本发明涉及仿生机器人技术领域，特别涉及一种腰部使用八杆变胞机构的四足仿生机器人及驱动方法。
背景技术：
多足仿生机器人机构简单且灵活，承载能力强、稳定性好，不仅能在复杂的非结构路面上行走，轻易地跨过较大的障碍(如壕沟、岩石等)，而且能以动态步态实现快速移动。多足仿生机器人可以代替人完成许多危险作业，在军事、矿山开采、核能工业、星球探测、消防营救、建筑业、农林采伐、示教娱乐等领域有着广阔的应用前景。
然而，传统多足仿生机器人在模仿动物时，关注点大多集中在腿部结构，而对于腰部结构常常没有给予太多关注。传统多足仿生机器人腰部普遍采用刚性结构。其缺点在于：1)腰部不可动，仅起支撑和载物平台的作用，对机器人的运动和姿势不起任何作用。2)多足仿生机器人刚性结构的腰部，无法改变其形状，机器人各条腿的相对位置保持不变，机器人只能通过改变腿部姿态来实现行走、奔跑、避障和转弯等动作，腰部对仿生机器人的运动和适应性调节不起任何作用，而且刚性的腰部结构极大地限制了机器人整体工作空间和灵活度。3)多足仿生机器人刚性腰部极大限制了机器人对自身重心的调节性能，使得机器人行走的稳定裕度很小，步态中存在临界稳定状态，行走过程不稳定。4)步态规划方面，刚性腰的仿生机器人步态有限，无法实现类似于动物的上下弓腰、仰腰、扭腰的动作。5)刚性腰部无法起到缓冲减震的作用，同时也限制了行走速度。6)传统仿生机器人只能模仿特定的一种动物，不能同时模仿多种动物的形态。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供一种腰部使用八杆变胞机构的四足仿生机器人及驱动方法，其可变形，灵活，自适应能力更强。
本发明的腰部使用八杆变胞机构的四足仿生机器人，包括机体和腿部；
机体为八杆变胞机构，其包括依次连接形成闭环的第一铰链副、第二铰链副、第三铰链副和第四铰链副，第一铰链副包括相互铰接的第一铰杆和第二铰杆，第二铰链副包括相互铰接的第三铰杆和第四铰杆，第三铰链副包括相互铰接的第五铰杆和第六铰杆，第四铰链副包括相互铰接的第七铰杆和第八铰杆；
第二铰杆远离第一铰杆一端与第三铰杆铰接形成第五铰链副，第四铰杆远离第三铰杆一端与第五铰杆铰接形成第六铰链副，第六铰杆远离第五铰杆一端与第七铰杆铰接形成第七铰链副，第八铰杆远离第七铰杆一端与第一铰杆远离第二铰杆一端铰接形成第八铰链副；
第五铰链副的转动轴线、第六铰链副的转动轴线和第二铰链副的转动轴线相互平行，第七铰链副的转动轴线、第八铰链副的转动轴线与第四铰链副的转动轴线相互平行；
第五铰链副和第八铰链副的转动轴线均与第一铰链副的转动轴线相垂直，第六铰链副和第七铰链副的转动轴线均与第二铰链副的转动轴线相垂直；
腿部在第三铰杆、第四铰杆、第七铰杆和第八铰杆上各设置一个。
进一步，每一腿部包括第一腿杆、第二腿杆和第三腿杆，第二腿杆的一端与第一腿杆铰接形成第九铰链副，第二腿杆的另一端与第三腿杆铰接形成第十铰链副，第九铰链副和第十铰链副的转动轴线相平行。
进一步，每一腿部的第一腿杆的上端与对应的铰杆转动配合且形成的转动轴线与对应铰杆所处的铰链副的转动轴线相平行。
进一步，第一铰杆、第二铰杆、第五铰杆和第六铰杆的长度相同，第三铰杆、第四铰杆、第七铰杆和第八铰杆的长度相同；第三铰杆的长度大于第二铰杆长度。
进一步，当第一铰杆和第八铰杆间夹角与第六铰杆和第七铰杆间夹角相等时，第一铰链副的转动轴线与第三铰链副的转动轴线共线。
本发明还公开了一种腰部使用八杆变胞机构的四足仿生机器人的驱动方法，驱动第二铰链副、第四铰链副、第五铰链副、第六铰链副、第七铰链副和第八铰链副中的任意三个再加上第一铰链副和第三铰链副中的任意一个或两个即可驱动该仿生机器人的机体部分，同时驱动腿部。
本发明还公开了一种腰部使用八杆变胞机构的四足仿生机器人的驱动方法，首先，驱动第一铰链副或/和第三铰链副转动一定角度，以使得第二铰杆、第三铰杆、第四铰杆和第五铰杆所在平面围绕第一铰链副或/和第三铰链副的转动轴线相对于第六铰杆、第七铰杆、第八铰杆和第一铰杆所在平面旋转；然后，驱动第二铰链副、第四铰链副、第五铰链副、第六铰链副、第七铰链副和第八铰链副中的任意一个；同时驱动每条腿部。
本发明还公开了一种腰部使用八杆变胞机构的四足仿生机器人的驱动方法，当驱动第一铰链副或第二铰链副各转动180度，或同时驱动第一铰链副和第二铰链副，使得第一铰杆的上表面与第二铰杆的上表面重合、第三铰杆的上表面与第八铰杆的上表面重合、第四铰杆的上表面与第七铰杆的上表面重合、第五铰杆的上表面与第六铰杆的上表面重合，并第五铰链副的转动轴线与第八铰链副的转动轴线重合、第二铰链副的转动轴线与第四铰链副的转动轴线重合、第六铰链副的转动轴线与第七铰链副的转动轴线重合；再选择驱动第二铰链副、第四铰链副、第五铰链副、第六铰链副、第七铰链副和第八铰链副中的任意三个；同时驱动每条腿部。
本发明的有益效果：本发明的腰部使用八杆变胞机构的四足仿生机器人及其驱动方法，将八杆变胞机构应用到四足仿生机器人的腰部，通过不同的驱动方式使得变胞机构在运动过程中改变机构构态、自由度，实现了腰部构型的改变，腰部能左右对折，从而更好的模仿各类动物的腰部结构，实现对多类动物仿生。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。
图1是本发明仿生机器人的闭链结构示意图；
图2是本发明仿生机器人的其中一开链的结构示意图；
图3是本发明仿生机器人实施例一腰部为平面构态模仿蜥蜴的结构示意图；
图4是本发明仿生机器人实施例一腰部为平面构态模仿小狗的结构示意图；
图5是本发明仿生机器人实施例一腰部为平面构态模仿蜘蛛的结构示意图；
图6是本发明仿生机器人实施例一腰部为平面构态模仿竹节虫的结构示意图；
图7是本发明仿生机器人实施例二腰部左右弯曲的示例之一的结构示意图；
图8是本发明仿生机器人实施例二腰部左右弯曲的示例之二的结构示意图；
图9是本发明仿生机器人实施例二腰部左右弯曲的示例之三的结构示意图；
图10是本发明仿生机器人实施例三腰部左右对折模仿螳螂的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围内。
参照图1-图10，图1是本发明仿生机器人的闭链结构示意图，图2是本发明仿生机器人的其中一开链的结构示意图，图3是本发明仿生机器人实施例一腰部为平面构态模仿蜥蜴的结构示意图，图4是本发明仿生机器人实施例一腰部为平面构态模仿小狗的结构示意图，图5是本发明仿生机器人实施例一腰部为平面构态模仿蜘蛛的结构示意图，图6是本发明仿生机器人实施例一腰部为平面构态模仿竹节虫的结构示意图，图7是本发明仿生机器人实施例二腰部左右弯曲的示例之一的结构示意图，图8是本发明仿生机器人实施例二腰部左右弯曲的示例之二的结构示意图，图9是本发明仿生机器人实施例二腰部左右弯曲的示例之三的结构示意图，图10是本发明仿生机器人实施例三腰部左右对折模仿螳螂的结构示意图，如图所示：
本发明的腰部使用八杆变胞机构的四足仿生机器人，包括机体和腿部；
机体为八杆变胞机构，其包括依次连接形成闭环的第一铰链副9、第二铰链副10、第三铰链副11和第四铰链副12，第一铰链副9包括相互铰接的第一铰杆1和第二铰杆2，第二铰链副10包括相互铰接的第三铰杆3和第四铰杆4，第三铰链副11包括相互铰接的第五铰杆5和第六铰杆6，第四铰链副12包括相互铰接的第七铰杆7和第八铰杆8；
第二铰杆2远离第一铰杆1一端与第三铰杆3铰接形成第五铰链副13，第四铰杆4远离第三铰杆3一端与第五铰杆5铰接形成第六铰链副14，第六铰杆6远离第五铰杆5一端与第七铰杆7铰接形成第七铰链副15，第八铰杆8远离第七铰杆7一端与第一铰杆1远离第二铰杆2一端铰接形成第八铰链副16；
第五铰链副13的转动轴线、第六铰链副14的转动轴线和第二铰链副10的转动轴线相互平行，第七铰链副15的转动轴线、第八铰链副16的转动轴线与第四铰链副12的转动轴线相互平行；
第五铰链副13和第八铰链副16的转动轴线均与第一铰链副9的转动轴线相垂直，第六铰链副14和第七铰链副15的转动轴线均与第二铰链副10的转动轴线相垂直；
腿部在第三铰杆3、第四铰杆4、第七铰杆7和第八铰杆8上各设置一个。
其中，每一腿部包括第一腿杆17、第二腿杆18和第三腿杆19，第二腿杆18的一端与第一腿杆17铰接形成第九铰链副20，第二腿杆18的另一端与第三腿杆19铰接形成第十铰链副21，第九铰链副20和第十铰链副21的转动轴线相平行。
其中，每一腿部的第一腿杆17的上端与对应的铰杆转动配合且形成的转动轴线与对应铰杆所处的铰链副的转动轴线相平行；即每一腿部的第一腿杆17的上端与对应的铰杆形成转动副22。
其中，第一铰杆1、第二铰杆2、第五铰杆5和第六铰杆6的长度相同，第三铰杆3、第四铰杆4、第七铰杆7和第八铰杆8的长度相同；第三铰杆3的长度大于第二铰杆2长度。
其中，当第一铰杆1和第八铰杆8间夹角与第六铰杆6和第七铰杆7间夹角相等时，第一铰链副9的转动轴线与第三铰链副11的转动轴线共线。
本发明中，机体共包含八个转动铰链，选取不同的驱动方法，可得到不同最终的机体形态，以模仿不同的动物形态，如图2所示，驱动第二铰链副10、第四铰链副12、第五铰链副13、第六铰链副14、第七铰链副15和第八铰链副16中的任意三个再加上第一铰链副9和第三铰链副11中的任意一个或两个即可驱动该仿生机器人的机体部分，同时驱动腿部，可使本发明多足仿生机器人模仿多种不同的动物形态。具体实施例如下：
实施例一、腰部使用八杆变胞机构的四足仿生机器人，且腰部的八杆变胞机构处于平面状态。
如图3、图4、图5、图6是本发明的腰部的八杆机构处于平面构态的实施例，包括一个闭链和四条开链。所述闭链是由顺次连接的第一铰杆1、第二铰杆2、第三铰杆3、第四铰杆4、第五铰杆5、第六铰杆6、第七铰杆7和第八铰杆8所构成的一个八杆变胞机构。
在此实施例的驱动方法下，如图3、图4、图5、图6所示，四条开链中的第一腿杆17均分别通过转动副22与第七铰杆7、第八铰杆8、第三铰杆3和第四铰杆4转动铰接，四条开链与第七铰杆7、第八铰杆8、第三铰杆3和第四铰杆4之间的四个转动副22的轴线与第七铰链副15的轴线平行，即位于第七铰杆7和第八铰杆8两个的转动副22的轴线与第四铰链副12的轴线平行、位于第三铰杆3和第四铰杆4的两个转动副22的轴线与第二铰链副10的轴线平行；四个转动副22均落在第一腿杆17、第二腿杆18和第三腿杆19所在的平面内。
驱动第三铰链副11和第一铰链副9或同时驱动第三铰链副11与第一铰链副9转动一定的相同角度，使得第一铰杆1与第二铰杆2保持共线且第六铰杆6与第五铰杆5共线，第七铰链副15的轴线与第五铰链副13的轴线平行；以此将本发明变胞四足仿生机器人腰部的八杆机构确定为平面构态。
本实施例中，选择第七铰链副15、第五铰链副13、第八铰链副16、第二铰链副10、第四铰链副12、第六铰链副14中的任意三个作为驱动；同时，驱动每条开链中的所述第九铰链副20、第十铰链副21和连接闭链和开链的转动副22。
下面通过选取闭链中的第七铰链副15、第五铰链副13以及第六铰链副14，开链中的所述第九铰链副20、第十铰链副21和连接闭链和开链的转动副22为驱动关节进行说明。
驱动第七铰链副15、第五铰链副13、第六铰链副14使得第六铰杆6与第七铰杆7垂直，第二铰杆2和第三铰杆3垂直，第四铰杆4和第五铰杆5垂直，第三铰链副11与第一铰链副9的轴线共线。这时闭链构态为如图3种所示的矩形。这时通过驱动各条开链中第九铰链副20、第十铰链副21以及连接闭链与各个开链的转动副22，使得第二腿杆18近似水平，第三腿杆19近似竖直，每条开链所在平面与闭链中连接该条开链的对应杆近似垂直。这时变胞四足仿生机器人模仿的是蜥蜴的形态，如图3。
在图3基础上保持闭链的形态不变，驱动每条开链中的第九铰链副20、第十铰链副21以及连接闭链与各个开链的转动副22，使得第二腿杆18向下倾斜，第三腿杆19近似竖直，第二腿杆18与第三腿杆19之间成特定角度，并且使得每条开链所在平面与闭链中连接该条开链的对应杆近似平行。这时变胞四足仿生机器人模仿的是狗的形态，如图4。
在图3基础上驱动第七铰链副15、第五铰链副13、第六铰链副14使得第六铰杆6和第七铰杆7的夹角与第八铰杆8和第一铰杆1的夹角相等时；驱动第七铰链副15、第五铰链副13、第六铰链副14使得第六铰杆6与第七铰杆7、第八铰杆8与第一铰杆1、第四铰杆4与第五铰杆5成120度，使得第二铰杆2与第三铰杆3、第七铰杆7与第八铰杆8、第三铰杆3与第四铰杆4之间的夹角也为120度；同时驱动每条开链中的第九铰链副20、第十铰链副21以及连接闭链与各个开链的转动副22，使得第二腿杆18向上倾斜，第二腿杆18与第三腿杆19之间夹角近似60度，并且使得每条开链所在平面与闭链中连接该条开链的对应杆近似垂直。这时变胞四足仿生机器人模仿的是蜘蛛的形态，如图5。
在图3基础上，对第七铰杆7、第八铰杆8、第三铰杆3、第四铰杆4做适当处理以消除可能的干涉，驱动第七铰链副15使得第六铰杆6与第七铰杆7夹角成0度、驱动第五铰链副13使得第二铰杆2与第三铰杆3夹角成0度、驱动第六铰链副14使得第四铰杆4与第五铰杆5成0度，以致第七铰杆7与第八铰杆8夹角成20度、第八铰杆8与第一铰杆1夹角成0、第三铰杆3与第四铰杆4之间的夹角成20度；同时驱动每条开链中的第九铰链副20、第十铰链副21以及连接闭链与各个开链的转动副22，使得第二腿杆18向上倾斜，第二腿杆18与第三腿杆19之间夹角近似60度，并且使得每条开链所在平面与闭链中连接该条开链的对应杆近似垂直。这时变胞四足仿生机器人模仿的是竹节虫的形态，如图6。
实施例二、
腰部使用八杆变胞机构的四足仿生机器人，且腰部的八杆变胞机构处于空间构态，也即本发明变胞四足仿生机器人左右弯腰的情形。如图7、图8、图9是本发明的腰部的八杆机构处于平面构态的实施例，包括一个闭链和四条开链。所述闭链是由顺次连接的第六铰杆6、第七铰杆7、第八铰杆8、第一铰杆1、第二铰杆2、第三铰杆3、第四铰杆4和第五铰杆5所构成的一个八杆变胞机构。
如图7、图8、图9所示，四条开链中的第一腿杆17均分别通过转动副22与第七铰杆7、第八铰杆8、第三铰杆3和第四铰杆4转动铰接，四条开链与第七铰杆7、第八铰杆8、第三铰杆3和第四铰杆4之间的四个转动副22的轴线与第七铰链副15的轴线平行，即位于第七铰杆7和第八铰杆8两个的转动副22的轴线与第四铰链副12的轴线平行、位于第三铰杆3和第四铰杆4的两个转动副22的轴线与第二铰链副10的轴线平行；四个转动副22均落在第一腿杆17、第二腿杆18和第三腿杆19所在的平面内。
当第六铰杆6和第七铰杆7的夹角与第八铰杆8和第一铰杆1的夹角相等时，第三铰链副11的轴线与第一铰链副9的轴线共线。
本实施例中，驱动第三铰链副11和第一铰链副9中的任意一个或同时驱动第三铰链副11与第三转动铰链转动相同角度，使得第六铰杆6、第七铰杆7、第八铰杆8、第一铰杆1所在平面围绕第三铰链副11和第一铰链副9所在轴线相对于第二铰杆2、第三铰杆3、第四铰杆4、第五铰杆5所在平面转动，选择第七铰链副15、第五铰链副13、第八铰链副16、第二铰链副10、第四铰链副12、第六铰链副14中的任意一个作为驱动；同时，驱动每条开链中的所述第九铰链副20、第十铰链副21和连接闭链和开链的转动副22。即可完全驱动本发明变胞四足仿生机器人并形成左右弯腰的情形，如图7、图8、图9。
实施例三、腰部使用八杆变胞机构的四足仿生机器人，且腰部的八杆变胞机构处于串联构态。也即本发明变胞四足仿生机器人腰部左右对折的情形。
第三铰链副11的轴线与第六铰杆6的上表面和第五铰杆5的上表面的交线重合；第一铰链副9的轴线与第一铰杆1的上表面和第二铰杆2的上表面的交线重合。当第六铰杆6和第七铰杆7的夹角与第八铰杆8和第一铰杆1的夹角相等时，第三铰链副11的轴线与第一铰链副9的轴线共线。
在图1的基础上，驱动第三铰链副11转动180度或第一铰链副9转动180度或同时驱动第三铰链副11和第一铰链副9转动180度，可使得第六铰杆6的上表面与第五铰杆5的上表面重合、第七铰杆7的上表面与第四铰杆4的上表面重合、第八铰杆8的上表面与第三铰杆3的上表面重合、第一铰杆1的上表面与第二铰杆2的上表面重合，第七铰链副15的轴线与第六铰链副14的轴线重合、第五铰链副13的轴线与第八铰链副16的轴线重合、第二铰链副10的轴线与第四铰链副12的轴线重合，位于第六铰杆6的转动副22的轴线与位于第四铰杆4的转动副22的轴线重合、位于第八铰杆8的转动副22的轴线与位于第三铰杆3的转动副22的轴线重合，此过程即完成机器人腰部的左右对折，这时闭链结构折叠成串联2r构态。如图9。
此实施例中，选择第七铰链副15、第五铰链副13、第八铰链副16、第二铰链副10、第四铰链副12、第六铰链副14中的任意三个作为驱动；同时，驱动每条开链中的所述第九铰链副20、第十铰链副21和连接闭链和开链的转动副22，即可完全驱动此构态下的本发明。
下面通过选取闭链中的第七铰链副15、第五铰链副13以及第六铰链副14，开链中的所述第九铰链副20、第十铰链副21和连接闭链和开链的转动副22为驱动关节进行说明。
驱动第七铰链副15和第六铰链副14转动相同角度、第五铰链副13与第八铰链副16转动相同角度、第二铰链副10和第四铰链副12相同角度，使得第六铰杆6与第七铰杆7(及第五铰杆5与第四铰杆4)、第七铰杆7与第八铰杆8(及第四铰杆4与第三铰杆3)、第八铰杆8与第一铰杆1(及第三铰杆3与第二铰杆2)夹角近似150度。这时变胞四足仿生机器人模仿的是螳螂的形态，如图10。
本发明中，腰部使用八杆变胞机构的四足仿生机器人中的空间八杆变胞机构(即闭链)具有多种构态，每种构态下机构拓扑结构以及自由度不尽相同。
本发明变胞四足仿生机器人的腰部机构(闭链)可变形，可进行运动和适应性调节。例如在遇到较窄弯道的时候，本发明可以使腰部扭转一个角度，能够顺利地拐过该弯道，而如果是刚性腰的多足仿生机器人则不能做到这一点。
本发明变胞四足仿生机器人通过腰部机构(闭链)变形，可以调节腰部(闭链)整体的重心，使得腰部的重心始终处在稳定域中最佳的位置，这样能使变胞仿生机器人运行更加稳定。
本发明变胞四足仿生机器人通过腰部机构(闭链)的变形，可以实现左右弓腰、仰腰，扭腰的动作，这些动作对仿生机器人运动适应性的调节是大有裨益的，这一点是刚性腰机器人做不到的。
本发明变胞四足仿生机器人通过两个水平方向转动铰链的运动可以在奔跑过程中起到缓冲和减震的作用，同时具有一定柔性的腰部可以大大提高机器人的奔跑速度，这儿一点可以从模拟的马和猎豹的奔跑姿态和速度中得到证实。
本发明变胞四足仿生机器人通过腰部机构(闭链)的变化，机器人不仅能改变各条腿(开链)之间的相对位置关系，同时还可以改变腰部本身的形态和刚度，并且综合以上两种变化，可以组合出多类动物形态，实现对多种动物形态的仿生，进而可以集各类动物的特点于一身，如爬行类动物的灵活性，昆虫类动物的稳定性，哺乳类动物的速度，节肢类动物手脚共用特性。
通过分析自然界中的爬行动物腰部脊椎骨骼结构，其结构对应于本发明闭链中两个水平方向转动铰链。同时考虑到各种动物的腿的相对位置关系，本发明中提出了可变腰(可变闭链)的概念，即，将平面八杆机构中的两个转动铰链换成了两个共线的水平方向转动铰链，得到了一种具有多种构态的空间八杆变胞机构。前四条腰杆，包括第六铰杆6、第七铰杆7、第八铰杆8、第一铰杆1和第二铰杆2始终共面。同理，后四条腰杆，包括第二铰杆2、第三铰杆3和第四铰杆4和第五铰杆5也始终共面。闭链中两个水平方向转动铰链轴线都在这两个平面上。
通过将上述空间八杆变胞机构作为爬行动物腰部结构，并在空间八杆变胞机构杆件中点处对称布置腿(开链)即可得到变胞仿生机器人。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。