一种仿生变刚度柔性气动腰关节结构

1.本发明属于仿生结构技术领域，尤其涉及一种仿生变刚度柔性气动腰关节结构。


背景技术：

2.仿生四足机器人凭借其强大的适应性可以适用于各个领域，具有很好的应用前景。但是目前四足机器人大多不具备腰关节，尤其是柔性的腰关节，缺少腰部自由度使其只能完成特定的简单动作，无法应用于未知的复杂三维环境。部分机器人具有刚性腰关节，与生物的灵活腰关节相去甚远，适应性低，灵活度低，自由度少，结构复杂，并且缺乏变刚度的特性，使该类型机器人难以完成基本的原地转向，更难以满足完成复杂运动姿态对机体柔顺弯曲的要求，只能局限于辅助机器人完成简单动作。因此，设计一种具有多自由度的仿生柔性腰关节辅助四足机器人实现多种复杂运动姿态是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明提供一种仿生变刚度柔性气动腰关节结构，用于解决上述问题。
4.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种仿生变刚度柔性气动腰关节结构，用于连接四足机器人的上躯体和下躯体，包括：类脊柱结构、类腰肌结构和气压驱动装置，所述气压驱动装置安装在下躯体中，所述类腰肌结构包括类腰肌结构上、类腰肌结构下、类腰肌结构左和类腰肌结构右，所述类脊柱结构、所述类腰肌结构上、所述类腰肌结构下、所述类腰肌结构左和所述类腰肌结构右的两端均固定连接上躯体和下躯体，并均与所述气压驱动装置气路连通，所述类腰肌结构上、所述类腰肌结构下、所述类腰肌结构左和所述类腰肌结构右分别位于所述类脊柱结构的上方、下方、左侧和右侧。
6.进一步地，所述类脊柱结构包括顺应性万向球接头，多个所述顺应性万向球接头依次连接在上躯体和下躯体之间。
7.进一步地，所述类脊柱结构还包括柔性橡胶薄膜和第一尼龙颗粒，所述柔性橡胶薄膜包覆多个所述顺应性万向球接头并密封，并与所述气压驱动装置气路连通，多个所述第一尼龙颗粒填充在所述柔性橡胶薄膜和所述顺应性万向球接头之间。
8.进一步地，所述类腰肌结构上、所述类腰肌结构下、所述类腰肌结构左和所述类腰肌结构右的结构相同，均包括波纹管弹性外壁面和柔性柱塞结构，所述波纹管弹性外壁面的两端连接上躯体和下躯体，所述柔性柱塞结构嵌入安装在所述波纹管弹性外壁面中，与所述波纹管弹性外壁面根部进行固定并密封，所述波纹管弹性外壁面与所述气压驱动装置气路连通。
9.进一步地，所述类腰肌结构上、所述类腰肌结构下、所述类腰肌结构左和所述类腰肌结构右上还包括第二尼龙颗粒，多个所述第二尼龙颗粒填充在所述波纹管弹性外壁面和所述柔性柱塞结构之间。
10.进一步地，所述气压驱动装置包括气泵、三通电磁阀一、三通电磁阀二、三通电磁
阀三、三通电磁阀四和三通电磁阀五，所述气泵安装在下躯体中，所述气泵分别与所述柔性橡胶薄膜，以及所述类腰肌结构上、所述类腰肌结构下、所述类腰肌结构左和所述类腰肌结构右中的所述波纹管弹性外壁面气路连通，所述三通电磁阀一安装在所述气泵与所述柔性橡胶薄膜的气路上，所述三通电磁阀二、所述三通电磁阀三、所述三通电磁阀四和所述三通电磁阀五分别安装在所述气泵与所述类腰肌结构上、所述类腰肌结构下、所述类腰肌结构左和所述类腰肌结构右中的所述波纹管弹性外壁面的气路上。
11.本发明的有益效果在于：
12.1.本发明由气压驱动装置控制类脊柱结构、类腰肌结构上、类腰肌结构下、类腰肌结构左和类腰肌结构右内常压与负压的切换，实现类脊柱结构周围的处于不同位置的类腰肌结构上、类腰肌结构下、类腰肌结构左和类腰肌结构右的收缩或伸长，来驱动实现类脊柱结构不同方向的弯曲，实现了四足仿生机器人的多自由度的结构变化，结构简单巧妙；
13.2.多个顺应性万向球接头连接四足机器人的上躯体和下躯体，正常大气压下，外层柔性橡胶薄膜处于松弛状态，第一尼龙颗粒与球接头之间摩擦力可以忽略不计，此时类脊柱结构处于低刚度状态，气压驱动装置对柔性橡胶薄膜施加负压，柔性橡胶薄膜收缩，第一尼龙颗粒相互挤压，产生较大的摩擦力，将多个顺应性万向球接头锁紧，此时类脊柱结构处于高刚度状态，使类脊柱结构固定于当前的弯曲角度；
14.3.在正常大气压下，类腰肌结构内部的柔性柱塞结构处于伸长状态，将波纹管弹性外壁面撑起，此时第二尼龙颗粒之间摩擦力忽略不计，类腰肌结构可以根据机器人的运动姿态进行弯曲、伸长或压缩，气压驱动装置对波纹管弹性外壁面施加负压，波纹管弹性外壁面被外界大气压压缩，柔性柱塞结构被压缩，内部体积变小，第二尼龙颗粒在大气压下相互挤压，产生较大的摩擦力，类腰肌结构缩短，并且刚度变大，类脊柱结构周围的处于不同位置的类腰肌结构上、类腰肌结构下、类腰肌结构左和类腰肌结构右的收缩或伸长实现了“腰关节”结构的全向弯曲，以及刚度与柔性的切换；
15.4.由一个气泵通过三通电磁阀一控制柔性橡胶薄膜内常压与负压的切换，以及通过三通电磁阀二、三通电磁阀三、三通电磁阀四和三通电磁阀五分别控制类腰肌结构上、类腰肌结构下、类腰肌结构左和类腰肌结构右内的波纹管弹性外壁面的常压与负压的切换，实现了类脊柱结构与各个类腰肌结构的自由度的改变，以及刚度与柔性的切换，控制需求简单，结构稳定可靠，状态响应快。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
17.图1是一种仿生变刚度柔性气动腰关节结构的结构示意图。
18.图2是类脊柱结构在常压状态下的示意图。
19.图3是类脊柱结构在负压状态下的示意图。
20.图4是类腰肌结构在常压状态下的示意图。
21.图5是类腰肌结构在负压状态下的示意图。
22.图6是气压驱动装置与类脊柱结构、类腰肌结构上、类腰肌结构下、类腰肌结构左和类腰肌结构右的连接示意图。
23.其中，图中：
24.100-类脊柱结构、101-柔性橡胶薄膜、102-第一尼龙颗粒、103-顺应性万向球接头、200-类腰肌结构、210-类腰肌结构上、211-波纹管弹性外壁面、212-第二尼龙颗粒、213-柔性柱塞结构、220-类腰肌结构下、230-类腰肌结构左、240-类腰肌结构右、310-气泵、320-三通电磁阀一、330-三通电磁阀二、340-三通电磁阀三、350-三通电磁阀四、360-三通电磁阀五。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.实施例
27.参照附图1-6所示，本发明提供一种仿生变刚度柔性气动腰关节结构，用于连接四足机器人的上躯体和下躯体，包括：类脊柱结构100、类腰肌结构200和气压驱动装置，气压驱动装置安装在下躯体中，类腰肌结构200包括类腰肌结构上210、类腰肌结构下220、类腰肌结构左230和类腰肌结构右240，类脊柱结构100、类腰肌结构上210、类腰肌结构下220、类腰肌结构左230和类腰肌结构右240的两端均固定连接上躯体和下躯体，并均与气压驱动装置气路连通，类腰肌结构上210、类腰肌结构下220、类腰肌结构左230和类腰肌结构右240分别位于类脊柱结构100的上方、下方、左侧和右侧。
28.类腰肌结构200中的类腰肌结构上210、类腰肌结构下220、类腰肌结构左230和类腰肌结构右240围绕在中心的类脊柱结构100四周，根据切换相对位置处的类腰肌结构200的常压与负压状态，使其形成长度差，迫使腰关节向负压状态的类腰肌结构200一侧弯曲，即向长度缩短的类腰肌结构200一侧弯曲，四根类腰肌结构200相互组合可以完成腰关节的全向弯曲。
29.由气压驱动装置控制类脊柱结构100、类腰肌结构上210、类腰肌结构下220、类腰肌结构左230和类腰肌结构右240内常压与负压的切换，实现类脊柱结构100周围的处于不同位置的类腰肌结构上210、类腰肌结构下220、类腰肌结构左230和类腰肌结构右240的收缩或伸长，来驱动实现类脊柱结构100的全向弯曲，实现了四足仿生机器人的多自由度的结构变化，结构简单巧妙。
30.优选的一种实施例，类脊柱结构100包括顺应性万向球接头103，多个顺应性万向球接头103依次连接在上躯体和下躯体之间，可以根据腰关节长度调整球接头的个数。多个顺应性万向球接头103连接四足机器人的上躯体和下躯体，形成四足爬行机器人的“腰关节”，能够实现四足机器人复杂姿态下的动作。
31.优选的一种实施例，类脊柱结构100还包括柔性橡胶薄膜101和第一尼龙颗粒102，柔性橡胶薄膜101包覆多个顺应性万向球接头103并密封，并与气压驱动装置气路连通，多个第一尼龙颗粒102填充在柔性橡胶薄膜101和顺应性万向球接头103之间。正常大气压下，
外层柔性橡胶薄膜101处于松弛状态，第一尼龙颗粒102与球接头之间摩擦力可以忽略不计，此时类脊柱结构100处于低刚度状态，可以在四周的类脊柱结构100、类腰肌结构上210、类腰肌结构下220、类腰肌结构左230和类腰肌结构右240的牵引下达到所需的弯曲状态；气压驱动装置对柔性橡胶薄膜101施加负压，柔性橡胶薄膜101收缩，迫使填满空腔的第一尼龙颗粒102相互挤压，产生较大的摩擦力，将多个顺应性万向球接头103锁紧，此时类脊柱结构100处于高刚度状态，使类脊柱结构100固定于当前的弯曲角度，以满足机器人目前动作姿态对腰关节的刚度需求。需要变换腰关节的角度时，重复上述对类脊柱结构100的常压-负压的切换即可。
32.优选的一种实施例，类腰肌结构上210、类腰肌结构下220、类腰肌结构左230和类腰肌结构右240的结构相同，均包括波纹管弹性外壁面211和柔性柱塞结构213，波纹管弹性外壁面211的两端连接上躯体和下躯体，柔性柱塞结构213嵌入安装在波纹管弹性外壁面211中，与波纹管弹性外壁面211根部进行固定并密封，波纹管弹性外壁面211与气压驱动装置气路连通。可以根据腰关节长度调整柔性柱塞结构213的长度，具有较高的通用性。
33.优选的一种实施例，类腰肌结构上210、类腰肌结构下220、类腰肌结构左230和类腰肌结构右240上还包括第二尼龙颗粒212，多个第二尼龙颗粒212填充在波纹管弹性外壁面211和柔性柱塞结构213之间。
34.在正常大气压下，各类腰肌结构200内部的柱塞结构处于伸长状态，将波纹管弹性外壁面211撑起，内部留有大量的空间，此时内置的第二尼龙颗粒212之间仅处于接触状态，摩擦力可以忽略不计，类腰肌结构200可以根据机器人的运动姿态进行弯曲、伸长或压缩。在气压驱动装置提供的负压下，波纹管弹性外壁面211被外界大气压压缩，柔性柱塞结构213被压缩，内部体积变小，迫使内部的第二尼龙颗粒212在大气压下相互挤压，产生较大的摩擦力，此时类腰肌结构200缩短，刚度变大。在类脊柱结构100周围的类腰肌结构上210、类腰肌结构下220、类腰肌结构左230和类腰肌结构右240，组成了完整的变刚度柔性腰关节。类腰肌结构上210、类腰肌结构下220、类腰肌结构左230和类腰肌结构右240在常压与负压之间的状态切换及配合可以完成腰关节的全向弯曲，并与负压状态下的类脊柱结构100配合在弯曲状态下提供足够的刚度。波纹管弹性外壁面211在负压下的轴向抗拉性能优异但抗弯扭性能欠缺，可伸缩的柔性柱塞结构213有效增强了腰部关节驱动单元的抗弯承载能力，通过负压调节增大第二尼龙颗粒212的相互摩擦力，提高了驱动单元的抗扭性能。
35.优选的一种实施例，气压驱动装置包括气泵310、三通电磁阀一320、三通电磁阀二330、三通电磁阀三340、三通电磁阀四350和三通电磁阀五360，气泵310安装在下躯体中，气泵310分别与柔性橡胶薄膜101，以及类腰肌结构上210、类腰肌结构下220、类腰肌结构左230和类腰肌结构右240中的波纹管弹性外壁面211气路连通；三通电磁阀一320、三通电磁阀二330、三通电磁阀三340、三通电磁阀四350和三通电磁阀五360均为二位三通电磁阀；三通电磁阀一320安装在气泵310与柔性橡胶薄膜101的气路上，三通电磁阀二330、三通电磁阀三340、三通电磁阀四350和三通电磁阀五360分别安装在气泵310与类腰肌结构上210、类腰肌结构下220、类腰肌结构左230和类腰肌结构右240中的波纹管弹性外壁面211的气路上。
36.气泵310是整个腰关节的动力来源，整个腰关节通过单个气泵310进行常压-负压状态的切换，控制方便，结构简单。各个类腰肌结构200中的波纹管弹性外壁面211和类脊柱
结构100中的柔性橡胶薄膜101分别通过单独的二位三通电磁阀与气泵310连接。在机器人对腰关节无弯曲要求时，要求腰关节整体保持较高的刚度状态，(选用的二位三通电磁阀属于常开式电磁阀)，气泵310始终处于负压状态，通过各个二位三通电磁阀使各个类腰肌结构200中的波纹管弹性外壁面211和类脊柱结构100中的柔性橡胶薄膜101均处于负压状态，此时腰关节整体具有较高的刚度。在机器人对腰关节有弯曲要求时，保持弯曲一侧的类腰肌结构200连接的二位三通电磁阀不变，依旧处于常开状态与气泵310连通，该位置的类腰肌结构200中的处于负压状态；背离弯曲一侧的类腰肌结构200连接的电磁阀切换状态，使波纹管弹性外壁面211内部与大气连通，类腰肌结构200处于常压状态；两侧的类腰肌结构200在不同的气压状态下形成长度差来达到机器人对腰关节的弯曲要求。在此过程中，类脊柱结构100下的三通电磁阀一320先切换状态与大气连通，变为低刚度状态，随着腰关节弯曲达到指定状态后，三通电磁阀一320切换为常开状态与气泵310连通，类脊柱结构100处于负压状态，为腰关节提供足够的刚度。整个过程中气泵310始终处于负压状态，不需要额外的控制，仅靠调控二位三通电磁阀的状态便可以完成腰关节各个方向的弯曲。
37.优选的一种实施例，柔性橡胶薄膜101及各类腰肌结构200中波纹管弹性外壁面211均采用sla光固化技术一体化制造成形，进一步的，可以根据腰关节的实际需求对柔性橡胶薄膜101以及波纹管弹性外壁面211的直径、长度以及形态进行调整，使腰关节的适用范围更广。
38.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
39.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种仿生变刚度柔性气动腰关节结构，用于连接四足机器人的上躯体和下躯体，其特征在于，包括：类脊柱结构、类腰肌结构和气压驱动装置，所述气压驱动装置安装在下躯体中，所述类腰肌结构包括类腰肌结构上、类腰肌结构下、类腰肌结构左和类腰肌结构右，所述类脊柱结构、所述类腰肌结构上、所述类腰肌结构下、所述类腰肌结构左和所述类腰肌结构右的两端均固定连接上躯体和下躯体，并均与所述气压驱动装置气路连通，所述类腰肌结构上、所述类腰肌结构下、所述类腰肌结构左和所述类腰肌结构右分别位于所述类脊柱结构的上方、下方、左侧和右侧。2.根据权利要求1所述的一种仿生变刚度柔性气动腰关节结构，其特征在于，所述类脊柱结构包括顺应性万向球接头，多个所述顺应性万向球接头依次连接在上躯体和下躯体之间。3.根据权利要求2所述的一种仿生变刚度柔性气动腰关节结构，其特征在于，所述类脊柱结构还包括柔性橡胶薄膜和第一尼龙颗粒，所述柔性橡胶薄膜包覆多个所述顺应性万向球接头并密封，并与所述气压驱动装置气路连通，多个所述第一尼龙颗粒填充在所述柔性橡胶薄膜和所述顺应性万向球接头之间。4.根据权利要求3所述的一种仿生变刚度柔性气动腰关节结构，其特征在于，所述类腰肌结构上、所述类腰肌结构下、所述类腰肌结构左和所述类腰肌结构右的结构相同，均包括波纹管弹性外壁面和柔性柱塞结构，所述波纹管弹性外壁面的两端连接上躯体和下躯体，所述柔性柱塞结构嵌入安装在所述波纹管弹性外壁面中，与所述波纹管弹性外壁面根部进行固定并密封，所述波纹管弹性外壁面与所述气压驱动装置气路连通。5.根据权利要求4所述的一种仿生变刚度柔性气动腰关节结构，其特征在于，所述类腰肌结构上、所述类腰肌结构下、所述类腰肌结构左和所述类腰肌结构右上还包括第二尼龙颗粒，多个所述第二尼龙颗粒填充在所述波纹管弹性外壁面和所述柔性柱塞结构之间。6.根据权利要求4所述的一种仿生变刚度柔性气动腰关节结构，其特征在于，所述气压驱动装置包括气泵、三通电磁阀一、三通电磁阀二、三通电磁阀三、三通电磁阀四和三通电磁阀五，所述气泵安装在下躯体中，所述气泵分别与所述柔性橡胶薄膜，以及所述类腰肌结构上、所述类腰肌结构下、所述类腰肌结构左和所述类腰肌结构右中的所述波纹管弹性外壁面气路连通，所述三通电磁阀一安装在所述气泵与所述柔性橡胶薄膜的气路上，所述三通电磁阀二、所述三通电磁阀三、所述三通电磁阀四和所述三通电磁阀五分别安装在所述气泵与所述类腰肌结构上、所述类腰肌结构下、所述类腰肌结构左和所述类腰肌结构右中的所述波纹管弹性外壁面的气路上。

技术总结
本发明公开一种仿生变刚度柔性气动腰关节结构，属于仿生结构技术领域，包括：类脊柱结构、类腰肌结构和气压驱动装置，气压驱动装置安装在下躯体中，类腰肌结构包括类腰肌结构上、类腰肌结构下、类腰肌结构左和类腰肌结构右，类脊柱结构、类腰肌结构上、类腰肌结构下、类腰肌结构左和类腰肌结构右的两端均固定连接上躯体和下躯体，均与气压驱动装置气路连通，类腰肌结构上、类腰肌结构下、类腰肌结构左和类腰肌结构右分别位于类脊柱结构的上下左右。本发明使用单一气泵通过电磁阀控制常压与负压之间的切换实现不同位置的类腰肌机构的收缩和伸长，来驱动类脊柱结构实现不同的方向的弯曲，同时通过尼龙颗粒阻塞增加了结构的刚度。度。度。


技术研发人员：王周义 袁清松 翁志远 姚俊升 赵闻鑫 段云龙 张沛清
受保护的技术使用者：南京航空航天大学深圳研究院
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/8/14