对位置关系，同时还可以改变腰部本身的形态和刚度，并且综合以上两种变化，可以组合出多类动物形态，实现对多种动物形态的仿生，进而可以集各类动物的特点于一身，如爬行类动物的灵活性，昆虫类动物的稳定性，哺乳类动物的速度，节肢类动物手脚共用特性。
通过分析自然界中的爬行动物腰部脊椎骨骼结构，其结构对应于本发明闭链中的虎克铰链。同时考虑到各种动物的腿的相对位置关系，本发明中提出了可变腰(可变闭链)的概念，即，将平面六杆机构中的两个转动副换成了虎克铰链，得到了一种具有多种构态的空间六杆变胞机构。
前三条腰杆由轴线相互平行的两个转动副连接，因此前三条腰杆(第三杆3、第四杆4和第五杆5)始终共面，形成前半腰平面。同理，后三条腰杆(第二杆2、第一杆1和第六杆6)也始终共面，形成后半腰平面。闭链中的位于前后平面之间的左右两个虎克铰链中的水平方向的转动轴线都在这两个平面上。根据这两条交线是否共线，可以得到两种不同的构态，即平面构态和空间构态。
平面构态：当两个虎克铰链中的水平方向轴线的不共线时，根据几何学基本定理：两相交平面有且仅有一条交线可知，此时前后两个半腰平面重合，这时两虎克铰链中的水平方向轴线不能转动，被锁死。这时闭链机构等价于一个三自由度的平面六杆机构。
空间构态：当两个虎克铰链中的水平方向轴线的共线时，前后两半腰平面可以绕这条共线的轴线相对旋转，这时前后两个半腰平面不再重合，而且同样根据几何学基本定理可得，只要前后半腰平面不共面，两虎克铰链的水平轴线就必共线。所以在这一种构态下，后半腰的两个转动副不能旋转(因为一旦旋转两虎克铰链的水平轴线将不再共线)，被锁死在90度的位置。这时机构等价于一个两自由度的空间四杆机构。
(平面和空间)两种构态的过渡构态是前后半腰平面共面同时左右两虎克较链的水平方向轴线共线，在过渡状态上机构即可自由进入以上两种构态的任何一种。而且在平面构态中还有一种特殊情况，即在空间构态下，当前半腰平面绕虎克较链的水平轴线(左右两虎克较链在空间构态下水平方向轴线共线)旋转180度后，前后半腰平面又共面，此时闭链机构也是两种构态的过渡构态，特别是当前腰杆(第二杆4)和后腰杆(第一杆1)重合的时候，机构变成了一个两自由度的串联机构。
通过将上述空间六杆变胞机构作为爬行动物腰部结构，并在空间六杆变胞机构杆件中点处对称布置腿(开链)即可得到变胞仿生机器人。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (3)
1.一种在腰部使用变胞机构的多足仿生机器人，包括一个闭链和多条开链，其特征在于：
所述闭链是由第一杆(1)、第二杆(2)、第三杆(3)、第四杆(4)、第五杆(5)和第六杆(6)构成的一个变胞六杆机构；
第一杆(1)的两端分别通过第一转动铰链(7)和第二转动铰链(8)与第二杆(2)的一端和第六杆(6)的一端相连，第一转动铰链(7)和第二转动铰链(8)的轴线相互平行；
第四杆(4)的两端分别通过第三转动铰链(9)和第四转动铰链(10)与第三杆(3)的一端和第五杆(5)的一端相连，第三转动铰链(9)和第四转动铰链(10)的轴线相互平形；
所述第二杆(2)和所述第六杆(6)长度相同，所述第三杆(3)与所述第五杆(5)的长度相同；
第二杆(2)和第三杆(3)通过第一虎克铰链(11)相连，第一虎克较链(11)的两条轴线中，其中一条轴线与第一转动铰链(7)的轴线垂直，另一条轴线与第三转动铰链(9)的轴线平行；
第六杆(6)和第五杆(5)通过第二虎克铰链(12)相连，第二虎克铰链(12)的两条轴线中，其中一条轴线与第二转动铰链(8)的轴线垂直，另一条轴线与第四转动铰链(10)的轴线平行；
每条开链的结构相同均分别包括第七杆(13)、第八杆(14)和第九杆(15)，所述第七杆(13)、第八杆(14)和第九杆(15)位于同一平面内，所述第八杆(14)的两端分别通过第五转动铰链(16)和第六转动铰链(17)与第七杆(13)和第九杆(15)相连，所述第五转动铰链(16)和第六转动铰链(17)的轴线相互平行；
当开链数目为四条时，每条开链中的第七杆(13)均分别通过第七转动铰链(18)与第二杆(2)、第三杆(3)、第五杆(5)和第六杆(6)转动铰接，四条开链与第二杆(2)、第三杆(3)、第五杆(5)和第六杆(6)之间的四个第七转动铰链(18)的轴线与第一转动铰链(7)的轴线平行、且落在第七杆(13)、第八杆(14)和第九杆(15)所在平面内；
当开链数目为六条时，每条开链中的第七杆(13)均分别通过第七转动铰链(18)与第一杆(1)、第二杆(2)、第三杆(3)、第四杆(4)、第五杆(5)和第六杆(6)转动铰接，六条开链与第一杆(1)、第二杆(2)、第三杆(3)、第四杆(4)、第五杆(5)和第六杆(6)之间的六个第七转动铰链(18)的轴线与第一转动铰链(7)的轴线平行，且落在第七杆(13)、第八杆(14)和第九杆(15)所在平面内。
2.根据权利要求1所述在腰部使用变胞机构的多足仿生机器人，其特征在于，每条开链均为一2R串联机构。
3.根据权利要求1所述在腰部使用变胞机构的多足仿生机器人，其特征在于，第一虎克铰链(11)中与第一转动铰链(7)轴线垂直的转动铰链为转动铰链A，另一个转动铰链为转动铰链B；第二虎克铰链(12)中与第二转动铰链(8)轴线垂直的转动铰链为转动铰链A，另一个转动铰链为转动铰链B。
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