CN112896362A - 一种高度仿生的全柔性驱动仿蜘蛛机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高度仿生的全柔性驱动仿蜘蛛机器人，包括机器人主体、六个机器人步足和液压控制系统，六个机器人步足设置在机器人主体上，液压控制系统与六个机器人步足通过管路连接，通过液压控制系统控制六个机器人步足的运动；本发明机器人针对蜘蛛整体结构、运动步态、关节结构及驱动原理等方面进行高度仿生。尤其是腿部关节驱动原理参照生物动力学实验，依靠液动人工肌肉绳索结构使关节收缩，依靠液压折纸结构使关节伸展，且髋关节处的弹力绳和折纸结构固有弹性等弹性机制和液压系统共同降低了仿蜘蛛机器人的运输成本，可高效再现自然界中生物液压系统的卓越性能。

Description

一种高度仿生的全柔性驱动仿蜘蛛机器人

技术领域

本发明涉及仿生机器人领域，特别涉及一种高度仿生的全柔性驱动仿蜘蛛机器人。

背景技术

对比传统工业液压系统，自然界中生物体内存在的液压系统用很低的内部压力实现了高效的驱动，并体现了无污染、结构紧凑、高效率与功率质量比、运动协调控制、稳定可靠等优点。蜘蛛具有典型的“生物液压系统”，步足包含两个液压关节，依靠腿部外骨骼内血淋巴使关节膜充液膨胀完成关节伸展，依靠肌肉完成关节收缩，以捕鸟蛛为实验对象，进行生物动力学实验研究蜘蛛液压驱动过程中能量转换的规律，结果发现在蜘蛛低速行走时，液压关节的弹性机制和特殊的液压系统一起为蜘蛛比其他动物更低的运输成本做出贡献。仿生技术是目前各国的研究热点，基于自然界的蜘蛛研究的仿蜘蛛机器人具有高灵活性、高可靠性、高功率密度等优点，可完成非结构化的、未知工作环境的、复杂精巧的高难度工作任务，如在军事侦察、战场攻击、防爆、探索太空、建设航天站、抢险救灾等领域代替人类执行任务。

如专利CN207595100U公开的“八足仿生蜘蛛机器人”，以液压为动力源，八条腿布置与现实中的蜘蛛相仿，其步足模式完全模仿现实中蜘蛛的运动方式，整体结构紧凑且提高了负重越障能力。但其设计仅仅模仿了蜘蛛运动和外形，缺乏对蜘蛛本身生物液压驱动机理的仿生研究，结构为传统的全刚性设计，柔顺性有待提高。国际专利WO002012159737A1设计了一种六条腿支撑的自推进平台，对蜘蛛关节处的褶皱进行仿生，依靠气压使关节伸展，依靠结构的刚性使关节被动收缩。但其结构过于简单，控制存在困难，且采用气动驱动输出力小，功率有待进一步提高。

目前仿蜘蛛机器人的驱动方式、运动机理、控制方式等方面的研究尚处于初级阶段，使得实际制作出的仿生爬行机器人很难达到预先的设计效果，一系列潜在优越性能得不到实际体现。针对生物实验中蜘蛛特殊的液压关节驱动原理进行仿生，设计出一种高度仿生、高功率密度全柔性驱动仿蜘蛛机器人，使其能够有效解决目前阶段存在的问题，是本领域技术人员的一个重要研究方向。

发明内容

本发明的目的是要解决上述背景技术中的问题，而提供一种高度仿生的全柔性驱动仿蜘蛛机器人。

一种高度仿生的全柔性驱动仿蜘蛛机器人，包括机器人主体、六个机器人步足和液压控制系统，六个机器人步足设置在机器人主体上，液压控制系统与六个机器人步足通过管路连接，通过液压控制系统控制六个机器人步足的运动；

所述机器人主体包括上安装板、六块连接板、下安装板、第一滑动杆和第二滑动杆，上安装板通过六块连接板与下安装板连接为一个整体，上安装板下表面设置有第一滑槽，下安装板上表面设置有第二滑槽，第一滑动杆滑动安装在第一滑槽内，第二滑动杆滑动安装在第二滑槽内；

所述六个机器人步足包括左一足、左二足、左三足、右一足、右二足和右三足，左一足、左二足、左三足、右一足、右二足和右三足对称设置在机器人主体两侧，六个机器人步足分为两组，第一组包括左一足、右二足和左三足，第二组右一足、左二足和右三足；

第一组中的左一足、右二足和左三足基节轴上端与第一连杆一端铰接，第一连杆另一端与第一滑动杆铰接，第二组中的右一足、左二足和右三足基节轴下端与第一连杆一端铰接，第一连杆另一端与第二滑动杆铰接，左一足、左二足、左三足、右一足、右二足和右三足中除了基节轴与第一连杆铰接的位置不同以外，其余结构均相同；

所述左一足包括三个肢节和三个关节，所述三个肢节包括基节、腿节和胫节，所述三个关节包括髋关节，膝关节，踝关节，每个关节有一个自由度，共三个自由度，左一足的基节轴通过轴承与机器人主体的上安装板和下安装板连接形成髋关节，腿节与基节铰接形成膝关节，胫节与腿节铰接形成踝关节，髋关节处设置有髋关节折纸结构，髋关节折纸结构与液压控制系统连通，髋关节折纸结构两侧设置有弹力绳，弹力绳一端连接在第一基节传力斜面上，另一端连接在连接板上，膝关节处设置有膝关节折纸结构，踝关节处设置有踝关节折纸结构；膝关节折纸结构与踝关节折纸结构通过硅胶软管连通，硅胶软管设置在腿节外骨骼内部，腿节外骨骼内部还设置有液动人工肌肉一和液动人工肌肉二，液动人工肌肉一和液动人工肌肉二分别与液压控制系统连通；

液动人工肌肉一一端固定在腿节外骨骼上，另一端固定有第一绳索，第一绳索从腿节外骨骼孔中穿出，绕过孔旁支柱和第一腿节传力斜面上支柱，固定在第二基节传力斜面上；液动人工肌肉二一端固定在腿节外骨骼上，另一端固定有第二绳索，第二绳索从腿节外骨骼另一侧孔中穿出绕过孔旁支柱和第二腿节传力斜面上支柱，固定在胫节传力斜面上；

所述第一滑动杆和第二滑动杆两端设置有限位开关，第一腿节传力斜面和第二腿节传力斜面上设置有限位开关；

所述髋关节折纸结构、膝关节折纸结构和踝关节折纸结构为硅胶材料浇筑而成；

本发明的有益效果：

本发明机器人针对蜘蛛整体结构、运动步态、关节结构及驱动原理等方面进行高度仿生。尤其是腿部关节驱动原理参照生物动力学实验，依靠液动人工肌肉绳索结构使关节收缩，依靠液压折纸结构使关节伸展，且髋关节处的弹力绳和折纸结构固有弹性等弹性机制和液压系统共同降低了仿蜘蛛机器人的运输成本，可高效再现自然界中生物液压系统的卓越性能。

驱动部分采用全柔性材料，从柔韧度上十分接近真实蜘蛛，关节撑开阶段柔性折纸结构展开与传力斜面之间的相互作用更加平顺，具有一定缓冲作用。且液压输出力更高，负载更大，使用的柔性驱动器制作成本低，结构紧凑，减轻整体质量，大大提高了仿蜘蛛机器人的功率密度。

附图说明

图1为本发明仿蜘蛛机器人的整体装配图；

图2为本发明仿蜘蛛机器人主体的装配示意图；

图3为本发明仿蜘蛛机器人的连杆结构示意图；

图4为本发明仿蜘蛛机器人的步态模式示意图；

图5为本发明仿蜘蛛机器人的步足结构示意图，其中(1)为步足支撑，(2) 为步足抬起；

图6为本发明仿蜘蛛机器人步足的局部结构示意图；

图7为本发明液压控制系统局部放大示意图；

其中，图中，

1-机器人主体，11-上安装板，111-第一滑槽，12-连接板，13-下安装板，131-第二滑槽，14-第一滑动杆，15-第二滑动杆；

2-机器人步足，21-基节，211-基节轴，212-第一基节传力斜面，213-第二基节传力斜面，214-弹力绳，22-腿节，221-腿节外骨骼，222-液动人工肌肉一，223- 液动人工肌肉二，224-第一绳索，225-第二绳索，226-第一腿节传力斜面，227- 第二腿节传力斜面，23-胫节，231-胫节传力斜面，24-髋关节折纸结构，251-膝关节折纸结构，252-硅胶软管，253-踝关节折纸结构，26-第一连杆； 3-液压控制系统，31-液压油箱，32-液压泵，33-滤油器，34-安全阀，351-换向阀Ⅰ，352-换向阀Ⅱ，353-换向阀Ⅲ，36-限位开关，37-行走控制器、38-电机、 391-液控单向阀Ⅰ，392-液控单向阀Ⅱ，393-液控单向阀Ⅲ，394-单向阀。

具体实施方式

请参阅图1至图7所示，一种高度仿生的全柔性驱动仿蜘蛛机器人，包括机器人主体1、六个机器人步足2和液压控制系统3，六个机器人步足2设置在机器人主体1上，液压控制系统3与六个机器人步足2通过管路连接，通过液压控制系统3控制六个机器人步足2的运动；

所述机器人主体1包括上安装板11、六块连接板12、下安装板13、第一滑动杆14和第二滑动杆15，上安装板11通过六块连接板12与下安装板13连接为一个整体，上安装板11下表面设置有第一滑槽111，下安装板13上表面设置有第二滑槽131，第一滑动杆14滑动安装在第一滑槽111内，第二滑动杆15滑动安装在第二滑槽131内，六个机器人步足2对称分布在机器人主体1两侧，分别为左一足L1、左二足L2、左三足L3、右一足R1、右二足R2和右三足R3，每个步足由三个肢节：基节21，腿节22，胫节23；三个关节：髋关节，膝关节，踝关节组成，每个关节有一个自由度，共三个自由度，每个步足的基节轴211 通过轴承与机器人本体的上安装板11和下安装板13连接，液压控制系统包括：液压油箱31、液压泵32、滤油器33、安全阀34、换向阀Ⅰ351、换向阀Ⅱ352、换向阀Ⅲ353、限位开关36、行走控制器37、电机38、液控单向阀Ⅰ391、液控单向阀Ⅱ392、液控单向阀Ⅲ393、单向阀394，集成安装在机器人主体1上，随机器人行走，使机器人形成一个独立的运动体，可以独立行走。

机器人对蜘蛛运动步态进行仿生，六个步足2分为两组(第一组：左一足 L1、右二足R2和左三足L3；第二组：右一足R1、左二足L2和右三足R3)，第一组步足基节轴211上端与第一连杆26铰接，三个第一连杆26与机器人主体的上安装板11上的第一滑动杆14铰接，第二组步足基节轴211下端与第一连杆26铰接，三个第一连杆26与机器人主体的下安装板13上的第二滑杆15 铰接，当一组步足为摆动期，步足向前摆动，三个基节轴211同时旋转，带动第一连杆26转动，使第一滑杆14或第二滑杆15沿机器人主体1上的第一滑槽 111或第二滑槽131向后滑动，当一组步足为支撑期，胫节23与地面接触无滑动的情况下带动机器人主体1向前运动，三个基节轴211同时反向旋转，带动第一连杆26转动，使第一滑杆14或第二滑杆15沿机器人主体1上的第一滑槽 111或第二滑槽131向前滑动，第一滑杆14或第二滑杆15安装有限位开关36，当髋关节旋转到应到角度，触发限位开关36，换向阀Ⅰ351换向，为保证运动的平稳性，模仿现实中蜘蛛的运动方式，采取对角步态，即一组作为支撑时另一组摆动，两组交替摆动使机器人前行，且通过连杆结构使每组步足旋转角度相同，保证了机器人行走时腿部的同步性。

对蜘蛛液压关节结构及驱动原理进行仿生，胫节23是机器人直接与行走面接触的部分，腿节22是机器人步足基节21、胫节23两个关节的过渡段，基节 21通过基节轴211和轴承与机器人主体1的上安装板11和下安装板13连接形成髋关节，基节21与腿节22铰接，形成膝关节，腿节22与胫节23铰接，形成踝关节，每个关节包含一个折纸结构，两端与肢节的传力斜面或连接板固连，折纸结构角度改变，通过传力斜面产生扭矩，使关节旋转，有一个自由度，每个步足共三个自由度。

髋关节折纸结构24保证了整个机器人步足的前后摆动，机器人静止站立在地面时髋关节折纸结构24预先充好高压液体，角度为50°，保证了整个步足2 与机器人主体1之间的夹角为90°，步足支撑期，换向阀Ⅰ351进油口与工作口连通，通过管道向髋关节折纸结构24中充液，夹角变为80°，在胫节23与地面接触无滑动的情况下，能在较大载荷下带动机器人主体1向前运动，步足摆动期，换向阀Ⅰ351换向出油口与工作口连通，液体排出，依靠固有刚性和弹力绳214的弹力使髋关节折纸结构24恢复至20°，在较小载荷下保证步足2的向前旋转。

膝关节折纸结构251与踝关节折纸结构253通过一个腿节外骨骼221内的硅胶软管252连通，预先充好高压液体，腿节外骨骼221内设置有液动人工肌肉一222和液动人工肌肉二223，包括内部软管、导管、塑料喉箍、尼龙编织网，导管一端与充液管路连接，另外一端与内部软管密封连接，内部软管为橡胶浇筑的一端开口另一端封闭的中空的圆柱状结构；内部软管的外部套装有长度和直径与其相等的尼龙编织网，限制液动肌键径向扩张；塑料喉箍用于将尼龙编织网牢固固定在内部软管上。

液动人工肌肉一222一端固定在腿节外骨骼221上，另一端固定第一绳索224，第一绳索224从腿节外骨骼221孔中穿出，绕过孔旁支柱和第一腿节传力斜面226上支柱，固定在第二基节传力斜面213上，液动人工肌肉二223一端固定在腿节外骨骼221上，另一端固定第二绳索225，第二绳索225从腿节外骨骼221另一侧孔中穿出绕过孔旁支柱和第二腿节传力斜面227上支柱，固定在胫节传力斜面231上，将高压液体泵入液动人工肌肉使其轴向收缩，带动绳索，依靠折纸结构固有弹性和绳索结构使折纸结构恢复至初始角度，完成膝关节与踝关节收缩，腿节两端传力斜面各固定一个限位开关，检测折纸结构收缩位置。

踝关节与膝关节通过腿节内部的硅胶软管252保证膝关节折纸结构251与踝关节折纸结构253的联动，步足支撑期时，换向阀Ⅱ352、换向阀Ⅲ353处于中位锁止，依靠柔性折纸结构的柔顺性自动调整角度，步足摆动期时，换向阀Ⅱ352、换向阀Ⅲ353换向，换向阀Ⅱ352进油口与工作口连通，通过管道向液动人工肌肉一222充液，液动人工肌肉一222收缩，拉动第一绳索224带动第二基节传力斜面213旋转，膝关节折纸结构251从48°变小为30°，高压液体从膝关节折纸结构251流入踝关节折纸结构253，使得踝关节从30°变大为 48°，换向阀Ⅲ353出油口与工作口连通，液动人工肌肉二223被迫拉伸，使得步足可以在行走的过程中抬起，膝关节折纸结构251变为30°时第一绳索224 触发固定在第一腿节传力斜面226的限位开关36，换向阀Ⅱ352、换向阀Ⅲ353 换向，换向阀Ⅲ353进油口与工作口连通，通过管道向液动人工肌肉二223充液，液动人工肌肉二223收缩，拉动第二绳索225带动胫节传力斜面231旋转，踝关节折纸结构253从48°变小为30°，高压液体从踝关节折纸结构253流入膝关节折纸结构251，使得膝关节从30°变大为48°，换向阀Ⅱ352出油口与工作口连通，液动人工肌肉一222失去压力源并被迫拉伸，保证步足平稳的与地面接触，踝关节折纸结构253变为30°时第二绳索225触发固定在第二腿节传力斜面227的限位开关36，换向阀Ⅱ352、换向阀Ⅲ353换向恢复中位锁止。

本发明仿生蜘蛛机器人的液压控制系统集成在机器人主体上，用来控制机器人各个柔性驱动器的动作，液压控制系统由主流道和六个相同的分流道组成，图7为液压控制系统主流道和一个分流道的局部放大示意图，其主流道由液压油箱31、液压泵32、单向阀394、滤油器33、安全阀34、限位开关36、行走控制器37、电机38组成，液压泵32调节液压油输出的排量，为液压系统提供动力，液压油出口处安装有安全阀34，实现稳压、系统卸荷与安全保护作用，滤油器33保证液体清洁度，防止工作环境被污染，把主油道液压油传给各步足分流道，分流道由换向阀Ⅰ351，换向阀Ⅱ352，换向阀Ⅲ353、液控单向阀Ⅰ 391，液控单向阀Ⅱ392，液控单向阀Ⅲ393，髋关节折纸结构24、液动人工肌肉一222、液动人工肌肉二223组成，限位开关36把信息反馈给行走控制器37，控制各液压阀工作，从而实现足部运动控制，机器人行走。

对蜘蛛液压关节膜的波纹状折叠进行仿生，每个步足的三个关节由折纸结构组成。折纸结构是由硅胶材料浇筑成的封闭腔，具有良好的抗拉伸性能和快速收缩、回复性能，两侧端面与传力斜面固连，且接触面为矩形，接触面积更大，增大关节伸展时的驱动力。

髋关节折纸结构24一端与第一基节传力斜面212固连，另一端与机器人主体连接板12固连，两根弹力绳214分别在髋关节折纸结构24两侧，一端连接在第一基节传力斜面212上，一端连接在连接板12上，髋关节折纸结构24包含四个褶皱，初始角度为20°，当增压泵将高压液体泵入髋关节折纸结构24后可变为80°，并依靠固有弹性和弹力绳214的弹力使折纸结构恢复至初始角度，完成髋关节旋转。

膝关节折纸结构251与踝关节折纸结构253通过腿节外骨骼221内的硅胶软管252连通，膝关节折纸结构251的一端与第二基节传力斜面213固连，另一端与第一腿节传力斜面226固连，踝关节折纸结构253一端与第二腿节传力斜面227固连，另一端与胫节传力斜面231固连，这两个折纸结构包含三个褶皱，初始角度为30°，当高压液体从一个折纸结构通过硅胶软管充入另一个折纸结构后可变为48°，完成膝关节与踝关节伸展，将高压液体泵入液动人工肌肉使其轴向收缩，带动绳索，依靠折纸结构固有弹性和绳索结构使折纸结构恢复至初始角度，完成膝关节与踝关节收缩。

综上所述，本发明软体驱动的仿蜘蛛液压机器人驱动部分采用全柔性材料浇筑加工，主体及步足外骨骼为3D打印加工，整机柔顺性好，制作成本低，质量轻；机构上保证了机器人行走时腿部的同步性，简化控制系统；针对蜘蛛整体结构、运动步态、关节结构及腿部关节驱动原理等方面进行仿生，仿生度更高；液压柔性驱动器输出力更高，负载更大，机器人整体结构紧凑，运动灵活，大大提高了仿蜘蛛机器人的功率密度。可代替人类完成非结构化的、未知工作环境的、复杂精巧的高难度工作任务。

本发明不局限于上述实施方式，任何人应得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (2)

1.一种高度仿生的全柔性驱动仿蜘蛛机器人，其特征在于：包括机器人主体(1)、六个机器人步足(2)和液压控制系统(3)，六个机器人步足(2)设置在机器人主体(1)上，液压控制系统(3)与六个机器人步足(2)通过管路连接，通过液压控制系统(3)控制六个机器人步足(2)的运动；

所述机器人主体(1)包括上安装板(11)、六块连接板(12)、下安装板(13)、第一滑动杆(14)和第二滑动杆(15)，上安装板(11)通过六块连接板(12)与下安装板(13)连接为一个整体，上安装板(11)下表面设置有第一滑槽(111)，下安装板(13)上表面设置有第二滑槽(131)，第一滑动杆(14)滑动安装在第一滑槽(111)内，第二滑动杆(15)滑动安装在第二滑槽(131)内；

所述六个机器人步足(2)包括左一足(L1)、左二足(L2)、左三足(L3)、右一足(R1)、右二足(R2)和右三足(R3)，左一足(L1)、左二足(L2)、左三足(L3)、右一足(R1)、右二足(R2)和右三足(R3)对称设置在机器人主体(1)两侧，六个机器人步足(2)分为两组，第一组包括左一足(L1)、右二足(R2)和左三足(L3)，第二组右一足(R1)、左二足(L2)和右三足(R3)；第一组中的左一足(L1)、右二足(R2)和左三足(L3)基节轴(211)上端与第一连杆(26)一端铰接，第一连杆(26)另一端与第一滑动杆(14)铰接，第二组中的右一足(R1)、左二足(L2)和右三足(R3)基节轴(211)下端与第一连杆(26)一端铰接，第一连杆(26)另一端与第二滑动杆(15)铰接，左一足(L1)、左二足(L2)、左三足(L3)、右一足(R1)、右二足(R2)和右三足(R3)中除了基节轴(211)与第一连杆(26)铰接的位置不同以外，其余结构均相同；

所述左一足(L1)包括三个肢节和三个关节，所述三个肢节包括基节(21)、腿节(22)和胫节(23)，所述三个关节包括髋关节，膝关节，踝关节，每个关节有一个自由度，共三个自由度，左一足(L1)的基节轴(211)通过轴承与机器人主体(1)的上安装板(11)和下安装板(13)连接形成髋关节，腿节(22)与基节(21)铰接形成膝关节，胫节(23)与腿节(22)铰接形成踝关节，髋关节处设置有髋关节折纸结构(24)，髋关节折纸结构(24)与液压控制系统(3)连通，髋关节折纸结构(24)两侧设置有弹力绳(214)，弹力绳(214)一端连接在第一基节传力斜面(212)上，另一端连接在连接板(12)上，膝关节处设置有膝关节折纸结构(251)，踝关节处设置有踝关节折纸结构(253)；膝关节折纸结构(251)与踝关节折纸结构(253)通过硅胶软管(252)连通，硅胶软管(252)设置在腿节外骨骼(221)内部，腿节外骨骼(221)内部还设置有液动人工肌肉一(222)和液动人工肌肉二(223)，液动人工肌肉一(222)和液动人工肌肉二(223)分别与液压控制系统(3)连通；液动人工肌肉一(222)一端固定在腿节外骨骼(221)上，另一端固定有第一绳索(224)，第一绳索(224)从腿节外骨骼(221)孔中穿出，绕过孔旁支柱和第一腿节传力斜面(226)上支柱，固定在第二基节传力斜面(213)上；液动人工肌肉二(223)一端固定在腿节外骨骼(221)上，另一端固定有第二绳索(225)，第二绳索(225)从腿节外骨骼(221)另一侧孔中穿出绕过孔旁支柱和第二腿节传力斜面(227)上支柱，固定在胫节传力斜面(231)上；

所述第一滑动杆(14)和第二滑动杆(15)两端设置有限位开关(36)，第一腿节传力斜面(226)和第二腿节传力斜面(227)上设置有限位开关(36)。

2.根据权利要求1所述的一种高度仿生的全柔性驱动仿蜘蛛机器人，其特征在于：所述髋关节折纸结构(24)、膝关节折纸结构(251)和踝关节折纸结构(253)为硅胶材料浇筑而成。

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