[发明专利]一种四足机器人仿生弹性脊柱机构

说明书

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、增加腿部的运动范围，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”、东京工业大学的“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，参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对称的两个扭簧，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力矩，控制脊柱关节的运动，通过调整气动肌腱的伸缩速度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。

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、弹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。

进一步地，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、右后腿固定座和肌腱后联接轴等；弹性转动关节包括右旋扭簧、左旋扭簧、扭簧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侧，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，肌腱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口连接，出气管与气动肌腱的出气口连接。 

本发明的有益效果是：本发明设计了一种有效、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增加腿部的运动范围，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，拉伸力大，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。

附图说明

图1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；

图2是本发明的一种后脊柱块形状结构示意图；

图3是本发明的一种左前脊柱块形状结构示意图；

图4是本发明的一种弹性脊柱关节联接结构示意图；

图5是本发明的一种扭簧固定件形状结构示意图；

图6是本发明的一种弹性脊柱前端联接结构示意图；