专利名称：一种四足机器人仿生弹性脊柱机构的制作方法
技术领域：
本发明属于机器人技术领域，尤其涉及一种四足机器人仿生弹性脊柱机构。
背景技术：
四足机器人由于其在崎岖路面上优于传统轮式和履带式机器人的出色表现，以及其在军事、航天、生产、运输等领域的应用潜力，四足机器人技术研究是当前机器人领域的研究热点与前沿方向之一。实际的四足动物，尤其是猎豹、狮子等猫科动物均具有可以灵活弯曲伸缩的弹性脊柱，其可以在四足动物运动过程中储存和释放能量、増加腿部的运动范围，可有效提高奔跑速度、跳跃高度和距离。但目前大多数四足机器人的身体均为刚性结构，没有可弯曲的弹性脊柱，例如波士顿动力公司的“ BigDog”、“AlphaDog”和“ LittleDog”、东京エ业大学的“TITAN”系列四足机器人和日本电气通信大学的“TEKKEN”系列四足机器人等，由于缺少灵活的弹性脊柱，这些四足机器人很难实现高速奔跑。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，參考猫科动物的脊柱结构和运动特点，提供一种四足机器人仿生弹性脊柱机构，该机构的脊柱转动关节安装左右対称的两个扭簧，此时脊柱关节的转动和扭簧的弯曲约束在一起，扭簧随着关节的弯曲发生形变产生方向扭矩并储存弹性势能；在脊柱的两端连接一个气动肌腱，通过气动肌腱的主动伸缩提供关节的驱动カ矩，控制脊柱关节的运动，通过调整气动肌腱的伸縮速度改变弹性脊柱整体的弾性系数，同时气动肌腱本身的弾性也可辅助储能并约束脊柱关节的运动范围。为达到上述目的，本发明采用下述技术方案一种四足机器人仿生弹性脊柱机构，它包括前脊柱部分、后脊柱部分、弾性关节部分和气动肌腱部分，其中，所述前脊柱部分的一端通过弹性关节部分与后脊柱部分的一端相连，前脊柱部分的另一端通过气动肌腱部分与后脊柱部分的另一端相连。
进ー步地，所述前脊柱部分包括左前脊柱块、右前脊柱块、左前腿固定座、右前腿固定座、肌腱前联接轴、前脊柱块连接件和姿态传感器等；后脊柱部分包括后脊柱块、左后腿固定座、右后腿固定座和肌膜后联接轴等；弹性转动关节包括右旋扭黃、左旋扭黃、扭黃固定件和绝对式编码器等；气动肌腱部分包括气动肌腱、进气管、出气管、肌腱前连接件和肌腱后连接件等；所述后脊柱块的的转动轴上具有后脊柱左轴和后脊柱右轴；左前脊柱块和右前脊柱块分别通过轴承安装在后脊柱左轴和后脊柱右轴上，并通过前脊柱块连接件固连在一起；右旋扭簧的两端分别通过扭簧固定件固定在左前脊柱块的右侧面和后脊柱块的左侧面，左旋扭簧的两端分别通过扭簧固定件固定在右前脊柱块的左侧面和后脊柱块的右侧面；右旋扭簧和左旋扭簧的中心线与后脊柱块转动轴轴线一致；姿态传感器安装在前脊柱块连接件上用来检测前脊柱的倾斜角；绝对式编码器的外壳与左前脊柱块固连，绝对式编码器的输入轴与后脊柱左轴固连；左前腿固定座和右前腿固定座分别固定在左前脊柱块和右前脊柱块的前端，肌腱前联接轴两端分别固定在左前腿固定座和右前腿固定座的下侦牝肌腱前连接件与肌腱前联接轴通过转动副联接；左后腿固定座和右后腿固定座分别固定在后脊柱块末端左右两侧，肌膜后联接轴两端分别固定在左后腿固定座和右后腿固定座的下侧，肌腱后连接件与肌腱后联接轴通过转动副联接；气动肌腱的两端分别与肌腱前连接件和肌腱后连接件连接；进气管与气动肌腱的进气ロ连接，出气管与气动肌腱的出气ロ连接。本发明的有益效果是本发明设计了ー种有效、结构紧凑四足机器人仿生弹性脊柱机构，通过气动肌腱的主动伸缩可实现弹性脊柱关节的自由弯曲和刚度系数可调，本发明可以帮助四足机器人増加腿部的运动范围，同时两个扭簧和气动肌腱可以在机器人运动时储存和释放能量并有效吸收机器人足底的着地冲击力，提高四足机器人的奔跑速度和能量利用率。气动肌腱最高工作频率可达5HZ-10HZ，拉伸カ大，可以满足四足机器人奔跑时对脊柱运动性能要求，同时气动肌腱相比液压驱动具有质量轻、尺寸小，环境污染少等优点，同时也可在室外恶劣条件下正常工作。
图I是本发明的一种四足机器人仿生弹性脊柱机构整体形状结构示意 图2是本发明的ー种后脊柱块形状结构示意 图3是本发明的ー种左前脊柱块形状结构示意 图4是本发明的一种弹性脊柱关节联接结构示意 图5是本发明的一种扭簧固定件形状结构示意 图6是本发明的一种弹性脊柱前端联接结构示意 图中，左前脊柱块I、右前脊柱块2、后脊柱块3、右旋扭簧4、左旋扭簧5、绝对式编码器
6、扭簧固定件7、前脊柱块连接件8、姿态传感器9、左前腿固定座10、右前腿固定座11、肌腱前联接轴12、左后腿固定座13、右后腿固定座14、肌腱后联接轴15、气动肌腱16、进气管17、出气管18、肌腱前连接件19、肌腱后连接件20、后脊柱左轴21、后脊柱右轴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、扭簧固定螺纹孔26。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的优选实施例作进ー步说明。如图I所示，一种四足机器人仿生弹性脊柱机构包括前脊柱部分、后脊柱部分、弹性关节部分和气动肌腱部分，其中，前脊柱部分的一端通过弹性关节部分与后脊柱部分的一端相连，前脊柱部分的另一端通过气动肌腱部分与后脊柱部分的另一端相连。前脊柱部分包括左前脊柱块I、右前脊柱块2、左前腿固定座10、右前腿固定座11、肌腱前联接轴12、前脊柱块连接件8和姿态传感器9 ;后脊柱部分包括后脊柱块3、左后腿固定座13、右后腿固定座14、肌腱后联接轴15 ;弹性转动关节包括右旋扭簧4、左旋扭簧5、扭簧固定件7和绝对式编码器6 ;气动肌腱部分包括气动肌腱16、进气管17、出气管18、肌腱前连接件19和肌腱后连接件20。參见图I、图2、图3、图4和图5，一种四足机器人仿生弹性脊柱机构的弹性关节部分，包括左前脊柱I和右前脊柱2通过前脊柱间连接件8固连在一起组成的前脊柱，左前脊柱块I的左前脊柱通孔22通过内置滚动轴承与后脊柱块左轴21联接，右前脊柱块2的右前脊柱通孔通过内置滚动轴承与后脊柱右轴22联接；前脊柱可绕后脊柱块3的转动轴转动，形成脊柱关节；右旋扭簧4的两端分别通过扭簧固定件7固定在左前脊柱块I的右侧面和后脊柱块3的左侧面，左旋扭簧5的两端分别通过扭簧固定件7固定在右前脊柱块2的左侧面和后脊柱块3的右侧面；在扭簧固定件7的扭簧固定螺纹孔26内安装紧定螺钉并压紧在扭簧上，限制扭簧的轴向移动；右旋扭簧4和左旋扭簧5的中心线与后脊柱块的转动轴轴线一致，此时右旋扭簧4和左旋扭簧5的弯曲角度随着脊柱关节角度变化而变化，脊柱关节由于右旋扭簧4和左旋扭簧5的约束而具有弾性，构成弹性脊柱关节。參见图I、图4和图6，该弹性脊柱机构的前脊柱部分，左前腿固定座10通过螺栓固定在左前脊柱块I的前端，右前腿固定座11通过螺栓固定在右前脊柱块2的前端；肌腱前联接轴12两端分别安装在左前腿连接件10和右前腿连接件11的异性孔上。
參见图I和图3，该弹性脊柱机构的后脊柱部分，左后腿固定座13通过4个螺栓固定在后脊柱块3的末端左侧，右后腿固定座14通过4个螺栓固定在后脊柱3块的末端右侦牝肌腱后联接轴15两端分别安装在左后腿固定座13和右后腿固定座14的异性孔上。參见图1，气动肌腱16的前端和后端分别与肌腱前连接件19和肌腱后连接件20连接，肌腱前连接件19内置滚动轴承安装在肌腱前联接轴12上，肌腱后连接件20内置滚动轴承安装在肌腱后联接轴15上，此时通过气动肌腱16长度变化可改变肌腱前联接轴12和肌腱后联接轴15之间的距离，从而改变脊柱关节角度；进气管17与气动肌腱16的进气ロ连接，出气管18与气动肌腱16的出气ロ连接。本发明的工作过程如下本发明在实际使用和操作过程中，可以将四足机器人的四条腿通过4个螺栓分别安装在左前腿固定座10、右前腿固定座11、左后腿固定座13和右后腿固定座14上，组成ー个完整的具有弾性脊柱的四足机器人。通过控制气动肌腱16的进气量和出气量改变气动肌腱16的长度，从而实现弹性脊柱关节的转动，并通过绝对式编码器6的角度反馈，实现脊柱关节角的闭环控制。当四足机器人在奔跑期间，当其前腿着地，机器人身体及后腿的惯性将压缩弹性脊柱关节，机器人的部分动能转换为右旋扭簧4和左旋扭簧5的弹性势能；当机器人后腿着地、前腿离地吋，刚存储在右旋扭簧4和左旋扭簧5中弹性势能重新转换为动能，用来増加前腿的运动速度和范围；同时在此过程中控制气动肌腱的长度，提高弹性脊柱关节的可控性和运动能力。最后仿生弾性脊柱机构也可以用在机器人腿关节的设计上，増加腿部的柔性和运动能力。
权利要求
1.一种四足机器人仿生弹性脊柱机构，其特征在于，它包括前脊柱部分、后脊柱部分、弾性关节部分和气动肌腱部分，其中，所述前脊柱部分的一端通过弹性关节部分与后脊柱部分的一端相连，前脊柱部分的另一端通过气动肌腱部分与后脊柱部分的另一端相连。
2.根据权利要求I所述四足机器人仿生弹性脊柱机构，其特征在于，所述前脊柱部分包括左前脊柱块(I)、右前脊柱块(2)、左前腿固定座(10)、右前腿固定座(11)、肌腱前联接轴(12)、前脊柱块连接件(8)和姿态传感器(9)等；后脊柱部分包括后脊柱块(3)、左后腿固定座(13)、右后腿固定座(14)和肌膜后联接轴(15)等；弹性转动关节包括右旋扭黃(4)、左旋扭簧(5)、扭簧固定件(7)和绝对式编码器(6)等；气动肌腱部分包括气动肌腱(16)、进气管(17)、出气管(18)、肌腱前连接件(19)和肌腱后连接件(20)等；所述后脊柱块(3)的的转动轴上具有后脊柱左轴(21)和后脊柱右轴(22 );左前脊柱块(I)和右前脊柱块(2 )分别通过轴承安装在后脊柱左轴(21)和后脊柱右轴(22)上，并通过前脊柱块连接件(8)固连在一起；右旋扭簧(4)的两端分别通过扭簧固定件(7)固定在左前脊柱块(I)的右侧面和后脊柱块(3)的左侧面，左旋扭簧(5)的两端分别通过扭簧固定件(7)固定在右前脊柱块(2)的左侧面和后脊柱块(3)的右侧面；右旋扭簧(4)和左旋扭簧(5)的中心线与后脊柱块(3)转动轴轴线一致；姿态传感器(9)安装在前脊柱块连接件(8)上用来检测前脊柱的倾斜角；绝对式编码器(6)的外壳与左前脊柱块(I)固连，绝对式编码器(6)的输入轴与后脊柱左轴(21)固连；左前腿固定座(10)和右前腿固定座(11)分别固定在左前脊柱块(I)和右前脊柱块(2)的前端，肌腱前联接轴(12)两端分别固定在左前腿固定座(10)和右前腿固定座(11)的下側，肌腱前连接件(19)与肌腱前联接轴(12)通过转动副联接；左后腿固定座(13)和右后腿固定座(14)分别固定在后脊柱块(3)末端左右两侧，肌腱后联接轴(15)两端分别固定在左后腿固定座(13)和右后腿固定座(14)的下侧，肌腱后连接件(20)与肌腱后联接轴(15)通过转动副联接；气动肌腱(16)的两端分别与肌腱前连接件(19)和肌腱后连接件(20)连接；进气管(17)与气动肌腱(16)的进气ロ连接，出气管(18)与气动肌腱(16)的出气ロ连接。
全文摘要
本发明涉及一种四足机器人仿生弹性脊柱机构，该机构在脊柱转动关节上安装两个左右对称的扭簧，此时脊柱关节的转动与扭簧的弯曲约束在一起，扭簧随着脊柱关节的弯曲发生形变产生反方向扭矩并储存弹性势能，在脊柱的两端连接一个气动肌腱，通过气动肌腱的主动伸缩来控制脊柱关节的转动，调整气动肌腱的伸缩速度可以改变弹性脊柱整体的弹性系数，同时气动肌腱本身的弹性也可辅助储能并约束脊柱关节的运动范围，仿生弹性脊柱可以有效增强四足机器人的运动能力，提高能量的利用效率。
文档编号B62D57/032GK102673674SQ20121017780
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月1日 优先权日2012年6月1日
发明者吴俊 , 李超, 熊蓉 申请人:浙江大学