專利名稱：一種四足機(jī)器人仿生彈性脊柱機(jī)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種四足機(jī)器人仿生彈性脊柱機(jī)構(gòu)。
背景技術(shù)：
四足機(jī)器人由于其在崎嶇路面上優(yōu)于傳統(tǒng)輪式和履帶式機(jī)器人的出色表現(xiàn)，以及其在軍事、航天、生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域的應(yīng)用潛力，四足機(jī)器人技術(shù)研究是當(dāng)前機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)與前沿方向之一。實(shí)際的四足動物，尤其是獵豹、獅子等貓科動物均具有可以靈活彎曲伸縮的彈性脊柱，其可以在四足動物運(yùn)動過程中儲存和釋放能量、増加腿部的運(yùn)動范圍，可有效提高奔跑速度、跳躍高度和距離。但目前大多數(shù)四足機(jī)器人的身體均為剛性結(jié)構(gòu)，沒有可彎曲的彈性脊柱，例如波士頓動力公司的“ BigDog”、“AlphaDog”和“ LittleDog”、東京エ業(yè)大學(xué)的“TITAN”系列四足機(jī)器人和日本電氣通信大學(xué)的“TEKKEN”系列四足機(jī)器人等，由于缺少靈活的彈性脊柱，這些四足機(jī)器人很難實(shí)現(xiàn)高速奔跑。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，參考貓科動物的脊柱結(jié)構(gòu)和運(yùn)動特點(diǎn)，提供一種四足機(jī)器人仿生彈性脊柱機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)的脊柱轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)安裝左右対稱的兩個扭簧，此時脊柱關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動和扭簧的彎曲約束在一起，扭簧隨著關(guān)節(jié)的彎曲發(fā)生形變產(chǎn)生方向扭矩并儲存彈性勢能；在脊柱的兩端連接一個氣動肌腱，通過氣動肌腱的主動伸縮提供關(guān)節(jié)的驅(qū)動カ矩，控制脊柱關(guān)節(jié)的運(yùn)動，通過調(diào)整氣動肌腱的伸縮速度改變彈性脊柱整體的弾性系數(shù)，同時氣動肌腱本身的弾性也可輔助儲能并約束脊柱關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種四足機(jī)器人仿生彈性脊柱機(jī)構(gòu)，它包括前脊柱部分、后脊柱部分、弾性關(guān)節(jié)部分和氣動肌腱部分，其中，所述前脊柱部分的一端通過彈性關(guān)節(jié)部分與后脊柱部分的一端相連，前脊柱部分的另一端通過氣動肌腱部分與后脊柱部分的另一端相連。
進(jìn)ー步地，所述前脊柱部分包括左前脊柱塊、右前脊柱塊、左前腿固定座、右前腿固定座、肌腱前聯(lián)接軸、前脊柱塊連接件和姿態(tài)傳感器等；后脊柱部分包括后脊柱塊、左后腿固定座、右后腿固定座和肌膜后聯(lián)接軸等；彈性轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)包括右旋扭黃、左旋扭黃、扭黃固定件和絕對式編碼器等；氣動肌腱部分包括氣動肌腱、進(jìn)氣管、出氣管、肌腱前連接件和肌腱后連接件等；所述后脊柱塊的的轉(zhuǎn)動軸上具有后脊柱左軸和后脊柱右軸；左前脊柱塊和右前脊柱塊分別通過軸承安裝在后脊柱左軸和后脊柱右軸上，并通過前脊柱塊連接件固連在一起；右旋扭簧的兩端分別通過扭簧固定件固定在左前脊柱塊的右側(cè)面和后脊柱塊的左側(cè)面，左旋扭簧的兩端分別通過扭簧固定件固定在右前脊柱塊的左側(cè)面和后脊柱塊的右側(cè)面；右旋扭簧和左旋扭簧的中心線與后脊柱塊轉(zhuǎn)動軸軸線一致；姿態(tài)傳感器安裝在前脊柱塊連接件上用來檢測前脊柱的傾斜角；絕對式編碼器的外殼與左前脊柱塊固連，絕對式編碼器的輸入軸與后脊柱左軸固連；左前腿固定座和右前腿固定座分別固定在左前脊柱塊和右前脊柱塊的前端，肌腱前聯(lián)接軸兩端分別固定在左前腿固定座和右前腿固定座的下偵牝肌腱前連接件與肌腱前聯(lián)接軸通過轉(zhuǎn)動副聯(lián)接；左后腿固定座和右后腿固定座分別固定在后脊柱塊末端左右兩側(cè)，肌膜后聯(lián)接軸兩端分別固定在左后腿固定座和右后腿固定座的下側(cè)，肌腱后連接件與肌腱后聯(lián)接軸通過轉(zhuǎn)動副聯(lián)接；氣動肌腱的兩端分別與肌腱前連接件和肌腱后連接件連接；進(jìn)氣管與氣動肌腱的進(jìn)氣ロ連接，出氣管與氣動肌腱的出氣ロ連接。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明設(shè)計了ー種有效、結(jié)構(gòu)緊湊四足機(jī)器人仿生彈性脊柱機(jī)構(gòu)，通過氣動肌腱的主動伸縮可實(shí)現(xiàn)彈性脊柱關(guān)節(jié)的自由彎曲和剛度系數(shù)可調(diào)，本發(fā)明可以幫助四足機(jī)器人増加腿部的運(yùn)動范圍，同時兩個扭簧和氣動肌腱可以在機(jī)器人運(yùn)動時儲存和釋放能量并有效吸收機(jī)器人足底的著地沖擊力，提高四足機(jī)器人的奔跑速度和能量利用率。氣動肌腱最高工作頻率可達(dá)5HZ-10HZ，拉伸カ大，可以滿足四足機(jī)器人奔跑時對脊柱運(yùn)動性能要求，同時氣動肌腱相比液壓驅(qū)動具有質(zhì)量輕、尺寸小，環(huán)境污染少等優(yōu)點(diǎn)，同時也可在室外惡劣條件下正常工作。


圖I是本發(fā)明的一種四足機(jī)器人仿生彈性脊柱機(jī)構(gòu)整體形狀結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明的ー種后脊柱塊形狀結(jié)構(gòu)示意 圖3是本發(fā)明的ー種左前脊柱塊形狀結(jié)構(gòu)示意 圖4是本發(fā)明的一種彈性脊柱關(guān)節(jié)聯(lián)接結(jié)構(gòu)示意 圖5是本發(fā)明的一種扭簧固定件形狀結(jié)構(gòu)示意 圖6是本發(fā)明的一種彈性脊柱前端聯(lián)接結(jié)構(gòu)示意 圖中，左前脊柱塊I、右前脊柱塊2、后脊柱塊3、右旋扭簧4、左旋扭簧5、絕對式編碼器
6、扭簧固定件7、前脊柱塊連接件8、姿態(tài)傳感器9、左前腿固定座10、右前腿固定座11、肌腱前聯(lián)接軸12、左后腿固定座13、右后腿固定座14、肌腱后聯(lián)接軸15、氣動肌腱16、進(jìn)氣管17、出氣管18、肌腱前連接件19、肌腱后連接件20、后脊柱左軸21、后脊柱右軸22、左前脊柱通孔23、后脊柱末端通孔24、左前脊柱前端通孔25、扭簧固定螺紋孔26。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作進(jìn)ー步說明。如圖I所示，一種四足機(jī)器人仿生彈性脊柱機(jī)構(gòu)包括前脊柱部分、后脊柱部分、彈性關(guān)節(jié)部分和氣動肌腱部分，其中，前脊柱部分的一端通過彈性關(guān)節(jié)部分與后脊柱部分的一端相連，前脊柱部分的另一端通過氣動肌腱部分與后脊柱部分的另一端相連。前脊柱部分包括左前脊柱塊I、右前脊柱塊2、左前腿固定座10、右前腿固定座11、肌腱前聯(lián)接軸12、前脊柱塊連接件8和姿態(tài)傳感器9 ;后脊柱部分包括后脊柱塊3、左后腿固定座13、右后腿固定座14、肌腱后聯(lián)接軸15 ;彈性轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)包括右旋扭簧4、左旋扭簧5、扭簧固定件7和絕對式編碼器6 ;氣動肌腱部分包括氣動肌腱16、進(jìn)氣管17、出氣管18、肌腱前連接件19和肌腱后連接件20。參見圖I、圖2、圖3、圖4和圖5，一種四足機(jī)器人仿生彈性脊柱機(jī)構(gòu)的彈性關(guān)節(jié)部分，包括左前脊柱I和右前脊柱2通過前脊柱間連接件8固連在一起組成的前脊柱，左前脊柱塊I的左前脊柱通孔22通過內(nèi)置滾動軸承與后脊柱塊左軸21聯(lián)接，右前脊柱塊2的右前脊柱通孔通過內(nèi)置滾動軸承與后脊柱右軸22聯(lián)接；前脊柱可繞后脊柱塊3的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，形成脊柱關(guān)節(jié)；右旋扭簧4的兩端分別通過扭簧固定件7固定在左前脊柱塊I的右側(cè)面和后脊柱塊3的左側(cè)面，左旋扭簧5的兩端分別通過扭簧固定件7固定在右前脊柱塊2的左側(cè)面和后脊柱塊3的右側(cè)面；在扭簧固定件7的扭簧固定螺紋孔26內(nèi)安裝緊定螺釘并壓緊在扭簧上，限制扭簧的軸向移動；右旋扭簧4和左旋扭簧5的中心線與后脊柱塊的轉(zhuǎn)動軸軸線一致，此時右旋扭簧4和左旋扭簧5的彎曲角度隨著脊柱關(guān)節(jié)角度變化而變化，脊柱關(guān)節(jié)由于右旋扭簧4和左旋扭簧5的約束而具有弾性，構(gòu)成彈性脊柱關(guān)節(jié)。參見圖I、圖4和圖6，該彈性脊柱機(jī)構(gòu)的前脊柱部分，左前腿固定座10通過螺栓固定在左前脊柱塊I的前端，右前腿固定座11通過螺栓固定在右前脊柱塊2的前端；肌腱前聯(lián)接軸12兩端分別安裝在左前腿連接件10和右前腿連接件11的異性孔上。
參見圖I和圖3，該彈性脊柱機(jī)構(gòu)的后脊柱部分，左后腿固定座13通過4個螺栓固定在后脊柱塊3的末端左側(cè)，右后腿固定座14通過4個螺栓固定在后脊柱3塊的末端右偵牝肌腱后聯(lián)接軸15兩端分別安裝在左后腿固定座13和右后腿固定座14的異性孔上。參見圖1，氣動肌腱16的前端和后端分別與肌腱前連接件19和肌腱后連接件20連接，肌腱前連接件19內(nèi)置滾動軸承安裝在肌腱前聯(lián)接軸12上，肌腱后連接件20內(nèi)置滾動軸承安裝在肌腱后聯(lián)接軸15上，此時通過氣動肌腱16長度變化可改變肌腱前聯(lián)接軸12和肌腱后聯(lián)接軸15之間的距離，從而改變脊柱關(guān)節(jié)角度；進(jìn)氣管17與氣動肌腱16的進(jìn)氣ロ連接，出氣管18與氣動肌腱16的出氣ロ連接。本發(fā)明的工作過程如下本發(fā)明在實(shí)際使用和操作過程中，可以將四足機(jī)器人的四條腿通過4個螺栓分別安裝在左前腿固定座10、右前腿固定座11、左后腿固定座13和右后腿固定座14上，組成ー個完整的具有弾性脊柱的四足機(jī)器人。通過控制氣動肌腱16的進(jìn)氣量和出氣量改變氣動肌腱16的長度，從而實(shí)現(xiàn)彈性脊柱關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，并通過絕對式編碼器6的角度反饋，實(shí)現(xiàn)脊柱關(guān)節(jié)角的閉環(huán)控制。當(dāng)四足機(jī)器人在奔跑期間，當(dāng)其前腿著地，機(jī)器人身體及后腿的慣性將壓縮彈性脊柱關(guān)節(jié)，機(jī)器人的部分動能轉(zhuǎn)換為右旋扭簧4和左旋扭簧5的彈性勢能；當(dāng)機(jī)器人后腿著地、前腿離地吋，剛存儲在右旋扭簧4和左旋扭簧5中彈性勢能重新轉(zhuǎn)換為動能，用來増加前腿的運(yùn)動速度和范圍；同時在此過程中控制氣動肌腱的長度，提高彈性脊柱關(guān)節(jié)的可控性和運(yùn)動能力。最后仿生弾性脊柱機(jī)構(gòu)也可以用在機(jī)器人腿關(guān)節(jié)的設(shè)計上，増加腿部的柔性和運(yùn)動能力。
權(quán)利要求
1.一種四足機(jī)器人仿生彈性脊柱機(jī)構(gòu)，其特征在于，它包括前脊柱部分、后脊柱部分、弾性關(guān)節(jié)部分和氣動肌腱部分，其中，所述前脊柱部分的一端通過彈性關(guān)節(jié)部分與后脊柱部分的一端相連，前脊柱部分的另一端通過氣動肌腱部分與后脊柱部分的另一端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述四足機(jī)器人仿生彈性脊柱機(jī)構(gòu)，其特征在于，所述前脊柱部分包括左前脊柱塊(I)、右前脊柱塊(2)、左前腿固定座(10)、右前腿固定座(11)、肌腱前聯(lián)接軸(12)、前脊柱塊連接件(8)和姿態(tài)傳感器(9)等；后脊柱部分包括后脊柱塊(3)、左后腿固定座(13)、右后腿固定座(14)和肌膜后聯(lián)接軸(15)等；彈性轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)包括右旋扭黃(4)、左旋扭簧(5)、扭簧固定件(7)和絕對式編碼器(6)等；氣動肌腱部分包括氣動肌腱(16)、進(jìn)氣管(17)、出氣管(18)、肌腱前連接件(19)和肌腱后連接件(20)等；所述后脊柱塊(3)的的轉(zhuǎn)動軸上具有后脊柱左軸(21)和后脊柱右軸(22 );左前脊柱塊(I)和右前脊柱塊(2 )分別通過軸承安裝在后脊柱左軸(21)和后脊柱右軸(22)上，并通過前脊柱塊連接件(8)固連在一起；右旋扭簧(4)的兩端分別通過扭簧固定件(7)固定在左前脊柱塊(I)的右側(cè)面和后脊柱塊(3)的左側(cè)面，左旋扭簧(5)的兩端分別通過扭簧固定件(7)固定在右前脊柱塊(2)的左側(cè)面和后脊柱塊(3)的右側(cè)面；右旋扭簧(4)和左旋扭簧(5)的中心線與后脊柱塊(3)轉(zhuǎn)動軸軸線一致；姿態(tài)傳感器(9)安裝在前脊柱塊連接件(8)上用來檢測前脊柱的傾斜角；絕對式編碼器(6)的外殼與左前脊柱塊(I)固連，絕對式編碼器(6)的輸入軸與后脊柱左軸(21)固連；左前腿固定座(10)和右前腿固定座(11)分別固定在左前脊柱塊(I)和右前脊柱塊(2)的前端，肌腱前聯(lián)接軸(12)兩端分別固定在左前腿固定座(10)和右前腿固定座(11)的下側(cè)，肌腱前連接件(19)與肌腱前聯(lián)接軸(12)通過轉(zhuǎn)動副聯(lián)接；左后腿固定座(13)和右后腿固定座(14)分別固定在后脊柱塊(3)末端左右兩側(cè)，肌腱后聯(lián)接軸(15)兩端分別固定在左后腿固定座(13)和右后腿固定座(14)的下側(cè)，肌腱后連接件(20)與肌腱后聯(lián)接軸(15)通過轉(zhuǎn)動副聯(lián)接；氣動肌腱(16)的兩端分別與肌腱前連接件(19)和肌腱后連接件(20)連接；進(jìn)氣管(17)與氣動肌腱(16)的進(jìn)氣ロ連接，出氣管(18)與氣動肌腱(16)的出氣ロ連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種四足機(jī)器人仿生彈性脊柱機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)在脊柱轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)上安裝兩個左右對稱的扭簧，此時脊柱關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動與扭簧的彎曲約束在一起，扭簧隨著脊柱關(guān)節(jié)的彎曲發(fā)生形變產(chǎn)生反方向扭矩并儲存彈性勢能，在脊柱的兩端連接一個氣動肌腱，通過氣動肌腱的主動伸縮來控制脊柱關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動，調(diào)整氣動肌腱的伸縮速度可以改變彈性脊柱整體的彈性系數(shù)，同時氣動肌腱本身的彈性也可輔助儲能并約束脊柱關(guān)節(jié)的運(yùn)動范圍，仿生彈性脊柱可以有效增強(qiáng)四足機(jī)器人的運(yùn)動能力，提高能量的利用效率。
文檔編號B62D57/032GK102673674SQ20121017780
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月1日
發(fā)明者吳俊 , 李超, 熊蓉 申請人:浙江大學(xué)