可适应崎岖路面爬行的仿蜘蛛机器人的躯干装置

摘要

本发明涉及一种可适应崎岖路面爬行的仿蜘蛛机器人的躯干装置。目前的仿蜘蛛机器人针对平面内的爬行。本发明中的并联平台对称设置在长方形的基体底面的角上，并联平台呈三角状，其第一顶点上设置有第一球铰，第一球铰固定在基体底面，第二顶点上设置有第二球铰，第二球铰通过伸缩制动器与第三球铰连接，第三球铰固定在基体底面，第三顶点上设置有第四球铰，第四球铰通过另一个伸缩制动器与第五球铰连接，第五球铰固定在基体底面；第二球铰与第四球铰之间的并联平台上设置有两个髋关节基座，每个髋关节基座对应设置有一条机械腿。本发明通过伸缩制动器的动作可使得四个并联平台改变位姿，从而具有对崎岖路面行走的适应能力。

权利要求

1. 可适应崎岖路面爬行的仿蜘蛛机器人的躯干装置，包括基体和四个并联平台，其特征在于：并联平台对称设置在长方形的基体底面的角上，所述的并联平台呈三角状，其第一顶点上设置有第一球铰，第一球铰固定在基体底面，第二顶点上设置有第二球铰，第二球铰通过伸缩制动器与第三球铰连接，所述的第三球铰固定在基体底面，第三顶点上设置有第四球铰，第四球铰通过另一个伸缩制动器与第五球铰连接，所述的第五球铰固定在基体底面；所述的第二球铰与第四球铰之间的并联平台上设置有两个髋关节基座，每个髋关节基座对应设置有一条机械腿；

所述的第二球铰通过伸缩制动器与第三球铰具体连接方式为：伸缩制动器的上端是主动活塞杆，主动活塞杆上端与第三球铰连接，主动活塞杆下端插入气压缸，气压缸上下两腔分别通过气管与接有高压气源的电磁阀连接，接有高压气源的电磁阀可调节主动活塞杆的运动；气压缸的下端轴向方向固定连接有被动活塞杆，被动活塞杆的下端插入连通器的小截面端，连通器的大截面端内安装有从动活塞杆，连通器中被动活塞杆活塞和从动活塞杆活塞之间的密封腔体中装有油液；从动活塞杆上端与杠杆的短力臂端通过转动铰链连接；

杠杆的支撑杆固定连接在连通器大截面端外侧；杠杆的长力臂端通过转动铰链与承压连杆的上端连接；承压连杆上套有导向滑套，导向滑套通过转动铰链、导向杆与连通器大截面端下端连接；承压连杆的下端通过第二球铰与并联平台连接；承压连杆将承受的重力通过杠杆放大传递到从动活塞杆，从动活塞杆的移动通过连通器引起被动活塞杆的伸长，从而可被动的调节被动活塞杆的运动。

2.根据权利要求1所述的可适应崎岖路面爬行的仿蜘蛛机器人的躯干装置，其特征在于：所述连通器的小截面端与大截面端面积之比要大于杠杆的短力臂与长力臂长度之比。

说明书

可适应崎岖路面爬行的仿蜘蛛机器人的躯干装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种仿生爬行机构的可变形躯干装置，更具体地说是由基体和4个并联平台组成，可利用气压缸、从动活塞杆、连通器和四连杆机构进行主动和被动机构变形，适应崎岖路面爬行的仿蜘蛛机器人躯干装置。

背景技术

[0002] 仿蜘蛛机器人可应用与各种危险环境，开展侦查、测量、抢险救灾以及清洗、喷漆等作业，代替人类完成多种复杂、危险环境下的作业。目前多数的仿蜘蛛机器人研究都是针对平面内的爬行，而实际应用中经常会要求机器人在崎岖路面上爬行，如野外环境地质灾害监测机器人。仿蜘蛛机器人较传统的轮式机器人有更好的移动性，采用类生物的爬行机构进行运动，具有较好的路况适应能力。当面对崎岖不平的路面时，仿蜘蛛机器人需通过多条腿的复杂运动才能适应路面。腿是和躯干连接在一起的。针对连续变化的曲面，躯干的变形很重要。蜘蛛腿的移动随躯干的变形而动，而已有的仿蜘蛛机器人身体是刚体，不可变形。一般的仿蜘蛛机器人的躯干机构形态基本不可变，对路面的自动适应能力比较差，只适合在平坦的道路上完成行走，在倾斜或复杂变化的曲面路况上行走，机构容易倾斜或侧翻。刚性躯体是导致步态曲面自适应能力弱的重要原因。虽然有些学者意识到此问题，给躯干添加了一个自由度，但距离生物躯体的变形相差甚远，不能成功模拟蜘蛛的柔性运动。若能设计出一种躯干，躯干的机构形态可变形，即可根据路面曲率变化而调节躯干的机构形态，引起安装在躯干上的多条机械腿髋关节之间相对位置和姿态的变化，从而就可带动机械腿来根据地势变化而自动调节。这种结构将能增强机器人对崎岖路面的适应能力，提高机构工作性能和仿生性能。

发明内容

[0003] 本发明的目的是针对现有技术的不足，设计了一种机械腿髋关节安装平台可以随路面情况调节变形的仿蜘蛛机器人躯干装置。

[0004] 本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

[0005] 本发明包括基体和四个并联平台，并联平台对称设置在长方形的基体底面的角上，所述的并联平台呈三角状，其第一顶点上设置有第一球铰，第一球铰固定在基体底面，第二顶点上设置有第二球铰，第二球铰通过伸缩制动器与第三球铰连接，所述的第三球铰固定在基体底面，第三顶点上设置有第四球铰，第四球铰通过另一个伸缩制动器与第五球铰连接，所述的第五球铰固定在基体底面；所述的第二球铰与第四球铰之间的并联平台上设置有两个髋关节基座，每个髋关节基座对应设置有一条机械腿。

[0006] 所述的第二球铰通过伸缩制动器与第三球铰具体连接方式为：伸缩制动器的上端是主动活塞杆，主动活塞杆上端与第三球铰连接，主动活塞杆下端插入气压缸，气压缸上下两腔分别通过气管与接有高压气源的电磁阀连接，接有高压气源的电磁阀可调节主动活塞杆的运动；气压缸的下端轴向方向固定连接有被动活塞杆，被动活塞杆的下端插入连通器的小截面端，连通器的大截面端内安装有从动活塞杆，连通器中被动活塞杆活塞和从动活塞杆活塞之间的密封腔体中装有油液；从动活塞杆上端与杠杆的短力臂端通过转动铰链连接；杠杆的支撑杆固定连接在连通器大截面端外侧；杠杆的长力臂端通过转动铰链与承压连杆的上端连接；承压连杆上套有导向滑套，导向滑套通过转动铰链、导向杆与连通器大截面端下端连接；承压连杆的下端通过第二球铰与并联平台连接；承压连杆将承受的重力通过杠杆放大传递到从动活塞杆，从动活塞杆的移动通过连通器引起被动活塞杆的伸长，从而可被动的调节被动活塞杆的运动。

[0007] 更进一步说，连通器的小截面端与大截面端面积之比要大于杠杆的短力臂与长力臂长度之比。

[0008] 本发明相比于现有技术具有以下有益效果：

[0009] 1．在基体下面安装有4个并联平台，通过伸缩制动器的动作可使得4个并联平台改变位姿，从而改变躯干的形态，并引起8条机械腿髋关节的位置变化，从而具有对崎岖路面行走的适应能力。

[0010] 2．当机器人行走到倾斜或崎岖的路面上时，对于离地机械腿，可通过气压缸来主动调节主动活塞杆的伸长和缩短运动，从而调节离地机械腿并联平台的位姿，引起整条离地机械腿的运动，来主动适应下一步的崎岖路面行走；而不是通过复杂的离地机械腿多连杆之间的相对运动来适应曲面；从而简化了机械腿崎岖路面适应动作。3．当机器人行走到倾斜路面上时，位于斜面下端的支撑机械腿传递给承压连杆的压力变大，承压连杆上移，通过杠杆，从动活塞杆下移，且下移距离小于承压杆上移的距离（杠杆原理），通过连通器，被动活塞杆上移，且上移距离大于从动活塞杆下移的距离（连通器原理），使得伸缩制动器总长变长，基体上移，利于基体在斜面上保持水平位姿，从而来被动适应路面斜率变化。当支撑机械腿离地后，伸缩制动器又会恢复到无承压时的长度。斜面的被动适应动作快，无功耗。

附图说明

[0011] 图1为本发明的仰视图；

[0012] 图2为本发明的伸缩制动器的详细图；

[0013] 1：基体；2：球铰：3：机械腿；4：右上并联平台；5：伸缩制动器；6：右下并联平台；7：左下并联平台；8：左上并联平台；9：髋关节基座；501：主动活塞杆；502：气压缸；503：
被动活塞杆；504：转动铰链；505：杠杆；506：支撑杆；507：承压连杆；508：导向滑套；509：
导向杆；510：连通器；511：从动活塞杆；512：接有高压气源的电磁阀；513：气管。

具体实施方式

[0014] 以下结合附图对本发明作进一步说明。

[0015] 如图1和图2所示，本发明包括基体1、右上并联平台4、右下并联平台6、左下并联平台7、左上并联平台8、伸缩制动器5、球铰2、髋关节基座9、主动活塞杆501、气压缸502、被动活塞杆503、杠杆505、连通器510、接有高压气源的电磁阀512等。

[0016] 基体1呈长方形，在基体的四个角的下端面上安装有十二个球铰2，构成四个并联平台，其中两个球铰2（第二球铰和第四球铰）靠近基体1底面边线上，另一个球铰2（第一球铰）在基体1底面中间位置；基体边线上的球铰2（第三球铰和第五球铰）与伸缩制动器5的上端连接；伸缩制动器5的下端通过球铰2分别与形状为三角形的右上并联平台4、右下并联平台6、左下并联平台7、左上并联平台8的外侧边上的两个顶点连接；右上并联平台4、右下并联平台6、左下并联平台7、左上并联平台8的内侧顶点通过球铰2与基体连接
1；在右上并联平台4、右下并联平台6、左下并联平台7、左上并联平台8的外侧边上的每个顶点位置附近安装有髋关节基座9，髋关节基座9上安装有机械腿3；伸缩制动器5的上端是主动活塞杆501，主动活塞杆501下端插入气压缸502，气压缸502上下两腔分别通过气管513与接有高压气源的电磁阀512连接，接有高压气源的电磁阀512可调节主动活塞杆
501的运动；气压缸502的下端轴向方向固定连接有被动活塞杆503，被动活塞杆503的下端插入连通器510的小截面端，连通器510的大截面端内安装有从动活塞杆511；从动活塞杆511上端与杠杆505的短力臂端通过转动铰链504连接；杠杆505的支撑杆506固定连接在连通器510大截面端外侧；杠杆505的长力臂端通过转动铰链504与承压连杆507的上端连接；承压连杆507上套有导向滑套508，导向滑套508通过转动铰链504和导向杆509与连通器510大截面端下端连接；承压连杆507的下端通过球铰2与并联平台4、6、7、8连接。

[0017] 机构能够更好的适应不同的地面情况表现在：当机器人行走到倾斜或崎岖的路面上，对于离地机械腿，可通过气压缸502来主动调节主动活塞杆501的伸长和缩短运动来适应路面；位于斜面下端的支撑脚传递给承压连杆507的压力变大，承压连杆507上移，通过杠杆505和连通器510的作用，被动活塞杆503上移，且距离大于承压连杆507的上移距离，从而基体上移，使得脚伸长，利于基体在斜面上保持水平位姿，更好适应斜面。另外连通器的小截面端与大截面端面积之比要大于杠杆的短力臂与长力臂长度之比。