CN110254552B - 一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机器人领域，更具体的说，涉及一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构。本发明在方型橡胶支柱上等间隔固定的十字型关节支架的横向和纵向两侧对称布置两对驱动钢索，差动式驱动脊柱在水平或垂直方向上弯曲，实现了脊柱水平或垂直方向的柔性弯曲，提高了四足机器人运动的灵活性和运动性能，通过在脊柱机构纵向上两侧对立布置两个特别设计的具有非线性的力‑变形特性的弹性元件，在其有效刚度调节范围内，在调节变量(钢索伸缩量)与脊柱刚度之间建立了一种线性关系，获得了精确的刚度控制能力。
Description
技术领域
本发明属于机器人领域，更具体的说，涉及一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构。
背景技术
四足机器人作为机器人的一个重要分支，因为关节自由度冗余和落脚点离散的特点，使其具有轮式和履带式机器人无法比拟的运动灵活性和地形适应能力，既有比双足机器人更好的稳定性，又有比六足机器人更简单的机构，是一种有广阔应用前景的移动机器人。
现有的四足机器人主要采用刚性脊柱结构。仿生学研究发现，动物的柔性脊柱从运动学和动力学两个方面均能提高动物的运动性能。运动学方面，弯曲的柔性脊柱可以认为是腿部在脊柱上的延伸，伴随脊柱的弯曲扩张，増大了动物的运动步长；动力学方面，动物通过柔性脊柱的弯曲和伸展进行能量储存和释放，増加了能量的利用率，提高了动物的运动速度、稳定性和灵活性。
目前部分四足机器人采用了带被动脊柱的结构，被动脊柱只起到被动吸振的作用，只能被动地实现能量的储存和释放，还不能充分利用脊柱的缓冲、储能、助力原理提升机器人运动性能。部分四足机器人具有单自由度回转副脊柱，研究表明具有多关节的脊柱能通过调整重心，增加步长，提高运动的稳定性和速度。另有研究表明当脊柱伸展时的刚度大于屈曲时的刚度时，机器人的运动性能会更好；并且在一定的速度下，最优的脊柱刚度，可以使能量效率达到最佳。而且脊柱横向弯曲能提升机器人在狭小空间的通过能力。然而目前国内外已提出的仿生四足机器人的脊柱机构尚不能满足多自由度弯曲、多关节、可变刚度等功能需求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构。本发明在方型橡胶支柱上等间隔固定的十字型关节支架的横向和纵向两侧对称布置两对驱动钢索，差动式驱动脊柱在水平或垂直方向上弯曲，实现了脊柱水平或垂直方向的柔性弯曲，提高了四足机器人运动的灵活性和运动性能，通过在脊柱机构纵向上两侧对立布置两个特别设计的具有非线性的力-变形特性的弹性元件，在其有效刚度调节范围内，在调节变量与脊柱刚度之间建立了一种线性关系，获得了精确的刚度控制能力。
本发明的技术方案是：一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构，包括电机驱动机构和连续体脊柱，连续体脊柱包括橡胶支柱、横向钢索、纵向钢索和至少三个或三个以上的刚性十字型关节支架，设置在前侧的关节支架为关节支架基节，设置在后侧的关节支架为关节支架末节，设置在中间位置的为关节支架中节，其特征在于：关节支架等间隔固定在橡胶支柱上，横向钢索、纵向钢索两端分别穿过关节支架的横向、纵向两侧导孔后，关节支架末节外端分别用横向钢索锁块、纵向钢索锁块对横向钢索、纵向钢索固定，横向钢索、纵向钢索可在关节支架中节和关节支架基节上的导孔内滑动；电机驱动机构包括横向主动轮电机、纵向主动轮电机、调节电机；横向主动轮电机的转动使横向钢索做差动直线运动，所述横向钢索的差动运动可驱动连续体脊柱发生横向弯曲变形；纵向主动轮电机的转动使纵向钢索做差动直线运动，所述纵向钢索的差动运动可驱动连续体脊柱发生纵向弯曲变形；调节电机的转动使纵向钢索做共模直线运动，所述纵向钢索的共模直线运动可驱动连续体脊柱纵向刚度发生变化。
根据如上所述的一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构，其特征在于：电机驱动机构的具体机构为：横向主动轮电机固定在动力支架上，横向主动轮电机输出轴通过万向节组件与固定在联接支架上的横向蜗杆相连，横向蜗杆与横向蜗轮啮合，横向蜗轮与横向主动轮均固定在横向主动轮轴上，横向主动轮轴通过一对横向主动轮轴轴承固定在相应两个联接板上，联接板分别与纵向支架和联接支架通过联接板螺母固定，纵向支架与联接支架分别在纵向与横向上与关节支架基节固定；动力支架固定在联接支架上；两个单轴导向轮分别在横向主动轮两侧固定在联接支架上，缠绕于横向主动轮上的横向钢索两端经单轴导向轮分别缠绕于对立布置的两个转向轮上，横向钢索转向后分别穿过关节支架横向两侧导孔，纵向主动轮电机固定在动力支架上，纵向主动轮电机输出轴通过联轴器组件与端头固定在联接支架上的纵向蜗杆相连，纵向蜗杆与纵向蜗轮啮合，纵向蜗轮与纵向主动轮固定在纵向主动轮轴上，纵向主动轮轴通过轴承固定在纵向支架上，调节电机固定在动力支架上，调节电机输出轴与调节蜗杆相连，调节蜗杆与调节蜗轮啮合，调节蜗轮固定在调节丝杆上，调节丝杆端头固定在纵向支架的轴套内，另一端穿过固定于动力支架的端盖，调节轮支架由上导向杆、下导向杆固定并可沿上导向杆、下导向杆滑动，上调节轮、下调节轮固定在调节轮支架两端；缠绕于纵向主动轮上的纵向钢索两端经上调节轮、下调节轮后分别缠绕于对立布置的两个平滑轮B上，平滑轮B通过平滑轮B轴固定在纵向支架上；对立布置的两个平滑轮A通过平滑轮A轴固定在纵向支架上，上张力轮和下张力轮分别通过张力轮轴、张力轮轴套固定在上张力轮调节杆、下张力轮调节杆端头，上张力轮调节杆、下张力轮调节杆分别穿过调节弹簧，插入纵向支架的杆套内，末端用张力轮调节杆卡簧锁定，纵向钢索两端经平滑轮B、上张力轮、下张力轮、平滑轮A后分别穿过关节支架纵向两侧导孔。
根据如上所述的一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构，其特征在于：所述的橡胶支柱为方型。
根据如上所述的一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构，其特征在于：所述的转向轮通过转向轮轴套、转向轮轴固定于转向轮调节杆上，转向轮调节杆固定在联接支架上的杆套，转向轮调节杆穿过转向轮压簧，转向轮调节杆端部用压簧帽和调节螺母锁定。
根据如上所述的一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构，其特征在于：平滑轮A与平滑轮B分别以上张力轮调节杆和下张力轮调节杆为对称轴对称布置。
根据如上所述的一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构，其特征在于：关节支架中节为四个。
根据如上所述的一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构，其特征在于：关节支架中节和关节支架基节的导孔中镶嵌聚四氟乙烯导管。
本发明的有益效果是：一是具有连续体机器人固有的多自由度及柔顺性，能增加机体的灵活性及缓解与环境接触时的冲击力。二是实现了脊柱水平方向和垂直方向的柔性弯曲，提高了四足机器人运动的灵活性和运动性能。三是在其有效刚度调节范围内，在调节变量与脊柱刚度之间建立了一种线性关系，获得了精确的刚度控制能力。四是可以通过实时调节脊柱刚度改变了机体系统固有频率，消除了机体系统自由振荡所耗费的能量，使机体系统的能量效率达到最优，提升了四足机器人的运动性能。五是使刚度调节与位置控制功能解耦，降低了控制难度。六是电动机在转动过程中不需要持续提供驱动脊柱关节和维持刚度所需要的双重力矩，降低了能耗。
附图说明
图1为本发明的变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构的立体结构示意图。
图2为连续体脊柱电机驱动机构的立体结构示意图。
图3为连续体脊柱电机驱动机构的立体结构示意图。
图4为连续体脊柱电机驱动机构的侧视图。
图5为连续体脊柱机构的正视图。
图6为图5中M处局部示意图。
图7为连续体脊柱机构横向剖示图。
图8为连续体脊柱机构纵向剖示图。
图9为图5中N-N剖面图。
图10为图5中P-P剖面图。
图11为连续体脊柱机构横向弯曲后的立体结构示意图。
图12为连续体脊柱机构横向弯曲后的俯视图。
图13为连续体脊柱机构纵向弯曲后的立体结构示意图。
图14为连续体脊柱机构纵向弯曲后的正视图。
附图标记说明：横向钢索锁块1、横向钢索2、关节支架中节3、橡胶支柱4、横向主动轮5、横向蜗杆6、单轴导向轮7、转向轮8、转向轮轴套9、转向轮轴10、转向轮调节杆11、转向轮压簧12、压簧帽13、调节螺母14、万向节组件15、关节支架基节16、横向主动轮电机17、纵向主动轮电机18、动力支架19、联轴器组件20、纵向支架21、纵向主动轮轴22、联接支架23、纵向主动轮24、上张力轮25、横向主动轮轴26、纵向钢索锁块27、纵向钢索28、横向蜗轮29、联接板30、横向主动轮轴轴承31、平滑轮A轴32、平滑轮A33、上张力轮调节杆34、平滑轮B35、平滑轮B轴36、调节轮支架37、调节轮轴套38、调节轮轴39、上调节轮40、上导向杆41、调节丝杆42、调节蜗轮43、端盖44、下导向杆45、下调节轮46、下张力轮调节杆47、调节弹簧48、张力轮轴49、张力轮轴套50、下张力轮51、联接板螺母52、调节电机53、张力轮调节杆卡簧54、纵向蜗轮55、纵向蜗杆56、调节蜗杆57、关节支架末节58。
具体实施方式
名称解释，拮抗式即在功能上既相互对抗，又相互协调和依存。
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1至图10所示，本发明的一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构主要由两个部分组成，包括连续体脊柱和电机驱动机构，其中电机驱动机构由两个功能单元组成，包括横向弯曲准拮抗SEA电机驱动单元，纵向弯曲准拮抗VSA电机驱动单元，以下对各部分进行详细的阐述。
连续体脊柱：两个带安装基座孔的十字型刚性关节支架基节16、关节支架末节58及四个关节支架中节3等间隔固定在方型橡胶支柱4上，横向钢索2、纵向钢索28两端分别穿过关节支架(本发明中关节支架为关节支架基节16、关节支架末节58、关节支架中节3的总称)的横向、纵向两侧导孔后，在关节支架末节58外端分别用横向钢索锁块1、纵向钢索锁块27对钢索固定，横向钢索锁块1、纵向钢索锁块27均仅与关节支架末节58固定连接，横向钢索2、纵向钢索28可在关节支架中节3和关节支架基节16上的导孔内滑动，关节支架中节3和关节支架基节16的导孔中镶嵌聚四氟乙烯导管，以确保横向钢索2和纵向钢索28与导孔间的充分滑动。本发明中关节支架数量大于等于3个，即关节支架中节3可以设置1个，或设置多个。横向钢索2或纵向钢索28在电机驱动机构的准拮抗式拉伸/收缩下，驱动连续体脊柱在水平或垂直方向上作圆弧弯曲。
本发明的电机驱动机构主要包括横向主动轮电机17、纵向主动轮电机18和调节电机53三个驱动部件，横向主动轮电机17的转动使横向钢索2做差动直线运动，横向钢索2的差动运动可驱动连续体脊柱发生横向弯曲变形；纵向主动轮电机18的转动使纵向钢索28做差动直线运动，纵向钢索28的差动运动可驱动连续体脊柱发生纵向弯曲变形；调节电机53的转动使纵向钢索28做共模直线运动，纵向钢索28的共模直线运动可驱动连续体脊柱纵向刚度发生变化。
横向弯曲准拮抗SEA电机驱动单元：横向主动轮电机17、横向两侧对立布置的转向轮8、转向轮调节杆11、转向轮压簧12、单轴导向轮7及横向钢索2、横向主动轮5共同构成了一种准拮抗作用式SEA单元。横向主动轮电机17固定在动力支架19上，横向主动轮电机17输出轴通过万向节组件15与固定在联接支架23上的横向蜗杆6相连，横向蜗杆6与横向蜗轮29啮合，横向蜗轮29与横向主动轮5均固定在横向主动轮轴26上，横向主动轮轴26通过一对横向主动轮轴轴承31固定在相应两个联接板30上，联接板30分别与纵向支架21和联接支架23通过联接板螺母52固定，纵向支架21与联接支架23分别在纵向与横向上在两侧与连续体脊柱的关节支架基节16固定。动力支架19固定在联接支架23上。两个单轴导向轮7分别在横向主动轮5两侧固定在联接支架23上，缠绕于横向主动轮5上的横向钢索2两端经单轴导向轮7分别缠绕于对立布置的两个转向轮8上，横向钢索2转向后分别穿过关节支架横向两侧导孔，转向轮8通过转向轮轴套9、转向轮轴10固定于转向轮调节杆11上，转向轮调节杆11固定在联接支架23上的杆套，转向轮调节杆11穿过转向轮压簧12，转向轮调节杆11端部用压簧帽13和调节螺母14锁定。横向主动轮电机17转动时通过蜗轮蜗杆驱动横向主动轮5旋转，牵引穿过关节支架的横向钢索2拉伸，在准拮抗式SEA功能作用下实现了横向钢索2的柔性拉伸，并且通过调节螺母14可以调节横向钢索2的预载张力，蜗轮蜗杆机构实现了电机失电时横向驱动机构自锁。
纵向弯曲准拮抗VSA电机驱动单元：纵向主动轮电机18、调节电机53、纵向两侧对立布置的上张力轮25、下张力轮51、上张力轮调节杆34、下张力轮调节杆47、调节弹簧48、平滑轮A33、平滑轮B35、纵向钢索28、纵向主动轮24、调节丝杆42、调节轮支架37、上调节轮40、下调节轮46共同构成了一种准拮抗作用式VSA单元。纵向主动轮电机18固定在动力支架19上，纵向主动轮电机18输出轴通过联轴器组件20与端头固定在联接支架23上的纵向蜗杆56相连，纵向蜗杆56与纵向蜗轮55啮合，纵向蜗轮55与纵向主动轮24均固定在纵向主动轮轴22上，纵向主动轮轴22通过一对轴承固定在纵向支架21上。调节电机53固定在动力支架19上，调节电机53输出轴与端头固定在动力支架19上的调节蜗杆57相连，调节蜗杆57与调节蜗轮43啮合，调节蜗轮43固定在调节丝杆42上，调节丝杆42端头固定在纵向支架21的轴套内，另一端穿过固定于动力支架19的端盖44，调节轮支架37由上导向杆41、下导向杆45固定并可沿上导向杆41、下导向杆45滑动，上调节轮40、下调节轮46分别通过调节轮轴39及调节轮轴套38固定在调节轮支架37两端。缠绕于纵向主动轮24上的纵向钢索28两端经上调节轮40、下调节轮46后分别缠绕于对立布置的两个平滑轮B35上，平滑轮B通过平滑轮B轴36固定在纵向支架21上；对立布置的两个平滑轮A33通过平滑轮A轴32固定在纵向支架21上，平滑轮A33与平滑轮B35分别以上张力轮调节杆34和下张力轮调节杆47为对称轴对称布置，上张力轮25和下张力轮51分别通过张力轮轴49、张力轮轴套50固定在上张力轮调节杆34、下张力轮调节杆47端头，上张力轮调节杆34、下张力轮调节杆47分别穿过调节弹簧48，插入纵向支架21的杆套内，末端用张力轮调节杆卡簧54锁定，纵向钢索28两端经平滑轮B35、上张力轮25、下张力轮51、平滑轮A33后分别穿过关节支架纵向两侧导孔。纵向主动轮电机18转动时通过蜗轮蜗杆驱动纵向主动轮24旋转，牵引穿过关节支架的纵向钢索28拉伸，调节电机53转动时通过蜗轮蜗杆驱动调节丝杆42旋转，牵引调节轮支架37沿上导向杆41、下导向杆45滑动，同时收放纵向主动轮24两侧钢索，在准拮抗式VSA功能作用下，实现了纵向钢索28的变刚度柔性拉伸，纵向主动轮电机18及调节电机53可单独运转，分别独立控制纵向钢索2的柔性拉伸或刚度变化，实现了位置控制与刚度调节功能解耦，蜗轮蜗杆机构实现了电机失电时纵向驱动机构的自锁或刚度的锁定。
本发明中，所设计的连续体脊柱具有连续体机器人固有的多自由度及柔顺性，能增加机体的灵活性及缓解与环境接触时的冲击力，通过模仿生物的肌肉－骨骼驱动系统，在方型橡胶支柱上等间隔固定的十字型关节支架的横向和纵向两侧对称布置两对驱动钢索，差动式驱动脊柱在水平或垂直方向上弯曲。在脊柱横向驱动机构上采用了一种准拮抗作用式串联弹性驱动器(Series elastic actuator，SEA)，实现了脊柱水平方向的柔性弯曲，提高了四足机器人运动的灵活性；在脊柱纵向驱动机构上采用了一种准拮抗作用式可调刚度致动器(Variable stiffness actuators，VSA)，通过在脊柱机构纵向上两侧对立布置两个特别设计的具有非线性的力-变形特性的弹性元件，在其有效刚度调节范围内，在调节变量(钢索伸缩量)与脊柱刚度之间建立了一种线性关系，获得了精确的刚度控制能力。同时，机体系统的承载、变形以及储能能力均在刚度调节区间的中间区域达到峰值，并且通过实时调节脊柱刚度改变了机体系统固有频率，消除了机体系统自由振荡所耗费的能量，使机体系统的能量效率达到最优，提升了四足机器人的运动性能。为了克服传统拮抗作用式VSA需要两个电动机协同作用，导致控制复杂的缺点，在本机构中使用一个电动机同时调节两侧线性弹簧的预拉伸量实现脊柱刚度的改变，另一个电机则驱动脊柱纵向弯曲，从而使刚度调节与位置控制功能解耦，降低了控制难度。并且电机输出机构均采用了蜗轮蜗杆传动机构，电动机在转动过程中不需要持续提供驱动脊柱关节和维持刚度所需要的双重力矩，降低了能耗。
Claims (7)
1.一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构，包括电机驱动机构和连续体脊柱，连续体脊柱包括橡胶支柱、横向钢索、纵向钢索和至少三个刚性十字型关节支架，设置在前侧的关节支架为关节支架基节，设置在后侧的关节支架为关节支架末节，设置在中间位置的为关节支架中节，其特征在于：关节支架等间隔固定在橡胶支柱上，横向钢索、纵向钢索两端分别穿过关节支架的横向、纵向两侧导孔后，关节支架末节外端分别用横向钢索锁块、纵向钢索锁块对横向钢索、纵向钢索固定，横向钢索、纵向钢索可在关节支架中节和关节支架基节上的导孔内滑动；电机驱动机构包括横向主动轮电机、纵向主动轮电机、调节电机；横向主动轮电机的转动使横向钢索做差动直线运动，所述横向钢索的差动运动可驱动连续体脊柱发生横向弯曲变形；纵向主动轮电机的转动使纵向钢索做差动直线运动，所述纵向钢索的差动运动可驱动连续体脊柱发生纵向弯曲变形；调节电机的转动使纵向钢索做共模直线运动，所述纵向钢索的共模直线运动可驱动连续体脊柱纵向刚度发生变化。
2.根据权利要求1所述的一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构，其特征在于：电机驱动机构的具体机构为：横向主动轮电机固定在动力支架上，横向主动轮电机输出轴通过万向节组件与固定在联接支架上的横向蜗杆相连，横向蜗杆与横向蜗轮啮合，横向蜗轮与横向主动轮均固定在横向主动轮轴上，横向主动轮轴通过一对横向主动轮轴轴承固定在相应两个联接板上，联接板分别与纵向支架和联接支架通过联接板螺母固定，纵向支架与联接支架分别在纵向与横向上与关节支架基节固定；动力支架固定在联接支架上；两个单轴导向轮分别在横向主动轮两侧固定在联接支架上，缠绕于横向主动轮上的横向钢索两端经单轴导向轮分别缠绕于对立布置的两个转向轮上，横向钢索转向后分别穿过关节支架横向两侧导孔，纵向主动轮电机固定在动力支架上，纵向主动轮电机输出轴通过联轴器组件与端头固定在联接支架上的纵向蜗杆相连，纵向蜗杆与纵向蜗轮啮合，纵向蜗轮与纵向主动轮固定在纵向主动轮轴上，纵向主动轮轴通过轴承固定在纵向支架上，调节电机固定在动力支架上，调节电机输出轴与调节蜗杆相连，调节蜗杆与调节蜗轮啮合，调节蜗轮固定在调节丝杆上，调节丝杆端头固定在纵向支架的轴套内，另一端穿过固定于动力支架的端盖，调节轮支架由上导向杆、下导向杆固定并可沿上导向杆、下导向杆滑动，上调节轮、下调节轮固定在调节轮支架两端；缠绕于纵向主动轮上的纵向钢索两端经上调节轮、下调节轮后分别缠绕于对立布置的两个平滑轮B上，平滑轮B通过平滑轮B轴固定在纵向支架上；对立布置的两个平滑轮A通过平滑轮A轴固定在纵向支架上，上张力轮和下张力轮分别通过张力轮轴、张力轮轴套固定在上张力轮调节杆、下张力轮调节杆端头，上张力轮调节杆、下张力轮调节杆分别穿过调节弹簧，插入纵向支架的杆套内，末端用张力轮调节杆卡簧锁定，纵向钢索两端经平滑轮B、上张力轮、下张力轮、平滑轮A后分别穿过关节支架纵向两侧导孔。
3.根据权利要求1所述的一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构，其特征在于：所述的橡胶支柱为方型。
4.根据权利要求2所述的一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构，其特征在于：所述的转向轮通过转向轮轴套、转向轮轴固定于转向轮调节杆上，转向轮调节杆固定在联接支架上的杆套，转向轮调节杆穿过转向轮压簧，转向轮调节杆端部用压簧帽和调节螺母锁定。
5.根据权利要求1所述的一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构，其特征在于：平滑轮A与平滑轮B分别以上张力轮调节杆和下张力轮调节杆为对称轴对称布置。
6.根据权利要求1所述的一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构，其特征在于：关节支架中节为四个。
7.根据权利要求1所述的一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构，其特征在于：关节支架中节和关节支架基节的导孔中镶嵌聚四氟乙烯导管。
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