CN105619396A - 一种腰部使用八杆变胞机构的多足仿生机器人及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种腰部使用八杆变胞机构的多足仿生机器人，包括一个闭链和四或六条开链，闭链是由第一至第八杆顺次连接构成的一个八杆变胞杆机构；第一、五杆的长度相同，第二、八杆长度相同，第三、七杆的长度相同，第四、六杆的长度相同；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。本发明将八杆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

一种腰部使用八杆变胞机构的多足仿生机器人及驱动方法

技术领域

本发明属于仿生机器人技术领域，涉及一种腰部使用八杆变胞机构的多足仿生机器人。

背景技术

多足仿生机器人结构简单且灵活，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、教育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较小，步态中存在临界稳定状态，行走过程稳定性控制难度高。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。另外，现有技术中有报道一种多足仿生机器人，该机器人中涉及空间六杆变胞机构，该空间六杆变胞机构使用了两个虎克铰，但实现过程中，虎克铰难以直接驱动，需使用皮带、齿条等传动装置方能驱动，因此，该多足仿生机器人在机械运动效率方面存有不足。

发明内容

针对传统多足爬行机器人的局限性及在空间六杆变胞机构中虎克铰难以直接驱动的问题，本发明提供一种腰部使用八杆变胞机构的多足仿生机器人，不但能够实现前后弯腰和前后对折，而且具有多种不同的直接驱动形式，更具变形灵活，自适应能力更强的特点。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种腰部使用八杆变胞机构的多足仿生机器人，其基本结构是：包括一个闭链及四条或六条开链，所述闭链是由顺次连接的第一杆、第二杆、第三杆、第四杆、第五杆、第六杆、第七杆和第八杆所构成的一个八杆变胞机构；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八杆的一端相连，第一转动铰链的轴线和第二转动铰链的轴线相互平行；第五杆的两端分别通过第三转动铰链和第四转动铰链与第四杆的一端和第六杆的一端相连，第三转动铰链的轴线和第四转动铰链的轴线相互平形；所述第一杆和第五杆长度相同，所述第二杆和所述第八杆长度相同，所述第四杆与所述第六杆的长度相同；第三杆的两端分别通过第五转动铰链和第七转动铰链与第四杆的另一端和第二杆的另一端相连，第五转动铰链的轴线与第七转动铰链的轴线相互垂直；第七杆的两端分别通过第六转动铰链和第八转动铰链与第六杆的另一端和第八杆的另一端相连，第六转动铰链的轴线与第八转动铰链的轴线相互垂直；所述第三杆和第七杆长度相同；每条开链的结构相同，其结构是：包括同一平面内的第九杆、第十杆和第十一杆，所述第十杆的两端分别通过第九转动铰链和第十转动铰链与第九杆和第十一杆相连，所述第九转动铰链的轴线和第十转动铰链的轴线相互平行；根据开链数目是四条或是六条有下述两种情形之一：开链数目为四条时，四条开链中的第九杆均分别通过一第十一转动铰链与第二杆、第四杆、第六杆和第八杆转动铰接，四个第十一转动铰链的轴线与第一转动铰链的轴线平行、且落在第九杆、第十杆和第十一杆所在的平面内；开链数目为六条时，六条开链中的第九杆均分别通过一第十一转动铰链与第一杆、第二杆、第四杆、第五杆、第六杆和第八杆转动铰接，六个第十一转动铰链的轴线与第一转动铰链的轴线平行、且落在第九杆、第十杆和第十一杆所在的平面内。

上述腰部使用八杆变胞机构的多足仿生机器人，选择第一转动铰链、第二转动铰链、第三转动铰链、第四转动铰链、第五转动铰链、第六转动铰链中的任意三个作为驱动再加上第七转动铰链和第八转动铰链的任意一个或两个即可驱动该闭链结构，同时，驱动每条开链中的所述第九转动铰链、第十转动铰链和连接闭链和开链的第十一转动铰链。

进一步讲，当第一杆与第二杆夹角为90度、第一杆与第八杆夹角为90度时，所述第七转动铰链的轴线与第八转动铰链的轴线共线。该腰部使用八杆变胞机构的四足仿生机器人，驱动第七转动铰链转动一定角度或第八转动铰链转动一定角度或同时驱动第七转动铰链和第八转动铰链转动相同角度可使得第一杆、第二杆、第八杆所在平面围绕第七转动铰链和第八转动铰链所在轴线相对于第三杆、第四杆、第五杆、第六杆、第七杆所在平面旋转；驱动第三转动铰链、第四转动铰链、第五转动铰链和第六转动铰链中的任意一个；同时，驱动每条开链中的所述第九转动铰链、第十转动铰链和连接闭链和开链的第十一转动铰链。

进一步讲，当第一杆与第二杆夹角为90度、第一杆与第八杆夹角为90度时，所述第七转动铰链的轴线与第八转动铰链的轴线共线。所述第七转动铰链的轴线与第二杆和第三杆的上表面的交线重合，所述第八转动铰链的轴线与第六杆和第八杆的上表面交线重合。当驱动第七转动铰链转动180度或第八转动铰链转动180度或同时驱动第七转动铰链和第八转动铰链转动180度，可使得第一杆的上表面与第五杆的上表面重合，第二杆的上表面与第三杆的上表面、第四杆的上表面重合，第八杆的上表面与第六杆的上表面、第七杆的上表面重合，第一转动铰链的轴线与第三转动铰链的轴线重合，第二转动铰链的轴线与第四转动铰链的轴线重合，位于第二杆的第十一转动铰链的轴线与位于第四杆的第十一转动铰链的轴线重合、位于第六杆的第十一转动铰链的轴线与位于第八杆的第十一转动铰链的轴线重合；选择第一转动铰链、第二转动铰链、第三转动铰链、第四转动铰链、第五转动铰链、第六转动铰链中的任意三个作为驱动；同时，驱动每条开链中的所述第九转动铰链、第十转动铰链和连接闭链和开链的第十一转动铰链。

进一步讲，所述第一转动铰链、第三转动铰链平行。选择第一转动铰链、第二转动铰链、第三转动铰链、第四转动铰链、第五转动铰链、第六转动铰链中的任意三个作为驱动，即可驱动该闭链结构；同时，驱动每条开链中的所述第九转动铰链、第十转动铰链和连接闭链和开链的第十一转动铰链。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

由于变胞机构结构特点带来的好处，本发明中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，通过变胞机构在运动过程中改变机构构态，自由度，实现多足仿生机器人腰部构型的改变，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。同时，在该腰部结构的基础上，通过设定不同的驱动形式可以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。针对空间六杆变胞机构中虎克铰难以直接驱动的问题，提出将虎克铰中两个相互垂直的转动轴线分开，独立放置，得出所有运动副均为转动副的空间八杆变胞机构，使得所有转动副都可以方便地直接驱动，对提高机械运动效率大有裨益。

附图说明

图1是本发明变胞多足仿生机器人中的闭链结构示意图；

图2是本发明变胞多足仿生机器人中的开链的结构示意图；

图3是本发明变胞多足仿生机器人具有四条开链时模仿蜥蜴的结构示意图；

图4是本发明变胞多足仿生机器人具有四条开链时模仿狗的结构示意图；

图5是本发明变胞多足仿生机器人具有四条开链时模仿蜘蛛的结构示意图；

图6是本发明变胞多足仿生机器人具有四条开链时模仿螳螂的结构示意图；

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具有六条开链时模仿蜈蚣的结构示意图。

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。

如图1所示，第一杆1的两端分别通过第一转动铰链9和第二转动铰链10与第二杆2的一端和第八杆8的一端相连，第一转动铰链9和第二转动铰链10的轴线相互平行；第五杆5的两端分别通过第三转动铰链11和第四转动铰链12与第四杆4的一端和第六杆6的一端相连，第三转动铰链11和第四转动铰链12的轴线相互平形；所述第一杆1和所述第五杆5长度相同，所述第二杆2和所述第八杆8长度相同，所述第四杆4与所述第六杆6的长度相同。第三杆3的两端分别通过第五转动铰链13和第七转动铰链15与第四杆4的另一端和第二杆2的另一端相连，第五转动铰链13的轴线和第七转动铰链15的轴线相互垂直；第七杆7的两端分别通过第六转动铰链14和第八转动铰链16与第六杆6的另一端和第八杆8的另一端相连，第六转动铰链14的轴线和第八转动铰链16的轴线相互垂直。所述第三杆3和第七杆7长度相同。

如图2所示，四条或六条开链的结构相同，每条开链的结构相同均为一2R串联机构，其结构是每条开链每条开链均分别包括第九杆17、第十杆18和第十一杆19，所述第九杆17、第十杆18和第十一杆19位于同一平面内，所述第十杆18的两端分别通过第九转动铰链20和第十转动铰链21与第九杆17和第十一杆19相连，所述第九转动铰链20和第十转动铰链21的轴线相互平行。

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。

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。

本发明中，闭链结构共包含八个转动铰链，如图1所示，在这八个转动铰链中的第一转动铰链9、第二转动铰链10、第三转动铰链11、第四转动铰链12、第五转动铰链13、第六转动铰链14中的任意三个作为驱动再加上第七转动铰链15和第八转动铰链16的任意一个或两个即可驱动该闭链结构，同时，驱动每条开链中的所述第九转动铰链20、第十转动铰链21和连接闭链和开链的第十一转动铰链22，即可驱动本发明中的腰部使用八杆变胞机构的多足仿生机器人，从而使其模仿多种不同动物形态。

下面通过选取闭链中的相关转动铰链为驱动关节进行说明。

实施例一、腰部使用八杆变胞机构且具有四条开链结构的多足仿生机器人。

图3、图4、图5、图6是本发明具有四条开链的实施例，包括一个闭链和四条开链，所述闭链是由顺次连接的第一杆1、第二杆2、第三杆3、第四杆4、第五杆5、第六杆6、第七杆7和第八杆8所构成的一个八杆变胞机构，所述开链是一个2R串联机构。

如图3、图4、图5和图6所示，开链数目为四条时，四条开链中的第九杆17均分别通过第十一转动铰链22与第二杆2、第四杆4、第六杆6和第八杆8转动铰接，四条开链与第二杆2、第四杆4、第六杆6和第八杆8之间的四个第十一转动铰链22的轴线与第一转动铰链9的轴线平行、且落在第九杆17、第十杆18和第十一杆19所在平面内。

驱动第一转动铰链9、第三转动铰链11、第四转动铰链12使得第一杆1与第二杆2垂直，第四杆4和第五杆5垂直，第五杆5和第六杆6垂直，这时闭链构态为如图3种所示的矩形，很容易从图3看出，此时第七转动铰链15的轴线与第八转动铰链16的轴线共线，驱动第八转动铰链16转动一定角度可使得第一杆1、第二杆2、第八杆8所在平面围绕第七转动铰链15和第八转动铰链16所在轴线相对与第三杆3、第四杆4、第五杆5、第六杆6、第七杆7所在平面旋转，因此这时驱动第八转动铰链16使得第一杆1、第二杆2、第三杆3、第四杆4、第五杆5、第六杆6、第七杆7和第八杆8保持共面，这时通过驱动各条开链中第九转动铰链20、第十转动铰链21以及连接闭链与各个开链的第十一转动铰链22，使得第十杆18近似水平，第十一杆19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蜥蜴的形态，如图3。

在图3基础上，通过改变驱动方式，即驱动第七转动铰链15转动一定角度或第八转动铰链16转动一定角度或同时驱动第七转动铰链15和第八转动铰链16转动相同角度使第一杆1、第二杆2、第八杆8所在平面围绕第七转动铰链15和第八转动铰链16所在轴线相对于第三杆3、第四杆4、第五杆5、第六杆6、第七杆7所在平面旋转；驱动第三转动铰链11、第四转动铰链12、第五转动铰链13和第六转动铰链14中的任意一个；同时，驱动每条开链中的所述第九转动铰链20、第十转动铰链21和连接闭链和开链的第十一转动铰链22。使得第十杆18向下倾斜，第十一杆19向下倾斜，第十杆18与第十一杆19之间成一定角度，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平行。这时变胞多足仿生机器人模仿的是狗的形态，如图4。同理，在图3基础上，驱动第一转动铰链9、第三转动铰链11、第四转动铰链12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，第五杆5与第六杆6，第六杆6与第七杆7，第八杆8与第一杆1之间成一定夹角，并且腰杆呈左右对称结构，这时四条开链关于闭链中心对称分布且第七转动铰链15轴线与第8转动铰链16轴线不共线，所以此时第七转动铰链15和第八转动铰链16被锁死；第二杆2与第三杆3，第七杆7与第八杆8共线，同时驱动每条开链中的第九转动铰链20、第十转动铰链21以及连接闭链与各个开链的第十一转动铰链22，使得第十杆18向上倾斜，第十杆18与第十一杆19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。这时变胞多足仿生机器人模仿的是蜘蛛的形态，如图5。

在图1所示的闭链基础上，所述第七转动铰链15的轴线与第二杆2和第三杆3的上表面的交线重合，所述第八转动铰链16的轴线与第六杆6和第八杆8的上表面交线重合；所述第二杆2的长度等于第三杆3与第四杆4的长度之和；所述第八杆8的长度等于第六杆6与第七杆7的长度之和。若第一杆1与第二杆2夹角为90度、第一杆1与第八杆8夹角为90度时，则所述第七转动铰链15与第八转动铰链16的轴线共线；此时，驱动第七转动铰链15转动180度或第八转动铰链16转动180度或同时驱动第七转动铰链15和第八转动铰链16转动180度，可使得第一杆1的上表面与第五杆5的上表面重合，第二杆2的上表面与第三杆3的上表面、第四杆4的上表面重合，第八杆8的上表面与第六杆6的上表面、第七杆7的上表面重合，第一转动铰链9的轴线与第三转动铰链11的轴线重合，第二转动铰链10的轴线与第四转动铰链12的轴线重合，位于第二杆2的第十一转动铰链22的轴线与位于第四杆4的第十一转动铰链22的轴线重合、位于第六杆6的第十一转动铰链22的轴线与位于第八杆8的第十一转动铰链22的轴线重合，从而使该变胞四足仿生机器人实现腰部前后对折构态。

选择第一转动铰链9、第二转动铰链10、第三转动铰链11、第四转动铰链12、第五转动铰链13、第六转动铰链14中的任意三个作为驱动；同时，驱动每条开链中的所述第九转动铰链20、第十转动铰链21和连接闭链和开链的第十一转动铰链22，从而使本发明变胞四足仿生机器人达到完全驱动。

下面是实现腰部前后对折的一个具体实例。

在图3所示的结构基础上，驱动第八转动铰链16使得第三杆3、第四杆4、第五杆5、第六杆6、第七杆7所在平面绕第七转动铰链15和第八转动铰链16轴线旋转180度，这时第三杆3的上表面、第四杆4的上表面与第二杆2的上表面重合，第五杆5的上表面和第一杆1的上表面重合，第六杆6的上表面、第七杆7的上表面和第八杆8的上表面重合。且第三转动铰链11轴线和第一转动铰链9轴线共线，第四转动铰链12的轴线和第二转动铰链10的轴线共线。此过程即完成机器人腰部的前后对折。此时再驱动第一转动铰链9和第三转动铰链11转动相同角度、驱动第四转动铰链12转动一定角度，使得第一杆1与第二杆2(第三杆3、第四杆4与第五杆5)、第一杆1与第八杆8(第五杆5与第六杆6、第七杆7)夹角近似150度，这时变胞多足仿生机器人模仿的是螳螂的形态，如图6。

实施例二、腰部使用八杆变胞机构且具有六条开链结构的多足仿生机器人。

如图7和图8所示，包括一个闭链和四条开链，如图1所示，所述闭链是由顺次连接的第一杆1、第二杆2、第三杆3、第四杆4、第五杆5、第六杆6、第七杆7和第八杆8所构成的一个八杆变胞机构，如图2所示，所述开链是一个2R串联机构。

如图7和图8所示，开链数目为六条时，六条开链中的第九杆17均分别通过一第十一转动铰链22与第一杆1、第二杆2、第四杆4、第五杆5、第六杆6和第八杆8转动铰接，六个第十一转动铰链22的轴线与第一转动铰链9的轴线平行、且落在第九杆17、第十杆18和第十一杆19所在的平面内。

六条开链的实施例中闭链结构以及驱动选择与前述的四条开链的实施例完全相同，这里不再累述。下面选取闭链中的第一转动铰链9、第三转动铰链11、第四转动铰链12以及第八转动铰链16为驱动关节进行说明该实施例实现腰部前后对折的情形。

当驱动第七转动铰链15转动180度或第八转动铰链16转动180度或同时驱动第七转动铰链15和第八转动铰链16转动180度，可使得第一杆1的上表面与第五杆5的上表面重合，第二杆2的上表面与第三杆3的上表面、第四杆4的上表面重合，第八杆8的上表面与第六杆6的上表面、第七杆7的上表面重合，第一转动铰链9的轴线与第三转动铰链11的轴线重合，第二转动铰链10的轴线与第四转动铰链12的轴线重合，位于第二杆2的第十一转动铰链22的轴线与位于第四杆4的第十一转动铰链22的轴线重合、位于第六杆6的第十一转动铰链22的轴线与位于第八杆8的第十一转动铰链22的轴线重合；选择第一转动铰链9、第二转动铰链10、第三转动铰链11、第四转动铰链12、第五转动铰链13、第六转动铰链14中的任意三个作为驱动；同时，驱动每条开链中的所述第九转动铰链20、第十转动铰链21和连接闭链和开链的第十一转动铰链22，从而使本发明变胞六足仿生机器人达到腰部前后对折的完全驱动。

在图7所示结构的基础上，所述第一转动铰链9、第三转动铰链11平行，即第一转动铰链9、第三转动铰链11、第四转动铰链12使得第一杆1与第二杆2，第四杆4与第五杆5，第六杆6与第五杆5之间的夹角为90度，如图1所示，然后驱动第八转动铰链16使得第三杆3、第四杆4、第五杆5、第六杆6、第七杆7所在平面绕第八转动铰链16轴线旋转180度，这时第三杆3的上表面、第四杆4的上表面与第二杆2的上表面重合，第五杆5的上表面和第一杆1的上表面重合，第六杆6的上表面、第七杆7的上表面和第八杆8的上表面重合，且第三转动铰链11的轴线和第一转动铰链9的轴线共线，第四转动铰链12的轴线和第二转动铰链10的轴线共线。此过程即完成机器人腰部的前后对折，此时闭链结构折叠成一个2R串联机构。此时，再驱动第一转动铰链9和第三转动铰链11转动相同角度、第四转动铰链12，使得第一杆1与第二杆2、第一杆1与第八杆8、共线的第三杆3和第四杆4与第五杆5、共线的第六杆6和第七杆7与第五杆5之间的夹角均近似150度。这时该变胞多足仿生机器人模仿的是蜈蚣的形态，如图8。

本发明中，空间八杆变胞机构(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，而如果是刚性腰的多足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两个水平方向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两个水平方向转动铰链。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，将平面八杆机构中的两个转动副换成了两个共线的水平方向转动铰链，得到了一种具有多种构态的空间八杆变胞机构。

前五条腰杆由轴线相互平行的两个转动副连接，因此前五条腰杆(第三杆3、第四杆4、第五杆5、第六杆6和第七杆7)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和第八杆8)也始终共面，形成后半腰平面。闭链中两个水平方向转动铰链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，即不共线时为平面构态，共线时为空间构态。

平面构态：当水平方向转动铰链的轴线的不共线时，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八杆机构。

空间构态：当两个水平方向转动铰链的轴线的共线时，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(因为一旦旋转两水平方向转动铰链的轴线将不再共线)，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水平方向转动铰链的轴线共线，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，当前半腰平面绕水平方向转动铰链的轴线(左右两水平方向转动铰链的轴线共线)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(第五杆5)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。

通过将上述空间八杆变胞机构作为爬行动物腰部结构，并在空间八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 (8)

1.一种腰部使用八杆变胞机构的多足仿生机器人，包括一个闭链及四条或六条开链，其特征在于：

所述闭链是由顺次连接的第一杆(1)、第二杆(2)、第三杆(3)、第四杆(4)、第五杆(5)、第六杆(6)、第七杆(7)和第八杆(8)所构成的一个八杆变胞机构；

第一杆(1)的两端分别通过第一转动铰链(9)和第二转动铰链(10)与第二杆(2)的一端和第八杆(8)的一端相连，第一转动铰链(9)和第二转动铰链(10)的轴线相互平行；

第五杆(5)的两端分别通过第三转动铰链(11)和第四转动铰链(12)与第四杆(4)的一端和第六杆(6)的一端相连，第三转动铰链(11)和第四转动铰链(12)的轴线相互平形；

所述第一杆(1)和第五杆(5)长度相同，所述第二杆(2)和所述第八杆(8)长度相同，所述第四杆(4)与所述第六杆(6)的长度相同；

第三杆(3)的两端分别通过第五转动铰链(13)和第七转动铰链(15)与第四杆(4)的另一端和第二杆(2)的另一端相连，第五转动铰链(13)与第七转动铰链(15)的轴线相互垂直；

第七杆(7)的两端分别通过第六转动铰链(14)和第八转动铰链(16)与第六杆(6)的另一端和第八杆(8)的另一端相连，第六转动铰链(14)与第八转动铰链(16)的轴线相互垂直；

所述第三杆(3)和第七杆(7)长度相同；

每条开链的结构相同，其结构是：包括同一平面内的第九杆(17)、第十杆(18)和第十一杆(19)，所述第十杆(18)的两端分别通过第九转动铰链(20)和第十转动铰链(21)与第九杆(17)和第十一杆(19)相连，所述第九转动铰链(20)和第十转动铰链(21)的轴线相互平行；

根据开链数目是四条或是六条有下述两种情形之一：

开链数目为四条时，四条开链中的第九杆(17)均分别通过一第十一转动铰链(22)与第二杆(2)、第四杆(4)、第六杆(6)和第八杆(8)转动铰接，四个第十一转动铰链(22)的轴线与第一转动铰链(9)的轴线平行、且落在第九杆(17)、第十杆(18)和第十一杆(19)所在的平面内；

开链数目为六条时，六条开链中的第九杆(17)均分别通过一第十一转动铰链(22)与第一杆(1)、第二杆(2)、第四杆(4)、第五杆(5)、第六杆(6)和第八杆(8)转动铰接，六个第十一转动铰链(22)的轴线与第一转动铰链(9)的轴线平行、且落在第九杆(17)、第十杆(18)和第十一杆(19)所在的平面内。

2.根据权利要求1所述腰部使用八杆变胞机构的多足仿生机器人，其特征在于，当第一杆(1)与第二杆(2)夹角为90度、第一杆(1)与第八杆(8)夹角为90度时，所述第七转动铰链(15)与第八转动铰链(16)的轴线共线。

3.根据权利要求2所述腰部使用八杆变胞机构的多足仿生机器人，其特征在于，所述第七转动铰链(15)的轴线与第二杆(2)和第三杆(3)的上表面的交线重合，所述第八转动铰链(16)的轴线与第六杆(6)和第八杆(8)的上表面交线重合；所述第二杆(2)的长度等于第三杆(3)与第四杆(4)的长度之和；所述第八杆(8)的长度等于第六杆(6)与第七杆(7)的长度之和。

4.根据权利要求1所述腰部使用八杆变胞机构的多足仿生机器人，其特征在于，所述第一转动铰链(9)、第三转动铰链(11)平行。

5.根据权利要求1所述腰部使用八杆变胞机构的多足仿生机器人的驱动方法，其特征在于，选择第一转动铰链(9)、第二转动铰链(10)、第三转动铰链(11)、第四转动铰链(12)、第五转动铰链(13)、第六转动铰链(14)中的任意三个作为驱动再加上第七转动铰链(15)和第八转动铰链(16)的任意一个或两个即驱动该闭链结构，同时，驱动每条开链中的所述第九转动铰链(20)、第十转动铰链(21)和连接闭链和开链的第十一转动铰链(22)。

6.根据权利要求2所述腰部使用八杆变胞机构的多足仿生机器人的驱动方法，其特征在于，驱动第七转动铰链(15)转动一定角度或第八转动铰链(16)转动一定角度或同时驱动第七转动铰链(15)和第八转动铰链(16)转动相同角度使第一杆(1)、第二杆(2)、第八杆(8)所在平面围绕第七转动铰链(15)和第八转动铰链(16)所在轴线相对于第三杆(3)、第四杆(4)、第五杆(5)、第六杆(6)、第七杆(7)所在平面旋转；驱动第三转动铰链(11)、第四转动铰链(12)、第五转动铰链(13)和第六转动铰链(14)中的任意一个；同时，驱动每条开链中的所述第九转动铰链(20)、第十转动铰链(21)和连接闭链和开链的第十一转动铰链(22)。

7.根据权利要求3所述腰部使用八杆变胞机构的多足仿生机器人的驱动方法，其特征在于，当驱动第七转动铰链(15)转动180度或第八转动铰链(16)转动180度或同时驱动第七转动铰链(15)和第八转动铰链(16)转动180度，使得第一杆(1)的上表面与第五杆(5)的上表面重合，第二杆(2)的上表面与第三杆(3)的上表面、第四杆(4)的上表面重合，第八杆(8)的上表面与第六杆(6)的上表面、第七杆(7)的上表面重合，第一转动铰链(9)的轴线与第三转动铰链(11)的轴线重合，第二转动铰链(10)的轴线与第四转动铰链(12)的轴线重合，位于第二杆(2)的第十一转动铰链(22)的轴线与位于第四杆(4)的第十一转动铰链(22)的轴线重合、位于第六杆(6)的第十一转动铰链(22)的轴线与位于第八杆(8)的第十一转动铰链(22)的轴线重合；

选择第一转动铰链(9)、第二转动铰链(10)、第三转动铰链(11)、第四转动铰链(12)、第五转动铰链(13)、第六转动铰链(14)中的任意三个作为驱动；

同时，驱动每条开链中的所述第九转动铰链(20)、第十转动铰链(21)和连接闭链和开链的第十一转动铰链(22)。

8.根据权利要求4所述腰部使用八杆变胞机构的多足仿生机器人的驱动方法，其特征在于，选择第一转动铰链(9)、第二转动铰链(10)、第三转动铰链(11)、第四转动铰链(12)、第五转动铰链(13)、第六转动铰链(14)中的任意三个作为驱动，即可驱动该闭链结构；同时，驱动每条开链中的所述第九转动铰链(20)、第十转动铰链(21)和连接闭链和开链的第十一转动铰链(22)。