一种多段阻尼连续可控的柔性脊柱

本发明涉及机器人，具体涉及一种多段阻尼连续可控的柔性脊柱。

背景技术：

1、磁流变液作为一款半主动控制智能材料，在外磁场的作用下，磁流变液会由流体形态转换成类固体形态，且流体的屈服应力和表观粘度有2～3个数量级的变化，当外部磁场撤除后，磁流变液将再次恢复到流体形态。磁流变液在有无磁场下发生的液态和固态之间的转换称之为磁流变效应，这种转换具有响应速度快、可控可逆、耗能低等优势。以磁流变效应为基础研制的半主动智能减振装置在车辆悬架、房屋桥梁、军用设备等工程实践领域中已得到了广泛的运用。

2、柔性脊柱能够提升脊椎动物运动的灵活性、稳定性和协调性，使其能够在崎岖和复杂的环境中活动自如，如羚羊在峭壁悬崖上自由行走，猎豹在草原上高速奔跑。目前已有部分研究将柔性脊柱应用于足式机器人中，克服了传统足式机器人刚性躯干在灵活性、稳定性和协调性方面存在不足，证明了柔性脊柱可以显著提升足式机器人运动姿态的协调性和稳定性。根据结构设计的不同，柔性脊柱可以分为离散式柔性脊柱和连续型柔性脊柱。连续型脊柱通常采用刚性材料和柔性材料进行一体式设计，其虽然具有连续形变的优势，但一体式结构无法使脊柱每段拥有不同的刚性，进而不具备各种形变的能力。离散式脊柱指的是脊柱由关节构成，使脊柱的每个关节部分为形变单位发生非连续形变，进而可以实现各种形状的变化，使足式机器人具有较好的适应性。然而，目前离散式脊柱因每个关节可控而使得结构设计及控制复杂，严重限制了足式机器人快速响应的控制目标。同时，柔性脊柱应具备阻尼装置，以应对足式机器人在奔跑、跳跃等步态过程中产生的冲击力对机身稳定性的影响。因此，需要对柔性脊柱进一步研究，使机器人更好的适应不同的地形状况，从而提高四足机器人对非结构化环境的适应性。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷中的至少一种而提供一种多段阻尼连续可控的柔性脊柱。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种多段阻尼连续可控的柔性脊柱，包括：

4、多块排列布置的脊柱骨架；

5、设于相邻两块脊柱骨架之间的阻尼可控式球铰链；

6、多个沿阻尼可控式球铰链周向设置于相邻两块脊柱骨架之间的气囊，多个所述气囊之间相互联通；

7、所述阻尼可控式球铰链包括：

8、线圈支架，其上端面设有半球形凹槽；

9、套设于线圈支架外的下底座，其下端面与相邻的脊柱骨架相连；

10、设于下底座上端面的端板，其设有贯穿其上下端面的通孔，通孔内壁呈弧形；

11、转动体，其分为相连的球体段和连接段，球体段的中部外壁嵌在通孔内并与端板转动连接；所述球体段、半球形凹槽和端板围成磁流变液容纳腔，磁流变液容纳腔内充满磁流变液；

12、上底座，其与转动体连接段相连，其上端面与相邻的脊柱骨架相连；

13、弹簧，其设于上底座和端板之间。

14、进一步地，所述端板包括相叠加的上端盖和隔磁环；

15、设于所述端板的通孔包括贯穿上端盖上下端面的第一通孔和贯穿隔磁环上下端面的第二通孔；所述第一通孔和第二通孔的内壁为与转动体球体段相贴合的弧形面；

16、所述转动体的球体段中部外壁与第一通孔、第二通孔内壁相抵，以实现转动体球体段与端板的转动连接。

17、更进一步地，本发明提供一种多段阻尼连续可控的柔性脊柱，包括多组阻尼可控制式球铰链、气囊、脊柱骨架，所述阻尼可控制式球铰链两端固定在脊柱骨架的中心位置，所述气囊两端固定在脊柱骨架外环进而环绕在阻尼可控制式球铰链周围；

18、所述阻尼可控制球铰链包括阻尼可调装置和弹簧，所述阻尼可调装置包括下底座、上端盖、隔磁环、转动体、线圈支架；所述上端盖与隔磁环内圈均设有弧面，所述隔磁环嵌套于上端盖，且所述两弧面组成球形腔；所述转动体球体段嵌于球形腔内，球体段外壁与球形弧面内壁紧密贴合，且所述球体段可在球形腔内自由摆动；所述线圈支架位于球体段下侧，由隔磁环隔开；所述线圈支架设有半球形凹槽和磁流变液补偿口，所述隔磁环的厚度可调节球体段表面与半球形凹槽表面之间的间隙；所述磁流变液容纳腔内部充满磁流变液，在相同磁场强度下，磁流变间隙越小，球体段受到的阻尼力越大；所述线圈支架外部缠有线圈绕组，在通入电流时可行成磁场，电流越大，形成的磁场越大，转动体受到的阻尼力越大；所述上端盖上侧设有弹簧槽，所述弹簧一端嵌入其中，另一端由上底座压紧；

19、所述脊柱骨架外环设有通孔，可将每段脊柱骨架两端处的气囊连通；所述联通后的气囊在柔性脊柱一侧构成多腔体气囊，其一端段使用端盖封闭，另一端连接气泵控制装置；

20、所述柔性脊柱上设置三个多腔体气囊，其中一个多腔体气囊减压时，其余两个多腔体气囊增压，则柔性脊柱可实现向低压气囊侧摆动；此时对每段处的阻尼可控式球铰链输入不同电流，由于每段处的转动体的球体段所受阻尼力不同，则气囊在同一压力下使得两脊柱骨架之间的摆动角度不同，进而实现一条柔性脊柱上不同的摆动弧度。

21、进一步地，所述隔磁环为可变厚度的环状结构，通过调整隔磁环的厚度以调节转动体球体段与线圈支架之间的间隙，进而改变间隙内磁流变液的厚度，进而调节球铰链初始状态下的零场阻尼。

22、更进一步地，所述半球形凹槽圆心与球体段圆心的初始位置重合，在球体段的位置不变的情况下，适当的增加或减少隔磁环厚度，可使半球形凹槽的圆心位置上下移动，进而使球体段与半球形凹槽之间的平均间隙增大或减少，即可通过调节隔磁环的厚度进而调节两者之间的初始间隙，进而调节每段处阻尼可控式球铰链的初始阻尼力。

23、进一步地，所述线圈支架、转动体、上端盖和下底座均为导磁材料，通入电流后，缠绕于线圈支架外侧的线圈绕组在线圈支架、转动体、上端盖和下底座之间产生闭合磁场。

24、进一步地，所述磁流变液在磁场作用下可发生磁流变效应，即当转动体球体段转动时，可带动球体段周围的磁流变液发生剪切效应，进而产生剪切阻尼力阻碍球体段的转动，电流越大，所述线圈绕组产生的磁场强度越大，则磁流变液的剪切力越大，同时，球体段表面与半球形凹槽之间的间隙越小，此处磁流变液产生的剪切阻尼力越大。

25、进一步地，所述上底座与转动体连接段通过螺纹进行连接；所述上底座与端板连接弹簧的端面均设有弹簧槽，以固定弹簧的端部，上底座当受到偏向力发生摆动时，进而带动球体段和弹簧摆动，球体段下端可产生阻尼力进而阻碍球体段的摆动，弹簧在受力时蓄能进而产生复位力，使上底座恢复原状。

26、进一步地，所述线圈支架设有与磁流变液容纳腔相连通的磁流变液补偿口，其主要用于补偿工作过程中由于外泄漏而损耗的磁流变液，同时使用补偿端盖密封。

27、进一步地，所述上端盖、线圈支架最外侧均设有外螺纹，下底座设有内螺纹，上端盖与线圈支架通过螺纹旋入下底座内部，并压紧隔磁环，上端盖、隔磁环、线圈支架两两之间设有密封装置。

28、进一步地，所述脊柱骨架沿阻尼可控式球铰链周向设有通孔，设于所述脊柱骨架两侧的气囊通过通孔相连通，构成多腔体气囊。

29、进一步地，多块排列布置的脊柱骨架中，处于首或尾端的脊柱骨架的通孔封闭，处于尾或首端的脊柱骨架的通孔与气泵控制装置相连通。

30、更进一步地，所述气囊两端均开口，且气囊两端与脊柱骨架之间设有密封圈，并通过螺栓固定。所述多组气囊与脊柱骨架组成的多腔体气囊由于内部联通，因此，每个多腔体气囊内部的压力始终相等。只需要通过控制每个多腔体气囊末端即实现每段压力的控制。

31、进一步地，所述柔性脊柱在无气囊控制条件下，由于自身具备弹簧和阻尼，因此可以实现在无气囊控制下的自身刚度和阻尼的调节，对应用对象仍起到缓冲抑制震动的功能。

32、进一步地，所述柔顺脊柱含有三个多组气囊及脊柱骨架组成的多腔体气囊，其中多组气囊与脊柱骨架可根据所需长度增加或减少，多腔体气囊也可以根据运动需求增加或减少。

33、进一步地，所述阻尼可控式球铰链设于脊柱骨架的中部；所述气囊沿阻尼可控式球铰链周向均匀设置至少三个。

34、进一步地，所述柔性脊柱还设有控制器；每个所述阻尼可控式球铰链设有与其线圈绕组相连的控制导线，每个控制导线均与控制器相连。

35、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

36、1.本发明提供了一种多段阻尼连续可控的柔性脊柱，基于磁流变液具有响应速度快、可控可逆、耗能低等优势，设计的阻尼可控式球铰链结构，其可以通过控制输入电流大小进而控制球铰链的目标阻尼；设置的弹簧装置可以实现铰链受力后的复位，使球铰链具备一定的刚性，该结构有效抑制由于步态冲击而引起的脊柱振动，提高足式机器人在运动过程中的稳定性。

37、2.本发明提供了一种多段阻尼连续可控的柔性脊柱，相邻两块脊柱骨架构成一个关节，在上述阻尼可控制式球铰链结构的基础上设计磁流变液间隙可调结构，通过调整隔磁环的厚度以调节球体段与线圈支架之间的磁流变液间隙，进而调节球铰链初始状态下的零场阻尼，使得柔性脊柱上的每一个关节可以具备不同的初始阻尼，有效提高足式机器人在不同工况需求下的适应性。

38、3.本发明提供了一种多段阻尼连续可控的柔性脊柱，利用脊柱骨架及设有的连通孔即实现了多组气囊和球铰链的固定又将柔性脊柱上的气囊串联，可以根据足式机器人长度设计需求以选择关节数量，简化设计流程。

39、4.本发明提供了一种多段阻尼连续可控的柔性脊柱，只需要控制脊柱的一端及每个关节上的电流即可实现一条柔性脊柱上不同的摆动弧度，大幅度降低了结构和控制的复杂程度。同时柔性脊柱自身具备弹簧和阻尼，因此可以实现在无气囊控制下的自身刚度和阻尼的调节，对应用对象仍起到缓冲抑制震动的功能。

40、5.本发明提供了一种多段阻尼连续可控的柔性脊柱，通过改变磁流变液留到间隙或通入初始目标电流的形式设置每个阻尼铰链的初始阻尼，从而可以改变柔性脊柱每段处的运动速度，实现柔性脊柱的柔性运动。同时，该脊柱可以用于连接机械手或作为机器人的颈椎部件，实现多自由度的柔性运动及抗振动。