CN108001558B - 一种具有柔性腰关节的仿生机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有柔性腰关节的仿生机器人，包括由两个机体组成的躯体和安装在躯体上足体，所述两个机体之间通过两根弹簧和一连接板连接，连接板位于两根弹簧之间；所述连接板至少与其中一块机体可活动轴接。该机器人模拟了壁虎柔性躯体，使机器人躯体具有柔性，不仅能使机身不产生干涉，而且能够储能和有效地减小冲击，提高了机器人的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有柔性腰关节的仿生机器人，属于机器人结构技术领域。
背景技术
当对于履带式机器人和轮式机器人，足式机器人具有适应复杂地形的优点，能够跨越各种障碍，灵敏快速地完成任务。然而，由于重心原因，足式机器人的稳定性较差，容易翻侧。部分足式机器人选择增加足数，以提高机器人的稳定性。但随着足数的增加，机械结构的冗余会降低足式机器人的可靠性，并使机器人的控制变得复杂。如果利用壁虎仿生学，利用弹簧模拟壁虎柔性躯体，可减小冲击，增加机器人的稳定性。此外，如果在机器人足板处增加壁虎仿生黏性材料，机器人将具有爬壁的功能。
柔性机器人的概念自2011年诞生，隔年哈佛大学研究出一种利用硅胶制作的可爬行四足动物。至2017年，用于制作柔性机器人的材料从单一的材料国度到智能材料甚至是生物材料。北京航空航天大学研究的一种具有柔性腰部的灵巧型四足机器人(丁希仑,张群,陈浩,徐坤.一种具有柔性腰部的灵巧型四足机器人[P].中国：CN103661667A，2014-03-26)，目的在于利用铰链设计一种具有柔性腰部的机器人，从而提高机器人在山地环境通行能力。北京交通大学研究的一种具有柔性腰部和弹性腿的柔顺四足机器人(张秀丽,李冬冬,刘铖,周坤玲.一种具有柔性腰部和弹性腿的柔顺四足机器人[P].中国：CN102343950A,2012-02-08)，目的在于利用电机和齿轮设计一种具有滚转、俯仰和偏转自由度的机器人，增加机器人运动的稳定性。中国科学院沈阳自动化所对仿人机器的柔性腰部机构进行研究(赵铁军,赵明扬,单光坤,王洪光,陈书宏.仿人机器人柔性腰部机构研究[J].机器人,2003,第25卷(第2期)：101-104)，依据人体构成的基本原理，该机器人腰部机构由驱动电机、差动轮系、支撑板、连杆、柔索和变刚度结构单元组成，研究目标是实现人类所具有的直立行走及双手操作功能，同时具有人类运动的灵活性、自主性和适应性。浙江大学研究的一种四足机器人仿生弹簧脊柱机构(李超,吴俊,熊蓉.一种四足机器人仿生弹簧脊柱机构[P].中国：CN102673674A,2012-09-19)，脊柱转动关节上有两个对称的扭簧，并且脊柱的两端连接了一个气动肌腱，以达到增强四足机器人运动能力的目的。西北工业大学设计了一种仿生四足机器人(冯华山,翟明敏,于薇薇,王润孝,秦现生,谭小群.一种仿四足机器人的机身[P].中国：CN102167103A,2011-08-31)，通过模仿猫科动物的身体结构，提出了一种带有腰身自由度、具有很强退步和腰部的连接柔性和腰身柔性的机器人机身，从而使机器人在行走和跳跃过程中能更好地调节姿态。上海大学设计了一种可侧向弯曲和上下弯曲的仿生柔性机体(雷静桃,俞煌颖,吴建东.一种可侧向弯曲和上下弯曲的仿生柔性机体[P].中国：CN103991490A,2014-08-20)，具有柔顺性、灵活性、仿生效果好的特点。
但上述柔性机器人所用材料皆为刚性材料，并不是真正利用硅胶或弹簧等非刚性材料的柔性机器人。至今，真正与柔性机器人相关的研究只有柔性机械臂，如章鱼触手仿生机器人。
目前，爬壁机器人主要利用磁吸附、电粘附和仿生等技术。东南大学设计了一种基于轮式移动机构的磁吸附壁面跨越爬壁机器人(杨保强.壁面跨越磁吸附爬壁机器人机械系统设计及典型工况力学特性分析[D].东南大学,2015)，它由结构对称的左右两车体通过自适应结构联接而成,包含主体支架、一对驱动磁轮、一对从动磁轮和四个辅助磁轮等结构，使爬壁机器人能在存在阶梯、交叉壁面以及曲面等钢质壁面环境中连续行走。浙江工业大学设计了一种气动爬壁机器人(孙锦山.气动爬壁机器人的结构设计及其控制系统的研究[D].浙江工业大学,2006)，该机器人采用气动柔性驱动器，使机器人能够在壁面上进行各种工作，可应用于高楼外壁清洗、渔船内外壁检查、航天检查、建筑业中的喷涂巨型墙面、安装瓷砖等。SRI国际介绍了一种利用电粘附技术的墙体爬壁机器人(Harsha Prahlad,RonPelrine,Scott Stanford,John Marlow,Roy Kornbluh.Electroadhesive robots—wallclimbing robots enabled by a novel,robust,and electrically controllableadhesion technology[R].Pasadena,CA,USA：IEEE,2008)，该机器人能够重复地在被灰尘或其他碎片严重覆盖的墙上移动。斯坦福大学研究了一种壁虎仿生黏附机器人(MarkR.Cutkosky；Sangbae Kim.CLIMBING WITH DRY ADHESIVES[P].US：US7762362B2,Jul.27,2010)，该机器人可以在平滑的垂直表面攀爬，包括玻璃、瓷砖和塑料面板。但是这些机器人腰关节均为刚性结构，运动过程中耗能大，稳定性较差。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种具有柔性腰关节的仿生机器人，以提高四足机器人的稳定性，并且使机器人具有稳定爬壁的能力。
为了解决上述技术问题，本发明公开了一种具有柔性腰关节的仿生机器人，包括由两个机体组成的躯体和安装在躯体上足体，所述两个机体之间通过两根弹簧和一连接板连接，连接板位于两根弹簧之间；所述连接板至少与其中一块机体可活动轴接，可围绕轴接点转动，从而使得机器人的腰部具有柔性结构，在机器人运动时，靠进迈出的足体一侧的弹簧被拉伸，另一根弹簧被压缩，机器人躯体呈“C”型弯曲，从而模仿壁虎柔性躯体进行运动，保持机器人身体的平衡。
其中，所述足体至少为四条，足体在躯体上对称分布，以满足运动时的平衡。
其中，每条足体的结构相同，均包括依次相连的大腿驱动杆、大腿连杆-第二舵机框架、小腿驱动杆、角形踝部连接板和脚掌板；所述大腿驱动杆一端连接第一舵机的输出轴，第一舵机安装在机体上；所述大腿连杆-第二舵机框架上安装有第二舵机，通过第二舵机的输出轴连接所述小腿驱动杆；所述大腿驱动杆、大腿连杆-第二舵机框架和脚掌板平行于机体平面。
所述大腿连杆-第二舵机框架中部连接大腿摇杆一端，大腿摇杆另一端可活动轴接于机体上部，并能够围绕该轴接点转动；所述大腿摇杆连接大腿连杆-第二舵机框架的一端设有凹槽，销钉穿过该凹槽将大腿摇杆连接大腿连杆-第二舵机框架连接且在凹槽内能够活动，从而对大腿摇杆起限位作用。
所述大腿连杆-第二舵机框架一端部轴接小腿摇杆的一端，小腿摇杆的另一端可活动轴接于角形踝部连接板上部，角形踝部连接板下部连接脚掌板。
所述角形踝部连接板具有三条连接板，相邻的两条连接板之间的角度为120°，角形踝部连接板中心轴接小腿驱动杆，上部的连接板顶部轴接小腿摇杆的一端，下部两条连接板均分别连接一脚掌板。
所述第一舵机的输出轴垂直于机体平面，输出轴转动从而驱动大腿驱动杆一端围绕输出轴运动，在大腿摇杆的作用下，共同带动大腿连杆-第二舵机框架延机体平面前后运动；所述第二舵机的输出轴平行于机体平面，输出轴转动从而驱动小腿驱动杆围绕输出轴运动，在小腿摇杆的作用下，共同带动角形踝部连接板垂直于机体平面上下运动。
所述脚掌板底部设有壁虎仿生黏附片，可吸附于墙壁之上，从而满足机器人能够在墙壁上攀爬的能力。
有益效果：
1、本申请机体采用弹簧连接，模拟了壁虎柔性躯体，使机器人躯体具有柔性，不仅能使机身不产生干涉，而且能够储能和有效地减小冲击，提高了机器人的稳定性。
2、本申请足体仅采用2个舵机即可完成三维空间中的运动，在机器人抬腿和落腿时，能够保证壁虎仿生黏附片与接触面平行，保证最大的接触面积，以增强与壁面的吸附力。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明的机器人整体结构示意图。
图2是本发明的机器人足体结构示意图。
图3是本发明的机器人足体结构分解图。
图4是本发明的机器人工作步骤流程图。
具体实施方式
根据下述实施例，可以更好地理解本发明。
如图1所示，该仿生机器人躯体由两个对称的机体1组成，两机体1通过对称的两根弹簧2和一连接板3连接，连接板3与其中一块机体固定，与另一块机体可活动轴接，并可围绕该轴接点2a旋转；两块机体1上分别对称安装有两条足体，该机器人含有四条足体，即左前足体，右前足体，左后足体，右后足体，且每条足体的结构相同。
如图2和图3所示，该机器人的每条足体均包括依次相连的大腿驱动杆5、大腿连杆-第二舵机框架7、小腿驱动杆9、角形踝部连接板11和脚掌板12，大腿驱动杆5一端连接第一舵机4的输出轴4a，第一舵机4安装在机体1上；大腿连杆-第二舵机框架7上安装有第二舵机8，通过第二舵机8的输出轴8a连接所述小腿驱动杆9；大腿连杆-第二舵机框架7中部通过销钉连接大腿摇杆6一端凹槽6b，大腿摇杆6另一端可活动轴接于机体1上部，并能够围绕该轴接点6a转动；大腿连杆-第二舵机框架7一端部轴接小腿摇杆10的一端，小腿摇杆10的另一端可活动轴接于角形踝部连接板11上部；角形踝部连接板11具有三条连接板，相邻的两条连接板之间的角度为120°，角形踝部连接板11的中心轴接小腿驱动杆9，上部的连接板顶部轴接小腿摇杆10的一端，下部两条连接板均分别连接一脚掌板12，脚掌板12底部设有壁虎仿生黏附片13。
第一舵机4的输出轴垂直于机体1平面(即与XOY平面垂直)，输出轴4a转动从而驱动大腿驱动杆5一端围绕输出轴运动，在大腿摇杆6的作用下，共同带动大腿连杆-第二舵机框架7延机体1平面前后运动；第二舵机8的输出轴8a平行于机体1平面(即平行于X轴)，输出轴转动从而驱动小腿驱动杆9围绕输出轴运动，在小腿摇杆10的作用下，共同带动角形踝部连接板11垂直于机体1平面上下运动。
如图4所示，该仿生机器人的工作方式为三足支撑步态，工作步骤如下：
(1)初始状态下，机器人四足上的壁虎仿生黏附片13黏附于接触面，使四足机器人在接触面处于静止状态；
(2)机器人运作，第二舵机8运作，驱动小腿驱动杆9，小腿驱动杆9带动小腿摇杆10、角形踝部连接板11和脚掌板12，使四足机器人抬腿，脚掌板12上的壁虎仿生黏附片13从接触面剥落；
(3)第一舵机4运作，驱动大腿驱动杆5，大腿驱动杆5带动大腿摇杆6和大腿连杆-第二舵机框架7，使四足机器人迈腿；
(4)机器人机体上对称的两根弹簧2发生形变，靠迈出的腿一侧的弹簧被拉伸，另一根弹簧被压缩，机器人躯体呈“C”型弯曲，即机器人模仿壁虎柔性躯体进行运动；
(5)第二舵机8运作，驱动小腿驱动杆9，小腿驱动杆9带动小腿摇杆10、角形踝部连接板11和脚掌板12，使四足机器人落腿，脚掌板12上的壁虎仿生黏附片13与接触面黏附；
(6)四足工作步骤相同，但时间上错开并互相配合，共同完成机器人的前进后退操作。
本发明提供了一种具有柔性腰关节的仿生机器人的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种具有柔性腰关节的仿生机器人，包括由两个机体(1)组成的躯体和安装在躯体上足体，其特征在于，所述两个机体(1)之间通过两根弹簧(2)和一连接板(3)连接，连接板(3)位于两根弹簧(2)之间；所述连接板(3)至少与其中一块机体(1)可活动轴接；
足体包括依次相连的大腿驱动杆(5)、大腿连杆-第二舵机框架(7)、小腿驱动杆(9)、角形踝部连接板(11)和脚掌板(12)；所述大腿驱动杆(5)一端连接第一舵机(4)的输出轴，第一舵机(4)安装在机体(1)上；所述大腿连杆-第二舵机框架(7)上安装有第二舵机(8)，通过第二舵机(8)的输出轴连接所述小腿驱动杆(9)；所述大腿驱动杆(5)、大腿连杆-第二舵机框架(7)和脚掌板(12)平行于机体(1)平面；
所述大腿连杆-第二舵机框架(7)中部连接大腿摇杆(6)一端，大腿摇杆(6)另一端可活动轴接于机体(1)上部，并能够围绕该轴接点转动；所述大腿摇杆(6)连接大腿连杆-第二舵机框架(7)的一端设有凹槽(6b)。
2.根据权利要求1所述的一种具有柔性腰关节的仿生机器人，其特征在于，所述足体至少为四条，足体在躯体上对称分布。
3.根据权利要求2所述的一种具有柔性腰关节的仿生机器人，其特征在于，每条足体的结构相同。
4.根据权利要求1所述的一种具有柔性腰关节的仿生机器人，其特征在于，所述大腿连杆-第二舵机框架(7)一端部轴接小腿摇杆(10)的一端，小腿摇杆(10)的另一端可活动轴接于角形踝部连接板(11)上部，角形踝部连接板(11)下部连接脚掌板(12)。
5.根据权利要求4所述的一种具有柔性腰关节的仿生机器人，其特征在于，所述角形踝部连接板(11)具有三条连接板，相邻的两条连接板之间的角度为120°，角形踝部连接板(11)中心轴接小腿驱动杆(9)，上部的连接板顶部轴接小腿摇杆(10)的一端，下部两条连接板分别连接一脚掌板(12)。
6.根据权利要求4所述的一种具有柔性腰关节的仿生机器人，其特征在于，所述第一舵机(4)的输出轴垂直于机体(1)平面，输出轴转动从而驱动大腿驱动杆(5)一端围绕输出轴运动，在大腿摇杆(6)的作用下，共同带动大腿连杆-第二舵机框架(7)延机体(1)平面前后运动；所述第二舵机(8)的输出轴平行于机体(1)平面，输出轴转动从而驱动小腿驱动杆(9)围绕输出轴运动，在小腿摇杆(10)的作用下，共同带动角形踝部连接板(11)垂直于机体(1)平面上下运动。
7.根据权利要求6所述的一种具有柔性腰关节的仿生机器人，其特征在于，所述脚掌板(12)底部设有壁虎仿生黏附片(13)。
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