[實用新型]一種串并混聯的四足機器人主動柔順脊椎

有效

• 申請號: 201720491911.8
• 申請日: 2017-05-05
• 公開（公告）號: CN206717847U
• 公開（公告）日: 2017-12-08
• 發明（設計）人: 李中雯;金英連;沈曉斌;郭振武;黎建軍;王斌銳
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: B25J9/00
• 分類號: B25J9/00
• 代理公司: 杭州奧創知識產權代理有限公司33272
• 代理人: 王佳健

技術領域

本實用新型涉及四足仿生機器人領域，具體涉及一種六自由度串并混聯的四足機器人主動脊椎。

背景技術

移動機器人多數用在災害救援等惡劣條件下，研究的持續性目的是增強移動系統的運動能力。自然界中，陸地上的絕大多數哺乳類動物的行走都是依靠腿足來實現的，不僅靈活、迅速，而且對各種復雜地形有著極強的適應能力。而脊椎作為哺乳動物身體的中心元素，可以被用于增強運動范圍和吸收沖擊。

近幾年，四足仿生機器人領域大多關注于機器人腿部的運動控制，已有的多足爬行機器人軀干中沒有靈活的脊椎，所研制出的連接前肢和后肢的剛性結構軀體，難以向非結構化的環境應用延伸。從仿生學的角度來看，含脊椎生物在億萬年的進化中體現出良好的運動控制能力，從多足向少足與柔性脊椎結合的改進方向更加符合機構仿生進化的思想，而且隨著含脊椎柔性軀干的出現，機器人足的設計變得簡單、尺寸變小。

目前國內外含脊椎的四足機器人研究大多是被動柔順，多使用彈性體代替。雖然彈性元件的使用可以保護系統免受過硬和突然的運動或振動，使其在運動過程表現出較優良的穩定性。但對于機器人的轉向、疾馳或者跳躍過程中的脊椎變形無法進行主動控制，限制了四足機器人的主動自由度、步態長度以及運行速度。

并聯結構是一個脊椎關節的理想特征。機器人在快速運動和非結構化的環境中，脊椎關節會受到強烈不穩定的沖擊力，與串聯結構相比，并聯結構提供更高的精度，端部執行器支撐在幾個機械鏈上，并且單個驅動器的誤差不會累加。但是單個并聯機構的運動范圍比較小，而串聯的方式可以增加脊椎的運動范圍。

現在也有使用并聯機構來做四足機器人柔性軀干的方案，來實現快速運動和地形適應性。如中國專利文獻[申請號：CN201510330474.7]公開了一種具有并聯腰結構的四足機器人，包括機架、并聯腰結構和四條并聯機械腿，在并聯腰結構和四條并聯機械腿的配合下，可以實現六個自由度。上述發明中的并聯腰結構自身只有四個自由度，并且轉動范圍較小，適應能力不夠強。

發明內容

本實用新型的目的就是針對上述技術的缺陷和不足，提供了一種串并混聯的四足機器人主動柔順脊椎，連接前肢后肢的剛性材料被替換為彈性的、被驅動的主動柔順脊柱，以提高四足機器人這個多運動系統的機動性以及對環境的適應性。

本實用新型為解決上述問題所采用的技術方案是：

一種串并混聯的四足機器人主動柔順脊椎，它由前后兩個脊椎節段交錯嵌入式地串聯組成，每個脊椎節段包括底盤、球副連接件、轉動連接件、非定軸椎間盤、若干直線驅動器，仿生脊椎前后兩個節段之間通過兩個非定軸椎間盤錯位固定連接。

所述的直線驅動器一端通過球副連接件與非定軸椎間盤相連，另一端通過轉動連接件與底盤相連，脊椎前后兩個節段之間通過兩個非定軸椎間盤錯位固定連接。

在上述裝置中，所述的柔順脊椎采用中空結構，方便供氣和供電的走線。

在上述裝置中，所述的每節直線驅動器的個數為三個，沿圓周均勻分布，形成一種三自由度的并聯結構，提高脊椎的穩定性和定位精度。

在上述裝置中，所述的兩個非定軸椎間盤60°錯位固定連接，使得直線驅動器嵌入式排列，增加了驅動器的力臂，脊椎結構均勻緊湊的同時形成一種串聯機構，又增加了整體脊椎結構的運動范圍和自由度，整體脊椎是一種串并混聯的結構。

在上述裝置中，所述的直線驅動器采用氣動執行元件，例如單作用彈簧復位氣缸；氣動執行元件可以在惡劣條件下可靠地工作，且操作簡單，基本可實現免維護，同時氣動執行元件的使用使得整個脊椎結構可承受的負載更大。

在上述裝置中，所述的氣動執行元件的進氣口安裝電氣比例閥，電氣比例閥與減壓閥相連通，減壓閥與氣源相連通，電氣比例閥與控制器相連；通過調節電氣比例閥的開度就可簡單地實現穩定的速度控制。

在上述裝置中，所述的前錐體上還安裝了傳感單元，所述傳感單元設置在前錐體底盤上，用以測量整個脊椎結構的姿態角；所述的傳感單元采用運動姿態儀，可以全方位輸出姿態角和加速度。

本實用新型技術方案，具有如下優點：