一種腰部使用八桿變胞機(jī)構(gòu)的四足仿生機(jī)器人及驅(qū)動(dòng)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于仿生機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種腰部使用八桿變胞機(jī)構(gòu)的四足仿生機(jī)器人。
【背景技術(shù)】
[0002]多足仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單且靈活，承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，不僅能在復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)路面上行走，輕易地跨過較大的障礙(如壕溝、巖石等)，而且能以動(dòng)態(tài)步態(tài)實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)。多足仿生機(jī)器人可以代替人完成許多危險(xiǎn)作業(yè)，在軍事、礦山開采、核能工業(yè)、星球探測、消防營救、建筑業(yè)、農(nóng)林采伐、教育娛樂等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
[0003]然而，傳統(tǒng)多足仿生機(jī)器人在模仿動(dòng)物時(shí)，關(guān)注點(diǎn)大多集中在腿部結(jié)構(gòu)，而對(duì)于腰部結(jié)構(gòu)常常沒有給予太多關(guān)注。傳統(tǒng)多足仿生機(jī)器人腰部普遍采用剛性結(jié)構(gòu)。其缺點(diǎn)在于:I)腰部不可動(dòng)，僅起支撐和載物平臺(tái)的作用，對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和姿勢不起任何作用。2)多足仿生機(jī)器人剛性結(jié)構(gòu)的腰部，無法改變其形狀，機(jī)器人各條腿的相對(duì)位置保持不變，機(jī)器人只能通過改變腿部姿態(tài)來實(shí)現(xiàn)行走、奔跑、避障和轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作，腰部對(duì)仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和適應(yīng)性調(diào)節(jié)不起任何作用，而且剛性的腰部結(jié)構(gòu)極大地限制了機(jī)器人整體工作空間和靈活度。3)多足仿生機(jī)器人剛性腰部限制了機(jī)器人對(duì)自身重心的調(diào)節(jié)性能，使得機(jī)器人行走的穩(wěn)定裕度很小，步態(tài)中存在臨界穩(wěn)定狀態(tài)，行走過程穩(wěn)定性控制難度高。4)步態(tài)規(guī)劃方面，剛性腰的仿生機(jī)器人步態(tài)有限，無法實(shí)現(xiàn)類似于動(dòng)物的上下弓腰、仰腰、扭腰的動(dòng)作。5)剛性腰部無法起到緩沖減震的作用，同時(shí)也限制了行走速度。6)傳統(tǒng)仿生機(jī)器人只能模仿特定的一種動(dòng)物，不能同時(shí)模仿多種動(dòng)物的形態(tài)?，F(xiàn)有技術(shù)中有報(bào)道一種使用空間六桿變胞機(jī)構(gòu)的多足仿生機(jī)器人，該多足仿生機(jī)器人中的空間六桿變胞機(jī)構(gòu)使用了兩個(gè)虎克鉸，虎克鉸難以直接驅(qū)動(dòng)，需使用皮帶、齒條等傳動(dòng)裝置方能驅(qū)動(dòng)，使其在機(jī)械運(yùn)動(dòng)效率方面有不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)傳統(tǒng)多足爬行機(jī)器人的局限性及多足仿生機(jī)器人中空間六桿變胞機(jī)構(gòu)使用兩個(gè)虎克鉸難以直接驅(qū)動(dòng)的問題。本發(fā)明提供一種腰部使用八桿變胞機(jī)構(gòu)的四足仿生機(jī)器人，該仿生機(jī)器人腰部能左右彎曲和對(duì)折，具有變形靈活，自適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)，而且可以實(shí)現(xiàn)多種不同的直接驅(qū)動(dòng)形式。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的一種腰部使用八桿變胞機(jī)構(gòu)的四足仿生機(jī)器人，包括一個(gè)閉鏈和四條開鏈，所述閉鏈?zhǔn)怯身槾芜B接的第一桿、第二桿、第三桿、第四桿、第五桿、第六桿、第七桿和第八桿所構(gòu)成的一個(gè)八桿變胞機(jī)構(gòu);第一桿的兩端分別通過第一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和第二轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈與第二桿的一端和第八桿的一端相連，第一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和第二轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線相互垂直;第五桿的兩端分別通過第三轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和第四轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈與第四桿的一端和第六桿的一端相連，第三轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和第四轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線相互垂直;第三桿的兩端分別通過第五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈與第四桿的另一端和第二桿的另一端相連，第五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈與第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線相互平行;第七桿的兩端分別通過第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和第八轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈與第六桿的另一端和第八桿的另一端相連，第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈與第八轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線相互平行;所述第一桿、第八桿、第五桿和第四桿長度相同，所述第三桿和第六桿長度相同，所述第二桿與第七桿的長度相同；四條開鏈的結(jié)構(gòu)相同，每條開鏈的結(jié)構(gòu)是:包括位于同一平面內(nèi)的第九桿、第十桿和第十一桿，所述第十桿的兩端分別通過第九轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和第十轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈與第九桿和第十一桿相連，所述第九轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和第十轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線相互平行；四條開鏈中的所述第九桿均分別通過第十一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈與第二桿、第三桿、第六桿和第七桿轉(zhuǎn)動(dòng)鉸接，位于第二桿和第三桿兩個(gè)的第十一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線與第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線平行、位于第六桿和第七桿的兩個(gè)第十一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線與第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線平行；四個(gè)第十一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈均落在第九桿、第十桿和第十一桿所在的平面內(nèi)。選擇驅(qū)動(dòng)第一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第四轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第八轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈中的任意三個(gè)再加上第二轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和第三轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈中的任意一個(gè)或兩個(gè)即可驅(qū)動(dòng)該閉鏈結(jié)構(gòu)，同時(shí)，驅(qū)動(dòng)每條開鏈中的所述第九轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第十轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和連接閉鏈和開鏈的第十一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈。
[0006]進(jìn)一步講，當(dāng)?shù)谝粭U和第二桿的夾角與第三桿和第四桿的夾角相等時(shí)，所述第二轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線與第三轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線共線。驅(qū)動(dòng)第二轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度或第三轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度或同時(shí)驅(qū)動(dòng)第二轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和第三轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)相同角度可使得第一桿、第二桿、第三桿、第四桿所在平面圍繞第二轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和第三轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈所在軸線相對(duì)與第五桿、第六桿、第七桿、第八桿所在平面旋轉(zhuǎn);然后，選擇驅(qū)動(dòng)第一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第四轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第八轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈中的任意一個(gè);同時(shí)，驅(qū)動(dòng)每條開鏈中的所述第九轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第十轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和連接閉鏈和開鏈的第十一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈。
[0007]所述第二轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線與第一桿的上表面和第八桿的上表面的交線重合;所述第三轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線與第四桿的上表面和第五桿的上表面的交線重合。當(dāng)驅(qū)動(dòng)第二轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)180度或第三轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)180度或同時(shí)驅(qū)動(dòng)第二轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和第三轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈轉(zhuǎn)動(dòng)180度，可使得第一桿的上表面與第八桿的上表面重合、第二桿的上表面與第七桿的上表面重合、第三桿的上表面與第六桿的上表面重合、第四桿的上表面與第五桿的上表面重合，第一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線與第八轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線重合、第四轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線與第五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線重合、第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線與第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線重合，位于第一桿的第十一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線與位于第七桿的第十一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線重合、位于第三桿的第十一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線與位于第六桿的第十一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線重合;選擇驅(qū)動(dòng)第一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第四轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第八轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈中的任意三個(gè)；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)每條開鏈中的所述第九轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第十轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和連接閉鏈和開鏈的第十一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈。
[0008]所述第一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第四轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的軸線相互平行。選擇驅(qū)動(dòng)第一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第四轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第五轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第六轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第七轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第八轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈中的任意三個(gè)；同時(shí)，驅(qū)動(dòng)每條開鏈中的所述第九轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈、第十轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈和連接閉鏈和開鏈的第十一轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈。
[0009]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0010]由于結(jié)構(gòu)特點(diǎn)帶來的好處，本發(fā)明中將變胞機(jī)構(gòu)應(yīng)用到多足仿生機(jī)器人的腰部，通過不同的驅(qū)動(dòng)方式使得變胞機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中改變機(jī)構(gòu)構(gòu)態(tài)、自由度，實(shí)現(xiàn)了腰部構(gòu)型的改變，腰部能左右對(duì)折，從而更好地模仿各類動(dòng)物的腰部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多類動(dòng)物仿生，集多類動(dòng)物優(yōu)點(diǎn)于一身，包括哺乳類動(dòng)物的速度、爬行類動(dòng)物的靈活性以及昆蟲類動(dòng)物的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高多足仿生機(jī)器人的靈活性和對(duì)不同地形環(huán)境的適應(yīng)能力，實(shí)現(xiàn)更多的應(yīng)用。針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中仿生機(jī)器人使用的空間六桿變胞機(jī)構(gòu)中虎克鉸難以直接驅(qū)動(dòng)的問題，提出將虎克鉸中兩個(gè)相互垂直的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線分開，獨(dú)立放置，得出所有運(yùn)動(dòng)副均為轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈的空間八桿變胞機(jī)構(gòu)，使得所有轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈都可以方便地直接驅(qū)動(dòng)，對(duì)提高機(jī)械運(yùn)動(dòng)效率大有裨益。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明仿生機(jī)器人的閉鏈結(jié)構(gòu)示意圖；
[0012]圖2是本發(fā)明仿生機(jī)器人的其中一開鏈的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖3是本發(fā)明仿生機(jī)器人實(shí)施例一腰部為平面構(gòu)態(tài)模仿蜥蜴的結(jié)構(gòu)示意圖；<