[發明專利]具有全方位角度反饋的柔性脊椎

有效

• 申請號: 201210369945.1
• 申請日: 2012-09-27
• 公開（公告）號: CN102896633A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發明（設計）人: 朱秋國;王世全;熊蓉;褚健
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B25J11/00
• 分類號: B25J11/00
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 周烽

技術領域

本發明屬于機器人技術領域，尤其涉及一種具有全方位角度反饋的柔性脊椎。

背景技術

近年來，仿生機器人技術得到了迅速的發展，國內外學者通過模擬自然界生物的生理及其運動機理，已經研制出一批令人振奮的仿生機器人。從美國波士頓動力公司研制的可快速奔跑的“BigDog”和“Cheetah”四足機器人，到可快速穩定行走的“Petman”雙足仿人機器人，從德國FESTO公司研制的“大象鼻”，到可自由飛翔的“Smart?Bird”等，這些仿生技術應用于機器人上提高機器人運動的靈活性和柔韌性，提高了機器人適應自然界環境的適應性，也使得運動的效率得到了大幅提升。

脊椎是動物生理構造的重要部分，脊椎不僅保護了動物的中樞神經系統，也增強了動物運動的靈活性和柔順性。比如，狗和豹子需要通過脊椎的彎曲和伸展實現快速的奔跑；壁虎需要依靠脊椎實現在平面內的靈活轉向；人類需要依靠脊椎實現各種各樣的動作和姿態，同時還具有保持平衡的作用。此外，脊椎在動物活動中還能夠起到緩減震動的作用。因此，如何將脊椎應用到機器人中已經成為一個重要的研究課題。

目前為止，日本東京大學已研制的脊椎已應用在仿人機器人上，該脊椎的脊椎骨由一系列三自由度的球關節組成，相鄰脊椎骨間由彈性硅膠制成錐盤，并用張力彈簧模擬“韌帶”，并配有多個張力傳感器，最終由40個電機來驅動該脊椎。這種設計方式盡管提高了機器人運動的靈活性，擴大了機器人的運動范圍，也增強了機器人與人交互的安全性，但是整體設計采用了大量電機和傳感器，增加了開發的成本和風險。另外，MIT的Karl?Frederick?Leeser通過仿真分析了脊椎在四足機器人的運動特性，?Utku?Culha和Uluc?Saranlip將脊椎簡化成一個剛性轉動關節分析了在四足機器人奔跑中的特性。目前，國內對機器人脊椎的研究尚且空白。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供了一種具有全方位角度反饋的柔性脊椎，本發明通過記憶合金材料SMA代替傳統的電機驅動，以降低設計成本和設計空間的要求，提高機器人全方位運動的靈活性，提高機器人對環境的適應性。

本發明為解決上述問題所采用的技術方案是：一種具有全方位角度反饋的柔性脊椎，它主要包括脊椎、底座和若干驅動反饋單元；其中，底座部分包括底板和固定在底板中心的基座等，脊椎部分包括柔性脊椎體、脊椎環、頂部法蘭和底部法蘭等，柔性脊椎體的一端固定頂部法蘭，另一端固定底部法蘭，底部法蘭固定在基座的中心孔上，柔性脊椎體外圓周沿軸線方向均勻固定若干脊椎環；驅動反饋單元沿圓周均勻布置在底座上，每個驅動反饋單元包括一個位移傳感器、一個拉緊器和一根SMA絲；位移傳感器固定在底板上，它的位移線穿過基座側邊的光孔后進入基座的中心孔；拉緊器固定在基座上，SMA絲一端固定在拉緊器上，通過基座側邊的光孔進入基座的中心孔，纏繞壓底螺釘后與位移線一起依次穿過底部法蘭，脊椎環和頂部法蘭的圓周孔后，固定在頂部法蘭上。

本發明的有益效果是，本發明中采用了形狀記憶合金合金SMA絲作為脊椎的驅動，這種材料能夠進行壓縮和伸展，形變幅度高達8%，通電即可改變其形態，且能產生很大的回復力，相比于傳統的驅動，該驅動體積小而簡潔，其特殊性質使其在機器人領域中具備較大的潛力，沿圓周均勻布置的SMA絲使得柔性脊椎體具備了全方位的運動能力，通過引出位移傳感器的位移線，可以實時檢測和控制柔性脊椎體轉動的角度，另外，柔性脊椎體選用了柔性的材料，且加工成空心結構，使得在SMA絲驅動下，柔性脊椎體可全方位復合運動，且方便SMA絲供電電源的走線；固定SMA絲的拉緊器不僅可以調節柔性脊椎體的初始角度，而且可以通過調節SMA絲的松緊程度改變整個柔性脊椎體的轉動角度范圍。本發明采用的SMA絲材料作為機器人的驅動，使機器人具備了柔順性，結構更加緊湊，設計更加靈活，改變了以往的驅動設計模式，適合應用于機器人領域。

附圖說明

圖1是本發明的柔性脊椎的立體圖；

圖2是本發明的柔性脊椎的頂部安裝圖；

圖3是本發明的柔性脊椎的底部安裝圖；

圖4是本發明的拉緊器示意圖；

圖中，柔性脊椎體1、脊椎環2、SMA絲3、位移線4、壓頂螺釘5、壓頂螺釘6、頂部法蘭7、底部法蘭8、基座9、螺釘10、底板11、位移傳感器12、螺釘13、拉緊器14、調節旋鈕15、轉動軸16、螺釘17、壓底螺釘18。

具體實施方式

以下結合附圖進一步說明本發明，本發明的目的和效果將變得更加明顯。