CN104875812A - 一种用于四足机器人的四叶草形状的刚度可调柔顺脊柱 - Google Patents

一种用于四足机器人的四叶草形状的刚度可调柔顺脊柱 Download PDF

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Abstract

一种用于四足机器人的四叶草形状的刚度可调柔顺脊柱，脊柱包括弹性构件、刚性构件、俯仰方向拉紧绳索和偏转方向拉紧绳索，弹性构件和刚性构件均为四叶草截面形状，弹性构件和刚性构件交替排列并且在四叶草结构叶瓣处留有穿绳孔，绳索沿着脊柱方向布置，其一端固定在脊柱末端，另一端通过穿绳孔延伸到脊柱的前端，刚性构件沿径向方向留有削边以容纳弹性构件在轴向拉紧的作用下产生的挤压，通过分别改变俯仰方向的拉紧绳索和偏转方向的拉紧绳索的拉紧程度可以实现柔顺脊柱在俯仰和偏转正交二维两个方向的刚度可调。该发明通过将传统足式机器人中的刚性躯干设计为具有四叶草形状的刚度可调柔顺脊柱，可以提高机器人的动态运动性能。

Description

一种用于四足机器人的四叶草形状的刚度可调柔顺脊柱
技术领域
本发明涉及一种用于四足机器人的柔顺脊柱，具体涉及一种模仿四叶草形状设计的刚度大小和方向可调的柔顺脊柱。
背景技术
从四足机器人的发展历程来看，四足机器人研究逐渐向高性能、高速、仿生方向发展。现有的四足机器人躯干以刚体为主，而且目前国内外大多数研究仍然集中于具有刚性身体结构四足机器人。美国波士顿动力公司制作的BigDog是四足机器人的最高成就，它能够适应冰面、雪地、草地等多种地形，并表现出超强的抗侧向扰动能力。日本东京大学制作的一款SQ43四足机器人虽然有柔顺脊柱，但过于柔顺，并没有发挥脊柱所应用有的弹性助力与吸能减震的基本作用。刚性躯体的仿生四足机器人平台无法充分利用四足动物的重要机能---脊柱在动物奔跑时的作用。从生物学观点来看，目前研发的四足机器人和四足动物的重要区别是脊柱。它是控制身体姿态的中心，并且耦合躯干和四肢的运动。例如，陆上奔跑速度最快的动物—猎豹，在短距离冲刺时最大运动速度可以达到110km/h，这完全得益于奔跑过程中脊柱大范围的伸展和弯曲。脊柱的这种运动可以增加四肢的摆动相、更快的让四肢前进，因此产生更多的动力和速度的提升。
发明内容
本发明要解决的技术问题：四足机器人的躯干一般是由刚性结构，其在结构设计上忽略了自然界中四足动物的脊柱在高速奔跑和急转弯时的柔顺性，柔顺脊柱在机器人快速奔跑过程中可以增加四肢的摆动相、减小足端受力以及储能。
本发明的技术方案：一种刚度可调柔顺脊柱，该脊柱整体结构包括容易产生弹性变形的弹性材料制作的弹性构件、刚性材料制作的刚性构件、俯仰方向的拉紧绳索和偏转方向的拉紧绳索、脊柱固定角铁、螺栓支撑板、六角螺栓、螺母和螺栓固定板；弹性构件和刚性构件均为四叶草截面形状并且在四叶草结构形状的四个叶瓣处各留有一个穿绳孔；弹性构件和刚性构件交替排列；正交方向的两个穿绳孔为一组，一根绳索从始端顺次通过一侧穿绳孔，然后从末端依次穿过，回到始端；脊柱前后两端四叶草结构形状的刚性构件相邻叶瓣交界处的过渡圆弧分别通过销轴固定在角铁板上，在角铁板上留有两个穿绳孔，绳索穿过固定角铁上的绳孔，通过铝扣固定在螺栓支撑板上；螺栓固定板通过紧定螺栓固定在角铁上；通过拧紧和放松螺栓尾部的螺母改变绳索的拉紧量。
所述的柔顺脊柱可以通过四根拉紧绳索实现俯仰和偏转正交二维两个方向的刚度可变；所述的刚性构件和柔顺构件的厚度是可以改变的；所述的刚性椎骨在径向方向留有削边，以容纳柔顺椎间盘由于轴向拉紧产生的挤压。
本发明的有益效果：本发明所述的刚度可调柔顺脊柱利用弹性材料在受到轴向压力时刚度发生变化的特性，通过四根绳索实现脊柱在俯仰和偏转正交二维两个方向的刚度可调，从而提高四足机器人的柔顺性。
附图说明
图1刚度可调柔顺脊柱整体结构三维图
图2刚度可调柔顺脊柱顶端局部视图
图3刚性构件三维图
图4柔顺构件三维图
图5机器人整体结构三维图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
刚度可调柔顺脊柱整体结构如附图1，刚度可调柔顺脊柱包括容易产生弹性变形的弹性材料制作的弹性构件1、刚性材料制作的刚性构件2、俯仰方向的拉紧绳索3a和3b、偏转方向的拉紧绳索3c和3d，其中弹性构件1和刚性构件2均为四叶草截面形状并交替排列，并在四叶草结构形状的四个叶瓣处留有四个穿绳孔4a、4b、4c和4d，四根绳索沿着弹性构件1和刚性构件2排列的方向布置，其一端固定在脊柱末端，另一端通过穿绳孔4a、4b、4c和4d延伸到脊柱的前端，对绳索施加轴向拉紧力，脊柱中的弹性构件1可以产生弹性变形，柔顺脊柱包括胸椎A、腰椎B、骶椎C三部分，每一部分中弹性构件1和刚性构件2的个数以及厚度都不同，刚性构件2在径向方向留有削边以容纳弹性构件1在轴向拉紧作用下产生的挤压。
刚度可调柔顺脊柱和机器人连接的整体结构示意图如附图5，该结构包括四足机器人右前腿51、左前腿52、右后腿53、左后腿54、俯仰方向刚度调节机构61、偏转方向刚度调节机构62、前躯干连接板71、后躯干连接板72和柔顺脊柱结构8。柔顺脊柱8通过固定销轴与俯仰方向刚度调节机构61和偏转方向刚度调节机构62相连接，俯仰方向刚度调节机构61、偏转方向刚度调节机构62与前躯干连接板71和后躯干连接板72的连接方式分别通过紧定螺钉实现，通过拧紧俯仰方向刚度调节机构61和偏转方向刚度调节机构62中的螺母即改变脊柱在俯仰和偏转方向绳索的长度可以实现脊柱的刚度可调。

Claims (4)

1.一种用于四足机器人的四叶草形状的刚度可调柔顺脊柱，其特征在于：该脊柱结构包括容易产生弹性变形的弹性材料制作的弹性构件(1)、刚性材料制作的刚性构件(2)、俯仰方向的拉紧绳索(3a和3d)和偏转方向的拉紧绳索(3b和3c)，弹性构件(1)和刚性构件(2)均为四叶草截面形状,其中弹性构件(1)和刚性构件(2)交替排列；在四叶草结构形状的四个叶瓣处留有穿绳孔(4a、4b、4c和4d)，相应绳索沿着弹性构件(1)和刚性构件(2)排列的方向布置，其一端固定在脊柱末端，另一端通过穿绳孔(4a、4b、4c和4d)延伸到脊柱的前端，通过俯仰方向的拉紧绳索(3a和3d)和偏转方向的拉紧绳索(3b和3c)对柔顺脊柱施加轴向拉紧力，使脊柱中的弹性构件(1)产生弹性变形,刚性构件(2)沿径向方向留有削边以容纳弹性构件(1)在轴向拉紧力的作用下产生的挤压。
2.如权利要求1所述的刚度可调柔顺脊柱，其特征在于：所述的柔顺脊柱可以实现俯仰和偏转正交二维两个方向的刚度可调。
3.如权利要求1所述的刚度可调柔顺脊柱，其特征在于：所述的柔顺脊柱的胸椎(A)、腰椎(B)和骶椎(C)三部分的长度比例是可以改变的。
4.如权利要求1所述的刚度可调柔顺脊柱，其特征在于：所述的刚性构件(1)和柔顺构件(2)的厚度是可以改变的。
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