CN111300442B - 柔性脊柱、其制造方法、计算方法及机械鼠 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性脊柱，涉及仿生机器人的技术领域，其包括脊柱本体、导管以及控制装置；脊柱本体设置有内腔，在内腔中设置有分割部，分割部将内腔分割为至少三个相互独立的腔室，各腔室绕一轴线分布；每个腔室至少联通一根导管，导管的另一端联通控制装置；控制装置通过导管向不同的腔室供气或供液并且控制各腔室内的流体压力以控制脊柱本体的姿态。本发明的柔性脊柱解决了现有的仿生机械鼠在运行时电机存在噪声进而干扰试验的问题。基于上述柔性脊柱，本发明还公开了一种制造方法，计算方法和机械鼠。

Description

柔性脊柱、其制造方法、计算方法及机械鼠

技术领域

本发明涉及仿生机器人的技术领域，具体涉及一种柔性脊柱、其制造方法、计算方法及机械鼠。

背景技术

实验鼠大量运用于生物学家与神经学家的实验中。在进行实验鼠的社交性实验时，需要对多只实验鼠进行训练，工作繁琐而重复。然而实验鼠实验具有不可控、不可重复和不可预测等诸多缺点，因此需要设计出仿生机器鼠用以代替部分实验鼠，以减小训练实验鼠所需时间，同时使用机器鼠还具有可控性、可重复性和可预测性等优点。

在目前机器鼠的设计中，其脊柱部分采用的都是直流电机，灵活度低，与真鼠脊柱运动姿态有很大差异。并且电机运行时有噪声，当进行生物实验时，无法辨别实验鼠的行为是由于机器鼠的行为动作引起的，还是由于电机噪声所引起的。这并不利于进行实验鼠行为实验。

发明内容

针对电机运行时的噪声问题，本发明的目的之一是提供一种柔性脊柱，其包括脊柱本体、导管以及控制装置；所述脊柱本体设置有内腔，在所述内腔中设置有分割部，分割部将所述内腔分割为至少三个相互独立的腔室，各所述腔室绕一轴线分布；每个腔室至少联通一根所述导管，所述导管的另一端联通所述控制装置；控制装置通过所述导管向不同的所述腔室供气或供液并且控制各所述腔室内的流体压力以控制所述脊柱本体的姿态。

在一些优选实例中，所述脊柱本体呈带有褶皱的气动网格结构。

在一些优选实例中，所述分割部呈十字形以将所述内腔分割为4个相互独立的腔室，各所述腔室的尺寸一致，所述轴线为所述脊柱本体的中轴线。

在一些优选实例中，所述控制装置包括高压气缸、阀门以及控制模块；所述导管通过所述阀门连接所述高压气缸；所述腔室还单独连接有所述阀门，每个所述腔室联通有两个阀门；所述控制模块和所述阀门建立信号连接，所述控制阀门用于控制阀门的启闭。

在一些优选实例中，所述控制模块包括上位机、下位机、角度传感器以及气压传感器，所述下位机与所述角度传感器、所述气压传感器以及所述阀门建立信号连接；所述角度传感器用于检测所述脊柱本体的自由端的位姿；所述气压传感器用于检测所述腔室中的气压值；上位机，用于对所述脊柱本体的当前位姿和目标位姿并进行解算以得到目标倾角，并将目标倾角发送至所述下位机；所述下位机，其用于接收所述角度传感器和所述气压传感器的信号并转换为所述当前位姿并发送至所述上位机，接收所述目标倾角并进行解算以控制所述阀门。

在一些优选实例中，“接收所述目标倾角并进行解算以控制所述阀门”是基于串级PID调节进行的，所述串级PID调节包括角度环和气压环；角度环将所述目标倾角作为其输入信号，角度环计算后生成第一输出信号，第一输出信号为各腔室的气压改变量；第一输出信号作为气压环的输入信号，随后进行气压环的计算得出第二输出信号，第二输出信号为PWM信号的增量，下位机通过PWM信号对各阀门进行控制。

在一些优选实例中，所述下位机将所述气压传感器的信号转换为气压值时采用多次采集数据并求平均值的方式以减小误差，采样的频率范围是10-50次。

本发明的目的之二是提供一种制造方法，该方法用于生产如上述所述的脊柱本体，在该方法中使用外模、内模以及底模，该方法包括以下步骤：S1、配合使用所述外模和所述内模铸造出一次半成品，铸造所用材料为硅胶；底模上开设有用于对一次半成品进行封底的凹槽；S2、将液态硅胶注入到所述凹槽中并将所述一次半成品放入所述凹槽以进行封底，所述凹槽内的硅胶固化后形成二次半成品；所述二次半成品的结构与所述脊柱本体沿其轴线分割为等同两部分的其中一部分结构一致；S3、将两个所述二次半成品封底形成的平面涂抹一层硅胶，随后将两个所述二次半成品粘合到一起，待硅胶固化之后，两个所述二次半成品粘合形成所述脊柱本体。

本发明的目的之三是提供一种计算方法，方法用于求解如上述所述的脊柱本体的自由端所要转过角度值，该方法中依次进行正运动学分析、逆运动学分析以及脊柱本体姿态参数转换，最终得出所述脊柱本体的自由端所要转过的横滚角θ_x和俯仰角θ_y，结果如下所示：

其中，s和k分别为所述脊柱本体的圆弧长度和圆弧曲率，γ为所述脊柱本体所在平面与XOZ平面夹角。

本发明的目的之四是提供一种机械鼠，其包括移动平台、上述所述的柔性脊柱以及装饰性的鼠头，所述柔性脊柱中的脊柱本体连接于所述移动平台和所述鼠头之间。

本发明的有益效果为：

1)本发明提供的柔性脊柱具有运动灵活，控制准确的优点；

2)本发明提供的柔性脊柱具有质量轻、制作成本低的优点；

3)本发明提供的柔性脊柱在运行时具有噪声小的优点；

4)基于运动灵活和噪声小的优点，本发明提供的机械鼠能够更好的取代现有技术中的仿生机械鼠；

5)本发明提供的计算方法简化了控制过程和输入的变量的数量，能够减少研发成本，减少传感器的类型和数量，减少设备的复杂程度。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明一实施例的脊柱本体的等轴测视图；

图2是图1中脊柱本体的剖视图1；

图3是图1中脊柱本体的剖视图2；

图4是本发明一实施例的外模、内模以及底模的结构示意图；

图5是本发明一实施例的一次半成品的等轴测视图；

图6是本发明一实施例的二次半成品的等轴测视图；

图7是本发明一实施例中计算方法的计算示意图；

图8是本发明一实施例的机械鼠的结构示意图。

附图标记说明:1、移动装置；2、脊柱本体；3、鼠头；41第一连接件；42、第二连接件；5、螺柱。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。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。

实施例1：

参考图1至图3，本实施例旨在公开一种柔性脊柱，其包括脊柱本体、导管、阀门以及控制装置。

脊柱本体设置有内腔，具体的，脊柱本体呈带有褶皱的气动网格结构，并且其外轮廓呈圆柱体样式。脊柱本体包括有设置于内腔中的分割部，分割部将内腔分割为四个相互独立的腔室，各腔室的尺寸相同且绕脊柱本体的中轴线分布。脊柱本体采用柔性材料制成。脊柱本体上设置四个管接头，每个管接头分别与各腔室相联通。控制装置包括阀门、控制模块以及高压气缸。每个管接头上都连接一个Y型接头，Y型接头的另外两端分别连接两根导管。其中一根导管的另一端通过阀门与高压气缸连接；另一根导管的另一端通过阀门与外界相连通。共计有八个阀门，控制模块与各阀门建立信号连接，其中四个阀门用于控制高压气缸内的气体通过导管进入到腔室中，另外四个阀门用于控制腔室内的气体排出。阀门为电磁阀，控制模块通过PWM信号控制阀门的开启时间。控制模块通过控制阀门改变各腔室内的气压，使柔性的脊柱本体发生变形，进而改变脊柱本体的姿态。

为了使脊柱本体的变形更容易，脊柱本体上的褶皱的截面呈三角形。因为常见的褶皱截面呈矩形或近似矩形，在结构弯曲达到一定的角度后，相邻褶皱就会接触并挤压，而截面呈三角形的褶皱能够使脊柱本体不受阻碍的达到更大的弯曲角度，即脊柱本体转过更大的角度后相邻的褶皱才会接触。进一步的，截面呈三角形的褶皱的尖端进行圆滑处理，这样可以缩小柔性脊柱的直径。

需要声明的是，脊柱本体可以设置为多个，本实施例只是以一个脊柱本体进行说明。腔室的数量设计为至少三个即可，但是兼顾到腔室的数量和控制的准确性，在本实施例中选用腔室数量为四。在本实施例中虽然选择控制装置供给气体，但是使控制装置供给液体同样可以起到相同的效果，气体只是作为一种较佳的选择而在本实施例中被应用。为了方便控制，每个腔室中只联通一根导管，但每个腔室连接多跟导管并不影响本实施例的实施。

实施例2：

参考图4本实施例旨在公开一种制造方法，该方法用于生产实施例1中的脊柱本体，在该方法中使用外模、内模以及底模，该方法的具体步骤如下：

S1、配合使用外模和内模铸造出一次半成品，铸造所用材料为硅胶；一次半成品的结构参考图5。

底模上开设有用于对一次半成品进行封底的凹槽；

S2、将液态硅胶注入到凹槽中并将一次半成品放入凹槽以进行封底，凹槽内的硅胶固化后形成二次半成品；二次半成品的结构参考图6。

结合图1，二次半成品的结构与脊柱本体沿其轴线分割为等同两部分的其中一部分结构一致；

S3、将两个二次半成品封底形成的平面涂抹一层硅胶，随后将两个二次半成品粘合到一起，待硅胶固化之后，两个二次半成品粘合形成脊柱本体。

实施例3：

本实施例旨在公开一种计算方法，目的是对实施例1中的脊柱本体的控制进行简化，并且同时减少产品成本和开发成本。因为脊柱本体的运动较为复杂，因此对其进行运动学分析之前，需要将其简化为常曲率模型，即将脊柱本体轴心弯曲视为常曲率弯曲，进而仅用圆弧长度s、圆弧曲率k以及圆弧坐在平面与XOZ平面夹角γ三个变量来表示脊柱本体在空间中的位置。

该计算方法包括正运动学分析、逆运动学分析和脊柱本体姿态参数转换。

正运动学分析：使用D-H参数法进行分析，得出单端脊柱本体的D-H参数表，如表1所示：

表1柔性脊柱的D-H参数表

根据表1可以得到单段脊柱本体的转换矩阵

具体如式(1)所示：

则n端脊柱本体串联连接后，总的转换矩阵为每段转换矩阵依次相乘，如式(2)所示：

根据矩阵T可推算脊柱本体的自由端的端点P的坐标以及姿态，分别如式(3)和式(4)所示：

其中，姿态使用ZYX固定坐标系的欧拉角表示，atan2(y,x)表示y相对于x的正切值。

逆运动学分析：对于脊柱本体的逆运动学，采用雅克比矩阵采用雅可比矩阵求逆法来求解。设P点期望位置X_d＝(x_d,y_d,z_d,θ_xd,θ_yd,θ_zd)，当前位置X_c＝(x_c,y_c,z_c,θ_xc,θ_yc,θ_zc)，运用雅可比矩阵求逆法，可得如下式(5)-式(7)：

其中，α表示移动步长，为保证结果收敛，α应足够小。q表示控制量，即各段脊柱本体的曲率k及偏角γ。

特殊的，因为脊柱本体是一个欠驱动系统，即控制量个数m小于系统自由度n。此时，雅可比矩阵J无法求逆，因此使用Moore-Penrose广义逆矩阵J⁺代替J^-1。

根据式(5)-式(7)，即可进行三维柔性脊柱的逆运动学分析，并得到P点移动到期望位置所需的各段曲率k及偏角γ。

脊柱本体姿态参数转换：实际应用时，使用角度传感器对脊柱本体的姿态进行检测，直接得到的数据是脊柱本体自由端的倾角。因此需要获得脊柱本体自由端倾角与曲率k和夹角γ之间的关系。

角度传感器使用欧拉角对物体姿态进行表示但仅需用到横滚角和俯仰角。为便于表示，分别使用θ_x和θ_y两个角度进行表示。

根据θ_x和θ_y分别可以得到沿x轴旋转和沿y轴旋转的旋转矩阵，将它们相乘可得到总的旋转矩阵R如式(8)所示：

在基坐标系下P＝(0,0,s_i)经过旋转后如式(9)所示：

根据图7，k、γ与P、P_t有几何关系如式(10)所示：

将式(8)代入到式(10)中，可得k与γ分别如式(11)和式(12)所示：

其中，k恒大于0；γ的范围为[0,2π)。

将式(11)和式(12)代入到式(1)-(4)中，即可得到用θ_x和θ_y表示的脊柱顶点坐标。在逆运动学过程中，还需要由k、γ求出θ_x、θ_y的值。根据式(11)和式(12)，可以逆向求出θ_x和θ_y的表达式为

基于本实施例中的计算方法对实施例1中的脊柱本体进行控制时，能够极大的简化控制过程，不仅简化了计算的模型，而且减少了需要输入的变量的数量，在具体实施时，能够减少研发成本，减少传感器的类型和数量，减少设备的复杂程度。

实施例4：

本实施例旨在公开实施例1中的控制模块，但本实施例的技术方案只是控制模块的一种较佳方案。控制模块包括上位机、下位机、角度传感器以及气压传感器。该控制模块是基于实施例3中的计算方法对实施例1中的脊柱本体的姿态进行控制。

角度传感器是检测欧拉角的传感器，具体型号为JY901，其安装在脊柱本体的自由端。气压传感器用于检测各腔室内的气压。但是为了避免气压传感器对柔性脊柱的变形产生影响，所以在各导管上均设置一个旁路，气压传感器安装在旁路上以检测导管的气压。

下位机与各电磁阀、角度传感器和气压传感器建立信号连接。下位机接收气压传感器和角度传感器的信号并分别转换为表征气压值和当前位姿的第一信息，并将第一信息发送至上位机。

上位机接收第一信息，并根据输入的目标位姿进行解算，上位机进行的解算时基于实施例3中的计算方法，从而得出脊柱自由端所需的目标倾角θ_xt与θ_yt。随后上位机将θ_xt与θ_yt作为第二信息发送至下位机。

下位机接收第二信息并进行解算以生成控制阀门的PWM信号。下位机进行的解算是基于串级PID调节进行的，其包括气压环和角度环。计算时，先进行角度环的计算，将第二信息作为角度环的输入信号，角度环计算后生成第一输出信号，第一输出信号为各腔室的气压改变量。第一输出信号作为气压环的输入信号，随后进行气压环的计算得出第二输出信号，第二输出信号为PWM信号的增量，下位机通过PWM信号对各阀门进行控制。

若进行单级的PID调节，则只具有角度环。在本实施例中，一个脊柱本体具有两个角度环，分别控制脊柱本体的横滚和俯仰；还具有四个气压环，分别控制各腔室的气压。串级PID调节加入了对气压的控制，控制效果更好，系统更加稳定。

为了进一步提高效率，下位机进行AD采集时采用DMA方式。并且由于气压传感器数值的波动，采用多次采集数据并求平均值的方式以减小测量误差，采样频率的范围是10-50次，较佳的取20次采样数据的平均值作为当前时刻的气压值。

由于脊柱本体较为柔软，如果角度调节过快，很容易发生超调，使脊柱本体发生抖动而无法稳定；但调节过慢也会降低响应速度，所以同样需要对角度环和气压环的执行周期进行控制。角度环的执行周次可以取20-50ms，较佳的选取30s；气压环可以去1-20ms，较佳的选取1ms。

实施例5：

参见图8，本实施例旨在公开一种机械鼠，其包括实施例1中的柔性脊柱、移动装置以及装饰性的鼠头。

移动装置包括机体、车轮以及控制车轮的驱动装置。移动装置仅用于根据外界输入指令进行移动，并不涉及对结构和系统的改进，移动装置所应用的具体结构和具体系统均属于常规技术，所以移动装置在此不进行赘述。

柔性脊柱中包括有两个脊柱本体，两个脊柱本体的相对两端分别粘接第一连接件，相背离的两端分别粘接鼠头以及第二连接件。第二连接件固定在机体上。两个第一连接件通过螺栓和螺柱固定连接，螺柱设置于两个第一连接件之间，所以两个第一连接件之间留有间距。设置在脊柱本体上的管结构均从两个第一连接件之间的空间内。

但是，虽然实施例1中的柔性脊柱应用于实施例5中的机械鼠，但是柔性脊柱同样可以应用于其他领域，例如模仿其他动物的机器人、工业或实验室中应用的机械臂、或是其他无法被一一列举，但是使用时保持脊柱本体的一端相对固定而另一端相对自由的任何其他情况。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件，尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示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，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，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“安装”、“相连”、“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，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

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更改或替换，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 (9)

1.一种柔性脊柱，其特征在于：包括脊柱本体、导管以及控制装置；所述脊柱本体设置有内腔，在所述内腔中设置有分割部，分割部将所述内腔分割为至少三个相互独立的腔室，各所述腔室绕一轴线分布；每个腔室至少联通一根所述导管，所述导管的另一端联通所述控制装置；控制装置通过所述导管向不同的所述腔室供气或供液并且控制各所述腔室内的流体压力以控制所述脊柱本体的姿态；

所述脊柱本体的自由端所要转过角度值的计算方法为：

；

该计算方法中依次进行正运动学分析、逆运动学分析以及脊柱本体姿态参数转换，最终得出所述脊柱本体的自由端所要转过的横滚角θ_x和俯仰角θ_y，s和k分别为所述脊柱本体的圆弧长度和圆弧曲率，γ为所述脊柱本体所在平面与XOZ平面夹角。

2.根据权利要求1所述的柔性脊柱，其特征在于，所述脊柱本体呈带有褶皱的气动网格结构。

3.根据权利要求2所述的柔性脊柱，其特征在于，所述分割部呈十字形以将所述内腔分割为4个相互独立的腔室，各所述腔室的尺寸一致，所述轴线为所述脊柱本体的中轴线。

4.根据权利要求1所述的柔性脊柱，其特征在于，所述控制装置包括高压气缸、阀门以及控制模块；所述导管通过所述阀门连接所述高压气缸；所述腔室还单独连接有所述阀门，每个所述腔室联通有两个阀门；所述控制模块和所述阀门建立信号连接，所述控制阀门用于控制阀门的启闭。

5.根据权利要求4所述的柔性脊柱，其特征在于，所述控制模块包括上位机、下位机、角度传感器以及气压传感器，所述下位机与所述角度传感器、所述气压传感器以及所述阀门建立信号连接；

所述角度传感器用于检测所述脊柱本体的自由端的位姿；所述气压传感器用于检测所述腔室中的气压值；

上位机，用于对所述脊柱本体的当前位姿和目标位姿并进行解算以得到目标倾角，并将目标倾角发送至所述下位机；

所述下位机，其用于接收所述角度传感器和所述气压传感器的信号并转换为所述当前位姿并发送至所述上位机，接收所述目标倾角并进行解算以控制所述阀门。

6.根据权利要求5所述的柔性脊柱，其特征在于，“接收所述目标倾角并进行解算以控制所述阀门”是基于串级PID调节进行的，所述串级PID调节包括角度环和气压环；角度环将所述目标倾角作为其输入信号，角度环计算后生成第一输出信号，第一输出信号为各腔室的气压改变量；第一输出信号作为气压环的输入信号，随后进行气压环的计算得出第二输出信号，第二输出信号为PWM信号的增量，下位机通过PWM信号对各阀门进行控制。

7.根据权利要求5或6所述的柔性脊柱，其特征在于：所述下位机将所述气压传感器的信号转换为气压值时采用多次采集数据并求平均值的方式以减小误差，采样的频率范围是10-50次。

8.一种制造方法，其特征在于，该方法用于生产如权利要求1-3中任意一项所述的脊柱本体，在该方法中使用外模、内模以及底模，该方法包括以下步骤：

S1、配合使用所述外模和所述内模铸造出一次半成品，铸造所用材料为硅胶；

底模上开设有用于对一次半成品进行封底的凹槽；

S2、将液态硅胶注入到所述凹槽中并将所述一次半成品放入所述凹槽以进行封底，所述凹槽内的硅胶固化后形成二次半成品；

所述二次半成品的结构与所述脊柱本体沿其轴线分割为等同两部分的其中一部分结构一致；

S3、将两个所述二次半成品封底形成的平面涂抹一层硅胶，随后将两个所述二次半成品粘合到一起，待硅胶固化之后，两个所述二次半成品粘合形成所述脊柱本体。

9.一种机械鼠，其特征在于，包括移动平台、权利要求1-7中任意一项所述的柔性脊柱以及装饰性的鼠头，所述柔性脊柱中的脊柱本体连接于所述移动平台和所述鼠头之间。

Images