CN110217313B - 一种类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体，属于仿生机器人技术领域。本发明包括前机架、后机架、仿生脊柱、仿生韧带组和气动肌纤维组。其中仿生脊柱由若干节仿生脊椎单元组成胸椎、腰椎两部分，每节仿生脊椎单元包括仿生椎骨和仿生椎间盘，仿生脊柱通过螺钉分别与前机架、后机架固定连接。气动肌纤维组由若干条气动肌纤维捆绑而成，通过肌腱分别绑在前机架、后机架和胸椎肋骨上。本发明可以实现机体侧向弯曲和上下俯仰弯曲运动，具有结构轻巧、运动灵活、柔顺性、仿生效果好等特点，可提高机器人非结构化环境下的动态运动性能。

Description

一种类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体

技术领域

本发明涉及一种类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体，可用于四足仿生机器人，属于仿生机器人技术领域。

背景技术

四足仿生机器人在运动过程中与地面点接触，可适应复杂的地形环境，具有广大的应用前景。目前，四足仿生机器人机体多采用刚性整体结构，无法充分利用四足哺乳动物柔性躯体的重要机能。四足哺乳动物脊柱结构与肌肉系统协同工作，一方面可使机体灵活弯曲，实现原地转向功能，另一方面，在奔跑过程中脊柱的俯仰屈伸运动可增加四肢摆动相，提供助推力，储存并传递能量。

气动人工肌肉因为与生物肌肉相似的柔顺性和收缩特性，被广泛应用于可穿戴机器人和仿生机器人中。然而，大部分气动人工肌肉直径10-40mm，充气时肌肉变硬并径向膨胀，且两端带有沉重的刚性防漏气部件，很难在机器人机体内密集安装以获得与生物肌肉相同的冗余驱动机制，气动人工肌肉质量轻的优点也尚未得到充分利用。为了解决这些问题，需要更加灵活、紧凑和轻量化的气动人工肌肉。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的不足，提出一种类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体，模仿四足哺乳动物躯体结构，具有结构轻巧、运动灵活、柔顺性和仿生效果好的特点。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体，由前机架、后机架、仿生脊柱、仿生韧带组、气动肌纤维组构成，所述前机架、后机架为空间框架结构，两者由一条仿生脊柱连接成一个整体；仿生韧带组的四条韧带穿过仿生脊柱，绕仿生椎间盘呈圆周分布，两端分别固定在前机架、后机架上；所述气动肌纤维组共八组，其中六组的两端都是整体密封，并通过肌腱分别固定在前机架、后机架上，另外两组的一端整体密封，并通过肌腱固定在后机架上，另一端单独密封，分别通过肌腱固定在仿生脊柱的仿生胸椎骨上。

所述气动肌纤维组共有八组，其中第一气动肌纤维组，第二气动肌纤维组，第三气动肌纤维组，第四气动肌纤维组，第五气动肌纤维组，第六气动肌纤维组结构相同，都是由若干条气动肌纤维通过粘结剂捆绑而成，一端粘结有密封帽和进风口，另一端粘结有密封帽，两端密封帽外均粘结有肌腱；第七气动肌纤维组，第八气动肌纤维组结构相同，一端粘结有密封帽和进风口，密封帽外粘结有肌腱，另一端的每条气动肌纤维单独密封，且每条气动肌纤维都粘结有肌腱。

所述气动肌纤维由弹性内管和外编织套管构成，当向气动肌纤维内通入一定压力的气体时，弹性内管在压力的作用下发生变形，带动外编织套管径向膨胀，编织角增大，外编织套管轴向缩短，达到气动肌纤维收缩的效果；反之弹性内管排出气体，气动肌纤维舒张。

所述仿生脊柱分为胸椎和腰椎两部分，由若干节仿生脊椎单元依次排列而成，所述胸椎部分的仿生脊椎单元包括一个仿生胸椎骨和一个仿生椎间盘，所述仿生胸椎骨两侧设有长度不等的仿生肋骨，仿生胸椎骨按仿生肋骨的长度由大到小排列；所述腰椎部分的仿生脊椎单元包括一个仿生腰椎骨和一个仿生椎间盘，其中仿生腰椎骨与仿生胸椎骨的厚度不同；前一节仿生胸椎骨或仿生腰椎骨的上节突穿过仿生椎间盘与后一节仿生胸椎骨或仿生腰椎骨的下关节面构成一个球副，使得仿生脊椎单元相互连接，同时使相邻仿生胸椎骨或仿生腰椎骨绕球副在一定范围内进行上下及左右摆动。

所述仿生韧带组的每条韧带包括仿生韧带和带头，所述仿生韧带具有一定的弹性，两端分别通过带头卡在前机架、后机架上，通过设置一定的预拉力实现仿生韧带的韧性和抗张力特性，改变仿生韧带的预拉力，实现仿生脊柱的变刚度特性。

本发明与现有技术相比，具有下列显而易见的优势：

1、本发明改变传统四足仿生机器人刚性整体结构的设计理念，充分利用四足哺乳动物柔性躯体生物原型的优越性能，将仿生脊柱和气动肌纤维组相结合，通过控制气动肌纤维组充放气，实现机体的左右侧弯和上下俯仰屈伸运动，具有结构轻巧、运动灵活、柔顺性、仿生效果好的特点。

2、本发明根据四足哺乳动物脊柱原型，将胸椎部分、腰椎部分的仿生椎骨设计为不同厚度，且腰椎部分的仿生椎骨两侧设计有不同长度的仿生肋骨，仿生椎骨间通过球副连接，仿生椎骨和仿生椎间盘共同构成仿生脊柱，即符合仿生学，又具有较好的柔顺性。

3、本发明根据生物原型，设计出一组仿生韧带，四条仿生韧带穿过仿生椎骨，绕仿生椎间盘呈圆周分布。仿生韧带具有一定的弹性，通过设置一定的预拉力实现生物韧带的韧性和抗张力特性，改变仿生韧带的预拉力，可实现仿生脊柱的变刚度特性，符合仿生学的特点。

4、本发明根据四足哺乳动物柔性躯体肌肉布置方式，在仿生脊柱四周布置气动肌纤维组，充分利用气动肌纤维组结构紧凑、质量轻的优点，通过控制气动肌纤维组的充放气，改变机体刚度，实现机体运动，即符合仿生学，又具有控制简单、灵活等特点。

附图说明

图1是本发明一种类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体的初始状态示意图；

图2是本发明一种类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体的仿生脊柱整体示意图；

图3是本发明一种类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体的仿生脊椎单元爆炸图；

图4是本发明一种类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体的仿生韧带结构示意图；

图5是本发明一种类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体的气动肌纤维组布置示意图；

图6是本发明一种类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体末端整体密封的气动肌纤维组结构示意图；

图7是本发明一种类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体末端单独密封的气动肌纤维组机构示意图；

图8是本发明一种类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体的气动肌纤维结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细说明：

如图1所示，一种类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体，由前机架Ⅰ、后机架Ⅴ、仿生脊柱Ⅲ、仿生韧带组Ⅳ、气动肌纤维组Ⅱ构成，所述前机架Ⅰ、后机架Ⅴ为空间框架结构，两者由一条仿生脊柱Ⅲ连接成一个整体；仿生韧带组Ⅳ的四条韧带穿过仿生脊柱Ⅲ，绕仿生椎间盘3呈圆周分布，两端分别固定在前机架Ⅰ、后机架Ⅴ上；所述气动肌纤维组Ⅱ共八组，其中六组的两端都是整体密封，并通过肌腱17分别固定在前机架Ⅰ、后机架Ⅴ上，另外两组的一端整体密封，并通过肌腱17固定在后机架Ⅴ上，另一端单独密封，分别通过肌腱17固定在仿生脊柱Ⅲ的仿生胸椎骨1上。

如图2和图3所示，所述仿生脊柱Ⅲ分为胸椎和腰椎两部分，由若干节仿生脊椎单元依次排列而成，所述胸椎部分的仿生脊椎单元包括一个仿生胸椎骨1和一个仿生椎间盘3，所述仿生胸椎骨1两侧设有长度不等的仿生肋骨，仿生胸椎骨1按仿生肋骨的长度由大到小排列；所述腰椎部分的仿生脊椎单元包括一个仿生腰椎骨2和一个仿生椎间盘3，其中仿生腰椎骨2与仿生胸椎骨1的厚度不同，根据四足哺乳动物脊柱原型，本实施例的腰椎部分仿生腰椎骨2厚度为25mm，胸椎部分仿生胸椎骨1厚度为17mm。前一节仿生胸椎骨1或仿生腰椎骨2的上节突穿过仿生椎间盘3与后一节仿生胸椎骨1或仿生腰椎骨2的下关节面构成一个球副，使得仿生脊椎单元相互连接，同时使相邻仿生胸椎骨1或仿生腰椎骨2绕球副在一定范围内进行上下及左右摆动。

如图4所示，所述仿生韧带组Ⅳ的每条韧带包括仿生韧带4和带头5，所述仿生韧带4具有一定的弹性，两端分别通过带头5卡在前机架Ⅰ、后机架Ⅴ上，通过设置一定的预拉力实现仿生韧带4的韧性和抗张力特性，改变仿生韧带4的预拉力，实现仿生脊柱Ⅲ的变刚度特性。

如图5至图7所示，所述气动肌纤维组Ⅱ共有八组，其中第一气动肌纤维组6，第二气动肌纤维组7，第三气动肌纤维组8，第四气动肌纤维组9，第五气动肌纤维组10，第六气动肌纤维组11结构相同，都是由若干条气动肌纤维14通过粘结剂捆绑而成，一端粘结有密封帽15和进风口16，另一端粘结有密封帽15，两端密封帽15外均粘结有肌腱17；第七气动肌纤维组12，第八气动肌纤维组13结构相同，一端粘结有密封帽15和进风口16，密封帽15外粘结有肌腱17，另一端的每条气动肌纤维14单独密封，且每条气动肌纤维14都粘结有肌腱17。

如图8所示，所述气动肌纤维14由弹性内管18和外编织套管19构成，本实施例中气动肌纤维14的外径1.8mm，弹性内管18外径1.3mm，内径0.9mm，外编织套管19由直径0.12mm的单丝编织而成，编织角为18^°~30^°。当向气动肌纤维14内通入一定压力的气体时，弹性内管18在压力的作用下发生变形，带动外编织套管19径向膨胀，编织角增大，外编织套管19轴向缩短，达到气动肌纤维14收缩的效果；反之弹性内管18排出气体，气动肌纤维14舒张。

本发明的工作原理，结合图5说明如下：通过控制气动肌纤维组Ⅱ的充放气，改变机体刚度，实现机体运动，具有结构精巧、控制简单、仿生性高的特点。各气动肌纤维组对应生物原型及其运动功能分别为：第一气动肌纤维组6-髂肋肌-侧屈或背屈；第二气动肌纤维组7-棘肌-背屈；第三气动肌纤维组8-髂肋肌-侧屈或背屈；第四气动肌纤维组9-外斜肌-侧屈/旋转或腹屈；第五气动肌纤维组10-腹直肌-腹屈；第六气动肌纤维组11-外斜肌-侧屈/旋转或腹屈；第七气动肌纤维组12-腹内斜肌-侧屈/旋转或腹屈；第八气动肌纤维组13-腹内斜肌-侧屈/旋转或腹屈。

Claims (3)

1.一种类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体，由前机架(Ⅰ)、后机架(Ⅴ)、仿生脊柱(Ⅲ)、仿生韧带组(Ⅳ)、气动肌纤维组(Ⅱ)构成，其特征在于：所述前机架(Ⅰ)、后机架(Ⅴ)为空间框架结构，两者由一条仿生脊柱(Ⅲ)连接成一个整体；仿生韧带组(Ⅳ)的四条韧带穿过仿生脊柱(Ⅲ)，绕仿生椎间盘(3)呈圆周分布，两端分别固定在前机架(Ⅰ)、后机架(Ⅴ)上；所述气动肌纤维组(Ⅱ)共八组，其中六组的两端都是整体密封，并通过肌腱(17)分别固定在前机架(Ⅰ)、后机架(Ⅴ)上，另外两组的一端整体密封，并通过肌腱(17)固定在后机架(Ⅴ)上，另一端单独密封，分别通过肌腱(17)固定在仿生脊柱(Ⅲ)的仿生胸椎骨(1)上；

所述气动肌纤维组(Ⅱ)共有八组，其中第一气动肌纤维组(6)，第二气动肌纤维组(7)，第三气动肌纤维组(8)，第四气动肌纤维组(9)，第五气动肌纤维组(10)，第六气动肌纤维组(11)结构相同，都是由若干条气动肌纤维(14)通过粘结剂捆绑而成，一端粘结有密封帽(15)和进风口(16)，另一端粘结有密封帽(15)，两端密封帽(15)外均粘结有肌腱(17)；第七气动肌纤维组(12)，第八气动肌纤维组(13)结构相同，一端粘结有密封帽(15)和进风口(16)，密封帽(15)外粘结有肌腱(17)，另一端的每条气动肌纤维(14)单独密封，且每条气动肌纤维(14)都粘结有肌腱(17)；

所述仿生脊柱(Ⅲ)分为胸椎和腰椎两部分，由若干节仿生脊椎单元依次排列而成，所述胸椎部分的仿生脊椎单元包括一个仿生胸椎骨(1)和一个仿生椎间盘(3)，所述仿生胸椎骨(1)两侧设有长度不等的仿生肋骨，仿生胸椎骨(1)按仿生肋骨的长度由大到小排列；所述腰椎部分的仿生脊椎单元包括一个仿生腰椎骨(2)和一个仿生椎间盘(3)，其中仿生腰椎骨(2)与仿生胸椎骨(1)的厚度不同；前一节仿生胸椎骨(1)或仿生腰椎骨(2)的上节突穿过仿生椎间盘(3)与后一节仿生胸椎骨(1)或仿生腰椎骨(2)的下关节面构成一个球副，使得仿生脊椎单元相互连接，同时使相邻仿生胸椎骨(1)或仿生腰椎骨(2)绕球副在一定范围内进行上下及左右摆动；

通过控制气动肌纤维组(Ⅱ)的充放气，改变机体刚度，实现机体运动；各气动肌纤维组(Ⅱ)对应生物原型及其运动功能分别为：第一气动肌纤维组(6)-髂肋肌-侧屈或背屈；第二气动肌纤维组(7)-棘肌-背屈；第三气动肌纤维组(8)-髂肋肌-侧屈或背屈；第四气动肌纤维组(9)-外斜肌-侧屈/旋转或腹屈；第五气动肌纤维组(10)-腹直肌-腹屈；第六气动肌纤维组(11)-外斜肌-侧屈/旋转或腹屈；第七气动肌纤维组(12)-腹内斜肌-侧屈/旋转或腹屈；第八气动肌纤维组(13)-腹内斜肌-侧屈/旋转或腹屈。

2.根据权利要求1所述的类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体，其特征在于：所述气动肌纤维(14)由弹性内管(18)和外编织套管(19)构成，当向气动肌纤维(14)内通入一定压力的气体时，弹性内管(18)在压力的作用下发生变形，带动外编织套管(19)径向膨胀，编织角增大，外编织套管(19)轴向缩短，达到气动肌纤维(14)收缩的效果；反之弹性内管(18)排出气体，气动肌纤维(14)舒张。

3.根据权利要求1所述的类生物肌纤维驱动的可变刚度仿生机体，其特征在于：所述仿生韧带组(Ⅳ)的每条韧带包括仿生韧带(4)和带头(5)，所述仿生韧带(4)具有一定的弹性，两端分别通过带头(5)卡在前机架(Ⅰ)、后机架(Ⅴ)上，通过设置一定的预拉力实现仿生韧带(4)的韧性和抗张力特性，改变仿生韧带(4)的预拉力，实现仿生脊柱(Ⅲ)的变刚度特性。

Images