一种基于气动蜂巢肌肉结构的仿生四足机器人及控制方法技术

本发明专利技术属于仿生机器人的技术领域，公开了一种基于气动蜂巢肌肉结构的仿生四足机器人及控制方法

【技术实现步骤摘要】
一种基于气动蜂巢肌肉结构的仿生四足机器人及控制方法


[0001]本专利技术属于仿生机器人的
，具体涉及一种基于气动蜂巢肌肉结构的仿生四足机器人及控制方法
。

技术介绍

[0002]随着科学的不断进步，人工智能科技的发展，智能服务机器人作为仿生机器人的一类，相关研究最为活跃，由其衍生而来的仿生关节的研究，更受国内外学者的青睐
。
目前，软体机器人驱动方式主要包括液压或气压驱动
、
智能材料驱动
、
磁流变材料驱动
、
电活性聚合物驱动
、
化学反应驱动和活体细胞驱动等驱动方式驱动，其中气动软体机器人由于具有重量轻
、
效率高
、
无污染
、
环境适应性强
、
无需铁磁或者电子元件驱动的优点，具有良好的柔韧性，在强辐射
、
电磁干扰
、
粉尘以及外力碾压重击等恶劣条件下拥有较好的可靠性等特点，则广泛应用于软体机器人的设计中
。
[0003]经对现有文献检索发现，中国专利申请号为
CN201220005105.2
的专利文献提出了一种通过伺服气缸来实现行走的四足仿生机器人
。
它具备步态灵活
、
行动稳定的特点，但成本较高，步态不柔顺，承载能力不高；中国专利申请号为
CN201520038822.9
的专利文献提出了一种采用气动肌肉驱动的仿生四足机器人/>。
它具有成本较低
、
动力足，步态柔顺等特点，但不能实时检测环境，导致机器人对于复杂的环境无法做出准确的判断和决策
。

技术实现思路

[0004]针对
技术介绍
中承载能力不高
、
不能实时检测环境等问题，本专利技术提出了一种基于气动蜂巢肌肉结构的仿生四足机器人
。
通过使用气动蜂巢结构，在两端限制
、
一侧充气的情况下，实现了类似肌肉牵动引起的“骨骼”与“关节”的相对旋转
。
该机器人包括躯干板
、
肩板
、
图像采集结构
、
蜂巢肌肉结构
、
机械腿结构
、
气压供给装置以及控制模块
。
其中，蜂巢肌肉结构采用软体可变材料制成，其他部分采用刚性材料
。
在本设计方案中使用到的气动蜂巢结构在两端限制
、
一侧充气的的情况下可以做到类似肌肉牵动引起的“骨骼”与“关节”的相对旋转，基于此，本专利技术提出一种基于气动蜂巢肌肉结构的仿生四足机器人及控制方法
。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种基于气动蜂巢肌肉结构驱动的仿生四足机器人，包括有机器人躯干，所述机器人躯干包括有躯干板
、
以及安装在其两端部的连接板件，在每个连接板件上安装有肩板，在每个肩板的两端分别设置有四条机械腿，所述四条机械腿包括有铰接相连接的大腿骨骼和小腿骨骼，在大腿骨骼的上端和中部分别通过两个双自由度连接关节安装有大腿蜂巢肌肉结构，且大腿骨骼通过所述大腿蜂巢肌肉结构安装在肩板上，所述大腿蜂巢肌肉结构通过气源供给系统执行气压控制系统发出的大腿动作指令为所述大腿骨骼的活动提供动力，在大腿骨骼上固定连接有第一连接块，在小腿骨骼上固定连接有第二连接块，在第一连接块与第二连接块之间通过连接螺栓安装有小腿蜂巢肌肉结构，所述小腿蜂巢肌肉结构通过气源供给系统执行气压控制系统发出的小腿动作指令为所述小腿骨骼的活动提供动力，所述气源供给系统和气压控制系统均由恒压电
源供电，且其三者均搭载在躯干板上
。
[0006]作为上述技术方案的进一步补充说明，所述大腿蜂巢肌肉结构包括有两个第一压板，在两个第一压板之间通过两个相连单元的第一弹性蜂巢腔相连接，在每个单元的第一弹性蜂巢腔内嵌装有与其相匹配的两个第一气包块，在每个第一压板的外侧固定连接有卡槽连接块，两个卡槽连接块分别与两个所述双自由度连接关节采用卡扣连接，且位于所述大腿骨骼顶部的卡槽连接块嵌装在所述肩板的端头上；所述小腿蜂巢肌肉结构包括有两个第二压板，在两个第二压板之间通过两个相连单元的第二弹性蜂巢腔相连接，在每个单元的第二弹性蜂巢腔内嵌装有与所述第二弹性蜂巢腔相匹配的单个第二气包块，在每个第二压板的外侧固定连接有螺孔连接板，两个螺孔连接板通过所述连接螺栓分别与第一连接块
、
第二连接块相连接
。
[0007]作为上述技术方案的进一步解释及限定，所述双自由度连接关节包括有与所述卡槽连接块相对应的连接卡板，在连接卡板上通过转动轴转动连接有转动支座，所述转动支座通过连接转轴与所述大腿骨骼相连接
。
[0008]作为上述技术方案的进一步解释及限定，所述第一气包块和第二气包块的结构均相同，且两者均包括有多个蜂巢结构的充气袋，多个充气袋通过多根连接软管相连通，在其中一个所述充气袋上连通有充气口，所述充气口用于外接所述气源供给系统
。
[0009]作为上述技术方案的进一步解释及限定，所述气源供给系统包括有空气压缩机
、
减压阀以及比例阀，所述空气压缩机的出口通过气管线与所述减压阀的进气口相连通，所述减压阀的出气口上通过二十四路供气管线与每个所述充气袋上的充气口相连接，在每路供气管线上均设置有比例阀；所述气压控制系统包括上位机
、
数据采集卡
、
二十四个气压传感器以及薄膜压力传感器，多个所述气压传感器分别接入在每路供气管线上，在每个第一气包块与第一弹性蜂巢腔之间和每个第二气包块与第二弹性蜂巢腔之间分别插入有所述薄膜压力传感器，在所述躯干板上通过卡座安装有摄像头，所述摄像头
、
二十四个气压传感器以及薄膜压力传感器分别通过所述数据采集卡将采集到的实时图像信息
、
以及各检测点的气压信号及压力信号传输至上位机中，所述上位机通过处理来自于所述数据采集卡输出的信号以及对所述摄像头采集画面进行图像处理，从而控制每个区域所述比例阀的输入气压大小
、
充放气的时间长短以及间隔，使每条所述机械腿中的大腿蜂巢肌肉结构和小腿蜂巢肌肉结构进行规律性扩张或收缩使所述大腿骨骼
、
小腿骨骼分别产生一定角度的弯曲，以达到控制四条机械腿之间步态运动的配合，实现四足机器人的直线前进
、
后退以及避障行走
。
[0010]一种采用上述技术方案中一种基于气动蜂巢肌肉结构驱动的仿生四足机器人的控制方法，其中四条机械腿分为左前
、
右前
、
左后
、
右后四部分，每个大腿蜂巢肌肉结构根据充气袋的分布分为第一充气区域
、
第二充气区域
、
第三充气区域
、
第四充气区域，所述小腿蜂巢肌肉结构根据本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于气动蜂巢肌肉结构驱动的仿生四足机器人，包括有机器人躯干（1），其特征在于：所述机器人躯干（1）包括有躯干板（
101
）
、
以及安装在其两端部的连接板件（
102
），在每个连接板件（
102
）上安装有肩板（
103
），在每个肩板（
103
）的两端分别设置有四条机械腿（2），所述四条机械腿（2）包括有铰接相连接的大腿骨骼（
201
）和小腿骨骼（
202
），在大腿骨骼（
201
）的上端和中部分别通过两个双自由度连接关节（5）安装有大腿蜂巢肌肉结构（6），且大腿骨骼（
201
）通过所述大腿蜂巢肌肉结构（6）安装在肩板（
103
）上，所述大腿蜂巢肌肉结构（6）通过气源供给系统（
12
）执行气压控制系统（
14
）发出的大腿动作指令为所述大腿骨骼（
201
）的活动提供动力，在大腿骨骼（
201
）上固定连接有第一连接块（
203
），在小腿骨骼（
202
）上固定连接有第二连接块（
204
），在第一连接块（
203
）与第二连接块（
204
）之间通过连接螺栓（7）安装有小腿蜂巢肌肉结构（8），所述小腿蜂巢肌肉结构（8）通过气源供给系统（
12
）执行气压控制系统（
14
）发出的小腿动作指令为所述小腿骨骼（
202
）的活动提供动力，所述气源供给系统（
12
）和气压控制系统（
14
）均由恒压电源（
13
）供电，且其三者均搭载在躯干板（
101
）上
。2.
根据权利要求1所述一种基于气动蜂巢肌肉结构驱动的仿生四足机器人，其特征在于：所述大腿蜂巢肌肉结构（6）包括有两个第一压板（
601
），在两个第一压板（
601
）之间通过两个相连单元的第一弹性蜂巢腔（
602
）相连接，在每个单元的第一弹性蜂巢腔（
602
）内嵌装有与其相匹配的两个第一气包块（
603
），在每个第一压板（
601
）的外侧固定连接有卡槽连接块（
604
），两个卡槽连接块（
604
）分别与两个所述双自由度连接关节（5）采用卡扣连接，且位于所述大腿骨骼（
201
）顶部的卡槽连接块（
604
）嵌装在所述肩板（
103
）的端头上；所述小腿蜂巢肌肉结构（8）包括有两个第二压板（
801
），在两个第二压板（
801
）之间通过两个相连单元的第二弹性蜂巢腔（
802
）相连接，在每个单元的第二弹性蜂巢腔（
802
）内嵌装有与所述第二弹性蜂巢腔（
802
）相匹配的单个第二气包块（
803
），在每个第二压板（
801
）的外侧固定连接有螺孔连接板（
804
），两个螺孔连接板（
804
）通过所述连接螺栓（7）分别与第一连接块（
203
）
、
第二连接块（
204
）相连接
。3.
根据权利要求2所述一种基于气动蜂巢肌肉结构驱动的仿生四足机器人，其特征在于：所述双自由度连接关节（5）包括有与所述卡槽连接块（
604
）相对应的连接卡板（
503
），在连接卡板（
503
）上通过转动轴（
502
）转动连接有转动支座（
501
），所述转动支座（
501
）通过连接转轴（
504
）与所述大腿骨骼（
201
）相连接
。4.
根据权利要求3所述一种基于气动蜂巢肌肉结构驱动的仿生四足机器人，其特征在于：所述第一气包块（
603
）和第二气包块（
803
）的结构均相同，且两者均包括有多个蜂巢结构的充气袋（9），多个充气袋（9）通过多根连接软管（
11
）相连通，在其中一个所述充气袋（9）上连通有充气口（
10
），所述充气口（
10
）用于外接所述气源供给系统（
12
）
。5.
根据权利要求4所述一种基于气动蜂巢肌肉结构驱动的仿生四足机器人，其特征在于：所述气源供给系统（
12
）包括有空气压缩机（
1201
）
、
减压阀（
1202
）以及比例阀（
1203
），所述空气压缩机（
1201
）的出口通过气管线与所述减压阀（
1202
）的进气口相连通，所述减压阀（
1202
）的出气口上通过二十四路供气管线与每个所述充气袋（9）上的充气口（
10
）相连接，在每路供气管线上均设置有比例阀（
1203
）；所述气压控制系统（
14
）包括上位机（
1401
）
、
数据采集卡（
1402
）
、
二十四个气压传感器（
1403
）以及薄膜压力传感器（
1404
），多个所述气压传感器（
1403
）分别接入在每路供气管线上，在每个第一气包块（
603
）与第一弹性蜂巢腔
（
602
）之间和每个第二气包块（
803
）与第二弹性蜂巢腔（
802
）之间分别插入有所述薄膜压力传感器（
1404
），在所述躯干板（
101
）上通过卡座（4）安装有摄像头（3），所述摄像头（3）
、
二十四个气压传感器（
1403
）以及薄膜压力传感器（
1404
）分别通过所述数据采集卡（
1402
）将采集到的实时图像信息
、
以及各检测点的气压信号及压力信号传输至上位机（
1401
）中，所述上位机（
1401
）通过处理来自于所述数据采集卡（
1402
）输出的信号以及对所述摄像头（3）采集画面进行图像处理，从而控制每个区域所述比例阀（
1203
）的输入气压大小
、
充放气的时间长短以及间隔，使每条所述机械腿（2）中的大腿蜂巢肌肉结构（6）和小腿蜂巢肌肉结构（8）进行规律性扩张或收缩使所述大腿骨骼（
201
）
、
小腿骨骼（
202
）分别产生一定角度的弯曲，以达到控制四条机械腿（2）之间步态运动的配合，实现四足机器人的直线前进
、
后退以及避障行走
。6.
一种采用权利要求5所述一种基于气动蜂巢肌肉结构驱动的仿生四足机器人的控制方法，其特征在于：四条机械腿（2）分为左前
、
右前
、
左后
、
右后四部分，每个大腿蜂巢肌肉结构（6）根据充气袋（9）的分布分为第一充气区域（
100
）
、
第二充气区域（
200
）
、
第三充气区域（
300
）
、
第四充气区域（
400
），所述小腿蜂巢肌肉结构（8）根据充气袋（9）的分布分为第五充气区域（
500
）
、
第六充气区域（
600
），以每个大腿骨骼（
201
）根部为参考点，第一充气区域（
100
）充气，第四充气区域（
400
）放气，则大腿骨骼（
201
）向右旋转变化；第一充气区域（
100
）放气，第四充气区域（
400
）充气，则大腿骨骼（
201
）向左旋转变化；第二充气区域（
200
）和第三充气区域（
300
）同时充气，则使大腿骨骼（
201
）向前旋转变化，之后第二充气区域（
200

【专利技术属性】
技术研发人员：孟宏君，杜文杰，张伟，任雨珂，张淑鹏，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：