[發(fā)明專利]一種類生物肌纖維驅動的可變剛度仿生機體

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910564386.1
• 申請日: 2019-06-27
• 公開（公告）號: CN110217313B
• 公開（公告）日: 2022-08-05
• 發(fā)明（設計）人: 張悅文;雷靜桃;陳子衡;沈雙;蘇紅升
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: B62D57/032
• 分類號: B62D57/032
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 陸聰明

本發(fā)明涉及一種類生物肌纖維驅動的可變剛度仿生機體，屬于仿生機器人技術領域。本發(fā)明包括前機架、后機架、仿生脊柱、仿生韌帶組和氣動肌纖維組。其中仿生脊柱由若干節(jié)仿生脊椎單元組成胸椎、腰椎兩部分，每節(jié)仿生脊椎單元包括仿生椎骨和仿生椎間盤，仿生脊柱通過螺釘分別與前機架、后機架固定連接。氣動肌纖維組由若干條氣動肌纖維捆綁而成，通過肌腱分別綁在前機架、后機架和胸椎肋骨上。本發(fā)明可以實現(xiàn)機體側向彎曲和上下俯仰彎曲運動，具有結構輕巧、運動靈活、柔順性、仿生效果好等特點，可提高機器人非結構化環(huán)境下的動態(tài)運動性能。

技術領域

本發(fā)明涉及一種類生物肌纖維驅動的可變剛度仿生機體，可用于四足仿生機器人，屬于仿生機器人技術領域。

背景技術

四足仿生機器人在運動過程中與地面點接觸，可適應復雜的地形環(huán)境，具有廣大的應用前景。目前，四足仿生機器人機體多采用剛性整體結構，無法充分利用四足哺乳動物柔性軀體的重要機能。四足哺乳動物脊柱結構與肌肉系統(tǒng)協(xié)同工作，一方面可使機體靈活彎曲，實現(xiàn)原地轉向功能，另一方面，在奔跑過程中脊柱的俯仰屈伸運動可增加四肢擺動相，提供助推力，儲存并傳遞能量。

氣動人工肌肉因為與生物肌肉相似的柔順性和收縮特性，被廣泛應用于可穿戴機器人和仿生機器人中。然而，大部分氣動人工肌肉直徑10-40mm，充氣時肌肉變硬并徑向膨脹，且兩端帶有沉重的剛性防漏氣部件，很難在機器人機體內密集安裝以獲得與生物肌肉相同的冗余驅動機制，氣動人工肌肉質量輕的優(yōu)點也尚未得到充分利用。為了解決這些問題，需要更加靈活、緊湊和輕量化的氣動人工肌肉。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于針對已有技術存在的不足，提出一種類生物肌纖維驅動的可變剛度仿生機體，模仿四足哺乳動物軀體結構，具有結構輕巧、運動靈活、柔順性和仿生效果好的特點。

為達到上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

一種類生物肌纖維驅動的可變剛度仿生機體，由前機架、后機架、仿生脊柱、仿生韌帶組、氣動肌纖維組構成，所述前機架、后機架為空間框架結構，兩者由一條仿生脊柱連接成一個整體；仿生韌帶組的四條韌帶穿過仿生脊柱，繞仿生椎間盤呈圓周分布，兩端分別固定在前機架、后機架上；所述氣動肌纖維組共八組，其中六組的兩端都是整體密封，并通過肌腱分別固定在前機架、后機架上，另外兩組的一端整體密封，并通過肌腱固定在后機架上，另一端單獨密封，分別通過肌腱固定在仿生脊柱的仿生胸椎骨上。

所述氣動肌纖維組共有八組，其中第一氣動肌纖維組，第二氣動肌纖維組，第三氣動肌纖維組，第四氣動肌纖維組，第五氣動肌纖維組，第六氣動肌纖維組結構相同，都是由若干條氣動肌纖維通過粘結劑捆綁而成，一端粘結有密封帽和進風口，另一端粘結有密封帽，兩端密封帽外均粘結有肌腱；第七氣動肌纖維組，第八氣動肌纖維組結構相同，一端粘結有密封帽和進風口，密封帽外粘結有肌腱，另一端的每條氣動肌纖維單獨密封，且每條氣動肌纖維都粘結有肌腱。

所述氣動肌纖維由彈性內管和外編織套管構成，當向氣動肌纖維內通入一定壓力的氣體時，彈性內管在壓力的作用下發(fā)生變形，帶動外編織套管徑向膨脹，編織角增大，外編織套管軸向縮短，達到氣動肌纖維收縮的效果；反之彈性內管排出氣體，氣動肌纖維舒張。

所述仿生脊柱分為胸椎和腰椎兩部分，由若干節(jié)仿生脊椎單元依次排列而成，所述胸椎部分的仿生脊椎單元包括一個仿生胸椎骨和一個仿生椎間盤，所述仿生胸椎骨兩側設有長度不等的仿生肋骨，仿生胸椎骨按仿生肋骨的長度由大到小排列；所述腰椎部分的仿生脊椎單元包括一個仿生腰椎骨和一個仿生椎間盤，其中仿生腰椎骨與仿生胸椎骨的厚度不同；前一節(jié)仿生胸椎骨或仿生腰椎骨的上節(jié)突穿過仿生椎間盤與后一節(jié)仿生胸椎骨或仿生腰椎骨的下關節(jié)面構成一個球副，使得仿生脊椎單元相互連接，同時使相鄰仿生胸椎骨或仿生腰椎骨繞球副在一定范圍內進行上下及左右擺動。

所述仿生韌帶組的每條韌帶包括仿生韌帶和帶頭，所述仿生韌帶具有一定的彈性，兩端分別通過帶頭卡在前機架、后機架上，通過設置一定的預拉力實現(xiàn)仿生韌帶的韌性和抗張力特性，改變仿生韌帶的預拉力，實現(xiàn)仿生脊柱的變剛度特性。