CN215240953U - 一种具有可变刚度柔性连续体脊柱的仿生四足机器人 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种具有可变刚度柔性连续体脊柱的仿生四足机器人，是针对现有技术“一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构”的改进，包括：脊柱电机驱动机构、连续体脊柱机构、单腿部件、控制组件；脊柱电机驱动机构是胸椎‑刚性躯干、连续体脊柱机构是腰椎‑柔性躯干、控制组件包括控制单元和电池；连续体脊柱机构中的方形橡胶支柱为方形复合橡胶支柱，方形复合橡胶支柱的内部嵌有聚丙烯，连续体脊柱机构中的呈十字型的刚性关节支架纵向上采用长臂结构，水平向采用短臂结构，四条单腿分别对称悬挂于胸椎‑刚性躯干前端及腰椎‑柔性躯干的末端，可节省安装空间，增大水平弯曲幅度，提高四足机器人运动的灵活性。

Description

一种具有可变刚度柔性连续体脊柱的仿生四足机器人

技术领域

本实用新型涉及一种具有可变刚度柔性连续体脊柱的仿生四足机器人，具体涉及一种电机驱动的具有可变刚度柔性连续体脊柱的仿生四足机器人，属机器人技术领域。

背景技术

四足机器人作为机器人的一个重要分支，因为关节自由度冗余和落脚点离散的特点，使其具有轮式和履带式机器人无法比拟的运动灵活性和地形适应能力，既有比双足机器人更好的稳定性，又有比六足机器人更简单的机构，是一种有广阔应用前景的移动机器人。

目前国内外已提出的主要是采用刚性脊柱的仿生四足机器人，而自然界动物超凡的运动性能与其所具有的柔性脊柱是密不可分的。虽然出现了少量采用带被动脊柱或单自由度回转副脊柱的仿生四足机器人，实用效果却并不理想。

现有技术中，“一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构”包括电机驱动机构和连续体脊柱，连续体脊柱包括橡胶支柱、横向钢索、纵向钢索和至少三个刚性十字型关节支架，关节支架包括基节中节和末节；关节支架等间隔固定在橡胶支柱上，横向钢索、纵向钢索两端分别穿过关节支架的横向、纵向两侧导孔，关节支架末节外端分别用横向钢索锁块、纵向钢索锁块对横向钢索、纵向钢索固定，横向钢索、纵向钢索可在关节支架中节和关节支架基节上的导孔内滑动；电机驱动机构包括横向主动轮电机、纵向主动轮电机、调节电机；横向主动轮电机的转动使横向钢索做差动直线运动，所述横向钢索的差动运动可驱动连续体脊柱发生横向弯曲变形；纵向主动轮电机的转动使纵向钢索做差动直线运动，所述纵向钢索的差动运动可驱动连续体脊柱发生纵向弯曲变形；调节电机的转动使纵向钢索做共模直线运动，所述纵向钢索的共模直线运动可驱动连续体脊柱纵向刚度发生变化。

采用该种柔性连续体脊柱机构，具有连续体机器人固有的多自由度及柔顺性，能增加机体的灵活性及缓解与环境接触时的冲击力；实现了脊柱水平方向和垂直方向的柔性弯曲，提高了四足机器人运动的灵活性和运动性能；在其有效刚度调节范围内，在调节变量与脊柱刚度之间建立了一种线性关系，获得了精确的刚度控制能力；可以通过实时调节脊柱刚度改变了机体系统固有频率，消除了机体系统自由振荡所耗费的能量，使机体系统的能量效率达到最优，提升了四足机器人的运动性能；使刚度调节与位置控制功能解耦，降低了控制难度；电动机在转动过程中不需要持续提供驱动脊柱关节和维持刚度所需要的双重力矩，降低了能耗。

然而在进一步的实践中，本申请发明人发现了该种柔性连续体脊柱机构的一些不足，如：连续体脊柱的橡胶支柱很难选择合适的横截面积从而满足脊柱机构的弯曲刚度需求；连续体脊柱存在较大轴向压缩变形，影响刚度调节；连续体脊柱机构空间尺寸不太合理，不便于后续仿生四足机器人结构安装等，基于此，有必要针对该不足进行改进。

发明内容

本实用新型的目的是针对背景技术所述问题，设计一种具有可变刚度柔性连续体脊柱的仿生四足机器人，是一种电机驱动的运动灵活、地形适应能力强的具有可变刚度柔性连续体脊柱仿生四足机器人，包括在一个由可变刚度柔性连续体脊柱构成的躯干上对称悬挂四个具有三自由度的单腿部件。

本实用新型的技术方案是：一种具有可变刚度柔性连续体脊柱的仿生四足机器人，包括：脊柱电机驱动机构、连续体脊柱机构、单腿部件、控制组件；所述脊柱电机驱动机构是胸椎- 刚性躯干、所述连续体脊柱机构是腰椎-柔性躯干、所述单腿部件是四条具有三自由度的单腿、所述控制组件包括控制单元和电池。

所述连续体脊柱机构包括：方形复合橡胶支柱、水平钢索、纵向钢索和至少三个呈十字型的刚性关节支架，沿十字型刚性关节支架的纵向分别为上臂和下臂，沿十字型刚性关节支架的横向分别为左臂和右臂；所述左臂、右臂、上臂、下臂的端部分别开设有用于贯穿水平钢索和纵向钢索的通孔；其特征在于：

所述连续体脊柱机构中的方形橡胶支柱为方形复合橡胶支柱，所述方形复合橡胶支柱的内部嵌有聚丙烯；其有益效果是：聚丙烯与橡胶具有类似的质量密度，但弹性模量却大得多，通过内嵌方形聚丙烯支柱，可以克服原脊柱机构轴向上的压缩变形；更重要的是通过选择合适横截面积的内嵌聚丙烯的方形复合橡胶支柱，能够得到所需弯曲刚度的柔性脊柱，在一定的刚度可调节范围内，可以通过纵向刚度调节驱动机构实时调节脊柱刚度，提高四足机器人的运动性能；

所述连续体脊柱机构中的呈十字型的刚性关节支架为非对称结构，即：刚性关节支架纵向上采用长臂结构，刚性关节支架水平向采用短臂结构；其有益效果是：在满足受力情况下，水平向受力是小于纵向的，采用满足受力需求的短臂后还可节省安装空间，增大水平弯曲幅度，提高四足机器人运动的灵活性。

进一步地，所述四条具有三自由度的单腿部件分别对称悬挂于胸椎-刚性躯干前端及腰椎 -柔性躯干的末端，组成四足机器人的左前腿、右前腿、左后腿和右后腿。

本实用新型的优点和有益效果是：

(1)具有柔顺腰椎的四足机器人能增加机体的灵活性及缓解与环境接触时的冲击力。

(2)实现了四足机器人腰椎水平方向和纵向的柔性弯曲，十字支架采用非对称结构，增大水平弯曲幅度，提高了四足机器人运动的灵活性。

(3)脊柱芯材采用橡胶内嵌聚丙烯复合结构满足机体结构所需弯曲刚度要求。

(4)可以通过实时调节脊柱刚度改变了机体系统固有频率，消除了机体系统自由振荡所耗费的能量，提升了四足机器人的运动性能。

(5)在传动机构中使刚度调节与位置控制功能解耦，降低了控制难度。

(6)采用具有自锁功能的传动机构使电机在转动过程中不需要持续提供驱动脊柱关节和维持刚度所需要的双重力矩，降低了能耗。

附图说明

图1是本实用新型“一种具有可变刚度柔性连续体脊柱的仿生四足机器人”立体结构示意图之一；

图2是仿生四足机器人的立体结构示意图之二；

图3是仿生四足机器人的俯视图；

图4是仿生四足机器人的纵向剖视图；

图5是仿生四足机器人的水平剖视图。

附图中的标记说明：

右前腿1、纵向弯曲驱动电机2、水平弯曲驱动电机3、右前腿悬挂联接件4、纵向刚度调节传动机构5、胸椎-刚性躯干水平框架6、纵向刚度调节驱动电机7、控制板8、胸椎-刚性躯干纵向框架9、纵向钢索10、关节支架基节11、关节支架中节12、右后腿13、方形复合橡胶支柱14、水平钢索15、关节支架末节16、后腿悬挂联接件17、左后腿18、左前腿19、左前腿悬挂联接件20、电池模块21、聚丙烯支柱紧固螺丝22、水平弯曲传动机构23、纵向弯曲传动机构24、方形聚丙烯支柱25、腿横摆驱动机构26、腿俯仰驱动机构27、腿膝关节俯仰驱动机构28、盘式电机悬挂联接件29、控制板附件30。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型实施例作进一步说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制，凡在本实用新型的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的权利要求范围之内，本技术方案中未详细述及的，均为公知技术。

参见图1至图5，本实用新型一种具有可变刚度柔性连续体脊柱的仿生四足机器人主要由两部分组成，包括由可变刚度柔性连续体脊柱构成的躯干和四个具有对称结构的三自由度单腿部件，其中躯干由胸椎-刚性躯干(脊柱电机驱动机构)和腰椎-柔性躯干(连续体脊柱机构)组成，以下对躯干部分进行详细的阐述。

腰椎-柔性躯干：两个带安装基座孔的非对称十字型刚性关节支架基节11、关节支架末节16及四个关节支架中节12等间隔固定在方形复合橡胶支柱14上，方形复合橡胶支柱14 内嵌方形聚丙烯支柱25，两端分别用聚丙烯支柱紧固螺丝22与关节支架基节11和关节支架末节16进行固定。

所述连续体脊柱机构中的呈十字型的刚性关节支架为非对称结构，刚性关节支架纵向上采用长臂结构，刚性关节支架水平向采用短臂结构，亦即上臂和下臂的长度分别大于左臂或右臂的长度；在满足受力情况下，水平向受力是小于纵向的，采用满足受力需求的短臂后还可节省安装空间，增大水平弯曲幅度，提高四足机器人运动的灵活性。

进一步地，本实用新型还针对现有技术“一种变刚度的仿生四足机器人柔性连续体脊柱机构”中的纵向刚度调节电机传动部分进行了优化，整体结构更加紧凑。

胸椎-刚性躯干：胸椎-刚性躯干水平框架6和胸椎-刚性躯干纵向框架9分别用螺栓固定在关节支架基节11上，纵向刚度调节传动机构5、纵向刚度调节驱动电机7固定在胸椎-刚性躯干水平框架6和胸椎-刚性躯干纵向框架9上。左前腿悬挂联接件20和右前腿悬挂联接件4分别用螺栓固定在胸椎-刚性躯干水平框架6两侧，后腿悬挂联接件17用螺栓固定在关节支架末节16上。控制板8、控制板附件30和电池模块21均固定在胸椎-刚性躯干水平框架6上。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“水平”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。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”、“固连”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

Claims (2)

1.一种具有可变刚度柔性连续体脊柱的仿生四足机器人，包括：脊柱电机驱动机构、连续体脊柱机构、单腿部件、控制组件；所述脊柱电机驱动机构是胸椎-刚性躯干、所述连续体脊柱机构是腰椎-柔性躯干、所述单腿部件是四条具有三自由度的单腿、所述控制组件包括控制单元和电池；所述连续体脊柱机构包括：方形复合橡胶支柱、水平钢索、纵向钢索和至少三个呈十字型的刚性关节支架，沿十字型刚性关节支架的纵向分别为上臂和下臂，沿十字型刚性关节支架的横向分别为左臂和右臂；所述左臂、右臂、上臂、下臂的端部分别开设有用于贯穿水平钢索和纵向钢索的通孔；其特征在于：

所述连续体脊柱机构中的方形橡胶支柱为方形复合橡胶支柱，所述方形复合橡胶支柱的内部嵌有聚丙烯；

所述连续体脊柱机构中的呈十字型的刚性关节支架为非对称结构，亦即：上臂和下臂的长度相等，左臂和右臂的长度相等，且上臂或下臂的长度大于左臂或右臂的长度。

2.如权利要求1所述一种具有可变刚度柔性连续体脊柱的仿生四足机器人，其特征在于：所述四条具有三自由度的单腿部件分别对称悬挂于胸椎-刚性躯干前端及腰椎-柔性躯干的末端，组成四足机器人的左前腿、右前腿、左后腿和右后腿。

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