CN114434424B - 一种仿生脊柱机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生机器人技术领域的一种仿生脊柱机构，旨在解决现有技术中仿生脊柱结构在利用绳索控制其弯曲时绳索的放出量不足以满足脊柱弯曲需求的问题。其包括前机架和后机架，所述前机架上设置有脊柱首端，所述后机架上设置有脊柱尾端，所述脊柱首端和脊柱尾端之间活动连接有不少于一个的脊柱关节；所述前机架和/或后机架上安装有不少于一个的驱动机构，用于控制脊柱整体的运动，所述驱动机构在控制仿生脊柱弯曲时，一侧绳索放出的长度大于对应另一侧绳索收合的长度；本发明适用于仿生机器人仿生脊柱机构的控制，能够为脊柱在弯曲时提供足够长度的绳索满足弯曲需求，克服了绳索控制方式使用不便的问题，有益于在实际运用中的使用。

Description

一种仿生脊柱机构

技术领域

本发明涉及一种仿生脊柱机构，属于仿生脊柱技术领域。

背景技术

在发生火灾、矿难、核泄漏、恐怖袭击等事件时，往往需要进行搜救、反恐、排爆、侦察等危险任务。为了减少人员伤亡，常借助于移动机器人。由于地面环境复杂，传统的轮式和履带式机器人的适应性较差，因此，在运动过程中和地面点接触的四足机器人有很大的应用前景。四足机器人是一种仿哺乳动物的仿生机器人，其现实生活中的原型往往有运动灵活的脊柱，使得它们可以实现稳定、灵活、高效的运动。

现有机的仿生脊柱机构，常采用利用绳索、弹簧等结构件的配合关联脊柱关节，通过控制不同的绳索联动装置使脊柱关节整体得以弯曲，而然在脊柱弯曲幅度较大的情况下，由于弯曲后一侧需要的伸出量大于对应另一侧绳索收合量，因此以绳索绕设驱动的方式容易出现导致脊柱无法弯曲的情况，导致仿生脊柱不能够正常工作，不利于仿生脊柱在实际应用中的使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种仿生脊柱机构，用于仿生机器人领域，设备在驱使脊柱结构弯曲时，控制其一侧绳索的伸出量大于对应另一侧绳索的收合量，可有效保证脊柱的正常弯曲工作。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一方面，本发明提供一种仿生脊柱机构，包括前机架和后机架，所述前机架上设置有脊柱首端，所述后机架上设置有脊柱尾端，所述脊柱首端和脊柱尾端之间活动连接有不少于一个的脊柱关节；

所述前机架和/或后机架上安装有不少于一个的驱动机构，每个所述驱动机构的输出端均设置有绕线盘，多个所述绕线盘上的绳索分别穿设于若干脊柱关节的上、下、左、右四侧，用于控制脊柱整体的运动，所述驱动机构在控制仿生脊柱弯曲时，一侧绳索放出的长度大于对应另一侧绳索收合的长度。

具体的，所述驱动机构包括第一动力机，所述第一动力机驱动第一绕线盘双向旋转，第一绕线盘包括第一上盘和与第一上盘固连的第一下盘，所述第一上盘和第一下盘均设置为扇形，所述第一上盘和第一下盘上分别设有经过对应扇形结构圆弧面、若干脊柱关节并与脊柱首端或脊柱尾端连接的两根绳索，所述第一上盘和第一下盘所连接的两根绳索设于脊柱关节相对的两侧。

具体的，回中位置状态下，相对的两根绳索分别与对应的第一上盘和第一下盘相切，两个绳索的相切位置分别为第一上盘和第一下盘所在扇形的起始位置。

具体的，所述第一上盘和第一下盘所在扇形的圆心角均小于180°。

具体的，还包括第二动力机，所述第一动力机固定安装在前机架上，所述绕线盘上的两个绳索穿过多个脊柱关节与脊柱尾端连接，所述第二动力机固定安装在后机架上，所述第二动力机驱动第二绕线盘双向旋转，第二绕线盘设置为半圆形，第二绕线盘上分别绕设有经过半圆形结构圆弧面、若干脊柱关节，并连接在脊柱首端上的两根绳索，所述第二绕线盘上的两根绳索设于脊柱关节相对的其余两侧。

具体的，所述驱动机构包括第二动力机，所述第二动力机驱动第二绕线盘双向旋转，第二绕线盘设置为半圆形，每个第二绕线盘上分别绕设有经过半圆形结构圆弧面、若干脊柱关节，并连接在对应脊柱首端或脊柱尾端上的两根绳索，每个所述第二绕线盘上的两根绳索均设于若干脊柱关节相对的两侧。

具体的，所述脊柱关节包括十字万向关节、轴、连接件和脊椎骨，相邻十字万向关节之间通过轴连接，所述十字万向关节上套设有连接件，所述十字万向关节外侧设置有脊椎骨，所述脊椎骨与连接件之间固定连接，每个所述脊椎骨上均设有多个用于绳索贯穿的通孔。

具体的，每个所述脊椎骨的两侧均设置有两侧受力的弹性元件，所述弹性元件为硅胶块。

具体的，每个所述绕线盘的裹线位置部分均开设有凹槽。

具体的，回中位置状态下，位于上、下、左、右四侧的绳索距离十字万向关节中心轴的位置距离均相等。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

本发明提供的仿生脊柱机构，通过在其前机架和/或后机架上设置相应的驱动机构，使脊柱在弯曲时提供足够长度的绳索，避免了因绳索的限制导致脊柱无法弯曲的情况，可有效保证脊柱结构的正常弯曲使用；

此外，本发明提供有两种驱动机构，通过两种驱动机构的配合或单独使用即可直接实现绳索一侧的放出量大于对应另一侧的收合量，控制方式简单故障率低，有益于在实际运用中的使用。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种仿生脊柱机构立体图；

图2是本发明实施例提供的仿生脊柱机构正视图；

图3是本发明实施例提供的仿生脊柱机构右视图；

图4是本发明实施例提供的仿生脊柱机构俯视图；

图5是本发明实施例提供的仿生脊柱机构爆炸图；

图6是本发明实施例提供的仿生脊柱机构弯曲时脊柱关节间绳索的变化量关系示意图；

图7是本发明实施例提供的仿生脊柱机构第一绕线盘转动时绳索放出量和收回量的关系示意图；

图8是本发明实施例提供的仿生脊柱机构第二绕线盘转动时绳索放出量和收回量的关系示意图；

图9是本发明实施例提供的一种脊柱关节转动角度与绳索各部分伸出、减短量关系的点阵图；

附图标记：1、前机架；2、后机架；3、第一动力机；4、第二动力机；5、第一绕线盘；501、第一上盘；502、第一下盘；503、上部绳索安装点；504、下部绳索安装点；6、第二绕线盘；601、左部绳索安装点；602、右部绳索安装点；7、脊柱尾端；8、脊柱首端；9、十字万向关节；10、轴；11、连接件；12、脊椎骨；13、硅胶块；1401、上部绳索；1402、下部绳索；1403、左部绳索；1404、右部绳索。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的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”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

本发明实施例提供的一种仿生脊柱机构，可使脊柱在弯曲时提供足够长度的绳索，避免了因绳索的限制导致脊柱无法弯曲的情况，可有效保证脊柱结构的正常弯曲使用，具体的为提供设备的机架，这里设置设备包括前机架1和后机架2，在前机架1上设置有脊柱首端8，并在后机架2上设置有脊柱尾端7，再脊柱首端8和脊柱尾端7之间活动连接有不少于一个的脊柱关节，此时脊柱尾端7和脊柱首端8可通过脊柱关节的活动实现相对位置的偏移；为保证对脊柱关节整体的控制，这里在前机架1和/或后机架2上安装有不少于一个的驱动机构，在每个驱动机构的输出端均设置有绕线盘，设置多个绕线盘上的绳索分别穿设于若干脊柱关节的上、下、左、右四侧，用于控制脊柱整体的运动(以脊柱在水平方向弯曲为例，此时的驱动机构只改变左、右两侧绳索的收放长度，综合脊柱关节的限定以实现脊柱整体的弯曲，此时为保证各脊柱关节之间有序的弯曲程度，应在各脊柱关节之间设置相应的限制元件，如采用现有技术的弹簧结构等，这里不做过多阐述)，为实现脊柱结构较大的弯曲幅度，这里的驱动机构在控制仿生脊柱弯曲时，其一侧绳索放出的长度大于对应另一侧绳索收合的长度(具体的控制方式可通过采用相应的控制电路对每根绳索进行单独的控制，也可采用机械式的联动控制方式以满足脊柱弯曲的需求)。

实施例二：

本实施例提供的一种技术方案，与实施例一的不同之处在于：具体提供了一种联动式的驱动机构，其与实施例一相比其控制方式更为简单，便于安装维护，有利于生产实践中的使用。这里具体设置驱动机构包括第一动力机3，设置第一动力机3驱动第一绕线盘5双向旋转，第一绕线盘5包括第一上盘501和与第一上盘501固连的第一下盘502，将第一上盘501和第一下盘502均设置为扇形且其位置相互错开(如图5所示)，第一上盘501和第一下盘502上分别设有经过对应扇形结构圆弧面(图示绳索的初始位置分别为上部绳索安装点503和下部绳索安装点504，但不仅限于此，能够满足方案即可)、若干脊柱关节并与脊柱首端8或脊柱尾端7连接的两根绳索，此时第一上盘501和第一下盘502所连接的两根绳索设于脊柱关节相对的两侧，当第一绕线盘5竖直设置时，第一上盘501和第一下盘502分别控制上部绳索1401和下部绳索1402(左部绳索1403和右部绳索1404同理)，同理此时将第一绕线盘5在另一侧水平设置时，分别控制左右两侧的绳索，当第一绕线盘5采用这种扇形结构时，其一侧绳索的放出量将大于另一侧绳索的收合量，保证脊柱结构可在较大幅度下的弯曲，具体依据及理由如下：

如图7为第一绕线盘5转动角度带动绳索长度变化量示意图(这里以收合上部绳索1401为例)，第一上盘501和第一下盘502的位置关系参照图7所示，上部绳索1401经由第一上盘501顺时针转动，上部绳索1401实际的变化量为两个线段长度的差值，而下部绳索1402的放出量为绳索经过扇形轮廓的实际运动距离，上部绳索1401受拉伸作用实际收合长度为线段，下部绳索1402放出量实际为弧线，反之同理，此时上下长度绳索的长度的变化量公式分别为：

l_LO1＝βl₄

式中，l_TB1为第一绕线盘5转动时绳索的回收量，l_LO1为第一绕线盘5转动时绳索的放出量，l₃为第一绕线盘5的圆心到脊柱首端8的距离，l₄为第一绕线盘5的半径，带入相关数据即可得出绳索的回收量小于绳索的放出量，采用此方式的绳索控制，由于一侧回收量小于另一侧的放出量，可为脊柱增加适应的弹性，可以实现缓冲的作用效果。

本发明实施例提供的一种仿生脊柱机构，为保证上述公式的准确应用，使绳索的变化量准确受人为控制满足使用需求，这里可设置其在回中位置状态下，相对的两根绳索分别与对应的第一上盘501和第一下盘502相切，此时两个绳索的相切位置分别为第一上盘501和第一下盘502所在扇形的起始位置，当初始位置为上述位置时，回收量l_TB1和放出量l_LO1的公式可直接应用，(有限范围内)不存在不与之对应的弧度变化范围和线段变化范围而导致脊柱机构在初始工作时难以弯曲。

本发明实施例提供的一种仿生脊柱机构，为防止收容绳索的扇形结构部分在过度转动时对绳索产生影响，这里设置第一上盘501和第一下盘502所在扇形的圆心角均小于180°，此时可有效防止因过度转动而导致对绳索结构部分的冲突，影响脊柱机构的正常控制。

实施例三：

本发明实施例提供的一种仿生脊柱机构，其与实施例二的不同之处在于：额外提供了一种驱动机构，通过设置其与实施例二中的驱动机构相配合共同实现脊柱整体的弯曲。本实施例中的驱动机构包括第二动力机4，此时将第一动力机3固定安装在前机架1上(第二动力机4与之安装位置相反，以提供合理的安装空间)，第二动力机4固定安装在后机架2上，此时设置第一绕线盘5上的两个绳索穿过多个脊柱关节与脊柱尾端7连接(需要脊柱弯曲时控制第一绕线盘5转动即可)，设置第二动力机4驱动第二绕线盘6双向旋转，此时第二绕线盘6设置为半圆形，并在第二绕线盘6上分别绕设有经过半圆形结构圆弧面、若干脊柱关节，并连接在脊柱首端8上的两根绳索(左部绳索安装点601和右部绳索安装点602的位置可参照图5所示)，并将第二绕线盘6上的两根绳索设于脊柱关节相对的其余两侧(这里指的是与第一动力机3控制方向相区别开的两侧)。当第二绕线盘6采用这种扇形结构时，其与第一绕线盘5的作用原理相近(可参照图8所示)，绳索的回收量属于两个线段长度的差值，而绳索的放出量等于相应角度下弧线的长度，具体公式如下：

l_LO2＝γl₅

这里的l_TB2为第二绕线盘6转动时绳索的收回量，l_LO2为第二绕线盘6转动时绳索的放出量，l₅为第二绕线盘6的半径，l₆为第二绕线盘6的圆心到脊柱尾端7的距离，经带入相关数据可简易导出脊柱关节间的绳索的减短量小于伸长量，以实现脊柱机构正常弯曲的目的。此时半圆形结构的第二绕线盘6，与实施例二中同理，为准确利用公式包保证结构开始时的正常动作，其回中位置(初始位置)半圆形所在平面可设置其平行于脊柱尾端7的平面(参照图4所示)，保证各线段变化范围均在理想的控制范围内。

实施例四：

本发明实施例提供的一种仿生脊柱机构，其与实施例二或三的不同之处在于：通过利用实施例三中提供的驱动机构，仅将其分别设置在脊柱首端8和脊柱尾端7，通过竖直放置和水平放置相配合的方式以满足实际使用需求，此时两个第二绕线盘6上的两根绳索均设于若干脊柱关节相对的两侧(一个绕线盘只控制左右或者上下方向的弯曲)。

实施例五：

本发明实施例提供的一种仿生脊柱机构，其与实施例一的不同之处在于细化了仿生脊柱机构的组成，为实施例一的实施提供了可靠的结构依据，具体的，这里设置脊柱关节包括十字万向关节9、轴10、连接件11和脊椎骨12，此时相邻十字万向关节9之间通过轴10连接，在十字万向关节9上套设有连接件11，在十字万向关节9外侧设置有脊椎骨12，设置脊椎骨12与连接件11之间固定连接，并在每个脊椎骨12上均设有多个用于绳索贯穿的通孔，上述结构的形状、数量、规格可根据实际使用需求进行替换，以便于充分实施本发明的技术方案。

为使相邻脊柱关节之间弹性变化均匀，这里可在每个脊椎骨12的两侧均设置有两侧受力的弹性元件，通过利用弹性元件两端的弹力作用可增强脊柱的弹性，有利于脊柱位置归中等，具体的，本实施例提供一种弹性元件为硅胶块13以满足上述需求(如图5所示)。

为防止绳索在运动过程中的脱出，这里在每个所述绕线盘的裹线位置部分均开设有用于收纳绳索的凹槽，以防止绳索滑动而导致仿生机构脱离控制。

为便于对脊柱弯曲所需绳索的回收量、放出量进行控制，这里可设置其机构在回中位置状态下，位于上、下、左、右四侧的绳索距离十字万向关节(9)中心轴的位置距离均相等，此时相应减短量和伸长量均符合下列公式(参见图6)：

此时l_DE为绳索减短量，l_IN为绳索伸长量，式中n为关节个数，α为单个脊柱关节的转动角度；l₁为绳索到十字万向关节9径向轴线的距离，l₂为相邻脊椎骨12之间的距离。带入相应数据得到如图9所述的点阵图，此时带动脊柱结构弯曲的绳索减短量l_DE为主动值，l_IN为绳索需求伸长量，由图中数据可得出上述实施例提供的两种驱动机构的实际伸长量l_LO1和l_LO2均大于所需伸长量，满足脊柱结构弯曲的需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种仿生脊柱机构，其特征在于，包括前机架(1)和后机架(2)，所述前机架(1)上设置有脊柱首端(8)，所述后机架(2)上设置有脊柱尾端(7)，所述脊柱首端(8)和脊柱尾端(7)之间活动连接有不少于一个的脊柱关节；

所述前机架(1)和/或后机架(2)上安装有不少于一个的驱动机构，每个所述驱动机构的输出端均设置有绕线盘，多个所述绕线盘上的绳索分别穿设于若干脊柱关节的上、下、左、右四侧，用于控制脊柱整体的运动，所述驱动机构在控制仿生脊柱弯曲时，一侧绳索放出的长度大于对应另一侧绳索收合的长度；

所述驱动机构包括第一动力机(3)，所述第一动力机(3)驱动第一绕线盘(5)双向旋转，第一绕线盘(5)包括第一上盘(501)和与第一上盘(501)固连的第一下盘(502)，所述第一上盘(501)和第一下盘(502)均设置为扇形且其位置相互错开；

其中，所述第一上盘(501)和第一下盘(502)所在扇形的圆心角均小于180°，回中位置状态下，相对的两根绳索分别与对应的第一上盘(501)和第一下盘(502)相切，两个绳索的相切位置分别为第一上盘(501)和第一下盘(502)所在扇形的起始位置。

2.根据权利要求1所述的一种仿生脊柱机构，其特征在于，所述第一上盘(501)和第一下盘(502)上分别设有经过对应扇形结构圆弧面、若干脊柱关节并与脊柱首端(8)或脊柱尾端(7)连接的两根绳索，所述第一上盘(501)和第一下盘(502)所连接的两根绳索设于脊柱关节相对的两侧。

3.根据权利要求2所述的一种仿生脊柱机构，其特征在于，还包括第二动力机(4)，所述第一动力机(3)固定安装在前机架(1)上，所述第一绕线盘(5)上的两个绳索穿过多个脊柱关节与脊柱尾端(7)连接，所述第二动力机(4)固定安装在后机架(2)上，所述第二动力机(4)驱动第二绕线盘(6)双向旋转，第二绕线盘(6)设置为半圆形，第二绕线盘(6)上分别绕设有经过半圆形结构圆弧面、若干脊柱关节，并连接在脊柱首端(8)上的两根绳索，所述第二绕线盘(6)上的两根绳索设于脊柱关节相对的其余两侧。

4.根据权利要求1所述的一种仿生脊柱机构，其特征在于，所述驱动机构包括第二动力机(4)，所述第二动力机(4)驱动第二绕线盘(6)双向旋转，第二绕线盘(6)设置为半圆形，每个第二绕线盘(6)上分别绕设有经过半圆形结构圆弧面、若干脊柱关节，并连接在对应脊柱首端(8)或脊柱尾端(7)上的两根绳索，每个所述第二绕线盘(6)上的两根绳索均设于若干脊柱关节相对的两侧。

5.根据权利要求1所述的一种仿生脊柱机构，其特征在于，所述脊柱关节包括十字万向关节(9)、轴(10)、连接件(11)和脊椎骨(12)，相邻十字万向关节(9)之间通过轴(10)连接，所述十字万向关节(9)上套设有连接件(11)，所述十字万向关节(9)外侧设置有脊椎骨(12)，所述脊椎骨(12)与连接件(11)之间固定连接，每个所述脊椎骨(12)上均设有多个用于绳索贯穿的通孔。

6.根据权利要求5所述的一种仿生脊柱机构，其特征在于，每个所述脊椎骨(12)的两侧均设置有两侧受力的弹性元件，所述弹性元件为硅胶块(13)。

7.根据权利要求1所述的一种仿生脊柱机构，其特征在于，每个所述绕线盘的裹线位置部分均开设有凹槽。

8.根据权利要求1所述的一种仿生脊柱机构，其特征在于，回中位置状态下，位于上、下、左、右四侧的绳索距离十字万向关节(9)中心轴的位置距离均相等。