CN107398922A - 腰部运动仿生结构和包括腰部运动仿生结构的仿生机器鼠 - Google Patents

Abstract

本发明涉及仿生结构技术领域，具体涉及一种腰部运动仿生结构和包括腰部运动仿生结构的仿生机器鼠。本发明旨在解决现有技术中腰部运动仿生结构的运动灵活性以及结构紧凑性的问题。为此目的，本发明的腰部运动仿生结构包括：机架；以枢转方式连接到机架前端的前驱动装置，前驱动装置用于驱动机架前端的前肢左右摇摆和上下摇摆；以枢转方式连接到机架后端的后驱动装置，后驱动装置用于驱动机架后端的后肢左右摇摆和上下摇摆。通过本发明的技术方案，提高了腰部运动仿生结构的运动灵活性、结构紧凑性，从而提高了腰部运动仿生结构和动物腰部结构的一致性，有助于生物学家、神经科学家以及脑研究者对腰部结构的研究，实现对腰部结构行为的有效控制。

Description

腰部运动仿生结构和包括腰部运动仿生结构的仿生机器鼠

技术领域

本发明涉及仿生结构技术领域，具体涉及一种腰部运动仿生结构和包括腰部运动仿生结构的仿生机器鼠。

背景技术

随着仿生结构技术的发展，仿生结构在运动与结构层面上的技术日趋成熟，尤其是仿生机器人的技术最为成熟，机电方面的科研人员在仿生机器人上投入的精力也最大，仿生机器人的发展也最趋近于完善，鉴于趋近完善的仿生机器人，科技人员往往将仿生机器人的运动原理与结构形状照搬到其他仿生动物身上，例如，仿生机器鼠就应用了与仿生机器人相似的驱动机构以及形状结构。

现有的仿生机器鼠虽然能够满足最基本的观赏性，但是在生物学家、神经科学家以及脑研究者对鼠类的运动原理、行为特点和交互方式研究上，仿生机器鼠还存在着以下缺陷：1)由于仿生机器人的体型较长，因此仿生机器人的腰部结构体现不出体型较短的仿生机器鼠腰部结构的紧凑性；2)仿生机器人的腰部驱动装置并不能准确体现爬行动物的腰部运动，即不能准确的体现爬行动物腰部的运动自由度；3)仿生机器人腰部的形状结构与仿生机器鼠腰部结构的差异性，影响科研人员对仿生机器鼠交互方式的研究。

因此，如何设计一种适用于仿生机器鼠的腰部结构已经成为亟待解决的问题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了设计一种适用于仿生机器鼠的腰部结构，根据本发明的第一方面，提供了一种腰部运动仿生结构，该腰部运动仿生结构包括：机架；以枢转方式连接到机架前端的前驱动装置，前驱动装置用于驱动机架前端的前肢左右摇摆和上下摇摆；以枢转方式连接到机架后端的后驱动装置，后驱动装置用于驱动机架后端的后肢左右摇摆和上下摇摆。本发明的腰部运动仿生结构紧凑、功能完善、运动灵活，并且与仿生机器鼠腰部结构的相似度高，有利于生物学家、神经科学家和脑研究者对仿生机器鼠腰部运动方式的研究。

在上述腰部运动仿生结构的优选技术方案中，前驱动装置包括第一驱动器和第二驱动器，其中，第一驱动器以枢转方式连接到机架的前端，第二驱动器以枢转方式连接到第一驱动器，第一驱动器与第二驱动器在空间上垂直分布，第一驱动器和第二驱动器分别用于驱动前肢左右摇摆和上下摇摆。

在上述腰部运动仿生结构的优选技术方案中，前驱动装置还包括第一连接架，第一连接架分别与第一驱动器的动力输出端和第二驱动器的固定端固定连接或一体制成，第一驱动器的固定端与机架的前端固定连接或一体制成。

在上述腰部运动仿生结构的优选技术方案中，腰部运动仿生结构还包括前肢安装架，前肢安装架与第二驱动器的动力输出端固定连接或一体制成。

在上述腰部运动仿生结构的优选技术方案中，后驱动装置包括第三驱动器和第四驱动器，其中，第三驱动器以枢转方式连接到机架的后端，第四驱动器以枢转方式连接到第三驱动器，第三驱动器与第四驱动器在空间上垂直分布，第三驱动器和第四驱动器分别用于驱动后肢左右摇摆和上下摇摆。

在上述腰部运动仿生结构的优选技术方案中，后驱动装置还包括第二连接架，第二连接架分别与第三驱动器的动力输出端和第四驱动器的固定端固定连接或一体制成，第三驱动器的固定端与机架的后端固定连接或一体制成。

在上述腰部运动仿生结构的优选技术方案中，腰部运动仿生结构还包括后肢安装架，后肢安装架与第四驱动器的动力输出端固定连接或一体制成。

在上述腰部运动仿生结构的优选技术方案中，机架为工字型结构，前驱动装置和后驱动装置分别位于工字型机架的前后两个槽内。

在上述腰部运动仿生结构的优选技术方案中，第一驱动器、第二驱动器、第三驱动器和第四驱动器均为直流伺服电机。

根据本发明的第二方面，还提供了一种仿生机器鼠，该仿生机器鼠包括第一方面的腰部运动仿生结构。

本领域技术人员能够理解的是，在本发明的技术方案中，通过将腰部运动仿生结构中的多个驱动器组合在一起，仿照生物鼠腰部关节的形状结构，从而实现了腰部运动仿生结构的多个运动自由度，例如，将第一驱动器与第二驱动器组合在一起，使第一驱动器驱动第二驱动器上下摆动，并将上下摆动通过第二驱动器传递至前肢，同时，第二驱动器驱动前肢左右摆动，从而实现前肢的左右、上下摆动。此外，通过将驱动器组合在一起，形成组合式的驱动装置，结构简单，容易实现，从而提高了腰部运动仿生结构的紧凑型，使腰部运动仿生结构更加适用于体型较短的仿生动物的腰部结构。

进一步地，在对腰部运动仿生结构的结构与运动优化的基础上，本发明的技术方案还对腰部运动仿生结构中部件的形状进行了优化，例如，在本发明将机架设置为工字型结构，将驱动装置分别设置于工字型机架的前后凹槽内，以此提高腰部运动仿生结构与生物鼠腰部结构形状的相似度，从而提高科研人员对仿生机器鼠行为特点与交互方式的研究水平。

综上所述，通过对仿生机器鼠的形状结构优化，提高了仿生机器鼠的结构紧凑性与小型化、运动灵活性以及形状与生物鼠腰部形状结构的一致性，加快了生物学家、神经科学家以及脑研究者对鼠类运动原理、行为特点与交互方式的研究进度。

附图说明

下面参照附图并结合仿生机器鼠来描述本发明的优选实施方式，附图中：

图1是本发明的一个优选实施例的仿生机器鼠腰部运动仿生结构的正视图。

图2是图1所示仿生机器鼠腰部运动仿生结构的侧视图。

图3是图1所示仿生机器鼠腰部运动仿生结构的立体图。

具体实施方式

首先，本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围，本领域技术人员可以根据需要对其作出调整，以便适应具体的应用场合。例如，尽管本说明书中第一驱动器与机架枢转连接，第二驱动器与第一驱动器枢转连接，但是本说明书中的驱动装置不仅仅局限于此连接方式，本说明书中的驱动装置还可以为第二驱动器与机架枢转连接，第一驱动器与第二驱动器枢转连接，这种变化并不偏离本发明的原理和范围。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“前”、“后”等指示的方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，本发明还涉及仿生学技术领域，因此本发明的说明书中涉及到的仿生学术语“腰部”、“肢体安装架”、“前肢”、“后肢”等是为了方便理解，但不限定其特殊的结构或者形状以及其指定的腰部和肢体。

再者，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图3所示，根据本发明的一个实施例，仿生机器鼠的腰部运动仿生结构包括安装在仿生机器鼠躯干上的机架102以及枢转连接至机架102的前驱动装置104，该前驱动装置104包括组合在一起的第一驱动器1042和第二驱动器1044，其中，第一驱动器1042的输出轴(图1中第一驱动器1042的上端)与机架102通过D型接口固定连接，第一驱动器1042的基座的端部(图1中第一驱动器1042的下端)与机架102通过轴承枢转连接，第二驱动器1044的输出轴(图2中第二驱动器1044的右端)与前肢安装架112通过D型接口固定连接，第二驱动器1044的基座的端部(图2中第二驱动器1044的左端)与前肢安装架112通过轴承枢转连接，第二驱动器1044的基座的中间部分通过第一连接架108与第一驱动器1042的基座的中间部分固定连接或一体制成。因此，当第一驱动器1042运行时，由于第一驱动器1042的输出轴固定到机架102，第一驱动器1042的基座会带动第二驱动器1044和与第二驱动器1044连接的前肢安装架112一起转动。特别地，在组装好的状态下，第一驱动器1042在机架102的框架内竖直放置，当第一驱动器1042的基座相对于其输出轴转动时，第一驱动器1042的基座会带动第二驱动器1044和与第二驱动器1044连接的前肢安装架112左右转动。同时，第二驱动器1044水平放置，当第二驱动器1044的输出轴相对于其基座转动时，第二驱动器1044会带动前肢安装架112实现上下转动。

关于第一驱动器1042和第二驱动器1044的基座和输出轴，需要指出的是，由于第一驱动器1042的输出轴固定连接或一体形成到机架102，因此，第一驱动器1042的输出轴在功能上构成第一驱动器1042的固定端，而第一驱动器1042的基座在功能上构成第一驱动器1042的动力输出端。相反，由于第二驱动器1044的基座固定连接或一体形成到第一连接架108，因此，第二驱动器1044的基座在功能上构成第二驱动器1044的固定端，而第二驱动器1044的输出轴在功能上构成第二驱动器1044的动力输出端。

本领域技术人员应该明白，将第一驱动器1042在机架102的框架内竖直放置，第二驱动器1044水平放置只是为了模拟生物鼠的腰部关节结构，即为了实现生物鼠腰部结构的多个自由度运动，并不是对第一驱动器1042和第二驱动器1044放置位置的限制，即第一驱动器1042和第二驱动器1044主要作用为驱动前肢实现左右和上下转动，因此，第一驱动器1042不仅仅局限于竖直放置，第二驱动器1044也不仅仅局限于水平放置，用户在基于第一驱动器1042与第二驱动器1044在空间内垂直分布的基础上，可以将第一驱动器1042水平放置，第二驱动器1044竖直放置，这种调整并不偏离本发明的基本原理和保护范围。

继续参阅图1至图3，为了提高第一驱动器1042转动时的稳定性，本发明将第一驱动器1042的基座与机架102通过轴承枢转连接，机架102通过轴承对第一驱动器1042的基座起到支撑作用，但该连接方式并不是对第一驱动器1042的结构限制，即，第一驱动器1042的输出轴可以贯穿整个驱动器并在上下两端都固定连接或一体形成到机架102上，基座只是与第一连接架108相连，这种调整并不偏离本发明的基本原理和保护范围。

继续参阅图1至图3，为了提高第二驱动器1044转动时的稳定性，本发明将第二驱动器1044的输出轴固定安装或一体形成到前肢安装架112上。具体地，前肢安装架112为C型结构，第二驱动器1044的输出轴固定设置在C型结构前肢安装架112的一侧，或者第二驱动器1044的输出轴与前肢安装架112一体成型。当然，与第一驱动器1042类似，第二驱动器1044的输出轴也可以贯穿设置，使得第二驱动器1044的输出轴在两侧都固定连接或一体形成到前肢安装架112上。

继续参阅图1至图3，根据本发明的实施例，仿生机器鼠的腰部运动仿生结构还包括连接到机架102的后驱动装置104，该后驱动装置106包括组合在一起的第三驱动器1062和第四驱动器1064，其中，第三驱动器1062的输出轴(图1中第三驱动器1062的上端)与机架102通过D型接口固定连接，第三驱动器1062的基座的端部(图1中第三驱动器1062的下端)与机架102通过轴承枢转连接，第四驱动器1064的输出轴(图2中第四驱动器1064的右端)与后肢安装架114通过D型接口固定连接，第四驱动器1064的基座的端部(图2中第四驱动器1064的左端)与后肢安装架114通过轴承枢转连接，第四驱动器1064的基座的中间部分通过第二连接架110与第三驱动器1062的基座的中间部分固定连接或一体制成。因此，当第三驱动器1062运行时，由于第三驱动器1062的输出轴固定到机架102，第三驱动器1062的基座会带动第四驱动器1064和与第四驱动器1064连接的后肢安装架114一起转动。特别地，在组装好的状态下，第三驱动器1062在机架102的框架内竖直放置，当第三驱动器1062的基座相对于其输出轴转动时，第三驱动器1062的基座会带动第四驱动器1064和与第四驱动器1064连接的后肢安装架114左右转动。同时，第四驱动器1064水平放置，当第四驱动器1064的输出轴相对于其基座转动时，第四驱动器1064会带动后肢安装架114实现上下转动。

关于第三驱动器1062和第四驱动器1064的基座和输出轴，需要指出的是，由于第三驱动器1062的输出轴固定连接或一体形成到机架102，因此，第三驱动器1062的输出轴在功能上构成第三驱动器1062的固定端，而第三驱动器1062的基座在功能上构成第三驱动器1062的动力输出端。相反，由于第四驱动器1064的基座固定连接或一体形成到第二连接架110，因此，第四驱动器1064的基座在功能上构成第四驱动器1064的固定端，而第四驱动器1064的输出轴在功能上构成第四驱动器1064的动力输出端。

同样，本领域技术人员应该明白，将第三驱动器1062在机架102的框架内竖直放置，第四驱动器1064水平放置只是为了模拟生物鼠的腰部关节结构，即为了实现生物鼠腰部结构的多个自由度运动，并不是对第三驱动器1062和第四驱动器1064位置的限制，即第三驱动器1062和第四驱动器1064主要作用为驱动后肢的左右和上下转动，因此，第三驱动器1062不仅仅局限于竖直放置，第四驱动器1064也不仅仅局限于水平放置，用户在基于第三驱动器1062与第四驱动器1064在空间内垂直分布的基础上，可以将第三驱动器1062水平放置，第四驱动器1064竖直放置，这种调整并不偏离本发明的基本原理和保护范围。

继续参阅图1至图3，为了提高第三驱动器1062转动时的稳定性，本发明将第三驱动器1062的基座与机架102通过轴承枢转连接，机架102通过轴承对第三驱动器1062的基座起到支撑作用，但该连接方式并不是对第三驱动器1062的结构限制，即，第三驱动器1062的输出轴可以贯穿整个驱动器并在上下两端都固定连接或一体形成到机架102上基座只是与第二连接架110相连，这种调整并不偏离本发明的基本原理和保护范围。

继续参阅图1至图3，为了提高第四驱动器1064转动时的稳定性，本发明将第四驱动器1064的输出轴固定安装或一体形成到后肢安装架114上。具体地，后肢安装架114为C型结构，第四驱动器1064的输出轴固定设置在C型结构后肢安装架114的一侧，或者第四驱动器1064的输出轴与后肢安装架114一体成型。当然，与第三驱动器1062类似，第四驱动器1064的输出轴也可以贯穿设置，使得第四驱动器1064的输出轴在两侧都固定连接或一体形成到后肢安装架114上。

进一步地，继续参阅图1至图3，本发明将机架102设置为工字型结构，前驱动装置104和后驱动装置106分别位于工字型机架102前后的凹槽内。本领域技术人员应该明白，工字型机架102仅仅为本发明的一个优选的实施例，只是为了模拟生物鼠的腰部关节结构，既为了模拟生物鼠腰部结构的形状，也为了提高生物鼠腰部结构的紧凑性，基于此效果考虑，工字型机架102并不能限定机架102的形状结构的保护范围，在满足驱动装置在机架102内不产生干涉的情况下，本领域技术人员可以根据需要对机架102的结构作出调整，以便适应具体的应用场合。

优选地，本发明将第一驱动器1042、第二驱动器1044、第三驱动器1062和第四驱动器1064均设置为直流伺服电机。关于此点，本领域人员应该明白，直流伺服电机可以解决现有技术中电机驱动力不足的问题，另外，直流伺服电机的可控性与连续性可以使腰部运动仿生结构快速响应机械摇摆，从而实现复杂的机械动作来模拟生物小鼠腰部结构的运动。因此，基于此效果考虑，具有驱动力足、快速响应性以及可控性的驱动装置均可替代本发明的直流伺服电机，这种替代并不偏离本发明的保护范围。

继续参阅图1至图3，本领域技术人员应该明白，本说明书是通过仿生机器鼠的腰部结构来阐述本发明的腰部运动仿生结构，但将本发明的腰部运动仿生结构应用到仿生机器鼠的腰部结构仅仅是为了描述方便，不是对本发明的腰部运动仿生结构应用的限制，例如，本发明的腰部运动仿生结构还可以用于兔子、猫、狗等其他动物的腰部结构，基于本发明的腰部运动仿生结构的原理，这种应用并不偏离本发明的保护范围。

最后，根据本发明的第二方面，还提出了一种仿生机器鼠，该仿生机器鼠包括第一方面的腰部运动仿生结构。因此，本发明的仿生机器鼠具有本发明第一方面的腰部运动仿生结构所有技术效果，在此不再赘述。另外，仿生机器鼠仅仅是本发明第二方面的一个优选实施例，不是对本发明的仿生机器的限制，例如，本发明的仿生机器还可以为仿生机器兔、仿生机器猫、仿生机器狗等其他仿生机器。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种腰部运动仿生结构，其特征在于，所述腰部运动仿生结构包括：

机架；

以枢转方式连接到所述机架前端的前驱动装置，所述前驱动装置用于驱动所述机架前端的前肢左右摇摆和上下摇摆；

以枢转方式连接到所述机架后端的后驱动装置，所述后驱动装置用于驱动所述机架后端的后肢左右摇摆和上下摇摆。

2.根据权利要求1所述的腰部运动仿生结构，其特征在于，所述前驱动装置包括第一驱动器和第二驱动器，

其中，所述第一驱动器以枢转方式连接到所述机架的前端，所述第二驱动器以枢转方式连接到所述第一驱动器，所述第一驱动器与所述第二驱动器在空间上垂直分布，所述第一驱动器和所述第二驱动器分别用于驱动所述前肢左右摇摆和上下摇摆。

3.根据权利要求2所述的腰部运动仿生结构，其特征在于，所述前驱动装置还包括第一连接架，所述第一连接架分别与所述第一驱动器的动力输出端和所述第二驱动器的固定端固定连接或一体制成，所述第一驱动器的固定端与所述机架的前端固定连接或一体制成。

4.根据权利要求2所述的腰部运动仿生结构，其特征在于，所述腰部运动仿生结构还包括前肢安装架，所述前肢安装架与所述第二驱动器的动力输出端固定连接或一体制成。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的腰部运动仿生结构，其特征在于，所述后驱动装置包括第三驱动器和第四驱动器，

其中，所述第三驱动器以枢转方式连接到所述机架的后端，所述第四驱动器以枢转方式连接到所述第三驱动器，所述第三驱动器与所述第四驱动器在空间上垂直分布，所述第三驱动器和所述第四驱动器分别用于驱动所述后肢左右摇摆和上下摇摆。

6.根据权利要求5所述的腰部运动仿生结构，其特征在于，所述后驱动装置还包括第二连接架，所述第二连接架分别与所述第三驱动器的动力输出端和所述第四驱动器的固定端固定连接或一体制成，所述第三驱动器的固定端与所述机架的后端固定连接或一体制成。

7.根据权利要求5所述的腰部运动仿生结构，其特征在于，所述腰部运动仿生结构还包括后肢安装架，所述后肢安装架与所述第四驱动器的动力输出端固定连接或一体制成。

8.根据权利要求1所述的腰部运动仿生结构，其特征在于，所述机架为工字型结构，所述前驱动装置和所述后驱动装置分别位于所述工字型机架的前后两个槽内。

9.根据权利要求5所述的腰部运动仿生结构，其特征在于，所述第一驱动器、所述第二驱动器、所述第三驱动器和所述第四驱动器均为直流伺服电机。

10.一种仿生机器鼠，其特征在于，包括权利要求1至9中任一项所述的腰部运动仿生结构。