CN110253562A - 一种基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱，包括仿生脊柱骨架和气动仿生肌肉；所述仿生脊椎骨架包括骨架件，所述骨架件设置有多个，相邻的两骨架件之间通过万向节相连接，以使得仿生脊椎骨架具有上下弯曲俯仰及左右弯曲侧摆两个自由度；所述气动仿生肌肉设置有两组，分别安装在所述仿生脊椎骨架长度方向相邻的两侧，以通过气动仿生肌肉的动作使得仿生脊椎骨架实现上下弯曲俯仰、左右弯曲侧摆两个自由度的运动。通过利用万向节串联脊柱结构模拟动物脊柱的骨骼，利用两条气动肌肉模拟动物脊椎上附着的肌肉，能够较好的还原动物脊柱的运动形态，而且结构紧凑，拥有自感知功能，具有较好的仿生性、柔顺性及灵活性。
Description
技术领域
本发明涉及仿生脊柱，具体涉及一种基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱。
背景技术
在机器人技术领域中，随着仿生学研究的不断深入，不同概念及原理的柔性机器人不断涌现，他们结构、控制以及性能差异巨大。目前各类双足、四足、多足机器人中，其主干躯体大部分还是刚性结构，较为笨重、自由度少、运动和执行任务不够灵活、效率不高。如果把刚性躯干替换成性能优良的柔性躯干，其灵活性、柔顺性、环境适应性将显著增强。但是目前已有的一些柔性脊柱的成果主要问题是结构复杂、可靠性较差、控制精度较差、制备加工困难、成本较高。
专利文献CN201610897733.9通过采用球关节加弹簧组成的欠驱动式柔性脊柱，其主要缺点如下：球关节副摩擦力较大且对加工精度要求较高，弹簧在大形变弯曲时容易移位，造成柔性脊柱失稳损坏。
专利文献CN201310099132.X涉及到一种球关节副加弹簧加气动肌肉的柔性脊柱，其缺点主要如下：结构较为复杂，有三种相互耦合的传动方式，其气动肌肉是轴向伸缩型的普通气动肌肉，通过两条伸缩型气动肌肉组合成一个转动副，转动控制精度难以保障，而且装配两条气动肌肉只有一个转动自由度，不够灵活。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有机器人柔性脊柱灵活度不够的问题，提供一种基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱，包括仿生脊柱骨架和气动仿生肌肉；其中，
所述仿生脊椎骨架包括骨架件，所述骨架件设置有多个，相邻的两骨架件之间通过万向节相连接，以使得仿生脊椎骨架具有上下弯曲俯仰及左右弯曲侧摆两个自由度；
所述气动仿生肌肉设置有两组，分别安装在所述仿生脊椎骨架长度方向相邻的两侧，以通过气动仿生肌肉的动作使得仿生脊椎骨架实现上下弯曲俯仰、左右弯曲侧摆两个自由度的运动。
所述气动仿生肌肉包括气动驱动器和多腔体弹性气囊，所述气动驱动器的出气端密封安装在多腔体弹性气囊的进气端处，以往多腔体弹性气囊内进行充气或抽气；所述多腔体弹性气囊用于安装在所述仿生脊椎骨架长度方向的侧面上。
所述多腔体弹性气囊包括单腔体弹性气囊以及多孔导气件；其中，所述多孔导气件的主体部分是中空的导气室，沿着所述导气室上端面的长度方向间隔分布有气孔，每一所述气孔中均连通安装有所述单腔体弹性气囊；所述导气室的下端面用于安装在所述仿生脊椎骨长度方向的侧面上。
所述多腔体弹性气囊还包括材料为环氧基玻璃纤维的弹性支架，所述弹性支架安装在所述导气室上端面中且对应地设置有气孔，所述单腔体弹性气囊对应地安装在弹性支架的气孔上表面中，以和导气室的气孔相连通。
所述多孔导气件的进气口端部密封接口设置有O型圈密封槽，所述多孔导气件的进气口端部密封接口与气动驱动器通过螺栓及O型密封圈气密装配连接。
所述气动驱动器包括气嘴、储气缸阀以及活塞；所述气嘴为多宝塔结构，以和所述多孔导气件的进气口过盈装配；所述气嘴和储气缸相连通，活塞安装在储气缸内。
所述的基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱还包括弯曲变形传感器、薄膜压力传感器、模块化控制电路板、上位计算机；所述弯曲变形传感器安装在导气室的下端面上，以用于监测多孔导气件的曲率变形量；所述薄膜压力传感器安装在所述单腔体弹性气囊的表面上，以用于监测单腔体弹性气囊的弹性变形力，所述模块化控制电路板用于接收弯曲变形传感器所监测到的曲率变形量以及薄膜压力传感器所监测到的弹性变形力数据，并将所接收到数据传输至上位计算机，由上位计算机对该数据进行处理，并根据处理后的结果来向模块化控制电路板下达控制命令，由模块化控制电路板来控制气动驱动器的动作。
所述骨架件为板块状，一相邻的两侧边面朝外延伸形成平面安装部，在骨架件的前后两个面上设置有与万向节适配的圆形凹槽面。
所述单腔体弹性气囊的材料为硅橡胶。
所述万向节主要由两端的万向节叉和中间的十字轴装配组成，以有上下俯仰及水平侧摆两个自由度。
本发明与现有技术相比，其有益效果在于：
本实施例提供的基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱通过利用万向节串联脊柱结构模拟动物脊柱的骨骼，利用两条气动肌肉模拟动物脊椎上附着的肌肉，能够较好的还原动物脊柱的运动形态，而且结构紧凑。通过利用本基于气动肌肉的柔性脊柱可以大幅度提高腿足机器人的灵活性、稳定性、环境自适应性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱的整体结构示意图；
图2为仿生脊椎骨架的结构示意图；
图3为气动仿生肌肉的结构示意图；
图4为气动仿生肌肉的剖面图；
图5为图4中A处的放大示意图；
图6为驱动器通气嘴的整体结构示意图；
图7为气动肌肉闭环控制原理图；
图8为柔性脊柱初始状态(充气前)的示意图；
图9为柔性脊柱充气后的状态示意图；
图10为柔性脊柱抽气后的状态示意图；
图11为骨架件的结构示意图；
图中：1、仿生脊柱骨架；2、气动仿生肌肉；3、上位计算机；4、薄膜压力传感器；5、模块化控制电路板；11、骨架件；12、万向节；21、气动驱动器；22、多腔体弹性气囊；23、O型圈密封；111、平面安装部；112、圆形凹槽面；121、万向节叉；122、十字轴；211、气嘴；212、储气缸；213、活塞；214、微型气阀；215、活塞杆；221、单腔体弹性气囊；222、多孔导气件；223、弹性支架；2221、导气室。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。
实施例：
参阅图1所示，本实施例提供的基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱包括仿生脊柱骨架1和气动仿生肌肉2。
其中，如图2所示，该仿生脊椎骨架1包括骨架件11，该骨架件11设置有多个，相邻的两骨架件11之间通过万向节12相连接，以使得仿生脊椎骨架1具有上下弯曲俯仰及左右弯曲侧摆两个自由度；也就是说，整个仿生脊椎骨架1主要是由多个骨架件11与万向节12串联而成，万向节12与骨架件11通过螺栓紧固装配连接。考虑节省成本，骨架件11可由树脂或聚丙烯等高分子材料3D打印而成。万向节12因强度精度要求较高可使用铝合金或合金钢机械加工制成，万向节12主要由两端的万向节叉121和中间的十字轴122装配组成，有上下俯仰及水平侧摆两个自由度。整个串联的二自由度脊柱主要功能是模拟脊椎动物的脊椎骨架结构，并拥有垂直面俯仰与水平面侧摆两个自由度，轴向不可拉伸，具有较好的灵活性和稳定性，可有效增强气动肌肉柔性脊柱结构的承载能力及可靠性。另外，为了便于气动仿生肌肉的粘贴安装，如图11所示，该骨架件11为板块状，一相邻的两侧边面朝外延伸形成平面安装部111，以作为粘接面，可与气动肌肉底面胶接装配，而在骨架件11的前后两个面上设置有与万向节适配的圆形凹槽面112，以保证串联脊柱轴向装配的精度。
而该气动仿生肌肉2则设置有两组，分别通过粘贴的方式固定安装在该仿生脊椎骨架1长度方向相邻的两侧，以通过气动仿生肌肉2的动作使得仿生脊椎骨架1实现上下弯曲俯仰、左右弯曲侧摆两个自由度的运动。也就就是说，两组气动仿生肌肉2之间是成90度角设置的，通过控制两组气动仿生肌肉2的动作即可以带动整一个柔性脊柱实现上下弯曲俯仰、左右弯曲侧摆两个自由度的运动。
由此可知，本实施例提供的基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱通过利用万向节串联脊柱结构模拟动物脊柱的骨骼，利用两条气动肌肉模拟动物脊椎上附着的肌肉，能够较好的还原动物脊柱的运动形态，而且结构紧凑。通过利用本基于气动肌肉的柔性脊柱可以大幅度提高腿足机器人的灵活性、稳定性、环境自适应性。
作为本实施例的一种优选，具体地，如图3所示，该气动仿生肌肉2包括气动驱动器21和多腔体弹性气囊22，该气动驱动器21的出气端密封安装在多腔体弹性气囊22的进气端处，以往多腔体弹性气囊22内进行充气或抽气；该多腔体弹性气囊22用于安装在该仿生脊椎骨架1长度方向的侧面上。如此，只需通过控制多腔体弹性气囊进行充气或抽气，即可以控制整一个柔性脊柱的运动。
具体地，该多腔体弹性气囊22包括单腔体弹性气囊221以及多孔导气件222。该单腔体弹性气囊221由硅橡胶为原材料倒模成型的、中空的、底面有孔的、长方体囊壳状结构，如图4-6所示。而该多孔导气件222则由复合材料3D打印而，主体部分是中空的导气室2221，沿着该导气室上端面的长度方向间隔分布有气孔，每一气孔中均连通安装有单腔体弹性气囊221。也就是说，单腔体弹性气囊221之间是间隔独立而设的，这样的话，通过在多个单腔体弹性气囊221的共同作用下，可以使得柔性脊柱的运动更为地灵活。此外，为了便于单腔体弹性气囊221的粘贴固定安装，在单腔体弹性气囊221和导气室2221上端面之间还安装有材料为环氧基玻璃纤维的弹性支架223，弹性支架223的材料为环氧基玻璃纤维且对应地设置有气孔，其强度比聚丙烯高，且表面粗糙度低，适合胶接工艺，可提高单腔体弹性气囊221粘接工艺的可靠性，导气室2221和弹性支架223的下端面通过胶接工艺粘贴密封装配。而该多孔导气件222的进气口端部密封接口设置有O型圈密封槽，该多孔导气件的进气口端部密封接口与气动驱动器21通过螺栓及O型密封圈23气密装配连接，以保证气密性。
而该气动驱动器21主要由驱动器端部气嘴211、储气缸212、微型气阀214、活塞213、活塞杆215等组成。驱动器端部气嘴221是多宝塔结构，驱动器端部气嘴221与多孔导气件222的进气口之间为过盈装配，这样驱动器端部气嘴的多宝塔结构与密封圈结构组成驱动器与执行器气密装配连接的双重保险。而微型气阀214在驱动器顶部，主要是驱动器往储气缸212进行充气和抽气。活塞213是具体控制往气动肌肉冲放气量的控制元件，由可伸缩的活塞杆215控制。
作为本实施例的另一种优选，为了更好地控制上述柔性脊柱的动作，该柔性脊柱还包括有弯曲变形传感器、薄膜压力传感器4、模块化控制电路板5、上位计算机3；该弯曲变形传感器3安装在导气室2221的下端面上，以用于监测多孔导气件222的曲率变形量；该薄膜压力传感器4安装在所述单腔体弹性气囊221的表面上，以用于监测单腔体弹性气囊221的弹性变形力，该模块化控制电路板5用于接收弯曲变形传感器3所监测到的曲率变形量以及薄膜压力传感器4所监测到的弹性变形力数据，并将所接收到数据传输至上位计算机3，由上位计算机3对该数据进行处理，并根据处理后的结果来向模块化控制电路板5下达控制命令，由模块化控制电路板6来控制气动驱动器21的动作。
具体地，整个柔性脊柱的控制原理如下：如图7所示，模块化控制电路板5的信号处理电路对弯曲变形传感器和薄膜压力传感器4的原始反馈信号进行采集并转换为0-5V的模拟反馈信号，进一步的对模拟信号以一定的周期进行采集并转化为数字信号并通过串口通信将反馈信息上传至上位计算机3。上位计算机3通过与模块化控制电路板5之间的串口通讯实现对气动肌肉反馈信息的监视和控制命令的下行输出。上位计算机对气动肌肉的反馈信息进行监视，并通过串口通信向气动驱制器21下达控制命令，驱动柔性脊柱的两条气动仿生肌肉往期望方向弯曲或偏摆。气动驱制器接收到控制命令后，根据接收的控制指令控制微型气阀开/闭及充/抽气活塞杆的伸缩来实现驱动器的脉冲式充气/放气，直至柔性脊柱的气动仿生肌肉达到控制命令要求的运动状态，由此形成反馈控制闭环，具体参见图控制原理图。
下面对整个柔性脊柱的运动原理进行介绍说明：
如图8-10所示(三幅图结合着看)，弹性气囊的材料为硅橡胶其杨氏模量E较小和材料延伸率λ较大，弹性气囊下端面的弹性支架其材料为环氧基玻璃纤维，其杨氏模量E较大和材料延伸率λ较小。1、当导气室及弹性气囊内的气压与外界气压一致，则弹性气囊及弹性支架均不发生变形保持长直状态。2、当气动驱动器向导气室内充气，弹性气囊内气压增大发生膨胀弹性变形，变形量较大，而弹性气囊下端面的弹性支架由于其杨氏模量较大，材料延伸率较小，弹性支架阻碍多腔体弹性气囊的下端面变形，从而气动肌肉产生了底部向上弯曲的运动形式，整个气动肌肉呈现中间上拱，两端低垂的凸形态；3、当气动驱动器从导气室内抽气，弹性气囊内气压减小发生收缩弹性变形，变形量较大，而弹性气囊下端面的弹性支架由于其杨氏模量较大，材料延伸率较小，弹性支架阻碍多腔体弹性气囊的下端面收缩变形，从而气动肌肉产生了底部向下弯曲的运动形式，整个气动肌肉呈现中间凹陷，两端上扬的凹形态。因此控制两根气动肌肉驱动器的充放气就能够实现对柔性脊柱垂直面上下俯仰，水平面左右弯曲偏摆两个自由度的运动，能够最大限度的模拟动物脊柱的弯曲运动。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱，其特征在于，包括仿生脊柱骨架和气动仿生肌肉；其中，
所述仿生脊椎骨架包括骨架件，所述骨架件设置有多个，相邻的两骨架件之间通过万向节相连接，以使得仿生脊椎骨架具有上下弯曲俯仰及左右弯曲侧摆两个自由度；
所述气动仿生肌肉设置有两组，分别安装在所述仿生脊椎骨架长度方向相邻的两侧，以通过气动仿生肌肉的动作使得仿生脊椎骨架实现上下弯曲俯仰、左右弯曲侧摆两个自由度的运动。
2.如权利要求1所述的基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱，其特征在于，所述气动仿生肌肉包括气动驱动器和多腔体弹性气囊，所述气动驱动器的出气端密封安装在多腔体弹性气囊的进气端处，以往多腔体弹性气囊内进行充气或抽气；所述多腔体弹性气囊用于安装在所述仿生脊椎骨架长度方向的侧面上。
3.如权利要求2所述的基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱，其特征在于，所述多腔体弹性气囊包括单腔体弹性气囊以及多孔导气件；其中，所述多孔导气件的主体部分是中空的导气室，沿着所述导气室上端面的长度方向间隔分布有气孔，每一所述气孔中均连通安装有所述单腔体弹性气囊；所述导气室的下端面用于安装在所述仿生脊椎骨长度方向的侧面上。
4.如权利要求3所述的的基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱，其特征在于，所述多腔体弹性气囊还包括材料为环氧基玻璃纤维的弹性支架，所述弹性支架安装在所述导气室上端面中且对应地设置有气孔，所述单腔体弹性气囊对应地安装在弹性支架的气孔上表面，以和导气室的气孔相连通。
5.如权利要求3所述的基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱，其特征在于，所述多孔导气件的进气口端部密封接口设置有O型圈密封槽，所述多孔导气件的进气口端部密封接口与气动驱动器通过螺栓及O型密封圈气密装配连接。
6.如权利要求5所述的基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱，其特征在于，所述气动驱动器包括气嘴、储气缸阀以及活塞；所述气嘴为多宝塔结构，以和所述多孔导气件的进气口过盈装配；所述气嘴和储气缸相连通，活塞安装在储气缸内。
7.如权利要求3所述的基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱，其特征在于，还包括弯曲变形传感器、薄膜压力传感器、模块化控制电路板、上位计算机；所述弯曲变形传感器安装在导气室的下端面上，以用于监测多孔导气件的曲率变形量；所述薄膜压力传感器安装在所述单腔体弹性气囊的表面上，以用于监测单腔体弹性气囊的弹性变形力，所述模块化控制电路板用于接收弯曲变形传感器所监测到的曲率变形量以及薄膜压力传感器所监测到的弹性变形力数据，并将所接收到数据传输至上位计算机，由上位计算机对该数据进行处理，并根据处理后的结果来向模块化控制电路板下达控制命令，由模块化控制电路板来控制气动驱动器的动作。
8.如权利要求1所述的基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱，其特征在于，所述骨架件为板块状，一相邻的两侧边面朝外延伸形成平面安装部，在骨架件的前后两个面上设置有与万向节适配的圆形凹槽面。
9.如权利要求4所述的基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱，其特征在于，所述单腔体弹性气囊的材料为硅橡胶。
10.如权利要求1所述的基于气动肌肉的四足机器人柔性脊柱，其特征在于，所述万向节主要由两端的万向节叉和中间的十字轴装配组成，以有上下俯仰及水平侧摆两个自由度。
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