一种柔性脊柱机构和仿袋鼠跳跃机器人的制作方法

本发明属于仿生机器人技术领域，具体属于一种柔性脊柱机构和仿袋鼠跳跃机器人。

背景技术：

相较于传统的轮式和腿式机器人，跳跃机器人具有越障能力强，探索范围大，结构和控制简单，运动灵活，落地面积小，移动速度快等明显优势，因此更适合应用于星际探索、军事侦察、反恐救援等复杂未知环境。尤其是在星际探索中，跳跃机器人能够充分地利用月球、火星等天体的微小重力环境，从而跳的更高更远。

目前大多数跳跃机器人都采用的是刚性躯干，例如：专利授权公告号cn201276158y，名称为“仿袋鼠腿形跳跃机器人结构”的中国专利，公开了一种仿袋鼠腿形的跳跃机器人结构，其躯干为双层结构的刚性板，灵活性较差，因而限制了该跳跃机器人的运动稳定性、能量利用效率以及环境适应性。而仿生学的研究表明，动物通过柔性脊柱的弯曲和伸展，一方面可以对其腿部进行延伸，增大运动的步幅，另一方面还可以对能量进行储存和释放，增大能量利用率，从而提高动物的运动性能。当前已有学者提出使用柔性杆或柔性杆-质量模型来模拟袋鼠的柔性背部，但没有进一步设计该柔性背部的驱动方式，这种被动柔性脊柱只能依靠柔性杆自身的回复力进行被动吸振和减小运动能耗，还不能完全充分地利用脊柱的储能、调整重心、增速等能力。此外，该被动柔性脊柱的刚度也不能进行灵活的调整，而在一定的运动状态下，最优的脊柱刚度可使机器人的运动性能和能量利用效率达到最佳。

专利申请公告号cn103144101a，名称为“一种仿生机器人的柔性机体”的中国专利，公开了一种仿生机器人的柔性机体。该柔性机体的人工脊柱由若干节结构完全相同但大小不同的仿生脊椎单元由小到大依次串联而成，每一节仿生脊椎单元包括一个仿生椎骨、一个仿生椎间盘软垫和三根弹簧。其中，前一节仿生椎骨的下关节面和后一节仿生椎骨的上节突构成一个球副，使得相邻两节仿生椎骨可绕着球副进行上下和左右转动。该人工脊柱可在气动人工肌肉的驱动下实现弯曲，从而提高仿生机器人的柔性和灵活性。然而，这种人工脊柱的结构较为复杂，不易加工，且球关节副的摩擦力较大。所以现有的跳跃机器人目前存在的躯干柔性不足、脊柱刚度不可变以及结构复杂的技术问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种刚度可变的仿袋鼠跳跃机器人柔性脊柱机构，结构简单，用于解决跳跃机器人目前存在的躯干柔性不足、脊柱刚度不可变以及结构复杂的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种柔性脊柱机构，包括仿生脊柱、气动仿生肌肉和支撑挡板；

所述仿生脊柱包括弹性板和若干个大小不一的仿生椎骨，所述若干个仿生椎骨沿弹性板长度方向从大至小依次固定设置在弹性板上，仿生椎骨体积大的一端为仿生脊柱的腰部，仿生椎骨体积小的一端为仿生脊柱的胸部；

所述支撑挡板分为前支撑挡板和后支撑挡板；所述前支撑挡板与仿生脊柱的胸部相固定连接，后支撑挡板与仿生脊柱的腰部相固定连接；

所述气动仿生肌肉设置在仿生脊柱的两侧，气动仿生肌肉的两端分别固定设置在前支撑挡板和后支撑挡板上。

优选的，所述仿生椎骨呈梯形台结构，若干个梯形台结构的仿生椎骨的梯形台底面指向同一方向。

优选的，所述弹性板为长条状弹性金属薄板，长条状弹性金属薄板上沿长度方向设置有若干个通孔，仿生椎骨通过螺栓穿过通孔固定在长条状弹性金属薄板上。

优选的，所述相邻的两个仿生椎骨之间通过拉伸的弹簧连接。

进一步的，所述弹簧的特性线为渐增型。

优选的，所述气动仿生肌肉包括外层编织套管和内层弹性膨胀管。

优选的，所述气动仿生肌肉的进气端通过螺纹杆固定在后支撑挡板上，气动仿生肌肉的堵气端通过万向节固定在前支撑挡板上。

优选的，所述仿生脊柱的两端分别穿过前支撑挡板和后支撑挡板，仿生脊柱与前支撑挡板和后支撑挡板均通过三角支架进行固定连接。

优选的，所述仿生椎骨采用刚性木块制成。

一种仿袋鼠跳跃机器人，包括上述任意一项所述的柔性脊柱机构。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供一种柔性脊柱机构，通过将传统仿袋鼠跳跃机器人的刚性躯干改进成弹性板和刚性仿生椎骨形成的柔性仿生脊柱，并由气动仿生肌肉进行驱动，可提高仿袋鼠跳跃机器人的灵活性和稳定性，仿生椎骨尺寸较大的一端为仿生脊柱的腰部，腰部具有较大的刚度，可对整个仿生脊柱起到强有力的支撑。气动仿生肌肉设置在仿生脊柱长度方向的上下两侧，并通过气动仿生肌肉的伸缩来实现所述仿生脊柱的上下弯曲运动，本发明的仿生柔性脊柱结构简单，便于拆装，易于实现。

进一步的，通过仿生椎骨呈梯形台结构的设计，通过梯形上下底面大小面积不一致的原理来限制仿生脊柱上下弯曲的最大幅度，同侧的梯形台大底面的弯曲幅度小，同侧的梯形台小底面的弯曲幅度大，使得“弓背”限度大于“鼓腹”限度。

进一步的，通过在弹性板上设置有若干个通孔，可以通过改变仿生椎骨在长条状弹性金属薄板上安装的间隙和仿生椎骨的数量，实现仿生脊柱不同的基础刚度。

进一步的，相邻的两个仿生椎骨间通过拉伸的弹簧连接，通过拉伸的弹簧起到脊柱韧带的作用，可使仿生脊柱伸展时的刚度大于弯曲时的刚度。使仿生脊柱在上下弯曲的过程中具有了动态可变的刚度。

进一步的，仿生脊柱与前支撑挡板和后支撑挡板均通过三角支架进行固定连接，可以通过前支撑挡板和后支撑挡板在弹性板上安装的距离，改变仿生脊柱的长度，增加了仿袋鼠跳跃机器人躯干长度尺寸的可调控性。

附图说明

图1为本发明一种刚度可变的仿袋鼠跳跃机器人柔性脊柱机构的初始状态示意图；

图2为本发明一种刚度可变的仿袋鼠跳跃机器人柔性脊柱机构的仿生脊柱整体示意图。

附图中：1为前支撑挡板；2为后支撑挡板；3为进气端；4为堵气端；5为弹性板；6为仿生椎骨；7为弹簧；8为仿生脊柱；9为气动仿生肌肉；10为支撑挡板。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

实施例1

一种刚度可变的仿袋鼠跳跃机器人柔性脊柱机构，包括仿生脊柱8、气动仿生肌肉9和支撑挡板10，其中：

仿生脊柱8包括一根长条状的弹性板5和若干个结构相同但大小不同的仿生椎骨6，所述的长条状弹性板5上设计了许多排布紧密的通孔，用于固定仿生椎骨6和支撑挡板10。通过在弹性板5上设置有若干个通孔，可以通过改变仿生椎骨6在长条状弹性板5上安装的间隙和仿生椎骨6的数量，实现仿生脊柱8不同的基础刚度。

仿生椎骨6采用纵截面为梯形、横截面为矩形的刚性木块制成，并由大到小依次串联到长条状弹性板5上，由穿过通孔的螺栓固定。通过仿生椎骨6呈梯形台结构的设计，通过梯形上下底面大小面积不一致的原理来限制仿生脊柱8上下弯曲的最大幅度，同侧的梯形台大底面的弯曲幅度小，同侧的梯形台小底面的弯曲幅度大，使得“弓背”限度大于“鼓腹”限度。仿生椎骨6尺寸较大的一端为仿生脊柱8的腰部，腰部具有较大的刚度，可对整个仿生脊柱8起到强有力的支撑。

相邻的两个仿生椎骨6间通过拉伸的弹簧7连接，所述弹簧7的特性线为渐增型，弹簧7的两端分别安装在相邻两根螺栓的螺杆上，弹簧7位于长条状弹性板5的下侧。拉伸的弹簧7起到脊柱韧带的作用，可使仿生脊柱8伸展时的刚度大于弯曲时的刚度。使仿生脊柱8在上下弯曲的过程中具有了动态可变的刚度。

气动仿生肌肉9有两根，分别安装在所述仿生脊柱8长度方向的上下两侧，并通过气动仿生肌肉9的伸缩来实现所述仿生脊柱8的上下弯曲运动。

气动仿生肌肉9包括外层编织套管和内层弹性膨胀管，当向气动仿生肌肉9内充入一定压力的气体时，内层弹性膨胀管发生变形，并迫使外层编织套管一起沿径向膨胀，同时沿轴向收缩，并输出相应的拉力；反之，气动仿生肌肉9舒张。

支撑挡板10包括前支撑挡板1和后支撑挡板2，靠近仿生脊柱8腰部的支撑挡板为后支撑挡板2。支撑挡板10被用来固定和连接所述的仿生脊柱8和所述的气动仿生肌肉9，其中，所述仿生脊柱8两端分别穿过前支撑挡板1和后支撑挡板2的中心，并通过三角支架来固定；所述的气动仿生肌肉9进气端3通过螺纹杆固定在后支撑挡板2上，堵气端4通过万向节固定在前支撑挡板1上。可以通过前支撑挡板1和后支撑挡板2在弹性板5上安装的距离，改变仿生脊柱8的长度，增加了仿袋鼠跳跃机器人躯干长度尺寸的可调控性。

本发明提供的一种柔性脊柱机构，通过将传统仿袋鼠跳跃机器人的刚性躯干改进成弹性板5和刚性仿生椎骨6形成的柔性仿生脊柱8，并由气动仿生肌肉9进行驱动，可提高仿袋鼠跳跃机器人的灵活性和稳定性，仿生椎骨6尺寸较大的一端为仿生脊柱8的腰部，腰部具有较大的刚度，可对整个仿生脊柱8起到强有力的支撑。气动仿生肌肉9设置在仿生脊柱8长度方向的上下两侧，并通过气动仿生肌肉9的伸缩来实现所述仿生脊柱8的上下弯曲运动，本发明的仿生柔性脊柱结构简单，便于拆装，易于实现。

实施例2

如图1所示，一种刚度可变的仿袋鼠跳跃机器人柔性脊柱机构，由仿生脊柱8、气动仿生肌肉9和支撑挡板10组成，其中，所述的支撑挡板10包括前支撑挡板1和后支撑挡板2。所述的仿生脊柱8的两端分别穿过前支撑挡板1和后支撑挡板2的中心，并通过三角支架来固定；所述的气动仿生肌肉9有两根，分别安装在所述仿生脊柱8长度方向的上下两侧；气动仿生肌肉9的进气端3通过螺纹杆固定在后支撑挡板2上，堵气端4通过万向节固定在前支撑挡板1上。

如图2所示，所述的仿生脊柱8包括一根长条状的弹性金属薄板和若干个结构相同但大小不同的仿生椎骨6。所述的长条状弹性金属薄板上打有32个通孔，用于固定仿生椎骨6和支撑挡板10。所述的仿生椎骨6采用纵截面为梯形、横截面为矩形的刚性木块制成，并由大到小依次串联到长条状弹性金属薄板上，由穿过通孔的螺栓固定。仿生椎骨6尺寸较大的一端为仿生脊柱8的腰部，尺寸较小的一端为仿生脊柱8的胸部。相邻的两个仿生椎骨6间通过拉伸的弹簧7连接，弹簧7的特性线为渐增型，弹簧7的两端分别安装在相邻两根螺栓的螺杆上，弹簧7位于长条状弹性金属薄板的下侧。后支撑挡板2位于仿生脊柱8的腰部，前支撑挡板1位于仿生脊柱8的胸部。

柔性脊柱机构的上下弯曲运动通过所述的气动仿生肌肉9的伸缩来实现。通过对所述的仿生脊柱8上方的气动仿生肌肉充气收缩，同时对所述的仿生脊柱8下方的气动仿生肌肉放气舒张，使柔性脊柱机构进行向上弯曲运动；反之，可使柔性脊柱机构进行向下弯曲运动。

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