本发明属于仿生机器人技术领域，特别涉及一种仿生脊柱活动节段。本发明包括上椎体、下椎体、第一竖肌、第二竖肌、第三竖肌、第四竖肌、第一斜肌、第二斜肌、第三斜肌、第四斜肌、钢丝绳、可回复式磁流变阻尼器组件、球铰、圆筒限位支架、电气比例阀、减压阀、气源和控制器；在气动肌肉的驱动下，上椎体可以实现四个自由度的运动，具有灵活、清洁和节能的优点；可回复式磁流变阻尼器组件的阻尼可调，不仅可以协助调整上椎体的运动姿态，而且还起到的支撑、减震的效果；通过调节气动肌肉内部的气压，还可以改变仿生脊柱的刚性。本发明很好的模拟了生物脊柱活动节段的特性，同时具有功能上的创新和扩展，值得应用。
1.仿生脊柱活动节段，包括上椎体（1）、下椎体（2）、第一竖肌（3）、第二竖肌（4）、第三竖肌（5）、第四竖肌（6）、第一斜肌（7）、第二斜肌（8）、第三斜肌（9）、第四斜肌（10）、钢丝绳（11）、可回复式磁流变阻尼器组件（12）、球铰（13）、圆筒限位支架（14）、电气比例阀（15）、减压阀（16）、气源（17）和控制器（18），其特征在于：所述第一竖肌（3）、第二竖肌（4）、第三竖肌（5）、第四竖肌（6）、第一斜肌（7）、第二斜肌（8）、第三斜肌（9）和第四斜肌（10）均为气动肌肉，圆筒限位支架（14）一端固接在下椎体（2）中心位置，可回复式磁流变阻尼器组件（12）底部也固接在下椎体（2）中心位置且被圆筒限位支架（14）包围，可回复式磁流变阻尼器组件（12）的顶部通过球铰（13）与上椎体（1）的中心位置铰接，第一竖肌（3）、第二竖肌（4）、第三竖肌（5）、第四竖肌（6）的一端依次沿逆时针方向分别与下椎体（2）固接且固接点均布在下椎体（2）的圆周（19）上，第一竖肌（3）、第二竖肌（4）、第三竖肌（5）、第四竖肌（6）的另一端固接钢丝绳（11）的一端，钢丝绳（11）的另一端分别与上椎体（1）固接且固接点分别处在相对应的第一竖肌（3）、第二竖肌（4）、第三竖肌（5）、第四竖肌（6）的正上方，第一斜肌（7）、第二斜肌（8）、第三斜肌（9）、第四斜肌（10）的一端通过球铰（13）依次沿逆时针方向分别与下椎体（2）铰接且铰接点同样处在圆周（19）上，第一斜肌（7）、第二斜肌（8）与下椎体（2）的铰接点分别分布于第一竖肌（3）与下椎体（2）的固接点的两侧，第三斜肌（9）、第四斜肌（10）与下椎体（2）的铰接点分别分布于第三竖肌（5）与下椎体（2）的固接点的两侧，第一斜肌（7）、第二斜肌（8）、第三斜肌（9）、第四斜肌（10）的另一端固接钢丝绳（11）一端，第一斜肌（7）和第四斜肌（10）上的钢丝绳（11）的另一端与上椎体（1）固接且固接点和第四竖肌（6）上的钢丝绳（11）与上椎体（1）的固接点重合，第二斜肌（8）和第三斜肌（9）上的钢丝绳（11）的另一端与上椎体（1）固接且固接点和第二竖肌（4）上的钢丝绳（11）与上椎体（1）的固接点重合；所述第一竖肌（3）、第二竖肌（4）、第三竖肌（5）、第四竖肌（6）、第一斜肌（7）、第二斜肌（8）、第三斜肌（9）和第四斜肌（10）的进气口分别与它们各自对应的电气比例阀（15）的出气口相连通，电气比例阀（15）的进气口均与减压阀（16）的出气口相连通，减压阀（16）的进气口与气源（17）相连通，电气比例阀（15）与控制器（18）电连接。
2.根据权利要求1所述的仿生脊柱活动节段，其特征在于：所述的可回复式磁流变
阻尼器组件（12）包括底座（1201）、圆筒（1202）、回复弹簧（1203）、磁流变液（1204）、活塞（1205）、励磁线圈（1206）、活塞杆（1207）、垫圈（1208）、密封圈（1209）、支撑环（1210）和封盖（1211）；所述底座（1201）与圆筒（1202）的一端固接，底座（1201）与圆筒（1202）之间设置有垫圈（1208），回复弹簧（1203）固接在底座（1201）上且与圆筒（1202）同轴设置，回复弹簧（1203）另一端上侧与封盖（1211）下侧之间设置有圆柱状活塞（1205），且活塞（1205）的外径与圆筒（1202）的内径相同，活塞（1205）上同轴设置有励磁线圈（1206），活塞（1205）上还设置有若干阻尼孔（1212），阻尼孔（1212）处在与活塞（1205）同心的圆周上，且圆周的直径大于励磁线圈（1206）的外径，活塞杆（1207）与活塞（1205）同轴固接，封盖（1211）穿过活塞杆（1207）与圆筒（1202）另一端固接，且封盖（1211）与圆筒（1202）之间设置有垫圈（1208），封盖（1211）与活塞杆（1207）之间设置有密封圈（1209）和支撑环（1210），活塞（1205）和活塞杆（1207）内部还设置有导线通道（1213），在活塞杆（1207）没有受到外力作用时，封盖（1211）的下端面与活塞（1205）的上端面保持接触。
3.根据权利要求2所述的仿生脊柱活动节段，其特征在于：所述的可回复式磁流变阻尼器组件（12）还包括距离传感器（1214），所述距离传感器（1214）设置在活塞杆（1207）上。
4.根据权利要求3所述的仿生脊柱活动节段，其特征在于：所述的距离传感器（1214）为超声波距离传感器。
仿生脊柱活动节段
技术领域
[0001] 本发明属于仿生机器人技术领域，特别涉及一种仿生脊柱活动节段。
背景技术
[0002] 有足生物在进行步行、奔跑和跳跃等动作时一般具有很强的协调性和稳定性，这除了和其复杂的运动神经系统息息相关以外，还和其完善的躯干结构密不可分。当前的绝大多数足式仿生机器人都是在以刚性躯干为前提条件下进行的简化建模，而实际上有足生物的躯干在运动过程中会发生柔性变形，以保证生物运动的稳定性和协调性。尤其是当生物在进行奔跑和跳跃等剧烈运动时，如果还采用纯刚性躯干模型则不能合理复现生物运动的力学性能，从而使得对机器人在行走效率和稳定性的研究上很难再有所突破。脊柱作为生物躯干的中轴支柱，是生物躯干的活动中心和力的传递枢纽，具有负重、减震、保护和运动等功能。因而探索仿生脊柱在足式机器人领域的应用具有重大的意义。
[0003] 气动肌肉是一种新型气动执行元件，与生物肌肉具有很大的相似性，且具有很高的功率重量比和功率体积比，同时还具有响应速度快、成本低廉等优点，在机器人、仿生机械等领域中有着广泛的应用。
[0004] 磁流变液是一种可控流体，它是由高磁导率、低磁滞性的微小磁性颗粒和非导磁性混合而成的悬浮体。这种悬浮体在零磁场条件下呈现出低粘度的牛顿流体特性；而在强磁场作用下，则呈现出高粘度、低流动性的Bingham体特性。由于磁流变液在磁场作用下的流变是瞬间的、可逆的、而且其流变后的剪切屈服强度与磁场强度具有稳定相对应的关系，因此是一种性能优良的智能材料，被广泛应用于机械、土建、汽车等工程技术领域。
[0005] 经对现有技术的文献检索发现，中国专利文献[申请号：201310099132.X]公开了一种仿生机器人柔性机体，包括前驱体、后躯体、人工脊柱、气动人工肌肉。其中人工脊柱由若干节结构完全相同大小不同的仿生脊椎单元由小到大依次排列而成。每一节仿生脊椎单元由仿生椎骨、仿生椎间盘软垫、弹簧组成。上述发明具有一定的柔性，可以辅助腿机构实现仿生机器人灵活原地转向，但其主动自由度较少，难以实现复杂的运动仿生。中国专利文献[申请号：201310215981.7]公开了一种液压驱动二自由度仿生脊柱关节模块，包括上端盖、下端盖，上端盖和下端盖之间安装二自由度十字轴式刚性万向节和波纹管，二自由度十字轴式刚性万向节包括位于中间的十字轴、与十字轴连接的万向节叉、与端盖连接的万向轴基座，上端盖上安装相互连通的第一齿轮泵、第一二位四通电磁阀，下端盖上安装相互连通的第二齿轮泵、第二二位四通电磁阀，波纹管有四个，第一二位四通电磁阀分别连通第一、第二波纹管，第二二位四通电磁阀分别连通第三、第四波纹管。上述发明通过液压驱动模拟仿生脊柱关节的转动，可以实现多个自由度的运动。但由于是液压驱动，机构的刚性不可调节，且不够节能。
发明内容
[0006] 本发明的目的就是针对现有技术的缺陷和不足，提出了一种仿生脊柱活动节段。
[0007] 为解决上述问题，本发明采用了以下技术方案：它包括上椎体、下椎体、第一竖肌、第二竖肌、第三竖肌、第四竖肌、第一斜肌、第二斜肌、第三斜肌、第四斜肌、钢丝绳、可回复式磁流变阻尼器组件、球铰、圆筒限位支架、电气比例阀、减压阀、气源和控制器；所述第一竖肌、第二竖肌、第三竖肌、第四竖肌、第一斜肌、第二斜肌、第三斜肌和第四斜肌均为气动肌肉，圆筒限位支架一端固接在下椎体中心位置，可回复式磁流变阻尼器组件底部也固接在下椎体中心位置且被圆筒限位支架包围，可回复式磁流变阻尼器组件的顶部通过球铰与上椎体的中心位置铰接，第一竖肌、第二竖肌、第三竖肌、第四竖肌的一端依次沿逆时针方向分别与下椎体固接且固接点均布在下椎体的圆周上，第一竖肌、第二竖肌、第三竖肌、第四竖肌的另一端固接钢丝绳一端，钢丝绳的另一端分别与上椎体固接且固接点分别处在相对应的第一竖肌、第二竖肌、第三竖肌、第四竖肌的正上方，第一斜肌、第二斜肌、第三斜肌、第四斜肌的一端通过球铰依次沿逆时针方向分别与下椎体铰接且铰接点同样处在上述圆周上，第一斜肌、第二斜肌与下椎体的铰接点分别分布于第一竖肌与下椎体的固接点的两侧，第三斜肌、第四斜肌与下椎体的铰接点分别分布于第三竖肌与下椎体的固接点的两侧，第一斜肌、第二斜肌、第三斜肌、第四斜肌的另一端固接钢丝绳一端，第一斜肌和第四斜肌上的钢丝绳的另一端与上椎体固接且固接点和第四竖肌上的钢丝绳与上椎体的固接点重合，第二斜肌和第三斜肌上的钢丝绳的另一端与上椎体固接且固接点和第二竖肌上的钢丝绳与上椎体的固接点重合；所述第一竖肌、第二竖肌、第三竖肌、第四竖肌、第一斜肌、第二斜肌、第三斜肌和第四斜肌的进气口分别与它们各自对应的电气比例阀的出气口相连通，电气比例阀的进气口均与减压阀的出气口相连通，减压阀的进气口与气源相连通，电气比例阀与控制器电连接。
[0008] 在上述的装置中，所述的可回复式磁流变阻尼器组件包括：底座、圆筒、回复弹簧、磁流变液、活塞、励磁线圈、活塞杆、垫圈、密封圈、支撑环和封盖；所述底座与圆筒的一端固接，底座与圆筒之间设置有垫圈，回复弹簧固接在底座上且与圆筒同轴设置，回复弹簧另一端上侧与封盖下侧之间设置有圆柱状活塞，且活塞的外径与圆筒的内径相同，活塞上同轴设置有励磁线圈，活塞上还设置有若干阻尼孔，阻尼孔处在与活塞同轴的圆周上，且圆周的直径大于励磁线圈的外径，活塞杆与活塞同轴固接，封盖穿过活塞杆与圆筒另一端固接，且封盖与圆筒之间设置有垫圈，封盖与活塞杆之间设置有密封圈和支撑环，活塞）和活塞杆内部还设置有导线通道，在活塞杆没有受到外力作用时，封盖的下端面与活塞的上端面保持接触。
[0009] 在上述的装置中，所述的可回复式磁流变阻尼器组件还包括距离传感器，所述距离传感器设置在活塞杆上。
[0010] 在上述的装置中，所述的距离传感器为超声波距离传感器。
[0011] 本发明采用气动肌肉驱动，可实现四个自由度的运动，具有灵活、清洁和节能的优点；可回复式磁流变阻尼器组件阻尼可以调节，使得仿生脊柱活动节段具有一定的负载能力和减震的功能；同时还可以根据需要锁定活塞杆的伸长量，同时调节气动肌肉内部的气压，进而改变仿生脊柱的刚性。本发明很好的模拟了生物脊柱活动节段的特性，同时具有功能上的创新和扩展，值得应用。
附图说明
[0012] 图1是仿生脊柱活动节段的前视图；
[0013] 图2是仿生脊柱活动节段的局部结构示意图；
[0014] 图3是可回复式磁流变阻尼器组件的剖面图；
[0015] 图4是仿生脊柱活动节段控制系统的示意图。
[0016] 图中，1、上椎体；2、下椎体；3、第一竖肌；4、第二竖肌；5、第三竖肌；6、第四竖肌；7、第一斜肌；8、第二斜肌；9、第三斜肌；10、第四斜肌；11、钢丝绳；12、可回复式磁流变阻尼器组件；13、球铰；14、圆筒限位支架；15、电气比例阀；16、减压阀；17、气源；18、控制器；
19、圆周；1201、底座；1202、圆筒；1203、回复弹簧；1204、磁流变液；1205、活塞；1206、励磁线圈；1207、活塞杆；1208、垫圈；1209、密封圈；1210、支撑环；1211、封盖；1212、阻尼孔；
1213、导线通道；1214、距离传感器。
具体实施方式
[0017] 下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。
[0018] 如图1、图2和图4所示，本发明包括上椎体1、下椎体2、第一竖肌3、第二竖肌4、第三竖肌5、第四竖肌6、第一斜肌7、第二斜肌8、第三斜肌9、第四斜肌10、钢丝绳11、可回复式磁流变阻尼器组件12、球铰13、圆筒限位支架14、电气比例阀15、减压阀16、气源17和控制器18；所述第一竖肌3、第二竖肌4、第三竖肌5、第四竖肌6、第一斜肌7、第二斜肌8、第三斜肌9和第四斜肌10均为气动肌肉，圆筒限位支架14一端固接在下椎体2上侧中心位置，可回复式磁流变阻尼器组件12底部固接在下椎体2上侧中心位置且被圆筒限位支架14包围，可回复式磁流变阻尼器组件12的另一端通过球铰13与上椎体1的上侧中心位置铰接，第一竖肌3、第二竖肌4、第三竖肌5、第四竖肌6的一端依次沿逆时针方向分别与下椎体2固接且固接点均布在下椎体2下侧的圆周19上，第一竖肌3、第二竖肌4、第三竖肌5、第四竖肌6的另一端固接钢丝绳11的一端，钢丝绳11的另一端分别与上椎体1固接且固接点分别处在相对应的第一竖肌3、第二竖肌4、第三竖肌5、第四竖肌6的正上方，第一斜肌7、第二斜肌8、第三斜肌9、第四斜肌10的一端通过球铰13依次沿逆时针方向分别与下椎体2铰接且铰接点同样处在圆周19上，第一斜肌7、第二斜肌8与下椎体2的铰接点分别分布于第一竖肌3与下椎体2的固接点的两侧，第三斜肌9、第四斜肌10与下椎体2的铰接点分别分布于第三竖肌5与下椎体2的固接点的两侧，第一斜肌7、第二斜肌8、第三斜肌9、第四斜肌10的另一端固接钢丝绳11的一端，第一斜肌7和第四斜肌10上的钢丝绳11的另一端与上椎体1固接且固接点和第四竖肌6上的钢丝绳11与上椎体1的固接点重合，第二斜肌8和第三斜肌9上的钢丝绳11的另一端与上椎体1固接且固接点和第二竖肌4上的钢丝绳11与上椎体1的固接点重合；所述第一竖肌3、第二竖肌4、第三竖肌5、第四竖肌
6、第一斜肌7、第二斜肌8、第三斜肌9和第四斜肌10的进气口分别与它们各自对应的电气比例阀15的出气口相连通，电气比例阀15的进气口均与减压阀16的出气口相连通，减压阀16的进气口与气源17相连通，电气比例阀15与控制器18电连接。
[0019] 如图3所示，可回复式磁流变阻尼器组件12包括底座1201、圆筒1202、回复弹簧1203、磁流变液1204、活塞1205、励磁线圈1206、活塞杆1207、垫圈1208、密封圈1209、支撑环1210、封盖1211；所述底座1201与圆筒1202的一端固接，底座1201与圆筒1202之间设置有垫圈1208，回复弹簧1203固接在底座1201上且与圆筒1202同轴设置，回复弹簧
1203另一端上侧与封盖1211下侧之间设置有圆柱状活塞1205，且活塞1205的外径与圆筒
1202的内径相同，活塞1205上同轴设置有励磁线圈1206，活塞1205上还设置有若干阻尼孔1212，阻尼孔1212处在与活塞1205同轴的圆周上，且圆周的直径大于励磁线圈1206的外径，活塞杆1207与活塞1205同轴固接，封盖1211穿过活塞杆1207与圆筒1202另一端固接，且封盖1211与圆筒1202之间设置有垫圈1208，封盖1211与活塞杆1207之间设置有密封圈1209和支撑环1210，活塞1205和活塞杆1207内部还设置有导线通道1213，在活塞杆1207没有受到外力作用时，封盖1211的下端面与活塞1205的上端面保持接触。
[0020] 如图3所示，所述的可回复式磁流变阻尼器组件12还包括距离传感器1214，所述距离传感器1214设置在活塞杆1207上。所述的距离传感器1214为超声波距离传感器。
[0021] 本发明装置的工作过程：控制器18控制励磁线圈1206中通过电流时，励磁线圈1206周围产生的磁场会使得阻尼孔1212中及周围的磁流变液1204瞬间从低粘度的牛顿流体状态变为高粘度、低流动性的Bingham体状态，且电流越大，励磁线圈1206周围产生的磁场会越强，阻尼孔1212中及周围的磁流变液1204的粘度会越高，甚至固结。所以通过控制励磁线圈1206中电流的大小，可以控制活塞杆1207的阻尼程度，当通过励磁线圈1206中的电流足够大时，则可以锁定活塞杆1207的长度。垫圈1208和密封圈1209是为了起到密封的作用，防止磁流变液1204泄漏；支撑环1210可减少活塞杆1207在运动时产生的磨损；
励磁线圈1206的引出线可从导线通道1213引出；回复弹簧1203可以使活塞杆1207在需要的时候恢复到最大伸长量；距离传感器1214可以实时检测活塞杆1207的伸长量。
[0022] 控制器18通过控制电气比例阀15可实现对气动肌肉进气量的调节，从而实现对气动肌肉收缩量的控制。仿生脊柱活动节段工作时，通过控制第一竖肌3、第二竖肌4、第三竖肌5和第四竖肌6产生不同的收缩量，可以使上椎体1呈现出不同的姿态；当上椎体1倾斜到一定角度时，会被圆筒限位支架14的上端面挡住，避免上椎体1在被钢丝绳11拉动时，因倾斜角度过大而使机构出现损坏；当同时收缩第一斜肌7和第三斜肌9时，钢丝绳
11可以拉动上椎体1实现逆时针方向的转动，当同时收缩第二斜肌8和第四斜肌10时，钢丝绳11可以拉动上椎体1实现顺时针方向的转动 。故上椎体1以球铰13为中心，可实现三个自由度的运动；另外加上活塞杆1207的伸缩，使得机构一共可以实现四个自由度的运动。可回复式磁流变阻尼器组件12通过调节阻尼可以吸收外界干扰所带来的震动。距离传感器1214可以将检测到的活塞杆1207伸长量信号传给控制器18，控制器18结合各气动肌肉的收缩量可判断出上椎体1所处的姿态，并且在需要时将活塞杆1207伸长量锁定，此时调节气动肌肉内部的气压，可以改变气动肌肉的刚性，进而可以改变仿生脊柱的刚性。
[0023] 以上所述仅是本发明的一个较佳实施例，凡是在不脱离本发明精神和范围的前提下对本发明所做的各种改变和改进，都不会超越所附权利要求书所定义的范围。
