CN206717847U - 一种串并混联的四足机器人主动柔顺脊椎 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种串并混联的四足机器人主动柔顺脊椎。本实用新型由前后两个脊椎节段交错嵌入式地串联组成，每个脊椎节段包括底盘、球副连接件、转动连接件、非定轴椎间盘和若干直线驱动器，所述的直线驱动器一端通过球副连接件与非定轴椎间盘相连，另一端通过转动连接件与底盘相连，脊椎前后两个节段之间通过两个非定轴椎间盘错位固定连接。本实用新型通过加入主动驱动的柔性脊椎，将仿生多足机器人向少足与柔性脊椎相结合的方向发展；柔性脊椎采用并联结构和串联结构相结合的串并混联方式，既具有并联结构定位精度高的特点，增加了整个脊椎结构的稳定性，同时通过串联的方式增加了整个柔性脊椎的运动范围和自由度。

Description

一种串并混联的四足机器人主动柔顺脊椎

技术领域

本实用新型涉及四足仿生机器人领域，具体涉及一种六自由度串并混联的四足机器人主动脊椎。

背景技术

移动机器人多数用在灾害救援等恶劣条件下，研究的持续性目的是增强移动系统的运动能力。自然界中，陆地上的绝大多数哺乳类动物的行走都是依靠腿足来实现的，不仅灵活、迅速，而且对各种复杂地形有着极强的适应能力。而脊椎作为哺乳动物身体的中心元素，可以被用于增强运动范围和吸收冲击。

近几年，四足仿生机器人领域大多关注于机器人腿部的运动控制，已有的多足爬行机器人躯干中没有灵活的脊椎，所研制出的连接前肢和后肢的刚性结构躯体，难以向非结构化的环境应用延伸。从仿生学的角度来看，含脊椎生物在亿万年的进化中体现出良好的运动控制能力，从多足向少足与柔性脊椎结合的改进方向更加符合机构仿生进化的思想，而且随着含脊椎柔性躯干的出现，机器人足的设计变得简单、尺寸变小。

目前国内外含脊椎的四足机器人研究大多是被动柔顺，多使用弹性体代替。虽然弹性元件的使用可以保护系统免受过硬和突然的运动或振动，使其在运动过程表现出较优良的稳定性。但对于机器人的转向、疾驰或者跳跃过程中的脊椎变形无法进行主动控制，限制了四足机器人的主动自由度、步态长度以及运行速度。

并联结构是一个脊椎关节的理想特征。机器人在快速运动和非结构化的环境中，脊椎关节会受到强烈不稳定的冲击力，与串联结构相比，并联结构提供更高的精度，端部执行器支撑在几个机械链上，并且单个驱动器的误差不会累加。但是单个并联机构的运动范围比较小，而串联的方式可以增加脊椎的运动范围。

现在也有使用并联机构来做四足机器人柔性躯干的方案，来实现快速运动和地形适应性。如中国专利文献[申请号：CN201510330474.7]公开了一种具有并联腰结构的四足机器人，包括机架、并联腰结构和四条并联机械腿，在并联腰结构和四条并联机械腿的配合下，可以实现六个自由度。上述发明中的并联腰结构自身只有四个自由度，并且转动范围较小，适应能力不够强。

发明内容

本实用新型的目的就是针对上述技术的缺陷和不足，提供了一种串并混联的四足机器人主动柔顺脊椎，连接前肢后肢的刚性材料被替换为弹性的、被驱动的主动柔顺脊柱，以提高四足机器人这个多运动系统的机动性以及对环境的适应性。

本实用新型为解决上述问题所采用的技术方案是：

一种串并混联的四足机器人主动柔顺脊椎，它由前后两个脊椎节段交错嵌入式地串联组成，每个脊椎节段包括底盘、球副连接件、转动连接件、非定轴椎间盘、若干直线驱动器，仿生脊椎前后两个节段之间通过两个非定轴椎间盘错位固定连接。

所述的直线驱动器一端通过球副连接件与非定轴椎间盘相连，另一端通过转动连接件与底盘相连，脊椎前后两个节段之间通过两个非定轴椎间盘错位固定连接。

在上述装置中，所述的柔顺脊椎采用中空结构，方便供气和供电的走线。

在上述装置中，所述的每节直线驱动器的个数为三个，沿圆周均匀分布，形成一种三自由度的并联结构，提高脊椎的稳定性和定位精度。

在上述装置中，所述的两个非定轴椎间盘60°错位固定连接，使得直线驱动器嵌入式排列，增加了驱动器的力臂，脊椎结构均匀紧凑的同时形成一种串联机构，又增加了整体脊椎结构的运动范围和自由度，整体脊椎是一种串并混联的结构。

在上述装置中，所述的直线驱动器采用气动执行元件，例如单作用弹簧复位气缸；气动执行元件可以在恶劣条件下可靠地工作，且操作简单，基本可实现免维护，同时气动执行元件的使用使得整个脊椎结构可承受的负载更大。

在上述装置中，所述的气动执行元件的进气口安装电气比例阀，电气比例阀与减压阀相连通，减压阀与气源相连通，电气比例阀与控制器相连；通过调节电气比例阀的开度就可简单地实现稳定的速度控制。

在上述装置中，所述的前锥体上还安装了传感单元，所述传感单元设置在前锥体底盘上，用以测量整个脊椎结构的姿态角；所述的传感单元采用运动姿态仪，可以全方位输出姿态角和加速度。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

本实用新型实例设计了一种结构紧凑、主动驱动的四足机器人仿生柔顺脊椎；通过加入主动驱动的柔性脊椎，将仿生多足机器人向少足与柔性脊椎相结合的方向发展，并会使得足的设计变得简单；柔性脊椎采用并联结构和串联结构相结合的串并混联方式，既具有并联结构定位精度高的特点，增加了整个脊椎结构的稳定性，同时通过串联的方式增加了整个柔性脊椎的运动范围和自由度，在直线驱动器的作用下，前椎体可实现六自由度的运动；前后两个脊椎节段采用交错嵌入式的串联方式，使整个结构相对紧凑，前后两节脊椎之间的运动表实现了一种非定轴转动，质心的运动轨迹呈现弧线型，更接近仿生规律；在结构紧凑的前提下，嵌入的方式增加了每一个驱动器的力臂，从而降低整个仿生脊椎的能耗；每一节柔性脊椎的结构是3-PRS并联机构，运动学逆解相对容易求解。本实用新型很好地模拟了哺乳动物脊椎活动的特性，同时具有紧凑的结构、高精度和广范围，适合应用于机器人领域。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，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为本实用新型实施例中一种串并混联的四足机器人主动柔顺脊椎结构示意图；

图2为本实用新型实施例中后脊椎活动节段局部结构示意图；

图3为本实用新型实施例中直线驱动器的连接示意图；

图4为本实用新型实施例中控制系统示意图。

图中，1、后锥体；2、前椎体；3、传感单元；4、非定轴椎间盘；5、直线驱动器；6、控制系统；101、后锥体底盘；102、后锥体转动底座；201、前椎体底盘；202、前椎体转动底座；401、椎间盘螺孔；402、椎间盘球副底座；501、驱动器转动副；502、驱动器球副；601控制器；602、空气压缩机；603、电气比例阀；604、减压阀。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。

在本实用新型的描述中，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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实用新型将连接前肢后肢的刚性材料被替换为弹性的、被驱动的主动柔顺脊柱，以提高四足机器人这个多运动系统的机动性以及对环境的适应性，本实施例公开了一种串并混联的四足机器人主动柔顺脊椎，请参考图1，为该串并混联的四足机器人主动柔顺脊椎结构示意图，该柔性脊椎结构包括：后椎体1、前椎体2、传感单元3、非定轴椎间盘4、直线驱动器5、控制系统6，其中：

所述的前锥体2包括前锥体底盘201和前锥体转动底座202；所述的后椎体1包括后锥体底盘101和后锥体转动底座102；所述的非定轴椎间盘4包括椎间盘螺孔401和椎间盘球副底座402；所述的直线驱动器5包括驱动器转动副501和驱动器球副502；所述的控制系统6包括控制器601、空气压缩机602、电气比例阀603和减压阀604；所述直线驱动器5本实施例中选用单作用弹簧复位气缸，一端固定驱动器转动副501，另一端固定驱动器球副502，驱动器转动副501与前椎体转动底座102相连，驱动器球副502与椎间盘球副底座402相连；前后两个锥体分别包括直线驱动器5和驱动器转动副501、驱动器球副502，构成两个三自由度并联结构，前后两个锥体各有一个非定轴椎间盘4，为了防止奇异点的产生，非定轴椎间盘4的尺寸比前后椎体底盘要小；两个非定轴椎间盘4之间通过椎间盘螺孔401交错60°固定连接，以达到非定轴转动和节省空间的效果；传感单元3安装在前锥体2上，全方位输出姿态角和加速度；传感单元3与控制器601相连，反馈到控制器601中，控制器601与电气比例阀603相连，电气比例阀603气孔一端与减压阀604相连通，另一端与直线驱动器5相连通，也就是本实施例中的单作用弹簧复位气缸，减压阀604与空气压缩机602相连通。

所述传感单元3设置在前锥体底盘201上，用以测量整个脊椎结构的姿态角；所述的传感单元3采用运动姿态仪，可以全方位输出姿态角和加速度。

本实用新型装置的工作过程：如图4所示，六自由度串并混联的主动脊椎工作时，通过控制直线驱动器5产生不同的收缩量，可以使前锥体2呈现不同的姿态。空气压缩机602与减压阀604相连通，减压阀604与电气比例阀603相连通，控制器601控制电气比例阀603的开度，可实现对直线驱动器5进气量的调节，从而实现对直线驱动器5收缩量和速度的控制。当前椎体2或者后椎体1上的直线驱动器5全部同向同速度运动时，前锥体底盘201会产生一个轴向的收缩或伸长；当前锥体2或后椎体1上的直线驱动器5中不全部运动时，前锥体底盘201可以实现俯仰和偏航方向的运动；当前锥体2和后椎体1的直线驱动器5不同向运动时，非定轴椎间盘4会转动，但是前锥体底盘201只会侧向平移；当前锥体2和相邻后椎体1的直线驱动器5共同运动时，可以实现扭转方向的运动。故前锥体2在整体脊椎结构的驱动下，可实现六个自由度的运动。

一种串并混联的主动柔顺脊椎工作时，当前锥体2倾斜一定角度时，传感单元3上实时将前锥体的姿态信号传送给控制系统6中的控制器601，控制器601通过接收传感单元3传来的姿态角以及加速度，通过逆运动学求解出各个直线驱动器5的运动量，每一节柔性脊椎的结构是3-PRS并联机构，逆运动学解相对容易求解。控制系统6控制器601控制电气比例阀603的开度，可实现对直线驱动器5进气量的调节，从而实现对直线驱动器5运动量和速度的控制。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种串并混联的四足机器人主动柔顺脊椎，其特征在于：它由前后两个脊椎节段交错嵌入式地串联组成，每个脊椎节段包括底盘、球副连接件、转动连接件、非定轴椎间盘和若干直线驱动器，所述的直线驱动器一端通过球副连接件与非定轴椎间盘相连，另一端通过转动连接件与底盘相连，脊椎前后两个节段之间通过两个非定轴椎间盘错位固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种串并混联的四足机器人主动柔顺脊椎，其特征在于：每个脊椎节段的直线驱动器的个数为三个，沿圆周均匀分布，形成一种三自由度的并联结构，提高脊椎的稳定性和定位精度。

3.根据权利要求1所述的一种串并混联的四足机器人主动柔顺脊椎，其特征在于：所述的两个非定轴椎间盘呈60°错位固定连接，使得直线驱动器嵌入式排列，增加了驱动器的力臂。

4.根据权利要求1所述的一种串并混联的四足机器人主动柔顺脊椎，其特征在于：所述的直线驱动器采用气动执行元件。

5.根据权利要求4所述的一种串并混联的四足机器人主动柔顺脊椎，其特征在于：所述的气动执行元件采用单作用弹簧复位气缸。

6.根据权利要求5所述的一种串并混联的四足机器人主动柔顺脊椎，其特征在于：所述的气动执行元件的进气口安装电气比例阀，电气比例阀与减压阀相连通，减压阀与气源相连通，电气比例阀与控制器相连；通过调节电气比例阀的开度就可简单地实现稳定的速度控制。

7.根据权利要求5所述的一种串并混联的四足机器人主动柔顺脊椎，其特征在于：前后两个脊椎节段中的前脊椎节段上还安装了传感单元，所述传感单元设置在底盘上，用以测量整个脊椎结构的姿态角。

8.根据权利要求7所述的一种串并混联的四足机器人主动柔顺脊椎，其特征在于：所述的传感单元采用运动姿态仪，可以全方位输出姿态角和加速度。