CN109018065B - 一种全拟态仿形推进机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及拟态机器人结构领域，具体涉及一种全拟态仿形推进机构。包括由驱动电机控制的柔性生物仿形层节壳体，壳体内部固定连接有若干组仿形件，每组含有若干个仿形单件；所述的仿形单件由躯干部、躯干部顶部与壳体相连的链接块以及分布在躯干部两侧的足肢节杆组构成，所述的躯干部由体节悬杆组与其底部的中节耦合杆组构成；所述的足肢节杆组可绕躯干部摆动。在行为原生质复现的基础上，能够增加自身爬步的谐态表现，通过仿生姿态，拟合优化脊节和足组间的谐频耦合，降低作业的惯动性，提高行进的贴地性，竖直方向上降低高度，从而提高了设备的隐蔽性。
Description
技术领域
本发明涉及拟态机器人结构领域，具体涉及一种全拟态仿形推进机构。
背景技术
多足仿生机器人的结构简单而且灵活，承载能力强，稳定性好，不仅能在复杂的非结构的路面上行走，还能轻易地跨过较大的障碍，还能以动态步态实现快速移动。多足仿生机器人可以代替人完成许多危险作业，在军事、矿山开采、核能工业等领域都有广阔的应用前景。
生物学可知，倍足类身体细长，体长2～280毫米。体形多样，或呈前后稍细的圆筒形，或呈背腹扁平的带状，或体形较短，背面拱起，将身体卷曲成球形。体节少者11节，多则几十节，可分头、胸、腹3部分。触角一对，7～8节，末节较短小，顶端有4个感觉圆椎体，少数种类的圆椎体数目更多。
对此，我们研究发现，倍足纲百脚虫的爬步行为富有稳态性，远超其他爬行昆虫。并且，该类昆虫所演化的生理运动模组，使其躯干和足肢能以最佳的调谐比率实行陆上行进运动，并且具有较高的能效转化率和机动灵活性。
现有的拟态推进机构，大多采用足部动力无耦合直驱传动或者柔性气动囊腔形变等方式，存在姿态拟合精度低、行进惯动性大、驱动足运动频率和速度偏低等缺点，并且对生物的姿态拟合性也存在较大的偏差。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种全拟态仿形推进机构，使其能够在进行推进及陆上作业时，在行为原生质复现的基础上，能够增加自身爬步的谐态表现，通过仿生姿态，拟合优化脊节和足组间的谐频耦合，降低作业的惯动性，提高行进的贴地性，竖直方向上降低高度，从而提高了设备的隐蔽性。
本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：
一种全拟态仿形推进机构，包括由驱动电机控制的柔性生物仿形层节壳体，壳体内部固定连接有若干组仿形件，每组含有若干个仿形单件；
所述的仿形单件由躯干部、躯干部顶部与壳体相连的链接块以及分布在躯干部两侧的足肢节杆组构成，所述的躯干部由体节悬杆组与其底部的中节耦合杆组构成；所述的足肢节杆组可绕躯干部摆动。
优选方案如下：
体节悬杆组包括脊直杆、二级摇角杆和二级摆角杆；所述脊直杆的末端与二级摇角杆的上端轴向活动相连；二级摇角杆的侧部通过二级摆角杆与脊直杆相连，从而相对于脊直杆产生机械摆动。
脊直杆末端的一侧通过调谐横杆连接有一级摇角杆，同轴的另一侧设置有一级摆角杆；一级摇角杆和一级摆角杆通过三孔连接片与二级摇角杆相连；二级摇角杆通过二级调谐横杆与二级摆角杆相连；二级摆角杆的末端一侧通过二级角型杆II、二级角型杆I与二级摇角杆相连；二级摇角杆的末端通过过渡摇杆、由电机控制的过渡驱动曲柄、斜拉杆与二级角型杆II相连。
中节耦合杆组包括同轴相连的左内撑杆、左外撑杆、右内撑杆、右外撑杆、前提摆杆、前短转杆、后短转杆和斜拉杆；所述的前提摆杆通过反叉接连杆与二级角型杆II相连；所述的左内撑杆通过左短接转杆与左外撑杆相连，所述的右外撑杆通过右短接转杆与右内撑杆相连。
足肢节杆组包括位于躯干部两侧的相同的左足肢节杆组和右足肢节杆组，每组包括有足基竖杆和可绕足基竖杆进行相对运动的肢节组。
足基竖杆上部通过由电机控制的一级原动杆与一级提摆杆相连，一级提摆杆通过过渡摇转杆、过渡斜接转拉杆和上接连架杆与下接提拉杆首尾相连；所述的下接提拉杆同轴连接有过渡拉转杆、二级转杆、二级回接杆和下接提拉杆；所述的二级转杆通过二级提摆杆和二级转拉杆与二级回接杆相连；所述的二级回接杆下部设置有足撑接杆；
足基竖杆的下部设置有回环件，滑套杆一端穿过足撑接杆末端的套环与回环件相连，另一端与足框杆相连。
足肢节杆组通过中节耦合杆组与躯干部相连，足肢节杆组外部套有拟态足外罩。
足基竖杆通过右短接转杆与躯干部相连。
每组仿形件含有2～12个仿形单件。
其中，仿形层节壳体为从前向后的层叠形节段连接结构，相邻两层的水平或竖直方向上的自由度的角度偏差为1～5度。倍足类身体细长，体形多样，或呈前后稍细的圆筒形，或呈背腹扁平的带状，或体形较短，背面拱起，将身体卷曲成球形，故仿形层节壳体模拟倍足类虫体的身体外壳而设计，由于虫体身体为柔性，故本发明设计的结构是层叠形节段连接结构。运动时，相邻两层的高度或左右水平度会发生位移，角度偏差为1～5度，可以根据具体模拟的虫体机构来限定角度偏差的具体数值。
工作原理如下：该推进机构在电机提供能量源运动的同时，依靠足部与地面之间的摩擦力从而带动整体向前运动。每个仿形单件进行同质循环周期运动，其机构传递函数具有一致性。在动作行进的进程中，每个仿形单件的驱动端之间存在时域量偏分，偏分量从拟形的虫首至尾部呈等差量分布。在同一时刻，虫体的脊尖部、足尖端分别基于时序偏分量表现出等梯度构型的空间谐波曲线演进轨迹。该轨迹可解析投影至铅锤面及水平面，水平分量实现行进向的物理效果，铅锤向分量表现为向地性以增减爬步稳态表现。
其中，控制电机机组不限定在本机构上的具***置，也可以在本机构之外的无线电控，来控制电机从而控制本机构的相关运动。
对比与现有技术，本发明有益效果在于：在行为原生质复现的基础上，能够增加自身爬步的谐态表现，通过仿生姿态，拟合优化脊节和足组间的谐频耦合，降低作业的惯动性，提高行进的贴地性，竖直方向上降低高度，从而提高了设备的隐蔽性。
附图说明
图1是本发明结构的立体示意图；
图2是本发明结构的后视图；
图3是本发明躯干部的局部放大示意图；
图4是本发明足肢节杆组的局部放大示意图；
图5～图10是本发明结构整体的渲染示意图；
附图中所示标号：1、脊直杆，2、调谐横杆，3、一级摇角杆，4、一级摆角杆，5、三孔连接片，6、二级调谐横杆，7、二级摇角杆，8、二级摆角杆，9、过渡摇杆，10，二级角型杆I，11、拟态足外罩，12、过渡驱动曲柄，13、二级角型杆II，14、反叉接连杆，15、前提摆杆，16、前短转杆，17、左内撑杆，18、右内撑杆，19、后短转杆，20、斜拉杆，21、左外撑杆，22、左短接转杆，23、右外撑杆，24、右短接转杆，25、足基竖杆，26、一级原动杆，27、一级提摆杆，28、过渡拉转杆，29、过渡摇转杆，30、过渡斜接转拉杆，31、上接连架杆，32、下接提拉杆，33、二级转杆，34、二级提摆杆，35、二级转拉杆，36、二级回接杆，37、足撑接杆，38、足框杆，39、滑套杆，40、回环件。
具体实施方式
结合附图和具体实施例，对本发明作进一步说明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所限定的范围。
实施例1：一种全拟态仿形推进机构，包括由驱动电机控制的柔性生物仿形层节壳体，壳体内部固定连接有若干组仿形件，每组含有若干个仿形单件；
所述的仿形单件由躯干部、躯干部顶部与壳体相连的链接块以及分布在躯干部两侧的足肢节杆组构成，所述的躯干部由体节悬杆组与其底部的中节耦合杆组构成；所述的足肢节杆组可绕躯干部摆动。
体节悬杆组包括脊直杆1、二级摇角杆7和二级摆角杆8；所述脊直杆1的末端与二级摇角杆7的上端轴向活动相连；二级摇角杆7的侧部通过二级摆角杆8与脊直杆1相连，从而相对于脊直杆1产生机械摆动。
脊直杆1末端的一侧通过调谐横杆2连接有一级摇角杆3，同轴的另一侧设置有一级摆角杆4；一级摇角杆3和一级摆角杆4通过三孔连接片5与二级摇角杆7相连；二级摇角杆7通过二级调谐横杆6与二级摆角杆8相连；二级摆角杆8的末端一侧通过二级角型杆II13、二级角型杆I10与二级摇角杆7相连；二级摇角杆7的末端通过过渡摇杆9、由电机控制的过渡驱动曲柄12、斜拉杆20与二级角型杆II13相连。
中节耦合杆组包括同轴相连的左内撑杆17、左外撑杆21、右内撑杆18、右外撑杆23、前提摆杆15、前短转杆16、后短转杆19和斜拉杆20；所述的前提摆杆15通过反叉接连杆14与二级角型杆II13相连；所述的左内撑杆17通过左短接转杆22与左外撑杆21相连，所述的右外撑杆23通过右短接转杆24与右内撑杆18相连。
足肢节杆组包括位于躯干部两侧的相同的左足肢节杆组和右足肢节杆组，每组包括有足基竖杆25和可绕足基竖杆25进行相对运动的肢节组。
足基竖杆25上部通过由电机控制的一级原动杆26与一级提摆杆27相连，一级提摆杆27通过过渡摇转杆29、过渡斜接转拉杆30和上接连架杆31与下接提拉杆32首尾相连；所述的下接提拉杆32同轴连接有过渡拉转杆28、二级转杆33、二级回接杆36和下接提拉杆32；所述的二级转杆33通过二级提摆杆34和二级转拉杆35与二级回接杆36相连；所述的二级回接杆36下部设置有足撑接杆37；
足基竖杆25的下部设置有回环件40，滑套杆39一端穿过足撑接杆37末端的套环与回环件40相连，另一端与足框杆38相连。
足肢节杆组通过中节耦合杆组与躯干部相连，足肢节杆组外部套有拟态足外罩11。
足基竖杆25通过右短接转杆24与躯干部相连。
每组仿形件含有10个仿形单件。
仿形层节壳体为从前向后的层叠形节段连接结构，相邻两层的水平或竖直方向上的自由度的角度偏差为3度。
其中，仿形层节壳体为从前向后的层叠形节段连接结构，相邻两层的水平或竖直方向上的自由度的角度偏差为1～5度。倍足类身体细长，体形多样，或呈前后稍细的圆筒形，或呈背腹扁平的带状，或体形较短，背面拱起，将身体卷曲成球形，故仿形层节壳体模拟倍足类虫体的身体外壳而设计，由于虫体身体为柔性，故本发明设计的结构是层叠形节段连接结构。运动时，相邻两层的高度或左右水平度会发生位移，角度偏差为1～5度，可以根据具体模拟的虫体机构来限定角度偏差的具体数值。
工作原理如下：该推进机构在电机提供能量源运动的同时，依靠足部与地面之间的摩擦力从而带动整体向前运动。每个仿形单件进行同质循环周期运动，其机构传递函数具有一致性。在动作行进的进程中，每个仿形单件的驱动端之间存在时域量偏分，偏分量从拟形的虫首至尾部呈等差量分布。在同一时刻，虫体的脊尖部、足尖端分别基于时序偏分量表现出等梯度构型的空间谐波曲线演进轨迹。该轨迹可解析投影至铅锤面及水平面，水平分量实现行进向的物理效果，铅锤向分量表现为向地性以增减爬步稳态表现。
其中，控制电机机组不限定在本机构上的具***置，也可以在本机构之外的无线电控，来控制电机从而控制本机构的相关运动。
对比与现有技术，本发明有益效果在于：在行为原生质复现的基础上，能够增加自身爬步的谐态表现，通过仿生姿态，拟合优化脊节和足组间的谐频耦合，降低作业的惯动性，提高行进的贴地性，竖直方向上降低高度，从而提高了设备的隐蔽性。
Claims (6)
1.一种全拟态仿形推进机构，其特征在于：包括由驱动电机控制的柔性生物仿形层节壳体，壳体内部固定连接有若干组仿形件，每组含有若干个仿形单件；
所述的仿形单件由躯干部、躯干部顶部与壳体相连的链接块以及分布在躯干部两侧的足肢节杆组构成，所述的躯干部由体节悬杆组与其底部的中节耦合杆组构成；所述的足肢节杆组可绕躯干部摆动；
所述的体节悬杆组包括脊直杆（1）、二级摇角杆（7）和二级摆角杆(8)；所述脊直杆（1）的末端与二级摇角杆（7）的上端轴向活动相连；二级摇角杆（7）的侧部通过二级摆角杆(8)与脊直杆（1）相连，从而相对于脊直杆（1）产生机械摆动；
所述的脊直杆（1）末端的一侧通过调谐横杆（2）连接有一级摇角杆（3），同轴的另一侧设置有一级摆角杆（4）；一级摇角杆（3）和一级摆角杆（4）通过三孔连接片（5）与二级摇角杆（7）相连；二级摇角杆（7）通过二级调谐横杆（6）与二级摆角杆(8)相连；二级摆角杆(8)的末端一侧通过二级角型杆II（13）、二级角型杆I（10）与二级摇角杆（7）相连；二级摇角杆（7）的末端通过过渡摇杆（9）、由电机控制的过渡驱动曲柄（12）、斜拉杆（20）与二级角型杆II（13）相连；
所述的中节耦合杆组包括同轴相连的左内撑杆（17）、左外撑杆（21）、右内撑杆（18）、右外撑杆（23）、前提摆杆（15）、前短转杆（16）、后短转杆（19）和斜拉杆（20）；所述的前提摆杆（15）通过反叉接连杆（14）与二级角型杆II（13）相连；所述的左内撑杆（17）通过左短接转杆（22）与左外撑杆（21）相连，所述的右外撑杆（23）通过右短接转杆（24）与右内撑杆（18）相连；
所述的足肢节杆组包括位于躯干部两侧的相同的左足肢节杆组和右足肢节杆组，每组包括有足基竖杆（25）和可绕足基竖杆（25）进行相对运动的肢节组。
2.根据权利要求1所述的一种全拟态仿形推进机构，其特征在于：所述的足基竖杆（25）上部通过由电机控制的一级原动杆（26）与一级提摆杆（27）相连，一级提摆杆（27）通过过渡摇转杆（29）、过渡斜接转拉杆（30）和上接连架杆（31）与下接提拉杆（32）首尾相连；所述的下接提拉杆（32）同轴连接有过渡拉转杆（28）、二级转杆（33）、二级回接杆（36）和下接提拉杆（32）；所述的二级转杆（33）通过二级提摆杆（34）和二级转拉杆（35）与二级回接杆（36）相连；所述的二级回接杆（36）下部设置有足撑接杆（37）；
足基竖杆（25）的下部设置有回环件（40），滑套杆（39）一端穿过足撑接杆（37）末端的套环与回环件（40）相连，另一端与足框杆（38）相连。
3.根据权利要求1所述的一种全拟态仿形推进机构，其特征在于：所述足肢节杆组通过中节耦合杆组与躯干部相连，足肢节杆组外部套有拟态足外罩（11）。
4.根据权利要求1所述的一种全拟态仿形推进机构，其特征在于：所述足基竖杆（25）通过右短接转杆（24）与躯干部相连。
5.根据权利要求1所述的一种全拟态仿形推进机构，其特征在于：所述每组仿形件含有2～12个仿形单件。
6.根据权利要求1所述的一种全拟态仿形推进机构，其特征在于：所述的仿形层节壳体为从前向后的层叠形节段连接结构，相邻两层的水平或竖直方向上的自由度的角度偏差为1～5度。
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