一種用于四足機器人的四葉草形狀的剛度可調(diào)柔順脊柱的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于四足機器人的柔順脊柱，具體涉及一種模仿四葉草形狀設(shè)計的剛度大小和方向可調(diào)的柔順脊柱。
【背景技術(shù)】
[0002]從四足機器人的發(fā)展歷程來看，四足機器人研宄逐漸向高性能、高速、仿生方向發(fā)展?，F(xiàn)有的四足機器人軀干以剛體為主，而且目前國內(nèi)外大多數(shù)研宄仍然集中于具有剛性身體結(jié)構(gòu)四足機器人。美國波士頓動力公司制作的BigDog是四足機器人的最高成就，它能夠適應(yīng)冰面、雪地、草地等多種地形，并表現(xiàn)出超強的抗側(cè)向擾動能力。日本東京大學(xué)制作的一款SQ43四足機器人雖然有柔順脊柱，但過于柔順，并沒有發(fā)揮脊柱所應(yīng)用有的彈性助力與吸能減震的基本作用。剛性軀體的仿生四足機器人平臺無法充分利用四足動物的重要機能一脊柱在動物奔跑時的作用。從生物學(xué)觀點來看，目前研發(fā)的四足機器人和四足動物的重要區(qū)別是脊柱。它是控制身體姿態(tài)的中心，并且耦合軀干和四肢的運動。例如，陸上奔跑速度最快的動物一獵豹，在短距離沖刺時最大運動速度可以達到110km/h，這完全得益于奔跑過程中脊柱大范圍的伸展和彎曲。脊柱的這種運動可以增加四肢的擺動相、更快的讓四肢前進，因此產(chǎn)生更多的動力和速度的提升。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題:四足機器人的軀干一般是由剛性結(jié)構(gòu)，其在結(jié)構(gòu)設(shè)計上忽略了自然界中四足動物的脊柱在高速奔跑和急轉(zhuǎn)彎時的柔順性，柔順脊柱在機器人快速奔跑過程中可以增加四肢的擺動相、減小足端受力以及儲能。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案:一種剛度可調(diào)柔順脊柱，該脊柱整體結(jié)構(gòu)包括容易產(chǎn)生彈性變形的彈性材料制作的彈性構(gòu)件、剛性材料制作的剛性構(gòu)件、俯仰方向的拉緊繩索和偏轉(zhuǎn)方向的拉緊繩索、脊柱固定角鐵、螺栓支撐板、六角螺栓、螺母和螺栓固定板；彈性構(gòu)件和剛性構(gòu)件均為四葉草截面形狀并且在四葉草結(jié)構(gòu)形狀的四個葉瓣處各留有一個穿繩孔；彈性構(gòu)件和剛性構(gòu)件交替排列；正交方向的兩個穿繩孔為一組，一根繩索從始端順次通過一側(cè)穿繩孔，然后從末端依次穿過，回到始端；脊柱前后兩端四葉草結(jié)構(gòu)形狀的剛性構(gòu)件相鄰葉瓣交界處的過渡圓弧分別通過銷軸固定在角鐵板上，在角鐵板上留有兩個穿繩孔，繩索穿過固定角鐵上的繩孔，通過鋁扣固定在螺栓支撐板上；螺栓固定板通過緊定螺栓固定在角鐵上；通過擰緊和放松螺栓尾部的螺母改變繩索的拉緊量。
[0005]所述的柔順脊柱可以通過四根拉緊繩索實現(xiàn)俯仰和偏轉(zhuǎn)正交二維兩個方向的剛度可變；所述的剛性構(gòu)件和柔順構(gòu)件的厚度是可以改變的；所述的剛性椎骨在徑向方向留有削邊，以容納柔順椎間盤由于軸向拉緊產(chǎn)生的擠壓。
[0006]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明所述的剛度可調(diào)柔順脊柱利用彈性材料在受到軸向壓力時剛度發(fā)生變化的特性，通過四根繩索實現(xiàn)脊柱在俯仰和偏轉(zhuǎn)正交二維兩個方向的剛度可調(diào)，從而提高四足機器人的柔順性。
【附圖說明】
[0007]圖1剛度可調(diào)柔順脊柱整體結(jié)構(gòu)三維圖
[0008]圖2剛度可調(diào)柔順脊柱頂端局部視圖
[0009]圖3剛性構(gòu)件三維圖
[0010]圖4柔順構(gòu)件三維圖
[0011]圖5機器人整體結(jié)構(gòu)三維圖
【具體實施方式】
[0012]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細(xì)說明。
[0013]剛度可調(diào)柔順脊柱整體結(jié)構(gòu)如附圖1，剛度可調(diào)柔順脊柱包括容易產(chǎn)生彈性變形的彈性材料制作的彈性構(gòu)件1、剛性材料制作的剛性構(gòu)件2、俯仰方向的拉緊繩索3a和3b、偏轉(zhuǎn)方向的拉緊繩索3c和3d，其中彈性構(gòu)件I和剛性構(gòu)件2均為四葉草截面形狀并交替排列，并在四葉草結(jié)構(gòu)形狀的四個葉瓣處留有四個穿繩孔4a、4b、4c和4d，四根繩索沿著彈性構(gòu)件I和剛性構(gòu)件2排列的方向布置，其一端固定在脊柱末端，另一端通過穿繩孔4a、4b、4c和4d延伸到脊柱的前端，對繩索施加軸向拉緊力，脊柱中的彈性構(gòu)件I可以產(chǎn)生彈性變形，柔順脊柱包括胸椎A(chǔ)、腰椎B、骶椎C三部分，每一部分中彈性構(gòu)件I和剛性構(gòu)件2的個數(shù)以及厚度都不同，剛性構(gòu)件2在徑向方向留有削邊以容納彈性構(gòu)件I在軸向拉緊作用下產(chǎn)生的擠壓。
[0014]剛度可調(diào)柔順脊柱和機器人連接的整體結(jié)構(gòu)示意圖如附圖5，該結(jié)構(gòu)包括四足機器人右前腿51、左前腿52、右后腿53、左后腿54、俯仰方向剛度調(diào)節(jié)機構(gòu)61、偏轉(zhuǎn)方向剛度調(diào)節(jié)機構(gòu)62、前軀干連接板71、后軀干連接板72和柔順脊柱結(jié)構(gòu)8。柔順脊柱8通過固定銷軸與俯仰方向剛度調(diào)節(jié)機構(gòu)61和偏轉(zhuǎn)方向剛度調(diào)節(jié)機構(gòu)62相連接，俯仰方向剛度調(diào)節(jié)機構(gòu)61、偏轉(zhuǎn)方向剛度調(diào)節(jié)機構(gòu)62與前軀干連接板71和后軀干連接板72的連接方式分別通過緊定螺釘實現(xiàn)，通過擰緊俯仰方向剛度調(diào)節(jié)機構(gòu)61和偏轉(zhuǎn)方向剛度調(diào)節(jié)機構(gòu)62中的螺母即改變脊柱在俯仰和偏轉(zhuǎn)方向繩索的長度可以實現(xiàn)脊柱的剛度可調(diào)。
【主權(quán)項】
1.一種用于四足機器人的四葉草形狀的剛度可調(diào)柔順脊柱，其特征在于:該脊柱結(jié)構(gòu)包括容易產(chǎn)生彈性變形的彈性材料制作的彈性構(gòu)件(I)、剛性材料制作的剛性構(gòu)件(2)、俯仰方向的拉緊繩索(3a和3d)和偏轉(zhuǎn)方向的拉緊繩索(3b和3c)，彈性構(gòu)件(I)和剛性構(gòu)件(2)均為四葉草截面形狀，其中彈性構(gòu)件⑴和剛性構(gòu)件(2)交替排列；在四葉草結(jié)構(gòu)形狀的四個葉瓣處留有穿繩孔(4a、4b、4c和4d)，相應(yīng)繩索沿著彈性構(gòu)件⑴和剛性構(gòu)件(2)排列的方向布置，其一端固定在脊柱末端，另一端通過穿繩孔(4a、4b、4c和4d)延伸到脊柱的前端，通過俯仰方向的拉緊繩索(3a和3d)和偏轉(zhuǎn)方向的拉緊繩索(3b和3c)對柔順脊柱施加軸向拉緊力，使脊柱中的彈性構(gòu)件(I)產(chǎn)生彈性變形，剛性構(gòu)件(2)沿徑向方向留有削邊以容納彈性構(gòu)件(I)在軸向拉緊力的作用下產(chǎn)生的擠壓。
2.如權(quán)利要求1所述的剛度可調(diào)柔順脊柱，其特征在于:所述的柔順脊柱可以實現(xiàn)俯仰和偏轉(zhuǎn)正交二維兩個方向的剛度可調(diào)。
3.如權(quán)利要求1所述的剛度可調(diào)柔順脊柱，其特征在于:所述的柔順脊柱的胸椎㈧、腰椎(B)和骶椎(C)三部分的長度比例是可以改變的。
4.如權(quán)利要求1所述的剛度可調(diào)柔順脊柱，其特征在于:所述的剛性構(gòu)件(I)和柔順構(gòu)件(2)的厚度是可以改變的。
【專利摘要】一種用于四足機器人的四葉草形狀的剛度可調(diào)柔順脊柱，脊柱包括彈性構(gòu)件、剛性構(gòu)件、俯仰方向拉緊繩索和偏轉(zhuǎn)方向拉緊繩索，彈性構(gòu)件和剛性構(gòu)件均為四葉草截面形狀，彈性構(gòu)件和剛性構(gòu)件交替排列并且在四葉草結(jié)構(gòu)葉瓣處留有穿繩孔，繩索沿著脊柱方向布置，其一端固定在脊柱末端，另一端通過穿繩孔延伸到脊柱的前端，剛性構(gòu)件沿徑向方向留有削邊以容納彈性構(gòu)件在軸向拉緊的作用下產(chǎn)生的擠壓，通過分別改變俯仰方向的拉緊繩索和偏轉(zhuǎn)方向的拉緊繩索的拉緊程度可以實現(xiàn)柔順脊柱在俯仰和偏轉(zhuǎn)正交二維兩個方向的剛度可調(diào)。該發(fā)明通過將傳統(tǒng)足式機器人中的剛性軀干設(shè)計為具有四葉草形狀的剛度可調(diào)柔順脊柱，可以提高機器人的動態(tài)運動性能。
【IPC分類】B62D57-032
【公開號】CN104875812
【申請?zhí)枴緾N201510141994
【發(fā)明人】張秀麗, 吳海波, 鄂明成, 谷小旭, 龔加慶
【申請人】北京交通大學(xué)
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年3月27日