CN113044133B - 一种仿生柔性脊柱及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生柔性脊柱及机器人，涉及机器人技术领域，包括支撑骨骼的一端设置有第一拉紧释放机构，支撑骨骼的另一端设置有第二拉紧释放机构，第一拉紧释放机构和第二拉紧释放机构均包括至少一个拉线和驱动机构，第二拉紧释放机构的拉线的一端与支撑骨骼的一端连接，第一拉紧释放机构的拉线的一端与支撑骨骼的另一端连接，第一拉紧释放机构的驱动机构驱动拉线拉紧或释放实现支撑骨骼水平方向的弯曲，第二拉紧释放机构的驱动机构驱动拉线拉紧或释放实现支撑骨骼竖直方向的弯曲。采用本发明的仿生柔性脊柱可以实现俯仰、偏航以及前肢后肢扭转的四自由度运动，能够解决现有微型四足机器人躯干脊柱自由度少、运动模式单一、灵活性差的问题。

Description

一种仿生柔性脊柱及机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，特别是涉及一种仿生柔性脊柱及机器人。

背景技术

目前，四足机器人是机器人领域的研究热点，但现有的四足机器人多采用刚性的躯干，存在自由度少，运动模式单一，灵活性差等问题。聚焦到厘米级(20cm以下)微型机器人领域该问题更是尤为凸显，受限于自身尺寸，四足机器人的灵活性更是难以保障。在面对复杂地形时，机器人运动能力的掣肘尤为明显。同时，微型四足机器人的自身尺寸也限制了本身不可能携带大功率的机载驱动装置，所以在有限的尺寸下实现俯仰、偏航、扭转是微型机器人面临的棘手难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿生柔性脊柱及机器人，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现俯仰、偏航和扭转。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供了一种仿生柔性脊柱，包括支撑骨骼，所述支撑骨骼的一端设置有第一拉紧释放机构，所述支撑骨骼的另一端设置有第二拉紧释放机构，所述第一拉紧释放机构和所述第二拉紧释放机构均包括至少一个拉线和驱动机构，所述第二拉紧释放机构的所述拉线的一端与所述支撑骨骼的一端连接，所述第一拉紧释放机构的所述拉线的一端与所述支撑骨骼的另一端连接，所述第一拉紧释放机构的所述驱动机构驱动所述拉线拉紧或释放实现所述支撑骨骼水平方向的弯曲，所述第二拉紧释放机构的所述驱动机构驱动所述拉线拉紧或释放实现所述支撑骨骼竖直方向的弯曲。

优选地，所述支撑骨骼采用柔性材料制成；所述支撑骨骼呈中部直径小于两端的沙漏状，且所述支撑骨骼的内部为中空结构，所述支撑骨骼的外侧套设有波纹管。

优选地，所述支撑骨骼的一端设置有第一连接机构，所述支撑骨骼的另一端设置有第二连接机构，所述第一拉紧释放机构的所述驱动机构设置在所述第一连接机构上，所述第二拉紧释放机构的所述驱动机构设置在所述第二连接机构上，所述第一拉紧释放机构的所述拉线的端部固定在所述第二连接机构上，所述第二拉紧释放机构的所述拉线的端部固定在所述第一连接机构上。

优选地，所述第一连接机构和所述第二连接机构均与一扭转电机传动连接。

优选地，所述第一拉紧释放机构和所述第二拉紧释放机构还包括卷线结构，所述卷线结构与所述驱动机构传动连接，所述拉线的中部缠绕在所述卷线结构上并通过压紧块固定在所述卷线结构上，所述第一拉紧释放机构的所述拉线的两端依次穿过所述第一连接机构的第一走线孔和所述第二连接机构的第一走线孔并与所述第二连接机构连接，所述第二拉紧释放机构的所述拉线的两端依次穿过所述第二连接机构的第二走线孔和所述第一连接机构的第二走线孔并与所述第一连接机构连接。

优选地，所述第一拉紧释放机构的所述拉线的两端依次穿过所述第一连接机构的第一走线孔、所述支撑骨骼侧壁开设的通孔和所述第二连接机构的第一走线孔并与所述第二连接机构连接，所述第二拉紧释放机构的所述拉线的两端依次穿过所述第二连接机构的第二走线孔、所述支撑骨骼侧壁开设的所述通孔和所述第一连接机构的第二走线孔并与所述第一连接机构连接。

优选地，所述卷线结构的一侧为平面结构，所述平面结构设置有走线沟槽，所述拉线设置在所述走线沟槽中并由所述压紧块压紧在所述平面结构上。

优选地，所述第一连接机构或所述第二连接机构上的两个所述第一走线孔的中心点的连线与所述第一连接机构或所述第二连接机构上的两个所述第二走线孔的中心点的连线垂直。

优选地，所述第一连接机构和所述第二连接机构均包括电机支架和端盖，所述驱动机构固定在所述电机支架上，所述电机支架与所述卷线结构之间设置有间隙，所述电机支架上设置有开口、所述第一走线孔和所述第二走线孔，所述拉线穿过所述开口后穿过所述第一走线孔或所述第二走线孔，所述端盖与所述电机支架固定连接。

本发明还提供了一种包括所述仿生柔性脊柱的机器人，所述支撑骨骼的一端设置有前肢，所述支撑骨骼的另一端设置有后肢，所述前肢和所述后肢均与所述支撑骨骼通过扭转电机传动连接。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明的仿生柔性脊柱通过驱动机构驱动拉线拉紧或释放，支撑骨骼出现一侧受拉力，另一侧约束释放的情形，支撑骨骼因两侧不同受力产生弯曲，从而实现对自然界动物通过肌肉收缩与放松来使脊柱进行弯曲运动的模拟。采用本发明的仿生柔性脊柱可以实现俯仰、偏航以及前肢后肢扭转的四自由度运动，能够解决现有微型四足机器人躯干脊柱自由度少、运动模式单一、灵活性差的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的仿生柔性脊柱示意图一；

图2为本发明的仿生柔性脊柱示意图二(带扭转电机)；

图3为本发明的仿生柔性脊柱内部结构示意图；

图4为本发明的支撑骨骼示意图；

图5为本发明的支撑骨骼穿线示意图；

图6为本发明的第一拉紧释放机构或第二拉紧释放机构示意图；

图7为本发明的卷线结构卷线示意图；

图8为本发明的卷线结构工作示意图；

图9为本发明的卷线结构轴测图；

图10为本发明的卷线结构侧视图；

图11为本发明的压紧块示意图；

图12为本发明的第一连接机构或第二连接机构轴测图；

图13为本发明的第一连接机构或第二连接机构侧视图；

图14为本发明的电机支架示意图；

图15为本发明的端盖示意图；

图16为本发明的法兰示意图；

图17为本发明的机器人示意图；

图18为本发明的机器人前肢示意图；

图19为本发明的机器人后肢示意图；

其中：100-仿生柔性脊柱，200-机器人，1-支撑骨骼，2-第一拉紧释放机构，3-第二拉紧释放机构，4-拉线，5-驱动机构，7-第一连接机构，8-第二连接机构，9-卷线结构，10-第一走线孔，11-第二走线孔，12-通孔，13-平面结构，14-走线沟槽，15-压紧块，16-电机支架，17-端盖，18-开口，19-法兰，20-扭转电机，21-前肢，22-后肢，23-前肢支架，24-后肢支架，25-前肢连杆一，26-前肢连杆二，27-前肢连杆三，28-前肢连杆四，29-前肢连杆五，30-前肢连杆六，31-后肢连杆一，32-后肢连杆二，33-后肢连杆三，34-后肢连杆四，35-后肢连杆五，36-后肢连杆六。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种仿生柔性脊柱及机器人，以解决上述现有技术存在的问题，能够实现俯仰、偏航和扭转。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1-图4、图6-图16所示：本实施例提供了一种仿生柔性脊柱100，包括支撑骨骼1，支撑骨骼1的一端设置有第一拉紧释放机构2，支撑骨骼1的另一端设置有第二拉紧释放机构3，第一拉紧释放机构2和第二拉紧释放机构3均包括至少一个拉线4和驱动机构5，第二拉紧释放机构3的拉线4的一端与支撑骨骼1的一端连接，第一拉紧释放机构2的拉线4的一端与支撑骨骼1的另一端连接，第一拉紧释放机构2的驱动机构5驱动拉线4拉紧或释放实现支撑骨骼1水平方向的弯曲，第二拉紧释放机构3的驱动机构5驱动拉线4拉紧或释放实现支撑骨骼1竖直方向的弯曲。

具体地，本实施例中，支撑骨骼1采用柔性材料制成，例如采用硅胶制成；支撑骨骼1的外侧套设有波纹管。

本实施例中，支撑骨骼1呈中部直径小于两端的沙漏状，且支撑骨骼1的内部为中空结构。支撑骨骼1的侧壁开设有若干通孔12，通孔12为圆孔，通孔12的排布方式包括并不限于直线排布、三角形排布、四边形排布、五边形排布、环形排布。

本实施例中，支撑骨骼1的一端设置有第一连接机构7，支撑骨骼1的另一端设置有第二连接机构8，支撑骨骼1与第一连接机构7和第二连接机构8均通过卡箍固定，第一拉紧释放机构2的驱动机构5设置在第一连接机构7上，第二拉紧释放机构3的驱动机构5设置在第二连接机构8上，第一拉紧释放机构2的拉线4的端部固定在第二连接机构8上，第二拉紧释放机构3的拉线4的端部固定在第一连接机构7上。

本实施例中，第一拉紧释放机构2和第二拉紧释放机构3还包括卷线结构9，卷线结构9为卷线轮，卷线结构9与驱动机构5传动连接，驱动机构5为卷线电机，拉线4的中部缠绕在卷线结构9上并通过压紧块15固定在卷线结构9上，第一拉紧释放机构2的拉线4的两端依次穿过第一连接机构7的第一走线孔10和第二连接机构8的第一走线孔10并与第二连接机构8连接，第二拉紧释放机构3的拉线4的两端依次穿过第二连接机构8的第二走线孔11和第一连接机构7的第二走线孔11并与第一连接机构7连接。

本实施例中，卷线结构9的一侧为平面结构13，平面结构13设置有走线沟槽14，拉线4设置在走线沟槽14中并由压紧块15压紧在平面结构13上，压紧块15通过两个螺钉与平面结构13连接，拉线4呈S形绕过两个螺钉，拉线4出入压紧块15时将其埋入走线沟槽14中。

本实施例中，第一连接机构7和第二连接机构8均包括电机支架16和端盖17，电机支架16和端盖17通过螺栓固定连接，两个电机支架16分别插入支撑骨骼1的两端并通过卡箍固定，驱动机构5固定在电机支架16上，电机支架16与卷线结构9之间设置有间隙，电机支架16上设置有开口18、第一走线孔10和第二走线孔11，拉线4穿过开口18后穿过第一走线孔10或第二走线孔11，端盖17与电机支架16固定连接。端盖17上设置有法兰19，法兰19与端盖17通过螺栓固定，法兰19用于与扭转电机20连接。

本实施例中，第一拉紧释放机构2的拉线4的中部被压紧块15固定后缠绕在卷线结构9上，拉线4的两端穿过第一拉紧释放机构2的卷线结构9的开口18、第一走线孔10并从第二拉紧释放机构3的卷线结构9的第一走线孔10穿出，穿出后由端子固定扣固定张紧，同样地，第二拉紧释放机构3的拉线4的中部被压紧块15固定后缠绕在卷线结构9上，拉线4的两端穿过第二拉紧释放机构3的卷线结构9的开口18、第二走线孔11并从第一拉紧释放机构2的卷线结构9的第二走线孔11穿出，穿出后由端子固定扣固定张紧，拉线4的走线方式包括但不限于直线走线以及绕孔走线。

本实施例中，第一连接机构7或第二连接机构8上的两个第一走线孔10的中心点的连线与第一连接机构7或第二连接机构8上的两个第二走线孔11的中心点的连线垂直。

本实施例中，第一连接机构7和第二连接机构8均与一扭转电机20传动连接，扭转电机20与第一连接机构7或第二连接机构8的法兰19连接，通过扭转电机20实现扭转。

本实施例的仿生柔性脊柱100工作时，驱动机构5驱动卷线结构9转动，拉线4一端拉紧，另一端释放。具体地，机器人200偏航运动时，第一拉紧释放机构2的驱动机构5带动卷线结构9转动，第一拉紧释放机构2的拉线4一端拉紧，另一端释放，此时第一拉紧释放机构2不工作，若机器人200向左偏航，拉线4的左侧端拉紧，右侧端释放，若机器人200向右偏航，拉线4的右侧端拉紧，左侧端释放；机器人200俯仰运动时，第二拉紧释放机构3的驱动机构5带动卷线结构9转动，第二拉紧释放机构3的拉线4一端拉紧，另一端释放，此时第二拉紧释放机构3不工作，若机器人200向上仰头，拉线4的上侧端拉紧，下侧端释放，若机器人200向下低头，拉线4的下侧端拉紧，上侧端释放。机器人200进行俯仰和偏航的复合运动时，第一拉紧释放机构2和第二拉紧释放机构3同时运动。前肢21和后肢22扭转时，第一拉紧释放机构2和第二拉紧释放机构3均不工作，支撑骨骼1可实现扭转。若在扭转的过程中进行偏航或俯仰，第一拉紧释放机构2和第二拉紧释放机构3工作。

实施例二

如图5所示：本实施例中，第一拉紧释放机构2的拉线4的两端依次穿过第一连接机构7的第一走线孔10、支撑骨骼1侧壁开设的通孔12和第二连接机构8的第一走线孔10并与第二连接机构8连接，第二拉紧释放机构3的拉线4的两端依次穿过第二连接机构8的第二走线孔11、支撑骨骼1侧壁开设的通孔12和第一连接机构7的第二走线孔11并与第一连接机构7连接。

实施例三

如图17-图19所示：本实施例提供了一种包括实施例一或实施例二的仿生柔性脊柱的机器人，支撑骨骼1的一端设置有前肢21，支撑骨骼1的另一端设置有后肢22，前肢21和后肢22均与支撑骨骼1通过扭转电机20传动连接。扭转电机20用于实现机器人200前肢21、后肢22的扭转运动。

具体地，前肢21设置在前肢支架23上，后肢22设置在后肢支架24上，前肢支架23和后肢支架24上均设置有安装孔，用于安装并固定扭转电机20。

本实施例中，前肢21包括前肢连杆一25、前肢连杆二26、前肢连杆三27、前肢连杆四28、前肢连杆五29和前肢连杆六30，前肢连杆一25和前肢连杆六30均与前肢21驱动装置连接，前肢连杆二26的一端与前肢连杆一25的一端铰接，前肢连杆三27的一端与前肢连杆一25的另一端铰接，前肢连杆三27的另一端与前肢连杆四28的一端铰接，前肢连杆二26的另一端与前肢连杆四28的中部铰接，前肢连杆五29的一端与前肢连杆三27的中部铰接，前肢连杆五29的另一端与前肢连杆六30的一端铰接。

本实施例中，后肢22包括后肢连杆一31、后肢连杆二32、后肢连杆三33、后肢连杆四34、后肢连杆五35和后肢连杆六36，后肢连杆一31和后肢连杆六36均与后肢22驱动装置连接，后肢连杆二32的一端与后肢连杆一31的一端铰接，后肢连杆三33的一端与后肢连杆一31的另一端铰接，后肢连杆二32的另一端与后肢连杆四34的一端铰接，后肢连杆三33的另一端与后肢连杆四34的中部铰接，后肢连杆五35的一端与后肢连杆三33的中部铰接，后肢连杆五35的另一端与后肢连杆六36的一端铰接。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种仿生柔性脊柱，其特征在于：包括支撑骨骼，所述支撑骨骼的一端设置有第一拉紧释放机构，所述支撑骨骼的另一端设置有第二拉紧释放机构，所述第一拉紧释放机构和所述第二拉紧释放机构均包括至少一个拉线和驱动机构，所述第二拉紧释放机构的所述拉线的一端与所述支撑骨骼的一端连接，所述第一拉紧释放机构的所述拉线的一端与所述支撑骨骼的另一端连接，所述第一拉紧释放机构的所述驱动机构驱动所述拉线拉紧或释放实现所述支撑骨骼水平方向的弯曲，所述第二拉紧释放机构的所述驱动机构驱动所述拉线拉紧或释放实现所述支撑骨骼竖直方向的弯曲；

所述支撑骨骼采用柔性材料制成；所述支撑骨骼呈中部直径小于两端的沙漏状，且所述支撑骨骼的内部为中空结构；

所述支撑骨骼的一端设置有第一连接机构，所述支撑骨骼的另一端设置有第二连接机构，所述第一拉紧释放机构的所述驱动机构设置在所述第一连接机构上，所述第二拉紧释放机构的所述驱动机构设置在所述第二连接机构上，所述第一拉紧释放机构的所述拉线的端部固定在所述第二连接机构上，所述第二拉紧释放机构的所述拉线的端部固定在所述第一连接机构上；

所述第一连接机构和所述第二连接机构均与一扭转电机传动连接；

所述第一拉紧释放机构和所述第二拉紧释放机构还包括卷线结构，所述卷线结构与所述驱动机构传动连接，所述拉线的中部缠绕在所述卷线结构上并通过压紧块固定在所述卷线结构上，所述第一拉紧释放机构的所述拉线的两端依次穿过所述第一连接机构的第一走线孔和所述第二连接机构的第一走线孔并与所述第二连接机构连接，所述第二拉紧释放机构的所述拉线的两端依次穿过所述第二连接机构的第二走线孔和所述第一连接机构的第二走线孔并与所述第一连接机构连接。

2.根据权利要求1所述的仿生柔性脊柱，其特征在于：所述支撑骨骼的外侧套设有波纹管。

3.根据权利要求1所述的仿生柔性脊柱，其特征在于：所述第一拉紧释放机构的所述拉线的两端依次穿过所述第一连接机构的第一走线孔、所述支撑骨骼侧壁开设的通孔和所述第二连接机构的第一走线孔并与所述第二连接机构连接，所述第二拉紧释放机构的所述拉线的两端依次穿过所述第二连接机构的第二走线孔、所述支撑骨骼侧壁开设的所述通孔和所述第一连接机构的第二走线孔并与所述第一连接机构连接。

4.根据权利要求1所述的仿生柔性脊柱，其特征在于：所述卷线结构的一侧为平面结构，所述平面结构设置有走线沟槽，所述拉线设置在所述走线沟槽中并由所述压紧块压紧在所述平面结构上。

5.根据权利要求1所述的仿生柔性脊柱，其特征在于：所述第一连接机构或所述第二连接机构上的两个所述第一走线孔的中心点的连线与所述第一连接机构或所述第二连接机构上的两个所述第二走线孔的中心点的连线垂直。

6.根据权利要求5所述的仿生柔性脊柱，其特征在于：所述第一连接机构和所述第二连接机构均包括电机支架和端盖，所述驱动机构固定在所述电机支架上，所述电机支架与所述卷线结构之间设置有间隙，所述电机支架上设置有开口、所述第一走线孔和所述第二走线孔，所述拉线穿过所述开口后穿过所述第一走线孔或所述第二走线孔，所述端盖与所述电机支架固定连接。

7.一种包括权利要求1-6任一项所述的仿生柔性脊柱的机器人，其特征在于：所述支撑骨骼的一端设置有前肢，所述支撑骨骼的另一端设置有后肢，所述前肢和所述后肢均与所述支撑骨骼通过扭转电机传动连接。

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