具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于機器人【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)。本具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)，包括上固定座和下固定座，上固定座和下固定座之間設(shè)有支撐結(jié)構(gòu)且支撐結(jié)構(gòu)與上固定座相鉸接，上固定座和下固定座之間還設(shè)有氣動肌肉組件，其特征在于，氣動肌肉組件與可控制氣動肌肉組件內(nèi)氣壓大小的氣壓控制機構(gòu)相連接，氣壓控制機構(gòu)與氣壓反饋機構(gòu)相連接且氣壓反饋機構(gòu)可根據(jù)接收到的反饋信息通過控制氣壓控制機構(gòu)來控制氣動肌肉組件內(nèi)的氣壓大小。本發(fā)明的優(yōu)點在于：能夠針對復(fù)雜步行環(huán)境或突發(fā)擾動進(jìn)行應(yīng)激式反射，適應(yīng)性強，穩(wěn)定性好，反應(yīng)快。
【專利說明】具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于機器人【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)。
【背景技術(shù)】
[0002]氣動肌肉主要是由充氣彈性軟管和起約束彈性管膨脹變形的外部承受負(fù)載構(gòu)件組成，由于變形受到外部承受負(fù)載構(gòu)件的約束而產(chǎn)生應(yīng)力。氣動肌肉的優(yōu)點是功率重量比大、無污染、無滑動、具有人或動物肌肉的柔順性，作為一種高效驅(qū)動器，可以產(chǎn)生足夠大的力，同時由保持一定的柔順性，在機器人、仿生機械等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中的足式機器人的步行控制依靠于機器人的末端執(zhí)行機構(gòu)，使得機器人能夠按照規(guī)劃的軌跡、速度和加速度運動。當(dāng)足式機器人步行的地面平坦時，足式機器人只要復(fù)現(xiàn)規(guī)劃的步行模式即可實現(xiàn)穩(wěn)定步行。但是當(dāng)步行的地面環(huán)境復(fù)雜或未知時，可能會導(dǎo)致機器人的步行穩(wěn)定性下降，甚至發(fā)生傾倒。為了增強機器人在步行的地面環(huán)境復(fù)雜或未知的情況下的步行穩(wěn)定性，機器人研究者們提出了多種方法，但是這些方法都需要通過機器人中央控制器來對步態(tài)進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，響應(yīng)速度慢，穩(wěn)定性較低。
[0004]為了對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，人們進(jìn)行了長期探索，提出各種各樣的解決方案。例如，中國專利文獻(xiàn)公開了一種機構(gòu)參數(shù)可調(diào)的通用型氣動肌肉仿生關(guān)節(jié)機構(gòu)[申請?zhí)?CN201210415541.1]，包括上連接桿、下連接桿、轉(zhuǎn)軸連接塊、轉(zhuǎn)軸、彈簧擋板組件、下支撐板轉(zhuǎn)軸槽、左轉(zhuǎn)軸槽、右轉(zhuǎn)軸槽、上支撐桿、下支撐桿、調(diào)長螺母、壓緊彈簧、左氣動肌肉和右氣動肌肉，其特征在于:上連桿和下連桿用于連接仿生機構(gòu)中需要相對轉(zhuǎn)動的兩個肢體；上連桿固定安裝在轉(zhuǎn)軸連接塊上；轉(zhuǎn)軸連接塊中開有三個橢圓跑道形轉(zhuǎn)軸槽，上支撐轉(zhuǎn)軸槽、左轉(zhuǎn)軸槽和右轉(zhuǎn)軸槽；上支撐轉(zhuǎn)軸槽垂直方向開，上端安裝有預(yù)壓縮后的壓緊彈簧，壓緊彈簧的下端面被彈簧擋板組件擋住，限制了壓緊彈簧的伸長；彈簧擋板組件由中空的擋板和兩端的鎖緊螺母組成，位置可在上支撐轉(zhuǎn)軸槽內(nèi)調(diào)節(jié)；轉(zhuǎn)軸穿過彈簧擋板組件的擋板中間，并被壓緊彈簧的下端面頂住，轉(zhuǎn)軸的位置也可在上支撐轉(zhuǎn)軸槽內(nèi)調(diào)節(jié)；水平方向的左轉(zhuǎn)軸槽和右轉(zhuǎn)軸槽內(nèi)對應(yīng)安裝有同樣結(jié)構(gòu)的左轉(zhuǎn)軸螺母組件和右轉(zhuǎn)軸螺母組件；左、右轉(zhuǎn)軸螺母組件分別通過連桿與左、右氣動肌肉上端連接；連桿可分別繞左、右轉(zhuǎn)軸螺母組件轉(zhuǎn)動；左、右氣動肌肉下端分別通過連桿和左、右轉(zhuǎn)軸螺母組件與下支撐板轉(zhuǎn)軸槽連接；上支撐桿與上支撐轉(zhuǎn)軸槽中的轉(zhuǎn)軸連接，并可繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動；上支撐桿通過調(diào)長螺母與下支撐桿連接，并可通過調(diào)長螺母的旋緊和放松來調(diào)節(jié)長度；下支撐桿與下支撐板轉(zhuǎn)軸槽固定連接；左、右氣動肌肉下端的接頭上分別開有左、右調(diào)節(jié)氣壓口，并可通過左、右調(diào)節(jié)氣壓口分別調(diào)節(jié)左、右氣動肌肉內(nèi)腔的氣壓。
[0005]上述方案雖然在一定程度上解決了現(xiàn)有技術(shù)的不足，可通過左、右氣壓調(diào)節(jié)口來調(diào)節(jié)左、右氣動肌肉內(nèi)腔的氣壓來適應(yīng)具體環(huán)境，但是對于復(fù)雜的步行環(huán)境或是突發(fā)擾動等無具體規(guī)律可尋的情況下，則需要實時調(diào)節(jié)左、右氣動肌肉內(nèi)腔的氣壓，速度慢，穩(wěn)定性低，適應(yīng)復(fù)雜的步行環(huán)境或是突發(fā)擾動的能力差。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，提出了一種能夠針對復(fù)雜步行環(huán)境或突發(fā)擾動進(jìn)行應(yīng)激式反射，適應(yīng)性強且穩(wěn)定性好的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)。
[0007]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了下列技術(shù)方案:本具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)，包括上固定座和下固定座，所述的上固定座和下固定座之間設(shè)有支撐結(jié)構(gòu)且支撐結(jié)構(gòu)與上固定座相鉸接，所述的上固定座和下固定座之間還設(shè)有氣動肌肉組件，其特征在于，所述的氣動肌肉組件與可控制氣動肌肉組件內(nèi)氣壓大小的氣壓控制機構(gòu)相連接，所述的氣壓控制機構(gòu)與氣壓反饋機構(gòu)相連接且氣壓反饋機構(gòu)可根據(jù)接收到的反饋信息通過控制氣壓控制機構(gòu)來控制氣動肌肉組件內(nèi)的氣壓大小。
[0008]仿生機械是模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和控制原理設(shè)計制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。參照生物界有足動物的行走，會發(fā)現(xiàn)其具有很強的環(huán)境適應(yīng)性，可對外界環(huán)境的改變和各種刺激做出快速而準(zhǔn)確的反應(yīng)。這是因為動物運動神經(jīng)系統(tǒng)中含有豐富的反饋網(wǎng)絡(luò)和合理的生物反射機制。所以，通過反射機制實現(xiàn)足式機器人的環(huán)境適應(yīng)性是一個很好的借鑒。當(dāng)機器人行走在復(fù)雜步行環(huán)境或遇到突發(fā)擾動時，氣壓反饋機構(gòu)負(fù)責(zé)接收這些反饋信息，在接收到反饋信息后，氣壓反饋機構(gòu)直接控制氣壓控制機構(gòu)上的閥門，閥門開度發(fā)生變化，氣動肌肉組件中部分氣動肌肉內(nèi)的氣壓發(fā)生變化，從而關(guān)節(jié)屈曲，產(chǎn)生反射，機器人可以立即躲避突起的路面或碎石等障礙物，從而適應(yīng)復(fù)雜步行環(huán)境或突發(fā)擾動，適應(yīng)性強，穩(wěn)定性好，反應(yīng)快。
[0009]在上述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)中，所述的氣壓反饋機構(gòu)包括安裝在機器人腳底的氣墊，所述的氣墊通過耐壓氣管與設(shè)置在基座上的沖擊響應(yīng)式阻尼裝置相連通，所述的沖擊響應(yīng)式阻尼裝置的輸出桿上鉸接有杠桿且杠桿通過銷軸與基座相鉸接，所述的杠桿的另一端鉸接有連桿，所述的連桿的另一端與氣壓控制機構(gòu)的閥門相鉸接。氣墊會被安裝在機器人的腳底，當(dāng)機器人行走時，腳在落地之前會有一個減速的過程，保證與地面平穩(wěn)接觸。在正常情況下，腳在落地時，氣墊緩慢與地面接觸，繼而被緩慢壓縮，此時，沖擊響應(yīng)式阻尼裝置不動作，所以不會有反射產(chǎn)生；而當(dāng)機器人行走在較為崎嶇的路面上或路面上有碎石等障礙物時，機器人的腳底可能會以一個較大的速度提前與突起的路面或碎石等障礙物發(fā)生沖擊，這時，腳底氣墊內(nèi)的氣壓會激增，使得沖擊響應(yīng)式阻尼裝置動作，其輸出桿伸長，再通過杠桿和連桿的機械傳遞，使得氣壓控制機構(gòu)的閥門開度增大，氣動肌肉組件中部分氣動肌肉內(nèi)的氣壓發(fā)生變化，從而關(guān)節(jié)屈曲，產(chǎn)生反射，機器人可以立即躲避突起的路面或碎石等障礙物，從而適應(yīng)復(fù)雜步行環(huán)境或突發(fā)擾動，適應(yīng)性強，反應(yīng)快，穩(wěn)定性好。
[0010]在上述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)中，所述的氣動肌肉組件包括分布在支撐結(jié)構(gòu)兩側(cè)的第一氣動肌肉和第二氣動肌肉，所述的第一氣動肌肉的兩端分別與上固定座和下固定座相鉸接，所述的第二氣動肌肉的兩端分別與上固定座和下固定座相鉸接。當(dāng)機器人腳底的氣墊碰到障礙物時，根據(jù)氣墊碰到障礙物的前后位置，來控制第一氣動肌肉或第二氣動肌肉內(nèi)的氣壓大小，當(dāng)?shù)谝粴鈩蛹∪饣虻诙鈩蛹∪鈨?nèi)的氣壓增大時，第一氣動肌肉或第二氣動肌肉收縮，因為固定座可相對于支撐結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動，所以第一氣動肌肉或第二氣動肌肉拉動上固定座向相應(yīng)的方向下傾，從而關(guān)節(jié)屈曲，產(chǎn)生反射，機器人可以立即躲避突起的路面或碎石等障礙物。
[0011]在上述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)中，所述的氣壓控制機構(gòu)包括第一減壓閥且第一減壓閥的閥門與連桿相鉸接，所述的第一減壓閥上開有第一進(jìn)氣口和第一出氣口，所述的第一出氣口通過氣管分別與第二減壓閥的第二進(jìn)氣口和第二氣動肌肉相連接，所述的第二減壓閥的第二出氣口通過氣管與第一氣動肌肉相連接。當(dāng)機器人腳底的氣墊碰到障礙物時，沖擊響應(yīng)式阻尼裝置動作，其輸出桿伸長，再通過杠桿和連桿的機械傳遞，使得第一減壓閥的閥門開度增大，第一減壓閥所輸出的氣壓增大，導(dǎo)致第二氣動肌肉因輸入氣壓增大而變短；而第一氣動肌肉與第一減壓閥之間還連接有第二減壓閥，故此時第一氣動肌肉的輸入氣壓保持不變，長度也不變，從而關(guān)節(jié)屈曲，產(chǎn)生反射，機器人可以立即躲避突起的路面或碎石等障礙物，從而適應(yīng)復(fù)雜步行環(huán)境或突發(fā)擾動，適應(yīng)性強,反應(yīng)快,穩(wěn)定性好。
[0012]在上述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)中，所述的沖擊響應(yīng)式阻尼裝置包括筒狀殼體，所述的筒狀殼體上下端分別設(shè)有第一端蓋和具第三進(jìn)氣口的第二端蓋，所述的第一端蓋上開有螺紋孔且通過螺紋孔螺紋連接有中間具筒狀腔的調(diào)節(jié)螺母，所述的輸出桿穿設(shè)在調(diào)節(jié)螺母中，所述的筒狀殼體內(nèi)設(shè)有膜片，所述的膜片邊緣與筒狀殼體內(nèi)壁固定連接，所述的輸出桿的一端與膜片中部固定連接。本沖擊響應(yīng)式阻尼裝置的特點在于受到?jīng)_擊才會有所響應(yīng)或是動作，在正常的情況下則不會發(fā)生動作。所以在正常情況下，腳在落地后，氣墊緩慢與地面接觸，繼而被緩慢壓縮，使得直接與第三進(jìn)氣口相連的沖擊響應(yīng)式阻尼裝置腔體內(nèi)的氣壓緩慢變化，沖擊響應(yīng)式阻尼裝置不動作，所以不會有反射產(chǎn)生；而當(dāng)機器人行走在較為崎嶇的路面上或路面上有碎石等障礙物時，機器人的腳底可能會以一個較大的速度提前與突起的路面或碎石等障礙物發(fā)生沖擊，這時，腳底氣墊內(nèi)的氣壓會激增，使得直接與第三進(jìn)氣口相連的沖擊響應(yīng)式阻尼裝置腔體內(nèi)的氣壓也激增，氣體經(jīng)耐壓氣管沖入到第三進(jìn)氣口，然后沖入到?jīng)_擊響應(yīng)式阻尼裝置內(nèi)腔，從而壓迫膜片，使得輸出桿伸長，即沖擊響應(yīng)式阻尼裝置動作，再通過杠桿和連桿的機械傳遞，使得第一減壓閥的閥門開度增大。
[0013]在上述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)中，所述銷軸與杠桿和輸出桿的鉸接處的距尚小于銷軸與杠桿和連桿的鉸接處的距尚。杠桿對沖擊響應(yīng)式阻尼裝置的輸出力起到了放大作用，保證了反射功能的正常實現(xiàn)。
[0014]在上述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)中，所述的第三進(jìn)氣口與耐壓氣管相連通，所述的第一端蓋上開有通氣孔且通氣孔的孔徑比第三進(jìn)氣口小，所述的膜片上設(shè)有小孔，所述的小孔的剖面為扇形，小孔孔徑較大的一端朝向膜片凸起的方向。在正常情況下，腳在落地后，氣墊緩慢與地面接觸，繼而被緩慢壓縮，氣體經(jīng)耐壓氣管壓縮進(jìn)入第三進(jìn)氣口，然后壓縮進(jìn)入沖擊響應(yīng)式阻尼裝置內(nèi)腔，經(jīng)膜片上的小孔進(jìn)入到與通氣孔相連的腔體，再經(jīng)通氣孔與大氣接觸，從而使得沖擊響應(yīng)式阻尼裝置腔體內(nèi)的氣壓緩慢變化，沖擊響應(yīng)式阻尼裝置不動作，所以不會有反射產(chǎn)生。
[0015]在上述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)中，所述的輸出桿上套接有彈簧，所述的彈簧一端作用于調(diào)節(jié)螺母的下端面，另一端作用于膜片且膜片向第三進(jìn)氣口方向凸起。彈簧使得膜片向第三進(jìn)氣口方向凸起，在氣壓和彈簧之間形成一個平衡，當(dāng)氣壓作用于膜片的壓力大于和彈簧作用于膜片的彈力時，輸出桿伸長，即沖擊響應(yīng)式阻尼裝置動作，產(chǎn)生反射。
[0016]在上述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)中，所述的膜片的厚度從中間向邊緣逐漸遞減。
[0017]在上述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)中，所述的支撐結(jié)構(gòu)包括Y型支撐桿和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸，所述的Y型支撐桿的兩側(cè)臂上開有相對應(yīng)的第一通孔和第二通孔，所述的上固定座側(cè)面上開有第三通孔，所述的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸依次穿過第一通孔、第三通孔和第二通孔，所述的上固定座可繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。使得機器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動更為靈活，適應(yīng)環(huán)境能力強。
[0018]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)的優(yōu)點在于:關(guān)節(jié)的反射是通過安裝在足底的氣墊經(jīng)過氣壓傳導(dǎo)和機械式傳導(dǎo)而觸發(fā)的，當(dāng)機器人行走在較為崎嶇的路面上或路面上有碎石等障礙物時，關(guān)節(jié)屈曲，產(chǎn)生反射，機器人可以立即躲避突起的路面或碎石等障礙物，從而適應(yīng)復(fù)雜步行環(huán)境或突發(fā)擾動，適應(yīng)性強，穩(wěn)定性好，響應(yīng)迅速，穩(wěn)定；2、設(shè)計了沖擊響應(yīng)式阻尼裝置，應(yīng)用此關(guān)節(jié)的機器人在正常行走時，沖擊響應(yīng)式阻尼裝置不動作，保證了關(guān)節(jié)只在需要的情況下進(jìn)行反射調(diào)節(jié)；3、沖擊響應(yīng)式阻尼裝置上設(shè)計了阻尼調(diào)節(jié)功能，通過調(diào)節(jié)螺母，可以改變沖擊響應(yīng)式阻尼裝置的響應(yīng)閾值和速度；4、杠桿對沖擊響應(yīng)式阻尼裝置的輸出力起到了放大作用，保證了反射功能的正常實現(xiàn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發(fā)明提供的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2是本發(fā)明提供的沖擊響應(yīng)式阻尼裝置的剖視圖。
[0021]圖3是本發(fā)明提供的支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖4是本發(fā)明提供的支撐結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0023]圖中，上固定座1、下固定座2、支撐結(jié)構(gòu)3、氣動肌肉組件4、氣壓控制機構(gòu)5、氣壓反饋機構(gòu)6、氣墊7、耐壓氣管8、基座9、沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10、輸出桿11、杠桿12、連桿13、第一氣動肌肉14、第二氣動肌肉15、第一減壓閥16、第一進(jìn)氣口 17、第一出氣口 18、第二減壓閥19、第二進(jìn)氣口 20、第二出氣口 21、筒狀殼體22、第一端蓋23、第三進(jìn)氣口 24、第二端蓋25、螺紋孔26、調(diào)節(jié)螺母27、膜片28、銷軸29、彈簧30、小孔31、通氣孔32、Y型支撐桿33、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸34、第一通孔35、第二通孔36、第三通孔37。
【具體實施方式】
[0024]實施例1
[0025]如圖1-4所示，本具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)，包括上固定座I和下固定座2，上固定座I和下固定座2之間設(shè)有支撐結(jié)構(gòu)3且支撐結(jié)構(gòu)3與上固定座I相鉸接，上固定座I和下固定座2之間還設(shè)有氣動肌肉組件4，其特征在于，氣動肌肉組件4與可控制氣動肌肉組件4內(nèi)氣壓大小的氣壓控制機構(gòu)5相連接，氣壓控制機構(gòu)5與氣壓反饋機構(gòu)6相連接且氣壓反饋機構(gòu)6可根據(jù)接收到的反饋信息通過控制氣壓控制機構(gòu)5來控制氣動肌肉組件4內(nèi)的氣壓大小。[0026]仿生機械是模仿生物的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和控制原理設(shè)計制造出的功能更集中、效率更高并具有生物特征的機械。參照生物界有足動物的行走，會發(fā)現(xiàn)其具有很強的環(huán)境適應(yīng)性，可對外界環(huán)境的改變和各種刺激做出快速而準(zhǔn)確的反應(yīng)。這是因為動物運動神經(jīng)系統(tǒng)中含有豐富的反饋網(wǎng)絡(luò)和合理的生物反射機制。所以，通過反射機制實現(xiàn)足式機器人的環(huán)境適應(yīng)性是一個很好的借鑒。當(dāng)機器人行走在復(fù)雜步行環(huán)境或遇到突發(fā)擾動時，氣壓反饋機構(gòu)6負(fù)責(zé)接收這些反饋信息，在接收到反饋信息后，氣壓反饋機構(gòu)6直接控制氣壓控制機構(gòu)5上的閥門，閥門開度發(fā)生變化，氣動肌肉組件4中部分氣動肌肉內(nèi)的氣壓發(fā)生變化，從而關(guān)節(jié)屈曲，產(chǎn)生反射，機器人可以立即躲避突起的路面或碎石等障礙物，從而適應(yīng)復(fù)雜步行環(huán)境或突發(fā)擾動，適應(yīng)性強，穩(wěn)定性好，反應(yīng)快。
[0027]其中，氣壓反饋機構(gòu)6包括安裝在機器人腳底的氣墊7，氣墊7通過耐壓氣管8與設(shè)置在基座9上的沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10相連通，沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10的輸出桿11上鉸接有杠桿12且杠桿12通過銷軸29與基座9相鉸接，杠桿12的另一端鉸接有連桿13，連桿13的另一端與氣壓控制機構(gòu)5的閥門相鉸接，氣墊7會被安裝在機器人的腳底，當(dāng)機器人行走時，腳在落地之前會有一個減速的過程，保證與地面平穩(wěn)接觸。在正常情況下，腳在落地時，氣墊7緩慢與地面接觸，繼而被緩慢壓縮，此時，沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10不動作，所以不會有反射產(chǎn)生；而當(dāng)機器人行走在較為崎嶇的路面上或路面上有碎石等障礙物時，機器人的腳底可能會以一個較大的速度提前與突起的路面或碎石等障礙物發(fā)生沖擊，這時，腳底氣墊7內(nèi)的氣壓會激增，使得沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10動作，其輸出桿11伸長，再通過杠桿12和連桿13的機械傳遞，使得氣壓控制機構(gòu)5的閥門開度增大，氣動肌肉組件4中部分氣動肌肉內(nèi)的氣壓發(fā)生變化，從而關(guān)節(jié)屈曲，產(chǎn)生反射，機器人可以立即躲避突起的路面或碎石等障礙物，從而適應(yīng)復(fù)雜步行環(huán)境或突發(fā)擾動，適應(yīng)性強，反應(yīng)快，穩(wěn)定性好。作為一種改進(jìn)，銷軸29與杠桿12和輸出桿11的鉸接處的距尚小于銷軸29與杠桿12和連桿13的鉸接處的距離。杠桿12對沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10的輸出力起到了放大作用，保證了反射功能的正常實現(xiàn)。
[0028]其中，氣動肌肉組件4包括分布在支撐結(jié)構(gòu)3兩側(cè)的第一氣動肌肉14和第二氣動肌肉15，第一氣動肌肉14的兩端分別與上固定座I和下固定座2相鉸接，第二氣動肌肉15的兩端分別與上固定座I和下固定座2相鉸接，當(dāng)機器人腳底的氣墊7碰到障礙物時，根據(jù)氣墊7碰到障礙物的前后位置，來控制第一氣動肌肉14或第二氣動肌肉15內(nèi)的氣壓大小，當(dāng)?shù)谝粴鈩蛹∪?4或第二氣動肌肉15內(nèi)的氣壓增大時，第一氣動肌肉14或第二氣動肌肉15收縮，因為固定座I可相對于支撐結(jié)構(gòu)3轉(zhuǎn)動，所以第一氣動肌肉14或第二氣動肌肉15拉動上固定座I向相應(yīng)的方向下傾，從而關(guān)節(jié)屈曲，產(chǎn)生反射，機器人可以立即躲避突起的路面或碎石等障礙物。
[0029]其中，氣壓控制機構(gòu)5包括第一減壓閥16且第一減壓閥16的閥門與連桿13相鉸接，第一減壓閥16上開有第一進(jìn)氣口 17和第一出氣口 18，第一出氣口 18通過氣管分別與第二減壓閥19的第二進(jìn)氣口 20和第二氣動肌肉15相連接，第二減壓閥19的第二出氣口21通過氣管與第一氣動肌肉14相連接，當(dāng)機器人腳底的氣墊7碰到障礙物時，沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10動作，其輸出桿11伸長，再通過杠桿12和連桿13的機械傳遞，使得第一減壓閥16的閥門開度增大，第一減壓閥16所輸出的氣壓增大，導(dǎo)致第二氣動肌肉15因輸入氣壓增大而變短；而第一氣動肌肉14與第一減壓閥16之間還連接有第二減壓閥19，故此時第一氣動肌肉14的輸入氣壓保持不變，長度也不變，從而關(guān)節(jié)屈曲，產(chǎn)生反射，機器人可以立即躲避突起的路面或碎石等障礙物，從而適應(yīng)復(fù)雜步行環(huán)境或突發(fā)擾動，適應(yīng)性強，反應(yīng)快，穩(wěn)定性好。
[0030]其中，沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10包括筒狀殼體22，筒狀殼體22上下端分別設(shè)有第一端蓋23和具第三進(jìn)氣口 24的第二端蓋25，第一端蓋23上開有螺紋孔26且通過螺紋孔26螺紋連接有中間具筒狀腔的調(diào)節(jié)螺母27，輸出桿11穿設(shè)在調(diào)節(jié)螺母27中，筒狀殼體22內(nèi)設(shè)有膜片28，膜片28邊緣與筒狀殼體22內(nèi)壁固定連接，輸出桿11的一端與膜片28中部固定連接。本沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10的特點在于受到?jīng)_擊才會有所響應(yīng)或是動作，在正常的情況下則不會發(fā)生動作。所以在正常情況下，腳在落地后，氣墊7緩慢與地面接觸，繼而被緩慢壓縮，使得直接與第三進(jìn)氣口 24相連的沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10腔體內(nèi)的氣壓緩慢變化，沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10不動作，所以不會有反射產(chǎn)生；而當(dāng)機器人行走在較為崎嶇的路面上或路面上有碎石等障礙物時，機器人的腳底可能會以一個較大的速度提前與突起的路面或碎石等障礙物發(fā)生沖擊，這時，腳底氣墊7內(nèi)的氣壓會激增，使得直接與第三進(jìn)氣口24相連的沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10腔體內(nèi)的氣壓也激增，氣體經(jīng)耐壓氣管8沖入到第三進(jìn)氣口 24，然后沖入到?jīng)_擊響應(yīng)式阻尼裝置10內(nèi)腔，從而壓迫膜片28，使得輸出桿11伸長，即沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10動作，再通過杠桿12和連桿13的機械傳遞，使得第一減壓閥16的閥門開度增大。作為一種改進(jìn)，第三進(jìn)氣口 24與耐壓氣管8相連通，第一端蓋23上開有通氣孔32且通氣孔32的孔徑比第三進(jìn)氣口 24小，膜片28上設(shè)有小孔31，小孔31的剖面為扇形，小孔31孔徑較大的一端朝向膜片28凸起的方向，在正常情況下，腳在落地后，氣墊7緩慢與地面接觸，繼而被緩慢壓縮，氣體經(jīng)耐壓氣管8壓縮進(jìn)入第三進(jìn)氣口 24，然后壓縮進(jìn)入沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10內(nèi)腔，經(jīng)膜片28上的小孔31進(jìn)入到與通氣孔32相連的腔體，再經(jīng)通氣孔32與大氣接觸，從而使得沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10腔體內(nèi)的氣壓緩慢變化，沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10不動作，所以不會有反射產(chǎn)生。作為一種改進(jìn)，輸出桿11上套接有彈簧30，彈簧30 —端作用于調(diào)節(jié)螺母27的下端面，另一端作用于膜片28且膜片28向第三進(jìn)氣口 24方向凸起，彈簧30使得膜片28向第三進(jìn)氣口 24方向凸起，在氣壓和彈簧30之間形成一個平衡，當(dāng)氣壓作用于膜片28的壓力大于和彈簧30作用于膜片28的彈力時，輸出桿11伸長，即沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10動作，產(chǎn)生反射。作為一種改進(jìn)，膜片28的厚度從中間向邊緣逐漸遞減。支撐結(jié)構(gòu)3包括Y型支撐桿33和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸34，Y型支撐桿33的兩側(cè)臂上開有相對應(yīng)的第一通孔35和第二通孔36，上固定座I側(cè)面上開有第三通孔37，關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸34依次穿過第一通孔35、第三通孔37和第二通孔36，上固定座I可繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸34轉(zhuǎn)動。使得機器人的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動更為靈活，適應(yīng)環(huán)境能力強。
[0031]本發(fā)明的原理:當(dāng)此關(guān)節(jié)被應(yīng)用在機器人上時，氣墊7會被安裝在機器人的腳底。機器人行走時，腳在落地之前會有一個減速的過程，保證與地面平穩(wěn)接觸。在正常情況下，腳在落地時，氣墊7緩慢與地面接觸，繼而被緩慢壓縮。由于沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10內(nèi)的膜片28和第一端蓋23上開設(shè)有小孔31，從而使得沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10的與第三進(jìn)氣口24相連的腔體內(nèi)的氣壓緩慢變化，此時，沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10不動作，所以不會有反射產(chǎn)生；而當(dāng)機器人行走在較為崎嶇的路面上或路面上有碎石等障礙物時，機器人的腳底可能會以一個較大的速度提前與突起的路面或碎石等障礙物發(fā)生沖擊，這時，腳底氣墊7內(nèi)的氣壓會激增，使得沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10的與第三進(jìn)氣口 24相連的腔體內(nèi)的氣壓也激增，從而壓迫膜片28向凹的一面變形，輸出桿11伸長，即沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10動作，再通過杠桿12和連桿13的機械傳遞，使得第一減壓閥16的閥門開度增大。當(dāng)?shù)谝粶p壓閥16的閥門開度增大后，第一減壓閥16所輸出的氣壓增大，導(dǎo)致第二氣動肌肉15因輸入氣壓增大而變短；而第一氣動肌肉14與第一減壓閥16之間還連接有第二減壓閥19，故此時第一氣動肌肉14的輸入氣壓保持不變，長度也不變，從而關(guān)節(jié)屈曲，產(chǎn)生反射，機器人可以立即躲避突起的路面或碎石等障礙物。反射結(jié)束后，彈簧30回復(fù)，膜片28恢復(fù)原狀，此外，通過調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)螺母27，還可以改變沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10的響應(yīng)閾值和速度，使得關(guān)節(jié)更具有適應(yīng)性。
[0032]本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發(fā)明精神作舉例說明。本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或采用類似的方式替代，但并不會偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。
[0033]盡管本文較多地使用了上固定座1、下固定座2、支撐結(jié)構(gòu)3、氣動肌肉組件4、氣壓控制機構(gòu)5、氣壓反饋機構(gòu)6、氣墊7、耐壓氣管8、基座9、沖擊響應(yīng)式阻尼裝置10、輸出桿11、杠桿12、連桿13、第一氣動肌肉14、第二氣動肌肉15、第一減壓閥16、第一進(jìn)氣口 17、第一出氣口 18、第二減壓閥19、第二進(jìn)氣口 20、第二出氣口 21、筒狀殼體22、第一端蓋23、第三進(jìn)氣口 24、第二端蓋25、螺紋孔26、調(diào)節(jié)螺母27、膜片28、銷軸29、彈簧30、小孔31、通氣孔32、Y型支撐桿33、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸34、第一通孔35、第二通孔36、第三通孔37、等術(shù)語，但并不排除使用其它術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便地描述和解釋本發(fā)明的本質(zhì)；把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。
【權(quán)利要求】
1.一種具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)，包括上固定座(1)和下固定座(2)，所述的上固定座(1)和下固定座(2)之間設(shè)有支撐結(jié)構(gòu)(3)且支撐結(jié)構(gòu)(3)與上固定座(1)相鉸接，所述的上固定座(1)和下固定座(2)之間還設(shè)有氣動肌肉組件(4)，其特征在于，所述的氣動肌肉組件(4)與可控制氣動肌肉組件(4)內(nèi)氣壓大小的氣壓控制機構(gòu)(5)相連接，所述的氣壓控制機構(gòu)(5)與氣壓反饋機構(gòu)(6)相連接且氣壓反饋機構(gòu)(6)可根據(jù)接收到的反饋信息通過控制氣壓控制機構(gòu)(5)來控制氣動肌肉組件(4)內(nèi)的氣壓大小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)，其特征在于，所述的氣壓反饋機構(gòu)(6)包括安裝在機器人腳底的氣墊(7)，所述的氣墊(7)通過耐壓氣管(8)與設(shè)置在基座(9)上的沖擊響應(yīng)式阻尼裝置(10)相連通，所述的沖擊響應(yīng)式阻尼裝置(10)的輸出桿(11)上鉸接有杠桿(12)且杠桿(12)通過銷軸(29)與基座(9)相鉸接，所述的杠桿(12)的另一端鉸接有連桿(13)，所述的連桿(13)的另一端與氣壓控制機構(gòu)(5)的閥門相鉸接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)，其特征在于，所述的氣動肌肉組件(4)包括分布在支撐結(jié)構(gòu)(3)兩側(cè)的第一氣動肌肉(14)和第二氣動肌肉(15)，所述的第一氣動肌肉(14)的兩端分別與上固定座(1)和下固定座(2)相鉸接，所述的第二氣動肌肉(15)的兩端分別與上固定座(1)和下固定座(2)相鉸接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)，其特征在于，所述的氣壓控制機構(gòu)(5)包括第一減壓閥(16)且第一減壓閥(16)的閥門與連桿(13)相鉸接，所 述的第一減壓閥(16)上開有第一進(jìn)氣口(17)和第一出氣口(18)，所述的第一出氣口(18)通過氣管分別與第二減壓閥(19)的第二進(jìn)氣口(20)和第二氣動肌肉(15)相連接，所述的第二減壓閥(19)的第二出氣口(21)通過氣管與第一氣動肌肉(14)相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任意一項所述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)，其特征在于，所述的沖擊響應(yīng)式阻尼裝置(10)包括筒狀殼體(22)，所述的筒狀殼體(22)上下端分別設(shè)有第一端蓋(23)和具第三進(jìn)氣口(24)的第二端蓋(25)，所述的第一端蓋(23)上開有螺紋孔(26)且通過螺紋孔(26)螺紋連接有中間具筒狀腔的調(diào)節(jié)螺母(27)，所述的輸出桿(11)穿設(shè)在調(diào)節(jié)螺母(27)中，所述的筒狀殼體(22)內(nèi)設(shè)有膜片(28)，所述的膜片(28)邊緣與筒狀殼體(22)內(nèi)壁固定連接，所述的輸出桿(11)的一端與膜片(28)中部固定連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求2-4中任意一項所述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)，其特征在于，所述銷軸(29)與杠桿(12)和輸出桿(11)的鉸接處的距離小于銷軸(29)與杠桿(12)和連桿(13)的鉸接處的距離。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)，其特征在于，所述的第三進(jìn)氣口(24)與耐壓氣管(8)相連通，所述的第一端蓋(23)上開有通氣孔(32)且通氣孔(32)的孔徑比第三進(jìn)氣口 (24)小，所述的膜片(28)上設(shè)有小孔(31)，所述的小孔(31)的剖面為扇形，小孔(31)孔徑較大的一端朝向膜片(28)凸起的方向。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)，其特征在于，所述的輸出桿(11)上套接有彈簧(30)，所述的彈簧(30) —端作用于調(diào)節(jié)螺母(27)的下端面，另一端作用于膜片(28)且膜片(28)向第三進(jìn)氣口(24)方向凸起。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)，其特征在于，所述的膜片(28)的厚度從中間向邊緣逐漸遞減。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任意一項所述的具有應(yīng)激反射功能的崎嶇面爬行機器人氣動肌肉關(guān)節(jié)，其特征在于，所述的支撐結(jié)構(gòu)(3)包括Y型支撐桿(33)和關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(34)，所述的Y型支撐桿(33)的兩側(cè)臂上開有相對應(yīng)的第一通孔(35)和第二通孔(36)，所述的上固定座(1)側(cè)面上開有第三通孔(37)，所述的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(34)依次穿過第一通孔(35)、第三通孔(37)和 第二通孔(36)，所述的上固定座(1)可繞關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)軸(34)轉(zhuǎn)動。
【文檔編號】B62D57/032GK104015834SQ201410225176
【公開日】2014年9月3日 申請日期:2014年5月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月26日
【發(fā)明者】王斌銳, 干蘇, 李青, 馮偉博, 駱浩華, 金英連 申請人:中國計量學(xué)院