一种纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法

1.本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法。


背景技术：

2.四足爬行机器人在近十年里得到了一个高速的发展，一方面随着陆上车辆和人形机器人技术的发展和传播，其相应技术也应用于四足爬行机器人，促进了四足爬行机器人的快速发展，使其更加灵活、稳健和高效。另一方面，人们对四足爬行动物的运动方式、形态外观、生理机理等的研究越来越深入，这些研究与现代神经网络控制技术、高精度传感器技术、三维视觉技术等的结合也驱动着新型智能化四足爬行机器人的兴起。近几年来，随着无人装备技术的发展，未来战争也一定是无人化、智能化的战争。由于四足爬行机器人本身有着良好的隐蔽性、出色的环境适应能力和较为稳定的操控性能，使其可以很好的应用于军事、环境探索、承担特殊任务等方面，具体的需求有如下几个方面：
3.(1)实现从陆地发起的新型隐蔽式作业模式
4.由于四足爬行机器人本身存在的仿生推进噪音小、外观仿生的迷惑性、陆上天然屏障等优势，使其具有很好的隐蔽性。整个攻占过程可以从四足爬行机器人搭载母体(陆上无人车、空中运输机、水下潜艇)远距离自主释放开始。由于四足爬行机器人在复杂陆地环境中的良好运动性能和机动性，可以快速实现各类复杂的作业任务。
5.(2)实现陆地复杂地形的长时间环境探索、物资运输和侦察搜救
6.由于四足爬行机器人本身的特殊应用环境，使其存在太阳能、风能等多种可利用环境途径，能够实现再特殊复杂地形的长时间探索、运输和搜救工作，并且在无作业期间利用太阳能、风能等进行电能补给。
7.(3)承担特定的军事任务
8.目前世界上仍有许多地雷存在沙滩、沼泽地、沙漠等复杂陆地环境而难以被发现拆除，四足爬行机器人可以通过搭载传感器、视觉系统等实现两栖地形的排雷任务，可以高效的完成某一地区的搜索任务。
9.从四足爬行动物原型的角度来说，动物的肌肉组织可以驱动躯干伸长收缩，从而使动物身体左右摆动和伸长，在与四足的配合运动下实现迈步步伐的最大和运动速率的最佳。
10.而目前一般的仿生四足爬行机器人通常只研究了仿生原型四肢的结构和四肢的步态规划，机体仅仅作为一个刚性结构用于连接四足，而没有充分发挥机体左右摆动对机器人运动性能的促进作用。
11.近几年，也有部分带有脊柱结构的仿生四足爬行机器人越来越多的被研究出来，通过脊柱的摆动与四足迈步实现复合运动，其中脊柱绝大多数通过伺服电机驱动，伺服电机的数量越多代表其脊柱的段数越多，机器人的运动就越灵活，这一定程度上模仿了爬行爬行动物运动特点-身体摆动与四足迈步的复合运动。但是伺服电机数量的增多势必会导
致结构的繁琐复杂，控制系统设计困难。而且由于伺服电机为刚性结构，其仿生的脊柱结构也只能等长度的弯曲，无法模拟骨骼外部的肌肉组织的伸长收缩，这一定程度上也限制了迈步步伐的最大化。动物肌肉组织伸长收缩的效果单纯靠骨骼无法实现，要想实现四足爬行动物躯干和四足共同配合而形成的运动步态，单靠多个串联伺服电机构建的仿生骨骼结构是远远不够的，这就需要设计一种软体肌肉结构来模仿真实动物肌肉的伸缩效果。
12.四足爬行机器人有着walk步态、trot步态等多种步态运动，因此对四足爬行机器人进行的步态规划决定着机器人运动的机动性能和运动性能的优异。传统步态均为常规四足爬行机器人的运动步态，在运动过程中，身体是刚形体，无法模仿出真实四足爬行动物躯干摆动与四足迈步共同配合的运动步态。


技术实现要素：

13.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法，用于解决传统四足爬行机器人存在身体结构过于机械化、运动步态仿生性不足、漏电短路、维护成本高的技术问题，一方面提高了传统四足爬行机器人运动速率，为后续研究人员对四足爬行机器人的推进机理和身体形态提供研究经验，另一方面降低了传统电驱动两栖机器人维护成本。
14.本发明采用以下技术方案：
15.一种纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法，包括复合walk运动步态和复合trot运动步态，复合walk运动步态在纯气动驱动四足爬行机器人腿部迈步的同时伴随身体的弯曲和伸长，多移动一个身体充气伸长的距离；复合trot运动步态在纯气动驱动四足爬行机器人身体从左侧到右侧弯曲的过程中，经历弯曲、完全伸长、弯曲三个过程。
16.具体的，复合walk运动步态具体为：
17.起始步态，纯气动驱动四足爬行机器人的小腿垂直于大腿；
18.纯气动驱动四足爬行机器人的右腿往前伸，同时右侧的躯干气室充气，躯干组件向左弯曲，带动头部组件向前伸长的同时向左摆头，使得右前腿产生迈步幅度；
19.保持右侧的躯干气室充气的同时，左侧的躯干气室充气，使躯干组件向前伸长，此时左前腿向前伸，头部组件从摆头状态恢复原状；
20.左侧的躯干气室放气收缩，使躯干组件从伸长状态再次变为弯曲状态，同时左后腿向前伸，在躯干组件的拉动下迈步；
21.右侧的躯干气室放气收缩，使躯干组件从弯曲状态变为完全收缩状态，同时右后腿在躯干组件的拉动下向前伸，纯气动驱动四足爬行机器人恢复起始状态，完成一个步态周期。
22.具体的，复合trot运动步态具体为：
23.起始步态，为准备trot复合步态的开始运动提供一个稳定的状态；
24.左前腿和右后腿同时向前伸，同时左侧的躯干气室充气，右侧的躯干气室不充气，使躯干组件向右弯曲并伸长，头部组件向右摆头的同时向前伸，为左前腿向前迈步提供运动空间；
25.右前腿和左后腿同时向前伸，左侧的躯干气室放气的同时，右侧的躯干气室充气，使躯干组件从向右伸长弯曲变为向左伸长弯曲，头部组件向右摆头变为向左摆头，右前腿
获得一个迈步空间，同时左前腿和右后腿摆动将纯气动驱动四足爬行机器人的身体向前推，完成一个步态周期，反复以上操作实现trot步态的持续推进。
26.具体的，纯气动驱动四足爬行机器人包括躯干组件，躯干组件的前端连接头部组件，躯干组件的后端连接尾部组件，头部组件和尾部组件的两端分别连接腿部组件，躯干组件包括八个躯干气室，八个躯干气室交叉放置，每个躯干气室内部含有一个躯干气室内腔，每个躯干气室内腔分别连接对应的气压进气口。
27.进一步的，右侧四个躯干气室上分别设置有躯干右侧气室进气口，左侧四个躯干气室上分别设置有躯干左侧气室进气口，躯干右侧气室进气口通过躯干右侧气室连接气管连接躯干右侧气管进气口，躯干左侧气室进气口通过躯干左侧气室连接气管连接躯干左侧气管进气口。
28.进一步的，腿部组件包括大腿灌封单元，大腿灌封单元的一端与头部组件或尾部组件的一侧连接，另一端通过第二连接件连接小腿灌封单元的一端，小腿灌封单元和大腿灌封单元通过内部气室供气膨胀驱动腿部抬起和迈步动作。
29.更进一步的，大腿灌封单元上设置有大腿单元下端气室进气口和大腿单元上端气室进气口；小腿灌封单元上设置有小腿单元前端气室进气口和小腿单元后端气室进气口；大腿单元下端气室进气口和小腿单元后端气室进气口，以及大腿单元上端气室进气口和小腿单元前端气室进气口之间分别通过气室进气口连接气管连接。
30.再进一步的，小腿单元前端气室和大腿单元下端气室之间，以及小腿单元后端气室和大腿单元上端气室之间分别连接一个电磁阀。
31.更进一步的，小腿灌封单元的另一端通过第一连接件连接硅胶防滑脚垫。
32.更进一步的，小腿灌封单元和大腿灌封单元中分别设置有两个气室，通过向一侧气室通入高压气体可实现腿部组件的弯曲。
33.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
34.一种纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法，通过身体模拟真实四足爬行动物，通过机器人气动躯干组件来模拟四足爬行动物的躯干，通过机器人腿部组件来模拟四足爬行动物两自由度腿部，极大程度上对两栖动物躯干和腿部结构进行了仿生。
35.进一步的，walk步态是四足机器人的一种低速行走步态，通过将四肢交替地移动，机器人可以保持相对平衡，减少摇摆和摔倒的风险，这对于在不平坦或崎岖的地形上行走尤为重要。并且相比于其他步态，如跑步或奔跑，walk步态更加节约能量。它允许机器人有较长的续航能力。walk步态使机器人能够进行精确的运动控制。通过调整步幅、脚的位置和速度，可以在狭窄的区域内移动，穿越障碍物或绕过障碍物。但是，由于常规四足机器人要么身体为刚性而无法模仿出真实四足爬行动物躯干摆动与四足迈步共同配合的运动步态，要么使用仿生的脊柱结构，其只能等长度的弯曲，无法模拟骨骼外部的肌肉组织的伸长收缩，这一定程度上也限制了迈步步伐的最大化。本发明中提出的复合walk步态在腿部迈步的同时伴随着身体的弯曲和伸长，使得在相同的步态步骤下比传统walk步态多移动一个身体充气伸长的距离(即身体充气伸长的距离)，极大提高了运动速度和运动效率。
36.进一步的，trot步态设计旨在提高机器人的移动速度。相对于walk步态，trot步态允许机器人以更快的速度行走或奔跑。同时，trot步态使机器人能够更快地做出反应并具有较高的机动性。相对于walk步态，trot步态使得机器人能够更迅速地调整方向、跳过障碍
物或避开威胁。本发明中提出的复合trot步态在腿部迈步的同时伴随着身体的弯曲和伸长，与传统trot步态不同的是，由于身体是柔性且无机械结构束缚，因此在身体从左侧到右侧弯曲的过程中，经历了弯曲-完全充气伸长-反向弯曲的三个过程，即在摆动的过程中经历了身体的完全充气伸长的过程，使得腿部迈出的距离进一步增大，相对于纯机械结构束缚的身体摆动，可以进一步提高迈步距离，提高运动速度和效率。
37.进一步的，机器人躯干组件使用比例伺服阀向躯干左侧气管进气口和躯干右侧气管进气口通入气压，并且通过调节比例伺服阀的输出压力，压力作用于躯干气室内部来控制躯干气室膨胀大小，四个躯干气室膨胀相互挤压使得机器人躯干组件弯曲变形，进而模仿动物身体左右摆动。
38.进一步的，当向躯干右侧气管进气口通入高压气体时，躯干向左侧弯曲，通过剖视图可以看到，受到高压膨胀，单个躯干气室的内腔变大并相互挤压，同样当向驱赶左侧进气口通入高压气体时，躯干产生向右侧弯曲的效果。通过左右两侧交替供气即实现机器人的左右弯曲。
39.进一步的，大腿单元下端气室进气口和小腿单元后端气室进气口，以及大腿单元上端气室进气口和小腿单元前端气室进气口之间分别通过气室进气口连接气管连接，使得通入高压气体后大腿灌封下单元膨胀使腿部整体向上弯曲呈现出上抬效果，同时高压气体通过大腿上单元进入小腿灌封后单元使其膨胀从而小腿部分向前弯曲呈现出向前迈步效果如图8(a)，同样大腿灌封上单元和小腿灌封前单元相通，当通入高压气体后大小腿同时动作呈现出向后蹬地的效果如图8(b)。
40.进一步的，腿部控制方案中，采用了小腿单元前端气室和大腿单元下端气室之间，以及小腿单元后端气室和大腿单元上端气室之间分别连接一个电磁阀而没有采用小腿和大腿使用同一个两位四通电磁阀。此种设计可以实现在灌封单元的一个气室充气之前，使其配对的灌封单元的另一个气室提前接入低压，加快腿部的弯曲变形，提高机器人腿部的响应速度，提高运动效率。
41.进一步到，小腿灌封单元的另一端通过第二连接件连接硅胶防滑脚垫增大与地面的摩擦力，机器人前进的主要作用力就是与地面的摩擦力，设置硅胶防滑脚垫、脚垫上的花纹增大了机器人与地面的摩擦力，从而使机器人腿部在蹬地的过程中产生更大的向前力，同时机器人的站立动作也主要是由于硅胶防滑脚垫向两侧的摩擦力作用
42.进一步的，小腿灌封单元和大腿灌封单元中分别设置有两个气室，当高压气体进入其中一个气室时，由于气体的压力从而使充气的气室发生膨胀进而使没有充气的气室收到另一个气室的作用力发生收缩，从而产生弯曲的效果，如图7所示该部件通过两个气室的交替膨胀从而模仿出动物肌肉的收缩效果。
43.综上所述，本发明采用仿生结构，通过气动躯干和腿部组件模拟真实四足爬行动物，纯气压驱动方式实现快速响应和低能耗，具备复合walk和trot运动姿态，相对于传统运动步态，极大提高了运动速度和运动效率。通过模拟真实肌肉伸缩，从而展现出了高度接近生物形态和运动方式的优势，展现出了潜在的优势和应用前景。
44.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
45.图1为本发明机器人立体结构示意图；
46.图2为本发明机器人腿部结构示意图；
47.图3为本发明机器人躯干结构示意图；
48.图4为单个两气室腿部灌封单元剖视结构示意图；
49.图5为机器人躯干剖视结构示意图；
50.图6为机器人多气室躯干供气弯曲示意图；
51.图7为机器人两气室腿部单元供气弯曲示意图；
52.图8为机器人两气腿部组件两种运动模式；
53.图9为机器人向前迈步运动示意图；
54.图10为机器人两侧充气躯干伸长示意图；
55.图11为机器人简化结构对应示意图；
56.图12为机器人复合walk运动步态示意图；
57.图13为机器人复合trot运动步态。
58.其中：1.腿部组件；11.脚垫；12.第一连接件；13.小腿灌封单元；14.大腿灌封单元；15.第二连接件；16.小腿单元前端气室进气口；17.小腿单元后端气室进气口；18.大腿单元下端气室进气口；19.大腿单元上端气室进气口；20.气室进气口连接气管；29.腿部灌封单元气室内腔；
59.2.躯干组件；21.躯干气室；22.躯干右侧气室进气口；23.躯干左侧气室进气口；24.躯干右侧气室连接气管；25.躯干左侧气室连接气管；26.躯干左侧气管进气口；27.躯干右侧气管进气口；27.躯干气室内腔；
60.3.头部组件；4.尾部组件。
具体实施方式
61.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
62.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
63.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
64.应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
65.还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
66.还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
67.在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
68.请参阅图1，本发明提供了一种纯气动驱动的四足爬行机器人，包括：腿部组件1、躯干组件2、头部组件3和尾部组件4。
69.躯干组件(2)的前端连接头部组件(3)，后端了连接尾部组件(4)，头部组件(3)和尾部组件(4)的两侧分别连接腿部组件(1)；腿部组件(1)包括大腿灌封单元(14)，大腿灌封单元(14)的一端与头部组件(3)或尾部组件(4)的一侧连接，另一端通过第二连接件(15)连接小腿灌封单元(13)的一端；小腿灌封单元(13)和大腿灌封单元(14)通过内部气室供气膨胀驱动腿部抬起和迈步动作。
70.请参阅图4，为小腿灌封单元13和大腿灌封单元14的腿部灌封单元气室内腔29。
71.请参阅图2，机器人的腿部组件1是机器人的驱动部件，包含：硅胶防滑脚垫11、第一连接件12、小腿灌封单元13、大腿灌封单元14、第二连接件15、小腿单元前端气室进气口16、小腿单元后端气室进气口17、大腿单元下端气室进气口18、大腿单元上端气室进气口19、气室进气口连接气管20、腿部灌封单元气室内腔29。
72.硅胶防滑脚垫11位于腿部组件最下端，用于机器人运动时增大摩擦力和缓解冲击，第一连接件12一端跟硅胶防滑脚垫11通过硅胶粘合剂紧密连接(由于机器人绝大多部分均为硅胶柔性材料，因此连接方式均为硅胶粘合剂，后面将不再描述)，另一端与小腿灌封单元13连接，第一连接件12用于支撑机器人，小腿灌封单元13和大腿灌封单元14为机器人的驱动部件，通过内部气室供气膨胀驱动腿部抬起和迈步等动作，两者通过第二连接件15进行连接，小腿单元前端气室进气口16和小腿单元后端气室进气口17位于小腿灌封单元13上，作为小腿灌封单元13两个气室的供气通道，同样大腿单元下端气室进气口18和大腿单元上端气室进气口19位于大腿灌封单元14上，作为大腿灌封单元14两个气室的供气通道，气室进气口连接气管20一根连接小腿单元前端气室进气口16和大腿单元上端气室进气口19，一根连接小腿单元后端气室进气口17和大腿单元下端气室进气口18，保证了小腿单元前端气室和大腿单元下端气室、小腿单元后端气室和大腿单元上端气室同时供气，提高运动效率。
73.请参阅图3，机器人躯干组件2是机器人的驱动部件和支撑部件，包含：躯干气室21、躯干右侧气室进气口22、躯干左侧气室进气口23、躯干右侧气室连接气管24、躯干左侧气室连接气管25、躯干左侧气管进气口26、躯干右侧气管进气口27、躯干气室内腔28。
74.机器人躯干组件2通过一体化灌封制作，主体由八个躯干气室21组成，每侧四个，交叉放置。右侧每个躯干气室21上端带有一个躯干右侧气室进气口22，四个躯干右侧气室进气口22汇总到躯干右侧气室连接气管24上，同样左侧每个躯干气室21上端带有一个躯干左侧气室进气口23，四个躯干左侧气室进气口23汇总到躯干左侧气室连接气管25上，保证了每侧四个躯干气室21可以受到同样大小的气压作用，躯干气室21内部含有躯干气室内腔28，如图5所示，保证其充气膨胀使得机器人躯干组件2实现左右弯曲。
75.其中，躯干左侧气管进气口26和躯干右侧气管进气口27分别为两侧的气压进气口。
76.本发明一种纯气动驱动的四足爬行机器人的驱动方法如下：
77.使用纯气压驱动，模仿自然界中蝾螈等四足爬行动物运动姿态，该动物的肌肉组织可以驱动躯干伸长收缩，从而使动物身体左右摆动来增大运动步伐和运动速率。
78.机器人的驱动方式使用纯气压驱动，响应迅速，通过供入气压的大小来控制气动肌肉的伸缩程度，并且使用纯气压驱动使得机器人摆脱电驱动，不会漏电、短路等，维护方便，能耗成本低。
79.为了模仿动物的肌肉组织，设计机器人躯干组件2模拟肌肉的伸缩效果。机器人躯干组件2为一体化灌注制成，使用比例伺服阀向躯干左侧气管进气口26和躯干右侧气管进气口27通入气压，并且通过调节比例伺服阀的输出压力，压力作用于躯干气室21内部来控制躯干气室21膨胀大小，四个躯干气室21膨胀相互挤压使得机器人躯干组件2弯曲变形，进而模仿动物身体左右摆动，如图6所示，当向躯干右侧气管进气口27通入高压气体时，躯干向左侧弯曲，通过剖视图可以看到，受到高压膨胀，单个躯干气室21的内腔变大并相互挤压。
80.机器人的腿部组件1也是由纯气压驱动，机器人每个腿部组件1包含大腿灌封单元14和小腿灌封单元13两段组成，每个灌粉单元内部又含有两个气室，如图7所示，向一侧气室通入高压气体便可实现机器人的腿部组件1的弯曲。
81.通过使用两个两位三通电磁阀实现对单条腿部的运动控制，其中小腿单元前端气室和大腿单元下端气室、小腿单元后端气室和大腿单元上端气室分别用一个电磁阀控制，如图8所示，通过对两个电磁阀的不同时刻的供气放气控制实现单条腿部的抬腿同时向前迈步或者踩下同时向后蹬地两种运动方式。因此使用八个两位三通电磁阀对机器人四条腿进行控制，实现机器人腿部的多步态运动。在腿部的控制方案中，采用了两个两位三通电磁阀而没有采用一个两位四通电磁阀。此种设计可以实现在灌封单元的一个气室充气之前，使其配对的灌封单元的另一个气室提前接入低压，加快腿部的弯曲变形，提高机器人腿部的响应速度，提高运动效率。
82.仅通过一个电磁阀同时控制一条腿的抬起和向前迈步(踩下和向后蹬地)，相对于传统抬起-向前迈步-落下-向后等地，缩短了腿部控制步骤，控制方法简单快速。
83.将机器人躯干弯曲与机器人腿部抬腿同时向前迈步相结合，如图9所示，机器人右腿抬起并往前伸，同时向躯干右侧气管进气口27通入高压气体时，躯干向左侧弯曲，带动头
部向前伸长的同时向左摆头，这样是为了能让右前腿有一个更大的迈步幅度，如此将躯干左右摆动与四足步态相结合来模仿四足爬行动物的运动步态，提高了四足爬行机器人的运动速度，使其有更多的步态可以研究。
84.本发明与传统舵机驱动(或者其他驱动方式)的刚性脊柱结构不同的是，其他仿生的脊柱结构只能等长度的弯曲，无法模拟骨骼外部的肌肉组织的伸长收缩，这一定程度上也限制了迈步步伐的最大化。而本机器人躯干组件2除了单侧充气弯曲之外，还可以进行双侧充气伸长(如图10所示)，这得益于躯干的制作方法为一体化硅胶灌封，其脊柱结构本身也是柔性的。通过对两侧躯干气室21是否充气以及调节充气气压的大小可以实现机器人躯干组件2不同程度的伸长和弯曲，因此，机器人躯干组件2具有较好的结构性能和力学性能，可以将两栖爬行动物运动步态和速率提高较大的层次，
85.本发明的脊柱运动方案除了可以弯曲还可以伸长(纯柔性材料，无机械结构如万向节等的束缚)，通过伸长可以进一步提高腿部迈出长度，提高运动速度和效率。
86.其次，仅需要两个供气源便可以实现弯曲和伸长以及弯曲角度和伸长长度的控制，结构简单不冗余，控制方便。
87.请参阅图11，本发明一种纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法，包括复合walk运动步态和复合trot运动步态，具体如下：
88.1、机器人复合walk步态
89.请参阅图12，具体步骤如下：
90.a过程：起始步态，此时机器人小腿垂直于大腿，有一个较为稳定的状态。
91.b过程：机器人右腿往前伸，同时右侧的躯干气室21充气，机器人躯干组件2向左弯曲，带动头部向前伸长的同时向左摆头，这样是为了能让右前腿有一个更大的迈步幅度。
92.c过程：保持右侧的躯干气室充气的同时左侧的躯干气室充气，使机器人躯干组件2向前伸长，此时左前腿向前伸，头部从摆头状态恢复原状。
93.d过程：左侧的躯干气室21放气收缩，使机器人躯干组件2从伸长状态再次变为弯曲状态。同时左后腿向前伸，在机器人躯干组件2的拉动下迈出更大一步。
94.e过程：右侧的躯干气室21放气收缩，使机器人躯干组件2从弯曲状态变为完全收缩状态。同时右后腿在机器人躯干组件2的拉动下向前伸。四足机器人恢复起始状态，完成一个步态周期。
95.该walk步态与传统walk步态不同的是在腿部迈步的同时伴随着身体的弯曲和伸长，相同的步态步骤下比传统walk步态多移动一个身体充气伸长的距离，极大提高了运动速度和运动效率。
96.2、机器人复合trot步态
97.请参阅图13，具体如下：
98.a过程：起始步态，可以为准备trot复合步态的开始运动提供一个稳定的状态。
99.b过程：左前腿和右后腿同时向前伸，同时左侧的躯干气室21充气，右侧不充气，使机器人躯干组件2向右弯曲并伸长。头部组件向右摆头的同时向前伸，为左前腿向前迈步提供更大的运动空间。
100.c过程：右前腿和左后腿同时向前伸，左侧的躯干气室21放气同时右侧的躯干气室21充气，使机器人躯干组件2从向右伸长弯曲变为向左伸长弯曲。头部组件向右摆头变为向
左摆头，右前腿获得一个更大的迈步空间。同时左前腿和右后腿摆动将机器人身体向前推，完成一个步态周期，反复进行b和c过程实现trot步态的持续推进。
101.本发明trot步态与传统trot步态不同的是，由于身体是柔性且无机械结构束缚，因此在身体从左侧到右侧弯曲的过程中，经历了弯曲-完全伸长-弯曲的三个过程，相对于纯机械结构束缚的身体摆动，可以进一步提高迈步距离，提高运动速度和效率。
102.依托于机器人独特的仿生结构，陆上运动时，可以极大程度的还原两栖动物的复合运动姿态，相对于传统刚性身体的两栖机器人，运动速率更快，而相对于舵机驱动躯干的两栖机器人，结构简单，控制容易，可以模仿真实肌肉的伸缩。
103.综上所述，本发明一种纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法，通过模拟真实四足爬行动物的身体和腿部组件，极大程度上仿生了四足动物的躯干和腿部结构。它采用纯气压驱动方式，通过控制气动肌肉的伸缩程度来实现驱动，响应迅速，并且摆脱了电驱动的问题，维护方便，能耗成本低。在运动步态方面，借助其独特的仿生结构，提出了新型复合walk和复合trot步态，使其能够在陆上运动时还原四足动物的复合运动姿态，并且相较于传统刚性身体的四足机器人运动步态，具有更快的运动速率；而相较于舵机驱动躯干的四足机器人运动步态，它的结构更简单，控制更容易，并能够模仿真实肌肉的伸缩。该发明在仿生设计和机器人驱动方式上具有显著的创新优势，并展示了在运动步态方面的潜在应用前景。
104.以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法，其特征在于，包括复合walk运动步态和复合trot运动步态，复合walk运动步态在纯气动驱动四足爬行机器人腿部迈步的同时伴随身体的弯曲和伸长，多移动一个身体充气伸长的距离；复合trot运动步态在纯气动驱动四足爬行机器人身体从左侧到右侧弯曲的过程中，经历弯曲、完全伸长、弯曲三个过程。2.根据权利要求1所述的纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法，其特征在于，复合walk运动步态具体为：起始步态，纯气动驱动四足爬行机器人的小腿垂直于大腿；纯气动驱动四足爬行机器人的右腿往前伸，同时右侧的躯干气室充气，躯干组件向左弯曲，带动头部组件向前伸长的同时向左摆头，使得右前腿产生迈步幅度；保持右侧的躯干气室充气的同时，左侧的躯干气室充气，使躯干组件向前伸长，此时左前腿向前伸，头部组件从摆头状态恢复原状；左侧的躯干气室放气收缩，使躯干组件从伸长状态再次变为弯曲状态，同时左后腿向前伸，在躯干组件的拉动下迈步；右侧的躯干气室放气收缩，使躯干组件从弯曲状态变为完全收缩状态，同时右后腿在躯干组件的拉动下向前伸，纯气动驱动四足爬行机器人恢复起始状态，完成一个步态周期。3.根据权利要求1所述的纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法，其特征在于，复合trot运动步态具体为：起始步态，为准备trot复合步态的开始运动提供一个稳定的状态；左前腿和右后腿同时向前伸，同时左侧的躯干气室充气，右侧的躯干气室不充气，使躯干组件向右弯曲并伸长，头部组件向右摆头的同时向前伸，为左前腿向前迈步提供运动空间；右前腿和左后腿同时向前伸，左侧的躯干气室放气的同时，右侧的躯干气室充气，使躯干组件从向右伸长弯曲变为向左伸长弯曲，头部组件向右摆头变为向左摆头，右前腿获得一个迈步空间，同时左前腿和右后腿摆动将纯气动驱动四足爬行机器人的身体向前推，完成一个步态周期，反复以上操作实现trot步态的持续推进。4.根据权利要求1或2或3所述的纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法，其特征在于，纯气动驱动四足爬行机器人包括躯干组件(2)，躯干组件(2)的前端连接头部组件(3)，躯干组件(2)的后端连接尾部组件(4)，头部组件(3)和尾部组件(4)的两端分别连接腿部组件(1)，躯干组件(2)包括八个躯干气室(21)，八个躯干气室(21)交叉放置，每个躯干气室(21)内部含有一个躯干气室内腔(28)，每个躯干气室内腔(28)分别连接对应的气压进气口。5.根据权利要求4所述的纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法，其特征在于，右侧四个躯干气室(21)上分别设置有躯干右侧气室进气口(22)，左侧四个躯干气室(21)上分别设置有躯干左侧气室进气口(23)，躯干右侧气室进气口(22)通过躯干右侧气室连接气管(24)连接躯干右侧气管进气口(27)，躯干左侧气室进气口(23)通过躯干左侧气室连接气管(25)连接躯干左侧气管进气口(26)。6.根据权利要求4所述的纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法，其特征在于，腿部组件(1)包括大腿灌封单元(14)，大腿灌封单元(14)的一端与头部组件(3)或尾部
组件(4)的一侧连接，另一端通过第二连接件(15)连接小腿灌封单元(13)的一端，小腿灌封单元(13)和大腿灌封单元(14)通过内部气室供气膨胀驱动腿部抬起和迈步动作。7.根据权利要求6所述的纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法，其特征在于，大腿灌封单元(14)上设置有大腿单元下端气室进气口(18)和大腿单元上端气室进气口(19)；小腿灌封单元(13)上设置有小腿单元前端气室进气口(16)和小腿单元后端气室进气口(17)；大腿单元下端气室进气口(18)和小腿单元后端气室进气口(17)，以及大腿单元上端气室进气口(19)和小腿单元前端气室进气口(16)之间分别通过气室进气口连接气管(20)连接。8.根据权利要求7所述的纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法，其特征在于，小腿单元前端气室和大腿单元下端气室之间，以及小腿单元后端气室和大腿单元上端气室之间分别连接一个电磁阀。9.根据权利要求6所述的纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法，其特征在于，小腿灌封单元(13)的另一端通过第一连接件(12)连接硅胶防滑脚垫(11)。10.根据权利要求6所述的纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法，其特征在于，小腿灌封单元(13)和大腿灌封单元(14)中分别设置有两个气室，通过向一侧气室通入高压气体可实现腿部组件(1)的弯曲。

技术总结
本发明公开了一种纯气动驱动四足爬行机器人的复合四足运动方法，包括复合Walk运动步态和复合Trot运动步态，复合Walk运动步态在纯气动驱动四足爬行机器人腿部迈步的同时伴随身体的弯曲和伸长，多移动一个身体充气伸长的距离；复合Trot运动步态在纯气动驱动四足爬行机器人身体从左侧到右侧弯曲的过程中，经历弯曲、完全伸长、弯曲三个过程。通过机器人气动躯干组件来模拟四足爬行动物的躯干，通过机器人腿部组件来模拟四足爬行动物两自由度腿部，极大程度上对两栖动物躯干和腿部结构进行了仿生。生。生。


技术研发人员：胡桥 孙良杰 张豪 苏文斌 姜川 陈龙 冯旭辉 祖斯羽
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/9/23