一種腰部使用八桿變胞機(jī)構(gòu)的多足仿生機(jī)器人及驅(qū)動方法
【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)的多足仿生機(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)，而且能以動態(tài)步態(tài)實(shí)現(xiàn)快速移動。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)器人在模仿動物時(shí)，關(guān)注點(diǎn)大多集中在腿部結(jié)構(gòu)，而對于腰部結(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，僅起支撐和載物平臺的作用，對機(jī)器人的運(yùn)動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)彎等動作，腰部對仿生機(jī)器人的運(yùn)動和適應(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)器人剛性腰部極大限制了機(jī)器人對自身重心的調(diào)節(jié)性能，使得機(jī)器人行走的穩(wěn)定裕度較小，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)類似于動物的上下弓腰、仰腰、扭腰的動作。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物，不能同時(shí)模仿多種動物的形態(tài)。另外，現(xiàn)有技術(shù)中有報(bào)道一種多足仿生機(jī)器人，該機(jī)器人中涉及空間六桿變胞機(jī)構(gòu)，該空間六桿變胞機(jī)構(gòu)使用了兩個(gè)虎克鉸，但實(shí)現(xiàn)過程中，虎克鉸難以直接驅(qū)動，需使用皮帶、齒條等傳動裝置方能驅(qū)動，因此，該多足仿生機(jī)器人在機(jī)械運(yùn)動效率方面存有不足。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對傳統(tǒng)多足爬行機(jī)器人的局限性及在空間六桿變胞機(jī)構(gòu)中虎克鉸難以直接驅(qū)動的問題，本發(fā)明提供一種腰部使用八桿變胞機(jī)構(gòu)的多足仿生機(jī)器人，不但能夠?qū)崿F(xiàn)前后彎腰和前后對折，而且具有多種不同的直接驅(qū)動形式，更具變形靈活，自適應(yīng)能力更強(qiáng)的特點(diǎn)。
[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)的多足仿生機(jī)器人，其基本結(jié)構(gòu)是:包括一個(gè)閉鏈及四條或六條開鏈，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)動鉸鏈和第二轉(zhuǎn)動鉸鏈與第二桿的一端和第八桿的一端相連，第一轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線和第二轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線相互平行;第五桿的兩端分別通過第三轉(zhuǎn)動鉸鏈和第四轉(zhuǎn)動鉸鏈與第四桿的一端和第六桿的一端相連，第三轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線和第四轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線相互平形;所述第一桿和第五桿長度相同，所述第二桿和所述第八桿長度相同，所述第四桿與所述第六桿的長度相同；第三桿的兩端分別通過第五轉(zhuǎn)動鉸鏈和第七轉(zhuǎn)動鉸鏈與第四桿的另一端和第二桿的另一端相連，第五轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線與第七轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線相互垂直;第七桿的兩端分別通過第六轉(zhuǎn)動鉸鏈和第八轉(zhuǎn)動鉸鏈與第六桿的另一端和第八桿的另一端相連，第六轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線與第八轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線相互垂直;所述第三桿和第七桿長度相同；每條開鏈的結(jié)構(gòu)相同，其結(jié)構(gòu)是:包括同一平面內(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)動鉸鏈和第十轉(zhuǎn)動鉸鏈與第九桿和第十一桿相連，所述第九轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線和第十轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線相互平行;根據(jù)開鏈數(shù)目是四條或是六條有下述兩種情形之一:開鏈數(shù)目為四條時(shí)，四條開鏈中的第九桿均分別通過一第十一轉(zhuǎn)動鉸鏈與第二桿、第四桿、第六桿和第八桿轉(zhuǎn)動鉸接，四個(gè)第十一轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線與第一轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線平行、且落在第九桿、第十桿和第十一桿所在的平面內(nèi)；開鏈數(shù)目為六條時(shí)，六條開鏈中的第九桿均分別通過一第十一轉(zhuǎn)動鉸鏈與第一桿、第二桿、第四桿、第五桿、第六桿和第八桿轉(zhuǎn)動鉸接，六個(gè)第十一轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線與第一轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線平行、且落在第九桿、第十桿和第十一桿所在的平面內(nèi)。
[0006]上述腰部使用八桿變胞機(jī)構(gòu)的多足仿生機(jī)器人，選擇第一轉(zhuǎn)動鉸鏈、第二轉(zhuǎn)動鉸鏈、第三轉(zhuǎn)動鉸鏈、第四轉(zhuǎn)動鉸鏈、第五轉(zhuǎn)動鉸鏈、第六轉(zhuǎn)動鉸鏈中的任意三個(gè)作為驅(qū)動再加上第七轉(zhuǎn)動鉸鏈和第八轉(zhuǎn)動鉸鏈的任意一個(gè)或兩個(gè)即可驅(qū)動該閉鏈結(jié)構(gòu)，同時(shí)，驅(qū)動每條開鏈中的所述第九轉(zhuǎn)動鉸鏈、第十轉(zhuǎn)動鉸鏈和連接閉鏈和開鏈的第十一轉(zhuǎn)動鉸鏈。
[0007]進(jìn)一步講，當(dāng)?shù)谝粭U與第二桿夾角為90度、第一桿與第八桿夾角為90度時(shí)，所述第七轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線與第八轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線共線。該腰部使用八桿變胞機(jī)構(gòu)的四足仿生機(jī)器人，驅(qū)動第七轉(zhuǎn)動鉸鏈轉(zhuǎn)動一定角度或第八轉(zhuǎn)動鉸鏈轉(zhuǎn)動一定角度或同時(shí)驅(qū)動第七轉(zhuǎn)動鉸鏈和第八轉(zhuǎn)動鉸鏈轉(zhuǎn)動相同角度可使得第一桿、第二桿、第八桿所在平面圍繞第七轉(zhuǎn)動鉸鏈和第八轉(zhuǎn)動鉸鏈所在軸線相對于第三桿、第四桿、第五桿、第六桿、第七桿所在平面旋轉(zhuǎn)；驅(qū)動第三轉(zhuǎn)動鉸鏈、第四轉(zhuǎn)動鉸鏈、第五轉(zhuǎn)動鉸鏈和第六轉(zhuǎn)動鉸鏈中的任意一個(gè)；同時(shí)，驅(qū)動每條開鏈中的所述第九轉(zhuǎn)動鉸鏈、第十轉(zhuǎn)動鉸鏈和連接閉鏈和開鏈的第十一轉(zhuǎn)動鉸鏈。
[0008]進(jìn)一步講，當(dāng)?shù)谝粭U與第二桿夾角為90度、第一桿與第八桿夾角為90度時(shí)，所述第七轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線與第八轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線共線。所述第七轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線與第二桿和第三桿的上表面的交線重合，所述第八轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線與第六桿和第八桿的上表面交線重合。當(dāng)驅(qū)動第七轉(zhuǎn)動鉸鏈轉(zhuǎn)動180度或第八轉(zhuǎn)動鉸鏈轉(zhuǎn)動180度或同時(shí)驅(qū)動第七轉(zhuǎn)動鉸鏈和第八轉(zhuǎn)動鉸鏈轉(zhuǎn)動180度，可使得第一桿的上表面與第五桿的上表面重合，第二桿的上表面與第三桿的上表面、第四桿的上表面重合，第八桿的上表面與第六桿的上表面、第七桿的上表面重合，第一轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線與第三轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線重合，第二轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線與第四轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線重合，位于第二桿的第十一轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線與位于第四桿的第十一轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線重合、位于第六桿的第十一轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線與位于第八桿的第十一轉(zhuǎn)動鉸鏈的軸線重合;選擇第一轉(zhuǎn)動鉸鏈、第二轉(zhuǎn)動鉸鏈、第三轉(zhuǎn)動鉸鏈、第四轉(zhuǎn)動鉸鏈、第五轉(zhuǎn)動鉸鏈、第六轉(zhuǎn)動鉸鏈中的任意三個(gè)作為驅(qū)動；同時(shí)，驅(qū)動每條開鏈中的所述第九轉(zhuǎn)動鉸鏈、第十轉(zhuǎn)動鉸鏈和連接閉鏈和開鏈的第十一轉(zhuǎn)動鉸鏈。
[0009]進(jìn)一步講，所述第一轉(zhuǎn)動鉸鏈、第三轉(zhuǎn)動鉸鏈平行。選擇第一轉(zhuǎn)動鉸鏈、第二轉(zhuǎn)動鉸鏈、第三轉(zhuǎn)動鉸鏈、第四轉(zhuǎn)動鉸鏈、第五轉(zhuǎn)動鉸鏈、第六轉(zhuǎn)動鉸鏈中的任意三個(gè)作為驅(qū)動，即可驅(qū)動該閉鏈結(jié)構(gòu)；同時(shí)，驅(qū)動每條開鏈中的所述第九轉(zhuǎn)動鉸鏈、第十轉(zhuǎn)動鉸鏈和連接閉鏈和開鏈的第十一轉(zhuǎn)動鉸鏈。
[0010]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
[0011]由于變胞機(jī)構(gòu)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，利用變胞機(jī)構(gòu)變構(gòu)態(tài)、變自由度的特性，通過變胞機(jī)構(gòu)在運(yùn)動過程中改變機(jī)構(gòu)構(gòu)態(tài)，自由度，實(shí)現(xiàn)多足仿生機(jī)器人腰部構(gòu)型的改變，從而更好地模仿各類動物的腰部結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對多類動物仿生。同時(shí)，在該腰部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)定不同的驅(qū)動形式可以集多類動物優(yōu)點(diǎn)于一身，包括哺乳類動物的速度、爬行類動物的靈活性以及昆蟲類動物的穩(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。針對空間六桿變胞機(jī)構(gòu)中虎克鉸難以直接驅(qū)動的問題，提出將虎克鉸中兩個(gè)相互垂直的轉(zhuǎn)動軸線分開，獨(dú)立放置，得出所有運(yùn)動副均為轉(zhuǎn)動副的空間八桿變胞機(jī)構(gòu)，使得所有轉(zhuǎn)動副都可以方便地直接驅(qū)動，對提高機(jī)械運(yùn)動效率大有裨益。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明變胞多足仿生機(jī)器人中的閉鏈結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013]圖2是本發(fā)明變胞多足仿生機(jī)器人中的開鏈的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0014]圖3是本發(fā)明變胞多足仿生機(jī)器人具有四條開鏈時(shí)模仿蜥蜴的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖4是本發(fā)明變胞多足仿生機(jī)器人具有