仿生海星运动的可折叠并联机构及其爬行、越障方法与流程

本发明涉及机器人技术领域，特别是指一种仿生海星运动的可折叠并联机构及其爬行、越障方法。

背景技术：

现代智能机械不仅要能够满足平坦路面简单的移动，而且还要能够适应地形沟壑纵横、高低不平的山路和海底环境。其中，海洋约占地球表面积的71％，蕴藏着丰富的矿产资源和海洋生物资源，海洋生物中的海星体扁平，多为五辐射对称，内骨骼的骨板以结缔组织相连，柔韧可曲，有着径向对称的四肢和众多的小微管脚，能够适应复杂的海底环境，并且可以在地形沟壑纵横，高低不平的环境下安全着陆。因此，研究类似海星软体组织的机械结构对推动海洋资源探测技术发展具有重要的现实意义。

现有技术中对类似海星软体组织的机械结构的技术研发已经取得了一定的相应成果，例如离子聚合物金属复合结构制动器、SMA驱动器等。离子聚合物金属复合结构制动器质量轻而且可以满足大型弯曲位移，但是只能产生很小的力量；SMA驱动器利用简单的机构能够产生很大的位移，但是在冷却恢复阶段对空气流、温度等环境条件比较敏感，而且，如果仿生海星拥有很多管脚来增加海星机构的灵活性，就会增加控制难度，导致机构过于复杂。因此有必要提供一种既结构简单、控制方便，又可以实现爬行、翻滚和折叠等多个运动状态，以适应多重复杂环境的仿生海星运动的并联机构。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种既结构简单、控制方便，又可以实现爬行、翻滚和折叠等多个运动状态，以适应多重复杂环境的一种仿生海星运动的可折叠并联机构及其爬行、越障方法。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一方面，提供一种仿生海星运动的可折叠并联机构，包括动平台，其中：

所述动平台的周围均匀依次连接第一运动支链、第二运动支链、第三运动支链、第四运动支链和第五运动支链，各运动支链均为主动驱动支链；

各运动支链均包括依次连接的至少3个传动杆，所述传动杆包括第一传动杆、第二传动杆和第三传动杆，所述动平台与运动支链之间以及各传动杆之间均通过运动副连接，各运动副上均设置有驱动装置；

相邻运动支链的末端之间均通过至少2个连接杆连接，所述连接杆包括第一连接杆和第二连接杆，各连接杆之间以及所述连接杆与运动支链的末端之间均通过运动副连接。

进一步的，所述动平台与第一传动杆之间、第一传动杆与第二传动杆之间以及第二传动杆与第三传动杆之间分别通过第一转动副、第二转动副、第三转动副连接。

进一步的，所述第二转动副分别与所述第一转动副、第三转动副垂直，所述第一转动副、第三转动副的轴线分别与所述动平台所在的平面平行，所述第二转动副的轴线与所述动平台所在的平面垂直。

进一步的，所述第一连接杆、第二连接杆与相应运动支链的末端之间均通过一对U副连接，所述第一连接杆与第二连接杆之间通过两对U副和一个转动副连接。

进一步的，所述第二传动杆为长度可变的伸缩杆。

另一方面，提供一种上述的仿生海星运动的可折叠并联机构的爬行方法，包括：

步骤1：所述动平台为支撑点，保持原位置不动，各运动支链的末端在相应运动支链的作用下前移，此时所述第一运动支链向前进方向延伸，所述第三运动支链和第四运动支链向前进方向收缩；所述第二运动支链和第五运动支链各自的第二传动杆旋转，辅助整个机构爬行前进；

步骤2：各运动支链的末端为整个机构的支撑点，支撑点保持原位置不动，所述动平台在各运动支链的作用下前进，此时所述第一运动支链向前进方向收缩，所述第三运动支链和第四运动支链向前进方向延伸；所述第二运动支链和第五运动支链各自的第二传动杆旋转，辅助整个机构爬行前进，然后转至步骤1，准备执行下一个爬行动作。

再一方面，提供另一种上述的仿生海星运动的可折叠并联机构的爬行方法，包括：

步骤1：所述动平台为支撑点，保持原位置不动，各运动支链的末端在相应运动支链的作用下前移，此时所述第一运动支链、第二运动支链和第五运动支链的伸缩杆分别以所述动平台为固定点伸展，使其末端前移，所述第三运动支链和第四运动支链的伸缩杆分别以所述动平台为固定点收缩，使其末端前移；

步骤2：各运动支链的末端为整个机构的支撑点，支撑点保持原位置不动，所述动平台在各运动支链的作用下前进，此时，所述第一运动支链、第二运动支链和第五运动支链的伸缩杆分别以其相应运动支链的末端为固定点收缩，带动所述动平台前行，所述第三运动支链和第四运动支链的伸缩杆分别以其相应运动支链的末端为固定点伸展，推动所述动平台前行，然后转至步骤1，准备执行下一个爬行动作。

再一方面，提供一种上述的仿生海星运动的可折叠并联机构的越障方法，包括：

步骤1：各运动支链收缩，使得动平台位于整个机构的最上方，各运动支链的末端位于动平台的正下方，此时，各运动支链的末端为整个机构的支撑点，支撑点保持原位置不动，之后所述第一运动支链、第二运动支链和第五运动支链各自的第三传动杆均向远离障碍物的方向旋转，使得整个机构的重心向障碍物的方向倾斜；

步骤2：整个机构翻转跨越障碍物，此时所述动平台接触地面，为整个机构的支撑点，所述动平台保持位置不动，各运动支链在各自运动副的作用下向远离所述动平台的中心方向伸展；

步骤3：各运动支链完成伸展动作后，以各运动支链的末端为支撑点，各运动支链在各自运动副的作用下收缩，带动所述动平台脱离地面，为执行下一个动作做准备。

本发明具有以下有益效果：

本发明的仿生海星运动的可折叠并联机构及其爬行、越障方法，五个运动支链以动平台为中心呈辐射状均匀分布，形似“海星”，各运动支链均包括依次连接的至少3个传动杆和实现各传动杆连接的运动副，相邻运动支链的末端均通过至少2个连接杆连接，各连接杆之间以及连接杆与运动支链的末端之间均通过运动副连接。整个机构的执行部分是动平台与运动支链之间、各传动杆之间、各连接杆之间以及连接杆与运动支链的末端之间的运动副，其中，传动杆之间的运动副为主动运动副，各连接杆之间以及连接杆与运动支链的末端之间的运动副为从动运动副，在动平台、各运动支链以及各连接杆的协调作用下，整个机构可以完成爬行、翻滚和折叠等动作。综上，与现有技术相比，本发明结构简单、控制方便，可以实现爬行、翻滚和折叠等多个运动状态，能够适应多重复杂的环境。

附图说明

图1为本发明的仿生海星运动的可折叠并联机构的结构示意图；

图2为本发明的仿生海星运动的可折叠并联机构的运动支链的结构示意图；

图3为本发明的仿生海星运动的可折叠并联机构的连接杆的结构示意图；

图4为本发明的仿生海星运动的可折叠并联机构的第二传动杆为伸缩杆的结构示意图；

图5为本发明的仿生海星运动的可折叠并联机构的第一种爬行方法的的状态示意图，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分别为各步骤对应的状态示意图；

图6为本发明的仿生海星运动的可折叠并联机构的第二种爬行方法的的状态示意图，其中(a)、(b)、(c)、(d)分别为各步骤对应的状态示意图；

图7为本发明的仿生海星运动的可折叠并联机构的越障方法的状态示意图，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分别为各步骤对应的状态示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

一方面，本发明提供一种仿生海星运动的可折叠并联机构，如图1-4所示，包括动平台1，其中：

动平台1的周围均匀依次连接第一运动支链21、第二运动支链22、第三运动支链23、第四运动支链24和第五运动支链25，各运动支链均为主动驱动支链；

各运动支链均包括依次连接的至少3个传动杆3，传动杆3包括第一传动杆31、第二传动杆32和第三传动杆33，动平台1与运动支链之间以及各传动杆31/32/33之间均通过运动副4连接，各运动副4上均设置有驱动装置；

相邻运动支链的末端之间均通过至少2个连接杆5连接，连接杆5包括第一连接杆51和第二连接杆52，各连接杆51/52之间以及连接杆5与运动支链的末端之间均通过运动副6连接。

本发明的仿生海星运动的可折叠并联机构，五个运动支链以动平台1为中心呈辐射状均匀分布，形似“海星”，该设计能够灵活控制机构的动作方向。整个机构的执行部分是动平台1与运动支链之间、各传动杆31/32/33之间、各连接杆51/52之间以及连接杆5与运动支链的末端之间的运动副4/6，其中，动平台1与运动支链之间、各传动杆31/32/33之间的运动副4为主动运动副，各连接杆51/52之间以及连接杆5与运动支链的末端之间的运动副6为从动运动副，在动平台、各运动支链以及各连接杆的协调作用下，整个机构可以完成爬行、翻滚和折叠等动作。综上，与现有技术相比，本发明结构简单、控制方便，可以实现爬行、翻滚和折叠等多个运动状态，能够适应多重复杂的环境。

优选的，如图2所示，动平台1与第一传动杆31之间、第一传动杆31与第二传动杆32之间以及第二传动杆32与第三传动杆33之间分别通过第一转动副41、第二转动副42、第三转动副43连接。采用转动副连接，可以使得控制更加方便。另外，第二转动副42分别与第一转动副41、第三转动副43垂直，其中，第一转动副41、第三转动副43的轴线分别与动平台1所在的平面平行，第二转动副42的轴线与动平台1所在的平面垂直。第二转动副42分别与第一转动副41、第三转动副43垂直分布能够扩大各运动支链的运动范围。

为了更好地协调各运动支链完成爬行、翻滚及折叠等动作，如图3所示，第一连接杆51、第二连接杆52与相应运动支链的末端之间均通过一对U副61连接，第一连接杆51与第二连接杆52之间通过两对U副62和一个转动副63连接。连接杆具有约束相邻运动支链相对位置和减小各运动支链上驱动力负荷的作用。

本发明的仿生海星运动的可折叠并联机构中，第二传动杆32采用长度可变的伸缩杆32’。伸缩杆32’能够使整个机构在完全伸展的状态下蠕动前进，而且能够使整个机构翻过更高的障碍物，提高越障的能力。需要说明的是，仿生海星运动的可折叠并联机构还包括控制单元，控制单元优先设置在动平台上，驱动装置优选采用电动机。

另一方面，本发明提供两种上述的仿生海星运动的可折叠并联机构的爬行方法。

第一种爬行方法，包括：

步骤1：动平台1为支撑点，保持原位置不动，各运动支链的末端在相应运动支链的作用下前移，此时第一运动支链21向前进方向延伸，第三运动支链23和第四运动支链24向前进方向收缩；第二运动支链22和第五运动支链25各自的第二传动杆32旋转，辅助整个机构爬行前进；

步骤2：各运动支链的末端为整个机构的支撑点，支撑点保持原位置不动，动平台1在各运动支链的作用下前进，此时第一运动支链21向前进方向收缩，第三运动支链23和第四运动支链24向前进方向延伸；第二运动支链22和第五运动支链25各自的第二传动杆32旋转，辅助整个机构爬行前进，然后转至步骤1，准备执行下一个爬行动作。

本爬行方法中，如图5所示，以参考线为基准，图(a)中，参考线在动平台1的左侧，此时以动平台1为整个机构的支撑点，保持位置不变，第一运动支链21上的各转动副在驱动装置的作用下，带动该运动支链上的传动杆3向远离参考线的方向伸展，使得该运动支链的末端前移，在此过程中，其他四个运动支链的末端保持位置不变，构成一个静止的平台，同样，其他运动支链在动作时，都保持另外四个运动支链不动作；第一运动支链21的末端前移后，第三运动支链23和第四运动支链24上的传动杆3分别向靠近参考线的方向收缩，带动其相应的末端前移，接下来，第二运动支链21和第五运动支链25各自的第二传动杆32旋转，辅助整个机构爬行前进。图(b)中，各运动支链的末端为整个机构的支撑点，保持原位置不动，第一运动支链21上的各转动副在驱动装置的作用下，带动该运动支链上的传动杆3向该运动支链的末端收缩，同时，第三运动支链23和第四运动支链24上的传动杆3向远离其相应的末端伸展，从而使得动平台1前移越过参考线，在此过程中，第二运动支链22和第五运动支链25各自的第二传动杆32旋转，辅助整个机构爬行前进。然后，如图(c)～(e)所示，以动平台1为支撑点，第一运动支链21向前延伸，依次收缩第三运动支链23和第四运动支链24，准备执行下一个爬行动作。综上，本发明的仿生海星运动的可折叠并联机构在动平台、各运动支链以及各连接杆的协调作用下，能够在多重复杂的环境下完成爬行前进动作。

为了适应多重复杂的环境，能够在低矮、狭窄的环境中爬行前进，提供另一种爬行方法，如图6所示，将各运动支链的第二传动杆32换成长度可变化的伸缩杆32’，动平台1、各运动支链和各连接杆基本保持在同一个平面内，不像图5中的机构在爬行前进时，需要各运动支链弯曲占用一定的高度空间。

第二种爬行方法，包括：

步骤1：如图6中的(a)所示，动平台1为支撑点，保持原位置不动，各运动支链的末端在相应运动支链的作用下前移，此时第一运动支链21、第二运动支链22和第五运动支链25的伸缩杆32’分别以动平台1为固定点伸展，使其末端前移，第三运动支链23和第四运动支链24的伸缩杆32’分别以动平台1为固定点收缩，使其末端前移；

步骤2：如图6中的(b)～(d)所示，各运动支链的末端为整个机构的支撑点，支撑点保持原位置不动，动平台1在各运动支链的作用下前进，此时，第一运动支链21、第二运动支链22和第五运动支链25的伸缩杆32’分别以其相应运动支链的末端为固定点收缩，带动动平台1前行，第三运动支链23和第四运动支链24的伸缩杆32’分别以其相应运动支链的末端为固定点伸展，推动动平台1前行，然后转至步骤1，准备执行下一个爬行动作。

再一方面，提供一种上述的仿生海星运动的可折叠并联机构的越障方法，如图7所示，包括：

步骤1：如图7中的(a)～(b)所示，各运动支链收缩，使得动平台1位于整个机构的最上方，各运动支链的末端位于动平台1的正下方(处于图(a)中所示的“站立”状态)，此时，各运动支链的末端为整个机构的支撑点，支撑点保持原位置不动，之后第一运动支链21、第二运动支链22和第五运动支链25各自的第三传动杆33均向远离障碍物的方向旋转，使得整个机构的重心向障碍物的方向倾斜；

步骤2：如图7中的(c)～(d)所示，整个机构翻转跨越障碍物，此时动平台1接触地面，为整个机构的支撑点，动平台1保持位置不动，各运动支链在各自运动副4的作用下向远离动平台1的中心方向伸展；

步骤3：如图7中的(e)～(f)所示，各运动支链完成伸展动作后，以各运动支链的末端为支撑点，各运动支链在各自运动副4的作用下收缩，带动动平台1脱离地面，为执行下一个动作做准备。

本发明的仿生海星运动的可折叠并联机构在动平台、各运动支链以及各连接杆的协调作用下，能够在多重复杂的环境下完成越障动作，其中，第二传动杆采用长度可变化的伸缩杆时，能够使整个机构翻过更高的障碍物，提高越障的能力。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。