CN111805571B - 一种含弹性储能与释能装置的仿生多体节机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含弹性储能与释能装置的仿生多体节机构，特别涉及一种能对弹性应变能进行储存和瞬间释放的机构装置，可实现多体节复合型微型机器人的摆动运动和快速弹跳，属于机器人领域。本发明的装置由若干体节单元部件及控制绳索装配组成；所述体节单元部件包括：体节单元外壳、弹性组件和体节间连接器；该装置为多体节复合型微型机器人，能够实现躯干式储能跳跃，进而快速越障；且结构简单、易于控制、成本低廉，多体节复合型机器人可由若干体节单元部件装配组成。

Description

一种含弹性储能与释能装置的仿生多体节机构

技术领域

本发明涉及一种含弹性储能与释能装置的仿生多体节机构，特别涉及一种能对弹性应变能进行储存和瞬间释放的机构装置，可实现多体节复合型微型机器人的摆动运动和快速弹跳，属于机器人领域。

背景技术

微型运动机器人具有几何尺寸小、隐蔽性高等优点，可在不被察觉的状态下进入人类无法达到的环境中进行工作，在军事侦查、抢险救灾、资源探查、外星球探索等领域具有广阔的应用前景。目前，微型机器人主要通过轮式、履带式、多足式和蠕动式等方式实现运动。与传统两足、轮式或者履带式机器人相比，仿蛇形机器人(多体节复合型机器人的典型代表)具有多自由度、高冗余的特点，使得其能够像自然界蛇那样进行无肢运动，表现出优异的机动能力和环境适应能力。

国外，日本东京工业大学研制了一种20个关节相连的蛇形机器人，通过伺服机构驱动关节左右摆动；德国计算科学国家研究中心研制了包含头部、躯干、尾关节在内的仿蛇形机器人，每个关节上设计有轮子来实现运动；美国国家航空宇航局研制了由多个相互垂直的关节模块装配而成的仿蛇形机器人，能实现蜿蜒运动、行波运动、侧向运动和翻滚运动。国内，中国科学院沈阳自动化研究所研制了一种由10个单关节结构组成的仿蛇形机器人，头尾处设计有电机驱动器及电池，通过手动重构单关节结构间连接方式，进而实现仿蛇形机器人的蜿蜒运动、直线运动和伸缩运动；哈尔滨工业大学设计了正交相连的仿生蛇关节结构，在各关节处安装有电机，实现蜿蜒运动、蠕动、抬头、翻滚和侧向运动；北京理工大学设计了仿蛇形机器人中的十字型万向节关节连接结构，通过关节处的齿轮系及电机驱动，实现直线、转弯及侧移等运动。

尽管如此，上述仿蛇形机器人所具有的运动功能，仍然难以使其有效跨越大沟壑和高障碍等复杂地形。在自然界中，动物们常常采用跳跃的方式来跨越沟壑和障碍。其中，小型节肢动物所具有的储能式弹跳表现出非常优异的运动特性，可以实现数十倍于自身尺寸的跳跃高度和距离，使其在复杂地形上也能进行有效移动。目前，还未报道有能实现储能式弹跳功能的多体节复合型微型运动机器人(如仿蛇形机器人)。在对跳钩虾科动物(Amphipoda:Talitridae)储能式弹跳机理的研究基础上，本发明设计了一种含弹性储能与释能装置的仿生多体节机构，可使多体节型机器人构型同时具备左右摆动功能、上下摆动功能和躯干式储能跳跃功能。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术无法使多体节复合型机器人实现快速越障的问题，提供一种含弹性储能与释能装置的仿生多体节机构。该装置为多体节复合型微型机器人，能够实现躯干式储能跳跃，进而快速越障；且结构简单、易于控制、成本低廉，多体节复合型机器人可由若干体节单元部件装配组成。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种含弹性储能与释能装置的多体节机构，由若干体节单元部件及控制绳索装配组成；所述体节单元部件包括：体节单元外壳、弹性组件和体节间连接器；

所述体节单元外壳为截面逐渐变大的中空结构；大截面端上、下侧壁上开有通孔，沿小截面端的左、右侧壁向外设置带通孔的凸台，用于固定安装体节间连接器；沿小截面端的上、下侧壁向内开设凹槽，用于实现对屈伸动作的限位；小截面端上侧壁固定安装有两个弹性组件，下侧壁开设通孔，用于固定控制绳索；第一节体节单元外壳通过体节间连接器连接到第二节体节单元外壳，并通过控制绳索控制两体节单元间的相对运动，进而实现多体节机构的左右摆动、上下摆动和躯干式储能跳跃，实现基本运动和快速越障的目的。

体节单元外壳为截面逐渐变大的方形筒状结构。

其中小截面上的第一凹槽和第二凹槽处固定弹性组件的后端，第一横向轴承托和第二横向轴承托处分别嵌入轴承后与体节间连接器的第一短轴向轴端和第二短轴向轴端配合，第一底部圆孔与右转-屈曲动作控制绳索相连，底部凹槽为体节间连接器的屈曲动作限位点，第一竖直向轴承托和第二竖直向轴承托处分别嵌入轴承后与体节间连接器的第一长轴向轴端和第二长轴向轴端配合，第二底部圆孔与左转-屈曲动作控制绳索相连，顶部凹槽为体节间连接器的伸展动作限位点。

弹性组件为“V”型截面结构，其中前端平台处圆孔与伸展动作控制绳索相连，后端与体节单元外壳的截面第一凹槽和第二凹槽处固定连接。

体节间连接器为十字型结构，第一短轴向轴端和第二短轴向轴端与体节单元外壳中第一横向轴承托和第二横向轴承托处的轴承配合，第一长轴向轴端和第二长轴向轴端与体节单元外壳中第一竖直向轴承托和第二竖直向轴承托处的轴承配合。

多体节机构由多个含弹性储能与释能装置的体节单元部件装配而成，之间通过体节间连接器连接，其中体节间连接器的第一短轴向轴端和第二短轴向轴端连接在一个体节单元外壳的第一横向轴承托和第二横向轴承托处，体节间连接器的第一长轴向轴端和第二长轴向轴端连接在另一个体节单元外壳的第一竖直向轴承托和第二竖直向轴承托处。

工作过程：多体节机构的摆动运动由各相邻体节单元间的上下摆动和左右摆动动作叠加而成。其中，相邻体节单元间的摆动动作过程为：单独拉伸一条控制绳索且放松其余三条绳索，被拉伸的体节单元相对其他体节单元向该绳索所在方向偏转，若干相邻体节间的上述动作叠加，形成多体节机构的空间摆动动作；同时拉伸上侧的两条伸展动作控制绳索且放松两条屈曲动作控制绳索，被拉伸的体节单元相对其他体节单元在竖直面向上转动，若干相邻体节间的上述动作叠加，完成多体节机构的伸展动作；同时拉伸下侧的两条屈曲动作控制绳索且放松两条伸展动作控制绳索，被拉伸的体节单元相对其他体节单元在竖直面向下转动，若干相邻体节间的上述动作叠加，完成多体节机构的屈曲动作；同时拉伸靠左侧的两条控制绳索(包括伸展和屈曲动作控制绳索各1条)且放松其余两条绳索，被拉伸的体节单元相对其他体节单元在水平面上向左侧偏转，若干相邻体节间的上述动作叠加，形成多体节机构的水平向左摆动动作；通过同时拉伸靠右侧的两条控制绳索(包括伸展和屈曲动作控制绳索各1条)且放松其余两条绳索，被拉伸的体节单元相对其他体节单元在水平面上向右侧偏转，若干相邻体节间的上述动作叠加，形成多体节机构的水平向右摆动动作。多体节机构的跳跃运动由各相邻体节单元间的快速伸展动作叠加而成。其中，相邻体节单元间的快速伸展动作工作过程为：首先，两条屈曲动作控制绳索受拉，使相连的体节单元外壳相对其他体节单元外壳进行屈曲；待达到最大屈曲角度后，两条伸展动作控制绳索开始受拉，此时两条屈曲动作控制绳索维持受拉状态，体节单元外壳上的弹性组件在伸展动作控制绳索拉伸作用下出现变形，储存弹性应变能；当伸展动作开始时，两条屈曲动作控制绳索瞬间放松，变形后的弹性组件恢复初始构型，释放所储存的弹性应变能，使所在的体节单元相对其他体节单元进行快速伸展。

有益效果

1、本发明的一种含弹性储能与释能装置的仿生多体节机构，通过体节上设计的弹性装置在动作前进行预先储能、在动作过程中进行释能，从而使躯干完成快速跳跃动作，实现快速越障；

2、本发明的一种含弹性储能与释能装置的仿生多体节机构，结构简单、易于控制、成本低廉，多体节复合型机器人可由若干体节单元部件装配组成。

附图说明

图1为本发明中的体节单元部件结构示意图；

图2为体节单元外壳1的示意图；

图3为弹性组件2的示意图；

图4为体节间连接器3的示意图；

图5为多体节机构的实施例示意图，除第一个体节单元外壳外的其他体节单元外壳均显示为半透明；其中，图a为多体节机构的全伸展姿态示意图；图b为多体节机构的全屈曲姿态示意图；

图6为多体节机构中的相邻双体节间的连接示意图；

图7为多体节机构中的相邻双体节间进行空间摆动的示意图；其中，图a为相邻双体节间无摆动的示意图；图b为相邻双体节间进行左下摆动的示意图；图c为相邻双体节间进行右下摆动的示意图；

图8为多体节机构中的相邻双体节间进行水平左右摆动的示意图；其中，图a为相邻双体节间无摆动时的示意图；图b为相邻双体节间进行水平向左摆动时的示意图；图c为相邻双体节间进行水平向右摆动时的示意图；

图9为多体节机构中的相邻双体节间进行竖直上下摆动的示意图；其中，图a为相邻双体节间无竖直摆动的示意图；图b为相邻双体节间进行竖直向上摆动的示意图；图c为相邻双体节间进行竖直向下摆动的示意图；

图10为多体节机构在一次弹跳过程中相邻双体节间各阶段示意图；其中，图a为弹跳过程中相邻双体节的初始阶段示意图；图b为弹跳过程中相邻双体节的屈曲运动阶段示意图；图c为弹跳过程中相邻双体节的弹性储能阶段示意图；图d为弹跳过程中相邻双体节的弹性释能阶段示意图。

其中，1—体节单元外壳、2—弹性组件、3—体节间连接器、4—横向轴承、5—竖直向轴承、101—第一凹槽、102—第一横向轴承托、103—第一底部圆孔、104—底部凹槽、105—第一竖直向轴承托、106—第二底部圆孔、107—第二横向轴承托、108—第二凹槽、109—第二竖直向轴承托、110—顶部凹槽、201—前端平台处圆孔、202—后端、301—第一短轴向轴端、302—第一长轴向轴端、303—第二短轴向轴端、304—第二长轴向轴端。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

参照图1，一种含弹性储能与释能装置的体节单元部件由体节单元外壳1、弹性组件2、体节间连接器3、横向轴承4、竖直向轴承5组成。

参考图2，体节单元外壳1为截面逐渐变大的方形筒状结构，其中小截面上的第一凹槽101和第二凹槽108处固定弹性组件2的后端202，第一横向轴承托102和第二横向轴承托107处分别嵌入轴承4后与体节间连接器3的第一短轴向轴端301和第二短轴向轴端303配合，第一底部圆孔103与右转-屈曲动作控制绳索相连，底部凹槽104为体节间连接器3的屈曲动作限位点，第一竖直向轴承托105和第二竖直向轴承托109处分别嵌入轴承5后与体节间连接器3的第一长轴向轴端302和第二长轴向轴端304配合，第二底部圆孔106与左转-屈曲动作控制绳索相连，顶部凹槽110为体节间连接器3的伸展动作限位点。

参考图3，弹性组件2为“V”型截面结构，其中前端平台处圆孔201与伸展动作控制绳索相连，后端202与体节单元外壳1的截面第一凹槽101和第二凹槽108处固定连接。

参考图4，体节间连接器3为十字型结构，第一短轴向轴端301和第二短轴向轴端303与体节单元外壳1中第一横向轴承托102和第二横向轴承托107处的轴承4配合，第一长轴向轴端302和第二长轴向轴端304与体节单元外壳1中第一竖直向轴承托105和第二竖直向轴承托109处的轴承5配合。

参考图5(a、b)，多体节机构由若干个含弹性储能与释能装置的体节单元部件连接而成，各体节单元间均处于全伸展时为多体节机构的全伸展构型状态，各体节单元间均处于全屈曲时为多体节机构的全屈曲构型状态。

参考图6，多体节机构中的相邻双体节间通过体节间连接器3连接，其中体节间连接器3的第一短轴向轴端301和第二短轴向轴端303连接在后一个体节单元外壳的第一横向轴承托102和第二横向轴承托107处，体节间连接器3的第一长轴向轴端302和第二长轴向轴端304连接在前一个体节单元外壳的第一竖直向轴承托105和第二竖直向轴承托109处，圆孔A连接右转-伸展动作控制绳索，圆孔B连接右转-屈曲动作控制绳索，圆孔C连接左转-屈曲动作控制绳索，圆孔D连接左转-伸展动作控制绳索。

多体节机构的摆动功能由相邻双体节间的上下摆动和左右摆动叠加形成，多体节机构的躯干式储能弹跳功能由相邻双体节间的快速伸展运动叠加而成。下面参照附图，通过对本发明中相邻双体节机构间的相互运动进行描述，对本发明的具体实施方案作出更为详细的说明：

参考图7，相邻双体节间的空间摆动过程：当右转-伸展动作控制绳索、左转-伸展动作控制绳索、右转-屈曲动作控制绳索和左转-屈曲动作控制绳索同时受到同等强度拉伸或同时不受拉伸时，非透明体节单元外壳相对透明体节单元外壳无摆动(如图7(a))；当仅有左转-屈曲动作控制绳索受拉伸时，非透明体节单元外壳相对透明体节单元外壳发生屈曲且向左的空间摆动(如图7(b))；当仅有右转-屈曲动作控制绳索受拉伸时，非透明体节单元外壳相对透明体节单元外壳发生屈曲且向右的空间摆动(如图7(c))；当仅有右转-伸展动作控制绳索受拉伸时，非透明体节单元外壳相对透明体节单元外壳发生伸展且向右的空间摆动；当仅有左转-伸展动作控制绳索受拉伸时，非透明体节单元外壳相对透明体节单元外壳发生伸展且向左的空间摆动。

参考图8，相邻双体节间的水平左右摆动过程：当右转-伸展动作控制绳索、左转-伸展动作控制绳索、右转-屈曲动作控制绳索和左转-屈曲动作控制绳索同时受到同等强度拉伸或同时不受拉伸时，非透明体节单元外壳相对透明体节单元外壳无摆动(如图8(a))；当左转-伸展动作控制绳索和左转-屈曲动作控制绳索同时受拉伸时，非透明体节单元外壳相对透明体节单元外壳发生水平且向左摆动(如图8(b))；当右转-伸展动作控制绳索和右转-屈曲动作控制绳索同时受拉伸时，非透明体节单元外壳相对透明体节单元外壳发生水平且向右摆动(如图8(c))。

参考图9，相邻双体节间的竖直上下摆动过程：当右转-伸展动作控制绳索、左转-伸展动作控制绳索、右转-屈曲动作控制绳索和左转-屈曲动作控制绳索同时受到同等强度拉伸或同时不受拉伸时，非透明体节单元外壳相对透明体节单元外壳无摆动(如图9(a))；当左转-伸展动作控制绳索和右转-伸展动作控制绳索同时受拉伸时，非透明体节单元外壳相对透明体节单元外壳发生竖直向上摆动(如图9(b))；当左转-屈曲动作控制绳索和右转-屈曲动作控制绳索同时受拉伸时，非透明体节单元外壳相对透明体节单元外壳发生竖直向下摆动(如图9(c))。

参考图10，双体节间的快速伸展动作过程为：首先，四条控制绳索均未受到拉伸，此时双体节机构的非透明体节单元外壳与透明体节单元外壳间无偏转角度(如图10(a))；随后，左转-屈曲动作控制绳索和右转-屈曲动作控制绳索同时受拉伸，非透明体节单元外壳相对透明体节单元外壳发生屈曲直至体节间连接器接触到非透明体节单元外壳的底部凹槽104而发生限位(如图10(b))；下一步，左转-伸展动作控制绳索和右转-伸展动作控制绳索同时受拉伸，非透明体节单元上的两个弹性组件受力后发生弯曲和拉长，进行弹性应变能储能(如图10(c))；最后，左转-屈曲动作控制绳索和右转-屈曲动作控制绳索同时松开进行触发，非透明体节单元在左转-伸展动作控制绳索和右转-伸展动作控制绳索的作用下作伸展运动，此时变形的弹性组件恢复至初始未受力状态，所储存的弹性应变能进行释放(如图10(d))。这样，双体节机构依次经图10中(a)，(b)，(c)和(d)完成一次弹性应变能储能和触发释放循环，实现相邻双体节间的快速伸展运动。

根据仿生学原理，本实施例所提出的含弹性储能和释能装置的多体节机构符合跳钩虾动物的储能式弹跳特点，结构和控制简单。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种含弹性储能与释能装置的仿生多体节机构，其特征在于：由控制绳索及若干体节单元部件构成；所述体节单元部件包括：体节单元外壳(1)、弹性组件(2)和体节间连接器(3)；

所述体节单元外壳(1)为截面逐渐变大的中空结构；大截面端上、下侧壁上开有通孔，沿小截面端的左、右侧壁向外设置带通孔的凸台，用于固定安装体节间连接器(3)；沿小截面端的上、下侧壁向内开设凹槽；小截面端上侧壁固定安装有两个弹性组件(2)，下侧壁开设通孔，用于固定控制绳索；第一节体节单元通过体节间连接器(3)连接到第二节体节单元，并通过控制绳索控制各体节单元的运动，弹性组件在伸展动作控制绳索拉伸作用下出现变形，进而实现储能跳跃，达到快速越障的目的；

所述体节单元外壳(1)为截面逐渐变大的方形筒状结构；

其中小截面上的第一凹槽(101)和第二凹槽(108)处固定弹性组件(2)的后端(202)，第一横向轴承托(102)和第二横向轴承托(107)处分别嵌入轴承(4)后与体节间连接器(3)的第一短轴向轴端(301)和第二短轴向轴端(303)配合，第一底部圆孔(103)与右转-屈曲动作控制绳索相连，底部凹槽(104)为体节间连接器(3)的屈曲动作限位点，第一竖直向轴承托(105)和第二竖直向轴承托(109)处分别嵌入轴承(5)后与体节间连接器(3)的第一长轴向轴端(302)和第二长轴向轴端(304)配合，第二底部圆孔(106)与左转-屈曲动作控制绳索相连，顶部凹槽(110)为体节间连接器(3)的伸展动作限位点。

2.如权利要求1所述的一种含弹性储能与释能装置的仿生多体节机构，其特征在于：弹性组件(2)为“V”型截面结构，其中弹性组件(2)的前端平台处圆孔(201)与伸展动作控制绳索相连，弹性组件(2)的后端(202)与体节单元外壳(1)的截面第一凹槽(101)和第二凹槽(108)处固定连接。

3.如权利要求1所述的一种含弹性储能与释能装置的仿生多体节机构，其特征在于：体节间连接器(3)为十字型结构，体节间连接器(3)的第一短轴向轴端(301)和第二短轴向轴端(303)与体节单元外壳(1)中第一横向轴承托(102)和第二横向轴承托(107)处的轴承(4)配合，体节间连接器(3)第一长轴向轴端(302)和第二长轴向轴端(304)与体节单元外壳(1)中第一竖直向轴承托(105)和第二竖直向轴承托(109)处的轴承(5)配合。

4.如权利要求1所述的一种含弹性储能与释能装置的仿生多体节机构，其特征在于：多体节机构由多个含弹性储能与释能装置的体节单元部件装配而成，之间通过体节间连接器(3)连接，其中体节间连接器(3)的第一短轴向轴端(301)和第二短轴向轴端(303)连接在一个体节单元外壳的第一横向轴承托(102)和第二横向轴承托(107)处，体节间连接器(3)的第一长轴向轴端(302)和第二长轴向轴端(304)连接在另一个体节单元外壳的第一竖直向轴承托(105)和第二竖直向轴承托(109)处。

5.采用如权利要求1至4任意一项所述的一种含弹性储能与释能装置的仿生多体节机构进行储能跳跃的方法，其特征在于：多体节机构的摆动运动由各相邻体节单元间的上下摆动和左右摆动动作叠加而成；其中，相邻体节单元间的摆动动作过程为：单独拉伸一条控制绳索且放松其余三条绳索，被拉伸的体节单元相对其他体节单元向该绳索所在方向偏转，若干相邻体节间的上述动作叠加，形成多体节机构的空间摆动动作；同时拉伸上侧的两条伸展动作控制绳索且放松两条屈曲动作控制绳索，被拉伸的体节单元相对其他体节单元在竖直面向上转动，若干相邻体节间的上述动作叠加，完成多体节机构的伸展动作；同时拉伸下侧的两条屈曲动作控制绳索且放松两条伸展动作控制绳索，被拉伸的体节单元相对其他体节单元在竖直面向下转动，若干相邻体节间的上述动作叠加，完成多体节机构的屈曲动作；同时拉伸靠左侧的两条控制绳索且放松其余两条绳索，被拉伸的体节单元相对其他体节单元在水平面上向左侧偏转，若干相邻体节间的上述动作叠加，形成多体节机构的水平向左摆动动作；通过同时拉伸靠右侧的两条控制绳索且放松其余两条绳索，被拉伸的体节单元相对其他体节单元在水平面上向右侧偏转，若干相邻体节间的上述动作叠加，形成多体节机构的水平向右摆动动作；多体节机构的跳跃运动由各相邻体节单元间的快速伸展动作叠加而成；其中，相邻体节单元间的快速伸展动作工作过程为：首先，两条屈曲动作控制绳索受拉，使相连的体节单元外壳相对其他体节单元外壳进行屈曲；待达到最大屈曲角度后，两条伸展动作控制绳索开始受拉，此时两条屈曲动作控制绳索维持受拉状态，体节单元外壳上的弹性组件在伸展动作控制绳索拉伸作用下出现变形，储存弹性应变能；当伸展动作开始时，两条屈曲动作控制绳索瞬间放松，变形后的弹性组件恢复初始构型，释放所储存的弹性应变能，使所在的体节单元相对其他体节单元进行快速伸展。

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