本發(fā)明涉及四足仿生機(jī)器人領(lǐng)域，具體涉及一種串并混聯(lián)的四足機(jī)器人主動(dòng)脊椎。

背景技術(shù)：

移動(dòng)機(jī)器人多數(shù)用在災(zāi)害救援等惡劣條件下，研究的持續(xù)性目的是增強(qiáng)移動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)能力。自然界中，陸地上的絕大多數(shù)哺乳類動(dòng)物的行走都是依靠腿足來(lái)實(shí)現(xiàn)的，不僅靈活、迅速，而且對(duì)各種復(fù)雜地形有著極強(qiáng)的適應(yīng)能力。而脊椎作為哺乳動(dòng)物身體的中心元素，可以被用于增加運(yùn)動(dòng)范圍和吸收沖擊力。

近幾年，四足仿生機(jī)器人領(lǐng)域大多關(guān)注于機(jī)器人腿部的運(yùn)動(dòng)控制，已有的多足爬行機(jī)器人軀干中沒(méi)有靈活的脊椎，所研制出的連接前肢和后肢的剛性結(jié)構(gòu)軀體，難以向非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境應(yīng)用延伸。從仿生學(xué)的角度來(lái)看，含脊椎生物在億萬(wàn)年的進(jìn)化中體現(xiàn)出良好的運(yùn)動(dòng)控制能力，從多足向少足與柔性脊椎結(jié)合的改進(jìn)方向更加符合機(jī)構(gòu)仿生進(jìn)化的思想，而且隨著含脊椎柔性軀干的出現(xiàn)，機(jī)器人足的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單、尺寸變小。

目前國(guó)內(nèi)外含脊椎的四足機(jī)器人研究大多是被動(dòng)柔順，多使用彈性體代替。雖然彈性元件的使用可以保護(hù)系統(tǒng)免受過(guò)硬和突然的運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)，使其在運(yùn)動(dòng)過(guò)程表現(xiàn)出較優(yōu)良的穩(wěn)定性。但對(duì)于機(jī)器人的轉(zhuǎn)向、疾馳或者跳躍過(guò)程中的脊椎變形無(wú)法進(jìn)行主動(dòng)控制，限制了四足機(jī)器人的主動(dòng)自由度、步態(tài)長(zhǎng)度以及運(yùn)行速度。

并聯(lián)結(jié)構(gòu)是一個(gè)脊椎關(guān)節(jié)的理想特征。機(jī)器人在快速運(yùn)動(dòng)和非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，脊椎關(guān)節(jié)會(huì)受到強(qiáng)烈的、不穩(wěn)定的沖擊力，與串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)提供更高的精度，端部執(zhí)行器支撐在幾個(gè)機(jī)械鏈上，并且單個(gè)驅(qū)動(dòng)器的誤差不會(huì)累加。但是單個(gè)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍比較小，而串聯(lián)的方式可以增加脊椎的運(yùn)動(dòng)范圍。

現(xiàn)在也有使用并聯(lián)機(jī)構(gòu)來(lái)做四足機(jī)器人柔性軀干的方案，來(lái)實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)和地形適應(yīng)性。如中國(guó)專利文獻(xiàn)[申請(qǐng)?zhí)枺篶n201510330474.7]公開了一種具有并聯(lián)腰結(jié)構(gòu)的四足機(jī)器人，包括機(jī)架、并聯(lián)腰結(jié)構(gòu)和四條并聯(lián)機(jī)械腿，在并聯(lián)腰結(jié)構(gòu)和四條并聯(lián)機(jī)械腿的配合下，可以實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度。上述發(fā)明中的并聯(lián)腰結(jié)構(gòu)自身只有四個(gè)自由度，并且轉(zhuǎn)動(dòng)范圍較小，適應(yīng)能力不夠強(qiáng)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對(duì)上述技術(shù)的缺陷和不足，提供了一種串并混聯(lián)的四足機(jī)器人主動(dòng)柔順脊椎，連接前肢后肢的剛性材料被替換為彈性的、被驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)柔順脊柱，以提高四足機(jī)器人這個(gè)多運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性。

本發(fā)明為解決上述問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：

一種串并混聯(lián)的四足機(jī)器人主動(dòng)柔順脊椎，它由前后兩個(gè)脊椎節(jié)段交錯(cuò)嵌入式地串聯(lián)組成，每個(gè)脊椎節(jié)段包括底盤、球副連接件、轉(zhuǎn)動(dòng)連接件、非定軸椎間盤、若干直線驅(qū)動(dòng)器，仿生脊椎前后兩個(gè)節(jié)段之間通過(guò)兩個(gè)非定軸椎間盤錯(cuò)位固定連接。

所述的直線驅(qū)動(dòng)器一端通過(guò)球副連接件與非定軸椎間盤相連，另一端通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)連接件與底盤相連，脊椎前后兩個(gè)節(jié)段之間通過(guò)兩個(gè)非定軸椎間盤錯(cuò)位固定連接。

在上述裝置中，所述的柔順脊椎采用中空結(jié)構(gòu)，方便供氣和供電的走線。

在上述裝置中，所述的每節(jié)直線驅(qū)動(dòng)器的個(gè)數(shù)為三個(gè)，沿圓周均勻分布，形成一種三自由度的并聯(lián)結(jié)構(gòu)，提高脊椎的穩(wěn)定性和定位精度。

在上述裝置中，所述的兩個(gè)非定軸椎間盤60°錯(cuò)位固定連接，使得直線驅(qū)動(dòng)器嵌入式排列，增加了驅(qū)動(dòng)器的力臂，脊椎結(jié)構(gòu)均勻緊湊的同時(shí)形成一種串聯(lián)機(jī)構(gòu)，又增加了整體脊椎結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)范圍和自由度，整體脊椎是一種串并混聯(lián)的結(jié)構(gòu)。

在上述裝置中，所述的直線驅(qū)動(dòng)器采用氣動(dòng)執(zhí)行元件，例如單作用彈簧復(fù)位氣缸；氣動(dòng)執(zhí)行元件可以在惡劣條件下可靠地工作，且操作簡(jiǎn)單，基本可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)，同時(shí)氣動(dòng)執(zhí)行元件的使用使得整個(gè)脊椎結(jié)構(gòu)可承受的負(fù)載更大。

在上述裝置中，所述的氣動(dòng)執(zhí)行元件的進(jìn)氣口安裝電氣比例閥，電氣比例閥與減壓閥相連通，減壓閥與氣源相連通，電氣比例閥與控制器相連；通過(guò)調(diào)節(jié)電氣比例閥的開度就可簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的速度控制。

在上述裝置中，所述的前錐體上還安裝了傳感單元，所述傳感單元設(shè)置在前錐體底盤上，用以測(cè)量整個(gè)脊椎結(jié)構(gòu)的姿態(tài)角；所述的傳感單元采用運(yùn)動(dòng)姿態(tài)儀，可以全方位輸出姿態(tài)角和加速度。

本發(fā)明技術(shù)方案，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明實(shí)例設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)緊湊、主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的四足機(jī)器人仿生柔順脊椎；通過(guò)加入主動(dòng)驅(qū)動(dòng)的柔性脊椎，將仿生多足機(jī)器人向少足與柔性脊椎相結(jié)合的方向發(fā)展，并會(huì)使得足的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單；柔性脊椎采用并聯(lián)結(jié)構(gòu)和串聯(lián)結(jié)構(gòu)相結(jié)合的串并混聯(lián)方式，既具有并聯(lián)結(jié)構(gòu)定位精度高的特點(diǎn)，增加了整個(gè)脊椎結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，同時(shí)通過(guò)串聯(lián)的方式增加了整個(gè)柔性脊椎的運(yùn)動(dòng)范圍和自由度，在直線驅(qū)動(dòng)器的作用下，前椎體可實(shí)現(xiàn)六自由度的運(yùn)動(dòng)；前后兩個(gè)脊椎節(jié)段采用交錯(cuò)嵌入式的串聯(lián)方式，使整個(gè)結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，前后兩節(jié)脊椎之間的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了一種非定軸轉(zhuǎn)動(dòng)，質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)弧線型，更接近仿生規(guī)律；在結(jié)構(gòu)緊湊的前提下，嵌入的方式增加了每一個(gè)驅(qū)動(dòng)器的力臂，從而降低整個(gè)仿生脊椎的能耗；每一節(jié)柔性脊椎的結(jié)構(gòu)是3-prs并聯(lián)機(jī)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解相對(duì)容易求解。本發(fā)明很好地模擬了哺乳動(dòng)物脊椎活動(dòng)的特性，同時(shí)具有緊湊的結(jié)構(gòu)、高精度和廣范圍，適合應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)具體實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中一種串并混聯(lián)的四足機(jī)器人主動(dòng)柔順脊椎結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中后脊椎活動(dòng)節(jié)段局部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例中直線驅(qū)動(dòng)器的連接示意圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例中控制系統(tǒng)示意圖。

圖中，1、后錐體；2、前椎體；3、傳感單元；4、非定軸椎間盤；5、直線驅(qū)動(dòng)器；6、控制系統(tǒng)；101、后錐體底盤；102、后錐體轉(zhuǎn)動(dòng)底座；201、前椎體底盤；202、前椎體轉(zhuǎn)動(dòng)底座；401、椎間盤螺孔；402、椎間盤球副底座；501、驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)副；502、驅(qū)動(dòng)器球副；601控制器；602、空氣壓縮機(jī)；603、電氣比例閥；604、減壓閥。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”、“第三”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對(duì)重要性。

在本發(fā)明的描述中，需要說(shuō)明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機(jī)械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，還可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是無(wú)線連接，也可以是有線連接。對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)在本發(fā)明中的具體含義。

此外，下面所描述的本發(fā)明不同實(shí)施方式中所涉及的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互結(jié)合。

本發(fā)明將連接前肢后肢的剛性材料被替換為彈性的、被驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)柔順脊柱，以提高四足機(jī)器人這個(gè)多運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性以及對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性，本實(shí)施例公開了一種串并混聯(lián)的四足機(jī)器人主動(dòng)柔順脊椎，請(qǐng)參考圖1，為該串并混聯(lián)的四足機(jī)器人主動(dòng)柔順脊椎結(jié)構(gòu)示意圖，該柔性脊椎結(jié)構(gòu)包括：后椎體1、前椎體2、傳感單元3、非定軸椎間盤4、直線驅(qū)動(dòng)器5、控制系統(tǒng)6，其中：

所述的前錐體2包括前錐體底盤201和前錐體轉(zhuǎn)動(dòng)底座202；所述的后椎體1包括后錐體底盤101和后錐體轉(zhuǎn)動(dòng)底座102；所述的非定軸椎間盤4包括椎間盤螺孔401和椎間盤球副底座402；所述的直線驅(qū)動(dòng)器5包括驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)副501和驅(qū)動(dòng)器球副502；所述的控制系統(tǒng)6包括控制器601、空氣壓縮機(jī)602、電氣比例閥603和減壓閥604；所述直線驅(qū)動(dòng)器5本實(shí)施例中選用單作用彈簧復(fù)位氣缸，一端固定驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)副501，另一端固定驅(qū)動(dòng)器球副502，驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)副501與前椎體轉(zhuǎn)動(dòng)底座102相連，驅(qū)動(dòng)器球副502與椎間盤球副底座402相連；前后兩個(gè)錐體分別包括直線驅(qū)動(dòng)器5和驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)動(dòng)副501、驅(qū)動(dòng)器球副502，構(gòu)成兩個(gè)三自由度并聯(lián)結(jié)構(gòu)，前后兩個(gè)錐體各有一個(gè)非定軸椎間盤4，為了防止奇異點(diǎn)的產(chǎn)生，非定軸椎間盤4的尺寸比前后椎體底盤要小；兩個(gè)非定軸椎間盤4之間通過(guò)椎間盤螺孔401交錯(cuò)60°固定連接，以達(dá)到非定軸轉(zhuǎn)動(dòng)和節(jié)省空間的效果；傳感單元3安裝在前錐體2上，全方位輸出姿態(tài)角和加速度；傳感單元3與控制器601相連，反饋到控制器601中，控制器601與電氣比例閥603相連，電氣比例閥603氣孔一端與減壓閥604相連通，另一端與直線驅(qū)動(dòng)器5相連通，也就是本實(shí)施例中的單作用彈簧復(fù)位氣缸，減壓閥604與空氣壓縮機(jī)602相連通。

所述傳感單元3設(shè)置在前錐體底盤201上，用以測(cè)量整個(gè)脊椎結(jié)構(gòu)的姿態(tài)角；所述的傳感單元3采用運(yùn)動(dòng)姿態(tài)儀，可以全方位輸出姿態(tài)角和加速度。

本發(fā)明裝置的工作過(guò)程：如圖4所示，串并混聯(lián)的主動(dòng)脊椎工作時(shí)，通過(guò)控制直線驅(qū)動(dòng)器5產(chǎn)生不同的收縮量，可以使前錐體2呈現(xiàn)不同的姿態(tài)?？諝鈮嚎s機(jī)602與減壓閥604相連通，減壓閥604與電氣比例閥603相連通，控制器601控制電氣比例閥603的開度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)直線驅(qū)動(dòng)器5進(jìn)氣量的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直線驅(qū)動(dòng)器5收縮量和速度的控制。當(dāng)前椎體2或者后椎體1上的直線驅(qū)動(dòng)器5全部同向同速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，前錐體底盤201會(huì)產(chǎn)生一個(gè)軸向的收縮或伸長(zhǎng)；當(dāng)前錐體2或后椎體1上的直線驅(qū)動(dòng)器5中不全部運(yùn)動(dòng)時(shí)，前錐體底盤201可以實(shí)現(xiàn)俯仰和偏航方向的運(yùn)動(dòng)；當(dāng)前錐體2和后椎體1的直線驅(qū)動(dòng)器5不同向運(yùn)動(dòng)時(shí)，非定軸椎間盤4會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是前錐體底盤201只會(huì)側(cè)向平移；當(dāng)前錐體2和相鄰后椎體1的直線驅(qū)動(dòng)器5共同運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)方向的運(yùn)動(dòng)。故前錐體2在整體脊椎結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下，可實(shí)現(xiàn)六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)。

串并混聯(lián)的主動(dòng)脊椎工作時(shí)，當(dāng)前錐體2傾斜一定角度時(shí)，傳感單元3上實(shí)時(shí)將前錐體的姿態(tài)信號(hào)傳送給控制系統(tǒng)6中的控制器601，控制器601通過(guò)接收傳感單元3傳來(lái)的姿態(tài)角以及加速度，通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解出各個(gè)直線驅(qū)動(dòng)器5的運(yùn)動(dòng)量，每一節(jié)柔性脊椎的結(jié)構(gòu)是3-prs并聯(lián)機(jī)構(gòu)，逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解相對(duì)容易求解?？刂葡到y(tǒng)6控制器601控制電氣比例閥603的開度，可實(shí)現(xiàn)對(duì)直線驅(qū)動(dòng)器5進(jìn)氣量的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)直線驅(qū)動(dòng)器5運(yùn)動(dòng)量和速度的控制。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。