本發明涉及機器人技術領域，特別是指一種仿生海星運動的可折疊并聯機構及其爬行、越障方法。

背景技術：

現代智能機械不僅要能夠滿足平坦路面簡單的移動，而且還要能夠適應地形溝壑縱橫、高低不平的山路和海底環境。其中，海洋約占地球表面積的71％，蘊藏著豐富的礦產資源和海洋生物資源，海洋生物中的海星體扁平，多為五輻射對稱，內骨骼的骨板以結締組織相連，柔韌可曲，有著徑向對稱的四肢和眾多的小微管腳，能夠適應復雜的海底環境，并且可以在地形溝壑縱橫，高低不平的環境下安全著陸。因此，研究類似海星軟體組織的機械結構對推動海洋資源探測技術發展具有重要的現實意義。

現有技術中對類似海星軟體組織的機械結構的技術研發已經取得了一定的相應成果，例如離子聚合物金屬復合結構制動器、SMA驅動器等。離子聚合物金屬復合結構制動器質量輕而且可以滿足大型彎曲位移，但是只能產生很小的力量；SMA驅動器利用簡單的機構能夠產生很大的位移，但是在冷卻恢復階段對空氣流、溫度等環境條件比較敏感，而且，如果仿生海星擁有很多管腳來增加海星機構的靈活性，就會增加控制難度，導致機構過于復雜。因此有必要提供一種既結構簡單、控制方便，又可以實現爬行、翻滾和折疊等多個運動狀態，以適應多重復雜環境的仿生海星運動的并聯機構。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是提供一種既結構簡單、控制方便，又可以實現爬行、翻滾和折疊等多個運動狀態，以適應多重復雜環境的一種仿生海星運動的可折疊并聯機構及其爬行、越障方法。

為解決上述技術問題，本發明提供技術方案如下：

一方面，提供一種仿生海星運動的可折疊并聯機構，包括動平臺，其中：

所述動平臺的周圍均勻依次連接第一運動支鏈、第二運動支鏈、第三運動支鏈、第四運動支鏈和第五運動支鏈，各運動支鏈均為主動驅動支鏈；

各運動支鏈均包括依次連接的至少3個傳動桿，所述傳動桿包括第一傳動桿、第二傳動桿和第三傳動桿，所述動平臺與運動支鏈之間以及各傳動桿之間均通過運動副連接，各運動副上均設置有驅動裝置；

相鄰運動支鏈的末端之間均通過至少2個連接桿連接，所述連接桿包括第一連接桿和第二連接桿，各連接桿之間以及所述連接桿與運動支鏈的末端之間均通過運動副連接。

進一步的，所述動平臺與第一傳動桿之間、第一傳動桿與第二傳動桿之間以及第二傳動桿與第三傳動桿之間分別通過第一轉動副、第二轉動副、第三轉動副連接。

進一步的，所述第二轉動副分別與所述第一轉動副、第三轉動副垂直，所述第一轉動副、第三轉動副的軸線分別與所述動平臺所在的平面平行，所述第二轉動副的軸線與所述動平臺所在的平面垂直。

進一步的，所述第一連接桿、第二連接桿與相應運動支鏈的末端之間均通過一對U副連接，所述第一連接桿與第二連接桿之間通過兩對U副和一個轉動副連接。

進一步的，所述第二傳動桿為長度可變的伸縮桿。

另一方面，提供一種上述的仿生海星運動的可折疊并聯機構的爬行方法，包括：

步驟1：所述動平臺為支撐點，保持原位置不動，各運動支鏈的末端在相應運動支鏈的作用下前移，此時所述第一運動支鏈向前進方向延伸，所述第三運動支鏈和第四運動支鏈向前進方向收縮；所述第二運動支鏈和第五運動支鏈各自的第二傳動桿旋轉，輔助整個機構爬行前進；

步驟2：各運動支鏈的末端為整個機構的支撐點，支撐點保持原位置不動，所述動平臺在各運動支鏈的作用下前進，此時所述第一運動支鏈向前進方向收縮，所述第三運動支鏈和第四運動支鏈向前進方向延伸；所述第二運動支鏈和第五運動支鏈各自的第二傳動桿旋轉，輔助整個機構爬行前進，然后轉至步驟1，準備執行下一個爬行動作。

再一方面，提供另一種上述的仿生海星運動的可折疊并聯機構的爬行方法，包括：

步驟1：所述動平臺為支撐點，保持原位置不動，各運動支鏈的末端在相應運動支鏈的作用下前移，此時所述第一運動支鏈、第二運動支鏈和第五運動支鏈的伸縮桿分別以所述動平臺為固定點伸展，使其末端前移，所述第三運動支鏈和第四運動支鏈的伸縮桿分別以所述動平臺為固定點收縮，使其末端前移；

步驟2：各運動支鏈的末端為整個機構的支撐點，支撐點保持原位置不動，所述動平臺在各運動支鏈的作用下前進，此時，所述第一運動支鏈、第二運動支鏈和第五運動支鏈的伸縮桿分別以其相應運動支鏈的末端為固定點收縮，帶動所述動平臺前行，所述第三運動支鏈和第四運動支鏈的伸縮桿分別以其相應運動支鏈的末端為固定點伸展，推動所述動平臺前行，然后轉至步驟1，準備執行下一個爬行動作。

再一方面，提供一種上述的仿生海星運動的可折疊并聯機構的越障方法，包括：

步驟1：各運動支鏈收縮，使得動平臺位于整個機構的最上方，各運動支鏈的末端位于動平臺的正下方，此時，各運動支鏈的末端為整個機構的支撐點，支撐點保持原位置不動，之后所述第一運動支鏈、第二運動支鏈和第五運動支鏈各自的第三傳動桿均向遠離障礙物的方向旋轉，使得整個機構的重心向障礙物的方向傾斜；

步驟2：整個機構翻轉跨越障礙物，此時所述動平臺接觸地面，為整個機構的支撐點，所述動平臺保持位置不動，各運動支鏈在各自運動副的作用下向遠離所述動平臺的中心方向伸展；

步驟3：各運動支鏈完成伸展動作后，以各運動支鏈的末端為支撐點，各運動支鏈在各自運動副的作用下收縮，帶動所述動平臺脫離地面，為執行下一個動作做準備。

本發明具有以下有益效果：

本發明的仿生海星運動的可折疊并聯機構及其爬行、越障方法，五個運動支鏈以動平臺為中心呈輻射狀均勻分布，形似“海星”，各運動支鏈均包括依次連接的至少3個傳動桿和實現各傳動桿連接的運動副，相鄰運動支鏈的末端均通過至少2個連接桿連接，各連接桿之間以及連接桿與運動支鏈的末端之間均通過運動副連接。整個機構的執行部分是動平臺與運動支鏈之間、各傳動桿之間、各連接桿之間以及連接桿與運動支鏈的末端之間的運動副，其中，傳動桿之間的運動副為主動運動副，各連接桿之間以及連接桿與運動支鏈的末端之間的運動副為從動運動副，在動平臺、各運動支鏈以及各連接桿的協調作用下，整個機構可以完成爬行、翻滾和折疊等動作。綜上，與現有技術相比，本發明結構簡單、控制方便，可以實現爬行、翻滾和折疊等多個運動狀態，能夠適應多重復雜的環境。

附圖說明

圖1為本發明的仿生海星運動的可折疊并聯機構的結構示意圖；

圖2為本發明的仿生海星運動的可折疊并聯機構的運動支鏈的結構示意圖；

圖3為本發明的仿生海星運動的可折疊并聯機構的連接桿的結構示意圖；

圖4為本發明的仿生海星運動的可折疊并聯機構的第二傳動桿為伸縮桿的結構示意圖；

圖5為本發明的仿生海星運動的可折疊并聯機構的第一種爬行方法的的狀態示意圖，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)分別為各步驟對應的狀態示意圖；

圖6為本發明的仿生海星運動的可折疊并聯機構的第二種爬行方法的的狀態示意圖，其中(a)、(b)、(c)、(d)分別為各步驟對應的狀態示意圖；

圖7為本發明的仿生海星運動的可折疊并聯機構的越障方法的狀態示意圖，其中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)分別為各步驟對應的狀態示意圖。

具體實施方式

為使本發明要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。

一方面，本發明提供一種仿生海星運動的可折疊并聯機構，如圖1-4所示，包括動平臺1，其中：

動平臺1的周圍均勻依次連接第一運動支鏈21、第二運動支鏈22、第三運動支鏈23、第四運動支鏈24和第五運動支鏈25，各運動支鏈均為主動驅動支鏈；

各運動支鏈均包括依次連接的至少3個傳動桿3，傳動桿3包括第一傳動桿31、第二傳動桿32和第三傳動桿33，動平臺1與運動支鏈之間以及各傳動桿31/32/33之間均通過運動副4連接，各運動副4上均設置有驅動裝置；

相鄰運動支鏈的末端之間均通過至少2個連接桿5連接，連接桿5包括第一連接桿51和第二連接桿52，各連接桿51/52之間以及連接桿5與運動支鏈的末端之間均通過運動副6連接。

本發明的仿生海星運動的可折疊并聯機構，五個運動支鏈以動平臺1為中心呈輻射狀均勻分布，形似“海星”，該設計能夠靈活控制機構的動作方向。整個機構的執行部分是動平臺1與運動支鏈之間、各傳動桿31/32/33之間、各連接桿51/52之間以及連接桿5與運動支鏈的末端之間的運動副4/6，其中，動平臺1與運動支鏈之間、各傳動桿31/32/33之間的運動副4為主動運動副，各連接桿51/52之間以及連接桿5與運動支鏈的末端之間的運動副6為從動運動副，在動平臺、各運動支鏈以及各連接桿的協調作用下，整個機構可以完成爬行、翻滾和折疊等動作。綜上，與現有技術相比，本發明結構簡單、控制方便，可以實現爬行、翻滾和折疊等多個運動狀態，能夠適應多重復雜的環境。

優選的，如圖2所示，動平臺1與第一傳動桿31之間、第一傳動桿31與第二傳動桿32之間以及第二傳動桿32與第三傳動桿33之間分別通過第一轉動副41、第二轉動副42、第三轉動副43連接。采用轉動副連接，可以使得控制更加方便。另外，第二轉動副42分別與第一轉動副41、第三轉動副43垂直，其中，第一轉動副41、第三轉動副43的軸線分別與動平臺1所在的平面平行，第二轉動副42的軸線與動平臺1所在的平面垂直。第二轉動副42分別與第一轉動副41、第三轉動副43垂直分布能夠擴大各運動支鏈的運動范圍。

為了更好地協調各運動支鏈完成爬行、翻滾及折疊等動作，如圖3所示，第一連接桿51、第二連接桿52與相應運動支鏈的末端之間均通過一對U副61連接，第一連接桿51與第二連接桿52之間通過兩對U副62和一個轉動副63連接。連接桿具有約束相鄰運動支鏈相對位置和減小各運動支鏈上驅動力負荷的作用。

本發明的仿生海星運動的可折疊并聯機構中，第二傳動桿32采用長度可變的伸縮桿32’。伸縮桿32’能夠使整個機構在完全伸展的狀態下蠕動前進，而且能夠使整個機構翻過更高的障礙物，提高越障的能力。需要說明的是，仿生海星運動的可折疊并聯機構還包括控制單元，控制單元優先設置在動平臺上，驅動裝置優選采用電動機。

另一方面，本發明提供兩種上述的仿生海星運動的可折疊并聯機構的爬行方法。

第一種爬行方法，包括：

步驟1：動平臺1為支撐點，保持原位置不動，各運動支鏈的末端在相應運動支鏈的作用下前移，此時第一運動支鏈21向前進方向延伸，第三運動支鏈23和第四運動支鏈24向前進方向收縮；第二運動支鏈22和第五運動支鏈25各自的第二傳動桿32旋轉，輔助整個機構爬行前進；

步驟2：各運動支鏈的末端為整個機構的支撐點，支撐點保持原位置不動，動平臺1在各運動支鏈的作用下前進，此時第一運動支鏈21向前進方向收縮，第三運動支鏈23和第四運動支鏈24向前進方向延伸；第二運動支鏈22和第五運動支鏈25各自的第二傳動桿32旋轉，輔助整個機構爬行前進，然后轉至步驟1，準備執行下一個爬行動作。

本爬行方法中，如圖5所示，以參考線為基準，圖(a)中，參考線在動平臺1的左側，此時以動平臺1為整個機構的支撐點，保持位置不變，第一運動支鏈21上的各轉動副在驅動裝置的作用下，帶動該運動支鏈上的傳動桿3向遠離參考線的方向伸展，使得該運動支鏈的末端前移，在此過程中，其他四個運動支鏈的末端保持位置不變，構成一個靜止的平臺，同樣，其他運動支鏈在動作時，都保持另外四個運動支鏈不動作；第一運動支鏈21的末端前移后，第三運動支鏈23和第四運動支鏈24上的傳動桿3分別向靠近參考線的方向收縮，帶動其相應的末端前移，接下來，第二運動支鏈21和第五運動支鏈25各自的第二傳動桿32旋轉，輔助整個機構爬行前進。圖(b)中，各運動支鏈的末端為整個機構的支撐點，保持原位置不動，第一運動支鏈21上的各轉動副在驅動裝置的作用下，帶動該運動支鏈上的傳動桿3向該運動支鏈的末端收縮，同時，第三運動支鏈23和第四運動支鏈24上的傳動桿3向遠離其相應的末端伸展，從而使得動平臺1前移越過參考線，在此過程中，第二運動支鏈22和第五運動支鏈25各自的第二傳動桿32旋轉，輔助整個機構爬行前進。然后，如圖(c)～(e)所示，以動平臺1為支撐點，第一運動支鏈21向前延伸，依次收縮第三運動支鏈23和第四運動支鏈24，準備執行下一個爬行動作。綜上，本發明的仿生海星運動的可折疊并聯機構在動平臺、各運動支鏈以及各連接桿的協調作用下，能夠在多重復雜的環境下完成爬行前進動作。

為了適應多重復雜的環境，能夠在低矮、狹窄的環境中爬行前進，提供另一種爬行方法，如圖6所示，將各運動支鏈的第二傳動桿32換成長度可變化的伸縮桿32’，動平臺1、各運動支鏈和各連接桿基本保持在同一個平面內，不像圖5中的機構在爬行前進時，需要各運動支鏈彎曲占用一定的高度空間。

第二種爬行方法，包括：

步驟1：如圖6中的(a)所示，動平臺1為支撐點，保持原位置不動，各運動支鏈的末端在相應運動支鏈的作用下前移，此時第一運動支鏈21、第二運動支鏈22和第五運動支鏈25的伸縮桿32’分別以動平臺1為固定點伸展，使其末端前移，第三運動支鏈23和第四運動支鏈24的伸縮桿32’分別以動平臺1為固定點收縮，使其末端前移；

步驟2：如圖6中的(b)～(d)所示，各運動支鏈的末端為整個機構的支撐點，支撐點保持原位置不動，動平臺1在各運動支鏈的作用下前進，此時，第一運動支鏈21、第二運動支鏈22和第五運動支鏈25的伸縮桿32’分別以其相應運動支鏈的末端為固定點收縮，帶動動平臺1前行，第三運動支鏈23和第四運動支鏈24的伸縮桿32’分別以其相應運動支鏈的末端為固定點伸展，推動動平臺1前行，然后轉至步驟1，準備執行下一個爬行動作。

再一方面，提供一種上述的仿生海星運動的可折疊并聯機構的越障方法，如圖7所示，包括：

步驟1：如圖7中的(a)～(b)所示，各運動支鏈收縮，使得動平臺1位于整個機構的最上方，各運動支鏈的末端位于動平臺1的正下方(處于圖(a)中所示的“站立”狀態)，此時，各運動支鏈的末端為整個機構的支撐點，支撐點保持原位置不動，之后第一運動支鏈21、第二運動支鏈22和第五運動支鏈25各自的第三傳動桿33均向遠離障礙物的方向旋轉，使得整個機構的重心向障礙物的方向傾斜；

步驟2：如圖7中的(c)～(d)所示，整個機構翻轉跨越障礙物，此時動平臺1接觸地面，為整個機構的支撐點，動平臺1保持位置不動，各運動支鏈在各自運動副4的作用下向遠離動平臺1的中心方向伸展；

步驟3：如圖7中的(e)～(f)所示，各運動支鏈完成伸展動作后，以各運動支鏈的末端為支撐點，各運動支鏈在各自運動副4的作用下收縮，帶動動平臺1脫離地面，為執行下一個動作做準備。

本發明的仿生海星運動的可折疊并聯機構在動平臺、各運動支鏈以及各連接桿的協調作用下，能夠在多重復雜的環境下完成越障動作，其中，第二傳動桿采用長度可變化的伸縮桿時，能夠使整個機構翻過更高的障礙物，提高越障的能力。

以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。