一种基于脊柱形态仿生的可传动柔性骨架及其控制方法

1.本发明涉及水下仿生机器人技术领域，具体为一种基于脊柱形态仿生的可传动柔性骨架及其控制方法。


背景技术：

2.近年来，随着水下各种资源的开发、水下生物科考探索、水下管道探测和巡检等等领域对水下机器人的需求日益增长，水下机器人的研究得到快速发展；对于水下仿生机器人骨架，主要分为两种，一种是刚性骨架、另一种是柔性骨架，柔性骨架使得机器人拥有更好的机动性和灵活性，能适应多种复杂的环境，适合在狭窄复杂地形中游动；
3.传统的水下机器人的整体骨架多采用刚性的设计，但是该方式仍存在不足之处：在复杂的水体环境中工作时，不能很好的适应各种复炸的环境；无法很好的胜任水下科考以及一些侦察任务。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种基于脊柱形态仿生的可传动柔性骨架及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种基于脊柱形态仿生的可传动柔性骨架，包括头部，所述头部顶部固定固定连接有线驱动弯曲机构，所述头部左侧设置有子骨架，所述子骨架内侧设置有柔性传动机构，所述子骨架等间距密集分布在头部左侧。
7.所述线驱动弯曲机构包括舵机，所述舵机固定连接在头部顶部，舵机顶部设置有舵机盘，所述舵机盘外表面固定连接有细尼龙线，两个子骨架之间设置有同一个弹簧，所述细尼龙线左端贯穿于各个子骨架，所述细尼龙线左端设置有细尼龙线夹紧器。
8.优选的，所述细尼龙线设置有两根，两根所述细尼龙线在舵机盘反向盘绕，。
9.优选的，所述细尼龙线夹紧器右侧与子骨架左侧紧密贴合，两个子骨架之间紧密贴合，在细尼龙线尾部用细尼龙线夹紧器夹紧，达到紧绷的作用。
10.优选的，所述弹簧套接在细尼龙线外表面，弹簧两头分别嵌入两子骨架之间，各个骨架在不受力的情况下不弯曲。
11.优选的，所述柔性传动机构包括凸轮关节，所述凸轮关节设置在子骨架内侧，所述凸轮关节左右两侧均固定连接有滑动轴承，对应两个滑动轴承内侧均固定连接有软轴连接头，两个软轴连接头内侧设置有同一根软轴。
12.优选的，所述滑动轴承分别位于同一子骨架左右两侧，方便子骨架之间的安装，软轴通过钢丝交叉编织制成，两节子骨架之间通过软轴连接起相应的软轴连接头连接，通过软轴连接可以使两个字骨架可以进行弯曲。
13.所述基于脊柱形态仿生的可传动柔性骨架的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
14.s1、初始状态：当可传动柔性骨架处于初始状态时，弯曲程度处于初始设定状态，通过改变两端细尼龙绳的松紧程度，从而改变弯曲整个可传动柔性骨架的弯曲程度；
15.s2、改变可传动柔性骨架弯曲程度：当需要改变可传动柔性骨架弯曲程度的时候，改变细尼龙绳的松紧，从而弯曲可传动柔性骨架；在可传动柔性骨架的头部放有舵机，当需要改变可传动柔性骨架弯曲程度时，通过旋转舵机，舵机转动进而改变细尼龙绳的松紧，使得可传动柔性骨架弯曲，从而适应多种复杂地形；
16.s3、达到设定的弯曲程度：达到设定弯曲程度后，舵机停下转动，但是持续通电，从而使可传动柔性骨架达到稳定的新的弯曲程度。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
18.本发明提供的基于脊柱形态仿生的可传动柔性骨架及其控制方法，模仿自然界中的脊柱骨架，由舵机带动细尼龙绳拉动各个子骨架，达到弯曲整个骨架的效果，除此之外，骨架中还是用了柔性传动技术，使用以钢丝交叉编织的软轴，使其在弯曲状态下仍能传动，大大提高了整体的灵活性，能适应多种环境，满足多种任务需求。
附图说明
19.图1为本发明实施例可传动柔性骨架的立体外形结构示意图；
20.图2为本发明实施例可传动柔性骨架的软轴连接头与凸轮关节的连接示示意图；
21.图3为本发明实施例可传动柔性骨架的软轴与软轴连接头胶接示意图；
22.图4为本发明实施例可传动柔性骨架的子骨架之间的连接示意图；
23.图5为本发明实施例可传动柔性骨架的两关节结构简图；
24.图6为本发明实施例可传动柔性骨架的两关节弯曲结构简图；
25.图7为本发明实施例可传动柔性骨架的总体控制原理简图。
26.图中：1、头部；2、线驱动弯曲机构；21、舵机；22、舵机盘；23、细尼龙线；24、弹簧；25、细尼龙线夹紧器；3、柔性传动机构；31、凸轮关节；32、软轴；33、软轴连接头；34、滑动轴承；4、子骨架。
具体实施方式
27.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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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。
28.请参阅图1-7，本发明提供的基于脊柱形态仿生的可传动柔性骨架，包括头部1，头部1顶部固定固定连接有线驱动弯曲机构2，头部1左侧设置有子骨架4，子骨架4内侧设置有柔性传动机构3，子骨架4等间距密集分布在头部1左侧。
29.线驱动弯曲机构2包括舵机21，舵机21固定连接在头部1顶部，舵机21顶部设置有舵机盘22，舵机盘22外表面固定连接有细尼龙线23，细尼龙线23设置有两根，两根细尼龙线23在舵机盘22反向盘绕，两个子骨架4之间设置有同一个弹簧24，弹簧24套接在细尼龙线23外表面，细尼龙线23左端贯穿于各个子骨架4，细尼龙线23左端设置有细尼龙线夹紧器25，细尼龙线夹紧器25右侧与子骨架4左侧紧密贴合，两个子骨架4之间紧密贴合。
30.柔性传动机构3包括凸轮关节31，凸轮关节31设置在子骨架4内侧，凸轮关节31左右两侧均固定连接有滑动轴承34，滑动轴承34分别位于同一子骨架4左右两侧，对应两个滑动轴承34内侧均固定连接有软轴连接头33，两个软轴连接头33内侧设置有同一根软轴32，软轴32通过钢丝交叉编织制成，两节子骨架4之间通过软轴32连接起相应的软轴连接头33连接。
31.所述基于脊柱形态仿生的可传动柔性骨架的控制方法，包括以下步骤：
32.s1、初始状态：当可传动柔性骨架处于初始状态时，弯曲程度处于初始设定状态，通过改变两端细尼龙绳23的松紧程度，从而改变弯曲整个可传动柔性骨架的弯曲程度；
33.s2、改变可传动柔性骨架弯曲程度：当需要改变可传动柔性骨架弯曲程度的时候，改变细尼龙绳23的松紧，从而弯曲可传动柔性骨架；在可传动柔性骨架的头部1放有舵机21，当需要改变可传动柔性骨架弯曲程度时，通过旋转舵机21，舵机21转动进而改变细尼龙绳23的松紧，使得可传动柔性骨架弯曲，从而适应多种复杂地形；
34.s3、达到设定的弯曲程度：达到设定弯曲程度后，舵机21停下转动，但是持续通电，从而使可传动柔性骨架达到稳定的新的弯曲程度。
35.本发明实现基于脊柱形态仿生的可传动柔性骨架的具体控制方法为：
36.1、软轴连接头33与凸轮关节31的连接
37.如图所示，软轴连接头33分为三部分工作段，凸轮关节31两边各设置有一个正方形的孔，软轴连接头33的第一工作段为与凸轮关节31相配合的正方形凸起，两者采用过盈配合，软轴连接头33的第二工作段为5mm的圆柱区域，用于与滑动轴承34配合旋转，由于体积有限采用滑动轴承34，两者为间隙配合，软轴连接头33的第三工作段为一段过渡圆弧，一是为了减轻整体弯曲时软轴连接头33与关节一侧正压力增加而导致的摩擦力增大的现象，二是起到限位作用。
38.2、软轴32与软轴连接头33胶接方案
39.软轴32为在中心钢丝上螺旋缠绕4～5层钢丝且相邻各层钢丝捻向相反的钢丝束。如图所示，打磨掉软轴32表面的油膜涂层之后，软轴32插进软轴连接头33预留的方孔中，然后灌入ab胶水填充四个角的缝隙，待凝固之后软轴32的一端形成胶质方轴，防止过载时胶水将软轴连接头33内孔表面的一层光敏树脂粘至脱落。
40.3、子骨架4之间的连接方案
41.如图所示，子骨架41中放有凸轮关节31，在子骨架4孔为中放入滑动轴承34，与子骨架4为过盈配合，软轴连接头33用上述1方案与凸轮关节31连接，然后软轴连接头33用上述2方案与软轴32连接，再使用相同的步骤与子骨架42连接，即为两子骨架4之间的连接。
42.4、细尼龙线23与各子骨架4连接方案
43.细尼龙线23头部穿过舵机盘22的两个孔位并且绑紧舵机盘22，两根细尼龙线23在舵机盘22反向盘绕，然后依次穿过各个子骨架4，弹簧24两头分别嵌入两子骨架4之间，各个骨架在不受力的情况下不弯曲，在细尼龙线23尾部用细尼龙线夹紧器25夹紧。
44.4、运动功能的实现：向上弯曲、向下弯曲
45.当机器遇到障碍物或狭窄地形时，可以控制舵机21正向旋转或反向旋转，使得细尼龙绳松紧，进而带动整个可传动柔性骨架向上或向下弯曲，同时柔性传动系统能保证骨架在弯曲的同时仍然有动力的传输，因此，在水下时能带动机器人上升或者下潜，从而达到
适应多种地形的效果。
46.如图5、图6所示，其为两关节的结构简图，中间为柔性传动系统，当舵机21驱动可传动柔性骨架弯曲时两子骨架4之间可弯曲一定角度。
47.在此定义一些物理量：r：柔性传动系统与子骨架4中细尼龙线23孔的中心距、l:两子骨架4之间的距离，α：节间角，β：俯仰角,n：关节间隙数，：可传动柔性骨架的总弯曲角度。
48.根据相似三角形的性质，以及三角函数变换，最终我们得到可传动柔性骨架的总弯曲角度的函数模型。
[0049][0050][0051]
代入模型中的各个数据，得到可传动柔性骨架的总弯曲角度为39.88
°
。
[0052]
本发明上述实施例具有如下优点：
[0053]
1、主体骨架由多个独立的可灵活活动的小关节串联而成，而每个小关节中安装有一组波动式推进机构，推进机构为摆动凸轮机构，每一组推进机构中的凸轮按照90
°
相位角差值进行排列；
[0054]
2、尾部输入的动力通过多组以钢丝交叉编织的软轴32传递到每组的凸轮摆杆机构上，同时位于头部的防水舵机21的舵机盘22上连接有两根贯穿所有关节并使用细尼龙线夹紧器25固定在最后一个关节的细尼龙线23，两根线按照舵机盘22中心点对称分布连接，左侧尼龙绳穿过所有关节的上方预留孔并固定于最后一节关节处，右侧尼龙线穿过所有关节的下方预留孔并固定于最后一节关节处；
[0055]
3、正视舵机盘22时，当舵机盘22顺时针转动带动左侧的尼龙线缠绕上舵机盘22时，即左侧尼龙线收到牵拉而缩短，压缩整体关节上半部的间距，右侧尼龙线放松，整体关节下半部间距因上半部间距压缩而增大，从而实现整体弯曲，即使在整体弯曲的状态下，以钢丝交叉编织的软轴32也能确保在尾部输入的动力的传递。
[0056]
本发明提供的基于脊柱形态仿生的可传动柔性骨架及其控制方法，可模仿自然界中的脊柱骨架，由舵机带动细尼龙绳拉动各个子骨架，达到弯曲整个骨架的效果，除此之外，骨架中还是用了柔性传动技术，使用以钢丝交叉编织的软轴，使其在弯曲状态下仍能传动，大大提高了整体的灵活性，能适应多种环境，满足多种任务需求。
[0057]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。