CN111846005A - 一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人 - Google Patents

Abstract

本公开公开的一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人，包括，头部、尾部，及连接头部和尾部的柔性脊柱，所述头部与尾部处均连接柔性腿足，所述柔性脊柱包括多个串行连接的椎骨，相邻椎骨间经柔性受拉构件连接，实现相邻所述椎骨间的多自由度运动。柔性脊柱由多个椎骨串行连接，相邻椎骨间经柔性受拉构件连接，综合了刚体结构与软体结构的优点，具备柔顺性好和灵活性好的特点。

Description

一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人

技术领域

本公开涉及一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

四足机器人与轮式、履带式等移动机器人相比在粗糙地形中具有更好的适应能力，与双足、六足等腿足机器人相比又兼顾了运动的稳定性和结构/控制的复杂性，有望成为新一代适用于复杂环境中的移动平台，已成为国内外机器人领域的研究热点。国内外已研制出多款非常成功的四足机器人商业产品，在四足机器人的轻量化、机动性等方面均取得了不错的进展。目前的四足机器人依靠身体的高刚性结构和高动态响应保持运动的稳定性，而反观自然界中的四足动物，与四足机器人存在很大的区别，尤其是在身体的柔顺性方面。以猫为例，猫的四肢含有大量的肌肉和韧带等组织，赋予它们固有的柔性和弹性，可以有效地防止或减少震动对身体的损伤，即使从高处坠落也依然完好无损；猫的脊柱同样具有很高的柔性，能够产生弯曲、伸展、收缩等变形，使其甚至可以像液体一样随意地改变身体形状。

发明人认为，现有的四足机器人的结构设计过程中，单纯地采用刚性结构难以保证四足机器人的柔顺性，而单纯地采用软体结构也难以保证四足机器人的承载能力。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人，柔性脊柱由多个椎骨串行连接，相邻椎骨间经柔性受拉构件连接，综合了刚体结构与软体结构的优点，具备柔顺性好和灵活性好的特点。

为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人，包括，头部、尾部，及连接头部和尾部的柔性脊柱，所述头部与尾部处均连接柔性腿足，所述柔性脊柱包括多个串行连接的椎骨，相邻椎骨间经柔性受拉构件连接，实现相邻椎骨间的多自由度运动。

进一步的，串行连接的椎骨，包括，头椎骨、多个中间椎骨和尾椎骨，头椎骨、多个中间椎骨和尾椎骨依次串行连接。

进一步的，头椎骨，包括第一脊柱刚性构件；中间椎骨和尾椎骨，均包括，第一脊柱刚性构件和多个斜拉刚性构件，多个所述斜拉刚性构件的一端连接在一起形成公共端，多个所述斜拉刚性构件的另一端与所述第一脊柱刚性构件连接。

优选的，尾椎骨，还在第一脊柱刚性构件内设置支撑件。

进一步的，所述柔性受拉构件包括，多个第一脊柱柔性拉索和多个第二脊柱柔性拉索，多个所述第一脊柱柔性拉索连接相邻的两个第一脊柱刚性构件，多个所述第二脊柱柔性拉索连接一个椎骨的公共端与相邻椎骨的第一脊柱刚性构件。

进一步的，所述头部与尾部结构相同，均为刚性构件。

进一步的，所述头部经刚性连接件与所述头椎骨连接，所述尾部经刚性连接件与所述尾椎骨连接。

进一步的，所述柔性腿足，包括，呈空间交叉设置、且互不接触的第一腿足刚性构件和第二腿足刚性构件，所述第一腿足刚性构件和第二腿足刚性构件经多个所述第一腿足柔性拉索和第二腿足柔性拉索连接，所述第一腿足刚性构件相对于第二腿足刚性构件多自由度运动。

进一步的，所述第一腿足柔性拉索连接第二腿足刚性构件的第一端及第一腿足刚性构件靠近所述第二腿足刚性构件第一端的端面，所述第二腿足柔性拉索连接所述第二腿足刚性构件的第二端及第一腿足刚性构件靠近所述第二腿足刚性构件第二端的端面。

优选的，头部的柔性腿足通过第一腿足刚性构件固定于头部与头椎骨之间，尾部的柔性腿足通过第一腿足刚性构件固定于尾部与尾椎骨之间。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1、本公开的柔性脊柱包括多个串行连接的椎骨，多个椎骨间经柔性受拉构件连接，使得相邻椎骨间可相对转动与平动，从而使柔性脊柱具备多自由度的运动，提高了机器人的灵活性和运动能力。

2、本公开的容性腿足具备多个平动和转动的自由度，进一步提高了机器人的灵活性和运动能力。

3、本公开的机器人，柔性脊柱具备多自由度运动，柔性腿足也具备多个自由度运动，提高了四足机器人腿部和躯干的柔顺性，能够有效减少机器人触地时地面冲击对机器人结构件的损伤。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本公开整体结构示意图；

图2为本公开柔性脊柱结构示意图；

图3为本公开相邻椎骨连接示意图；

图4为本公开柔性腿足连接示意图；

图5为本公开头部或尾部与柔性脊柱连接示意图。

其中：1、头部，2、中间椎骨，3、尾部，4、柔性腿足，5、头椎骨，6、尾椎骨，7、第一中间椎骨，8、柔性受拉构件，9、第二中间椎骨，10、第一脊柱刚性构件，11、斜拉刚性构件，12、第一脊柱柔性拉索，13、第二脊柱柔性拉索，14、公共端，15、第一腿足柔性拉索，16、第一腿足刚性构件，17、第二腿足柔性拉索，20、第二腿足刚性构件，18、刚性件，19、支撑件，21、刚性连接件，22、支撑件。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。

实施例1

四足机器人的结构设计过程中，单纯地采用刚性结构难以保证四足机器人的柔顺性，而单纯地采用软体结构也难以保证四足机器人的承载能力，刚柔耦合则提供了一种可行的折中途径。张拉整体结构定义为由一组不连续的刚性受压构件与一组连续的柔性受拉构件组成的自支承、自应力的空间网格结构，是一种典型的刚柔耦合结构。张拉整体结构同时保留了刚性构件的承载能力与柔性构件的变形能力，兼具刚体结构与软体结构的优点，与生物体肌肉骨骼系统呈现出的“张拉整体”特点非常相似，在近年来逐渐获得了仿生机器人领域研究人员的青睐。

在该实施例中，公开一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人，包括，头部1、柔性脊柱、尾部3和柔性腿足4，柔性脊柱包括多个串联的椎骨，相邻椎骨间经柔性受拉构件8连接，实现相邻椎骨间的多自由度运动，椎骨分别为依次串联的，头椎骨5、多节中间椎骨2和尾椎骨6，头部1与头椎骨5固定连接，尾椎骨6与尾部3固定连接，柔性腿足4为四个。

其中，中间椎骨2和尾椎骨6，均包括，第一脊柱刚性构件10和多个斜拉刚性构件11，多个斜拉刚性构件11的一端连接在一起，形成公共端14，斜拉刚性构件11的另一端与第一脊柱刚性构件10连接。

尾椎骨6除上述结构外，还在第一脊柱刚性构件10内设置支撑件22，支撑件22可以为十字支撑件。

头椎骨5仅包括第一脊柱刚性构件10。

柔性受拉构件8，包括，多个第一脊柱柔性拉索12和多个第二脊柱柔性拉索13，第一脊柱柔性拉索12连接相邻的两个第一脊柱刚性构件10，第二脊柱柔性拉索13连接一个椎骨的公共端14和相邻椎骨的第一脊柱刚性构件10。其中第一脊柱柔性拉索12为主动拉索，长度可主动控制，第二脊柱柔性拉索13为被动拉索。

在该实施例中，斜拉刚性构件11、第一脊柱柔性拉索12和第二脊柱柔性拉索13的数量均为四个，四个斜拉刚性构件、四个第一脊柱柔性拉索和四个第二脊柱柔性拉索均沿第一脊柱刚性构件10的中心圆周均布设置。

以第一中间椎骨7和第二中间椎骨9为例，第一中间椎骨7的第一脊柱刚性构件10与第二中间椎骨9的第一脊柱刚性构件10，经第一脊柱柔性拉索12连接，第一中间椎骨7的公共端14与第二中间椎骨9的第一脊柱刚性构件10，经第二脊柱柔性拉索13连接，从而使第二中间椎骨9可相对于第一中间椎骨7，相对平动和转动，且平动和转动可同时进行，使柔性脊柱具备好的柔顺性和灵活性，实现仿生功能，平动包括轴向和径向上的平移运动，转动包括轴向和径向上的转动，多个椎骨串行连接形成柔性脊柱，该柔性脊柱具备多个自由度的运动，灵活性更高。

在该实施例中，第一腿足柔性拉索15和第二腿足柔性拉索17的数量均为四个，分别以第二腿足刚性构件20为圆心圆周均布设置。

头部1和尾部3的结构相同，均包括，圆形的刚性件18，圆形刚性件18内设置支撑件19，支撑件19可为十字型支撑件。

头部的刚性件18经刚性连接件21与头椎骨5连接，尾部的刚性件18经刚性连接件21与尾椎骨6连接。

刚性连接件21为多个，在该实施例中，刚性连接件21的数量为四个，四个刚性连接件沿刚性件18的中心圆周均布设置。

柔性腿足4，包括，呈空间交叉设置、且互不接触的第一腿足刚性构件16和第二腿足刚性构件20，第一腿足刚性构件16和第二腿足刚性构件20经多个第一腿足柔性拉索15和第二腿足柔性拉索17连接。

第一腿足柔性拉索15连接第二腿足刚性构件20的第一端及第一腿足刚性构件16靠近第二腿足刚性构件20第一端的端面，第二腿足柔性拉索17连接第二腿足刚性构件20的第二端及第一腿足刚性构件16靠近第二腿足刚性构件20第二端的端面。第二腿足柔性拉索17为主动拉索，长度可主动控制，第一腿足柔性拉索15为被动拉索。仿生四足机器人通过第二腿足刚性构件20的第二端与地面接触。

从而使，第一腿足刚性构件16相对于第二腿足刚性构件20轴向转动、径向转动、径向平动和轴向平动，且多个转动和平动可同时进行，该柔性腿足结构与传统四足机器人腿部结构的根本区别在于，传统四足机器人腿部关节将多个杆件进行刚性铰链连接，而该实施例中的柔性腿足结构刚性杆件之间并不直接接触，而是通过柔性拉索连接，具备了多个转动和平动的自由度，灵活性更强。

柔性脊柱的两端分别与头部和尾部串行连接，形成仿生四足机器人的躯干，头部的柔性腿足通过第一腿足刚性构件固定于头部与头椎骨之间，尾部的柔性腿足通过第一腿足刚性构件固定于尾部与尾椎骨之间。

该实施例公开的一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人，其中的柔性脊柱具备多个转动和平动的多自由度运动，柔性腿足也具备多个平动和转动的多自由度运动，从而提高了仿生四足机器人的灵活性和运动能力，同时，有效减少机器人触地时地面冲击对机器人结构件的损伤。本实施例的仿生四足机器人，综合刚体结构与软体结构的优点，具有质量轻、强度高、柔顺性好、灵活性好、适应性高等优点，具有广阔的应用前景。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人，其特征在于，包括，头部、尾部，及连接头部和尾部的柔性脊柱，所述头部与尾部处均连接柔性腿足，所述柔性脊柱包括多个串行连接的椎骨，相邻椎骨间经柔性受拉构件连接，实现相邻所述椎骨间的多自由度运动。

2.如权利要求1所述的一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人，其特征在于，串行连接的椎骨，包括，头椎骨、多个中间椎骨和尾椎骨，头椎骨、多个中间椎骨和尾椎骨依次串行连接。

3.如权利要求2所述的一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人，其特征在于，头椎骨，包括第一脊柱刚性构件；中间椎骨和尾椎骨，均包括，第一脊柱刚性构件和多个斜拉刚性构件，多个所述斜拉刚性构件的一端连接在一起形成公共端，多个所述斜拉刚性构件的另一端与所述第一脊柱刚性构件连接。

4.如权利要求3所述的一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人，其特征在于，尾椎骨，还在第一脊柱刚性构件内设置支撑件。

5.如权利要求3所述的一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人，其特征在于，所述柔性受拉构件包括，多个第一脊柱柔性拉索和多个第二脊柱柔性拉索，多个所述第一脊柱柔性拉索连接相邻的两个第一脊柱刚性构件，多个所述第二脊柱柔性拉索连接一个椎骨的公共端与相邻椎骨的第一脊柱刚性构件。

6.如权利要求2所述的一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人，其特征在于，所述头部与尾部结构相同，均为刚性构件。

7.如权利要求6所述的一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人，其特征在于，所述头部经刚性连接件与所述头椎骨连接，所述尾部经刚性连接件与所述尾椎骨连接。

8.如权利要求6所述的一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人，其特征在于，所述柔性腿足，包括，呈空间交叉设置、且互不接触的第一腿足刚性构件和第二腿足刚性构件，所述第一腿足刚性构件和第二腿足刚性构件经多个所述第一腿足柔性拉索和第二腿足柔性拉索连接，所述第一腿足刚性构件相对于第二腿足刚性构件多自由度运动。

9.如权利要求8所述的一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人，其特征在于，所述第一腿足柔性拉索连接第二腿足刚性构件的第一端及第一腿足刚性构件靠近所述第二腿足刚性构件第一端的端面，所述第二腿足柔性拉索连接所述第二腿足刚性构件的第二端及第一腿足刚性构件靠近所述第二腿足刚性构件第二端的端面。

10.如权利要求8所述的一种基于张拉整体结构的仿生四足机器人，其特征在于，头部的柔性腿足通过第一腿足刚性构件固定于头部与头椎骨之间，尾部的柔性腿足通过第一腿足刚性构件固定于尾部与尾椎骨之间。

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