CN106217354B - 一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构，包括基底，基底上依次层叠设置有多个脊椎拟合单元；单个脊椎拟合单元包括上圆盘和下圆盘，上圆盘的中心轴与下圆盘中心转动连接，下圆盘外围设有一个支撑圆环，下圆盘前后两端分别通过第一旋转轴与支撑圆环转动连接，支撑圆环的左右两端分别通过第二旋转轴与左右两侧的支撑架转动连接，下圆盘上设置有用于带动上圆盘相对于下圆盘旋转的旋转机构，支撑圆环下方设置有用于带动支撑圆环绕着第二旋转轴的轴心线前后摆动的前后摆动机构，下圆盘下方设置有用于带动下圆盘绕着第一旋转轴的轴心线左右摆动的左右摆动机构。本发明优点：结构合理、通用性强、可以实现人类躯干典型运动姿态。

Description

一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构

技术领域

本发明涉及一种仿人机器人，尤其涉及的是一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构。

背景技术

仿人机器人以人类作为仿生研究的原型，在机构设计上模仿人类的关节进行自由度配置，以模拟人类的运动和动作特征。但到目前，脊椎结构尚未被有效地引入到仿人机器人躯干的设计中，表现在90％以上的仿人机器人的躯干均被大大简化成具有1-3个自由度的腰部关节，极少数有4个自由度。比如日本的ASIMO、韩国的KHR和HUBO，只在腰部设置1个旋转自由度；日本的HRP机器人有2个自由度；意大利iCub具有3个自由度；日本WABIAN-2在躯干部位设置了4个自由度。这些机器人在仿人机器人领域都比较先进，但都只把脊椎的功能简化为了在腰部的自由度。国内的“先行者”，BHR和THBIP没有设置躯干的自由度，“悟空”和IRP-1设置了2个自由度，但均没有关于脊椎的仿生设计。

一些仿人机器人尝试把脊椎结构引入。早稻田大学采用6个舵机串联起来模拟人类脊椎的WBD-2，增加了躯干的灵活性；英国埃塞克斯大学和苏黎世大学、慕尼黑工业大学联合设计的ECCEROBOT试图从外观和内部完全模仿人类，取得一定成功，但对机器人的控制模式尚需解决；东京大学研发的Kotaro、Kojiro和Kenshiro试图具有像人类一样的柔软、灵活结构，在腰部设置了5个串联的球关节实现躯干的左右弯曲。这些高度模仿人类脊椎及肌群结构的仿人机器人虽然较好地实现了机器人的运动灵活性特征，但是也面临着有效的控制和负载性差等问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种结构合理、通用性强、可以实现人类躯干典型运动姿态的仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构，包括基底，所述基底上由下往上依次层叠设置有用于模拟人体的脊椎结构的多个脊椎拟合单元；

单个脊椎拟合单元包括上下设置的上圆盘和下圆盘，所述上圆盘中心设有向下伸出的中心轴，所述上圆盘的中心轴与所述下圆盘中心转动连接，所述下圆盘外围设有一个用于支撑所述下圆盘的支撑圆环，所述下圆盘前后两端分别通过第一旋转轴与所述支撑圆环转动连接，所述支撑圆环的左右两端分别通过第二旋转轴与左右两侧的支撑架转动连接，所述第一旋转轴和第二旋转轴相互垂直，其中位于最下方的脊椎拟合单元的支撑架固定设置在基底上，其余的脊椎拟合单元的支撑架固定设置在其下方相邻的脊椎拟合单元的上圆盘上；所述下圆盘上设置有旋转机构，所述旋转机构用于带动所述上圆盘相对于下圆盘旋转的，所述支撑圆环下方设置有前后摆动机构，所述前后摆动机构用于带动所述支撑圆环绕着所述第二旋转轴的轴心线前后摆动，所述支撑圆环前后摆动进而带动所述下圆盘和上圆盘同步摆动，所述下圆盘下方设置有左右摆动机构，所述左右摆动机构用于带动所述下圆盘绕着所述第一旋转轴的轴心线左右摆动，所述下圆盘左右摆动进而带动所述上圆盘同步摆动。

作为上述技术方案的优选实施方式，在单个脊椎拟合单元中，所述旋转机构包括丝杠、螺母、连杆，所述螺母转动套装在所述丝杠上，所述丝杠转动设置在所述下圆盘上，所述上圆盘上开有与所述丝杠位置相对应的避让槽，所述连杆包括竖向杆和水平杆，所述竖向杆下端与所述螺母固定连接、上端向上穿出所述上圆盘的避让槽后连接所述水平杆的一端，所述水平杆的长度方向与所述丝杠的长度方向相对应，所述水平杆的另一端设有圆环，所述上圆盘上设有凸柱，所述圆环套装在所述凸柱上，通过丝杠转动带动所述螺母和连杆沿着丝杠做直线运动，使得水平杆上的圆环推动凸柱运动，进而带动所述上圆盘相对于所述下圆盘旋转。

作为上述技术方案的优选实施方式，所述前后摆动机构为第一凸轮机构，所述左右摆动机构为第二凸轮机构，所述第一凸轮机构包括第一凸轮以及驱动所述第一凸轮旋转的第一驱动机构，所述第二凸轮机构包括第二凸轮以及驱动所述第二凸轮旋转的第二驱动机构，所述第一凸轮绕着第一凸轮轴转动，所述第二凸轮绕着第二凸轮轴转动，所述第一凸轮轴与所述第一旋转轴相平行，所述第一凸轮轴与第二凸轮轴相互垂直，且所述第一凸轮轴和所述第二凸轮轴均沿着所述下圆盘的径向方向延伸，通过所述第一凸轮转动来带动所述第一凸轮上方的支撑圆环绕着所述第二旋转轴的轴心线前后摆动，通过所述第二凸轮转动来带动所述下圆盘绕着所述第一旋转轴的轴心线左右摆动。

作为上述技术方案的优选实施方式，所述多个脊椎拟合单元中，位于最下方的脊椎拟合单元的第一凸轮机构和第二凸轮机构设置在基底上，其余的脊椎拟合单元的第一凸轮机构和第二凸轮机构设置在其下方相邻的脊椎拟合单元的上圆盘上。

作为上述技术方案的优选实施方式，所述第一驱动机构为第一电机，所述第一电机的输出轴与所述第一凸轮轴固定连接，所述第二驱动机构为第二电机，所述第二电机的输出轴与所述第二凸轮轴固定连接。

作为上述技术方案的优选实施方式，所述旋转机构还包括驱动所述丝杠旋转的第三电机，所述第三电机的输出轴与所述丝杠固定连接。

作为上述技术方案的优选实施方式，所述下圆盘前后两端分别设有一个沿径向向外伸出的所述第一旋转轴，且两个第一旋转轴位于同一条直线上，所述下圆盘通过两个第一旋转轴与所述支撑圆环转动连接，所述支撑圆环左右两端分别设有一个沿径向向外伸出的所述第二旋转轴，两个第二旋转轴位于同一条直线上，且所述两个第一旋转轴的连线与所述两个第二旋转轴的连线相互垂直，所述支撑圆环通过两个第二旋转轴分别与左右两侧的支撑架转动连接。

作为上述技术方案的优选实施方式，所述基底上由下往上依次层叠设置有用于模拟人体的脊椎结构的三个脊椎拟合单元。

作为上述技术方案的优选实施方式，所述支撑圆环下端在所述第一凸轮对应的位置设置有与所述第一凸轮相接触的第一顶柱，所述下圆盘下端在所述第二凸轮对应的位置设有与所述第二凸轮相接触的第二顶柱。

本发明相比现有技术具有以下优点：

1、本发明提供的一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构，其分别通过旋转机构实现脊椎结构的旋转运动、通过前后摆动机构实现脊椎结构的屈曲/伸展运动、通过左右摆动机构实现脊椎结构的左/右侧弯运动，且通过多个脊椎拟合单元的配合，能增大各种运动的运动范围，总体实现了脊椎结构三种典型运动姿态，达到了人体脊椎结构所具有的运动姿态和运动范围，为仿人机器人实现人类躯干的典型运动姿态提供了一个新的仿生结构，且三种运动姿态的实现是相互独立的，所以整体结构的控制也很简单明了。

2、本发明提供的一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构，采用上圆盘、下圆盘和支撑圆盘的相互配合，具有结构简单紧凑、承载性能好的优点。

3、本发明提供的一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构，其旋转机构采用丝杠、螺母、连杆同时与轴承相配合，仅需第三电机驱动丝杠旋转即可带动上圆盘相对于下圆盘自动旋转；其前后摆动机构和左右摆动机构分别采用旋转轴相互垂直的凸轮机构，通过前后摆动机构的第一凸轮旋转即可实现支撑圆环以及下圆盘和上圆盘整体进行前后同步摆动，通过左右摆动机构的第二凸轮旋转即可实现下圆盘和下圆盘进行左右同步摆动，通过电机实现自动控制，且能提供精确度高的、能够往复进行的运动；此外，凸轮机构和丝杠均为机械刚性结构，能够在电机故障时使整个结构自锁，安全性较好。

附图说明

图1是本实施例的结构示意图。

图2是本实施例的上圆盘结构示意图。

图3是本实施例的支撑圆环与下圆盘连接结构示意图。

图4是本实施例模拟脊椎结构进行旋转运动的结构示意图。

图5是本实施例模拟脊椎结构进行屈曲/伸展运动的结构示意图。

图6是本实施例模拟脊椎结构进行左/右侧弯运动的结构示意图。

图中标号:1基底,2上圆盘，21中心轴，22避让槽，23凸柱，3下圆盘,31第一旋转轴，32第二顶柱，4轴承，5支撑圆环，51第二旋转轴，52第一顶柱，6支撑架，71丝杠，72螺母，73竖向杆，74水平杆，75圆环，76第三电机，81第一凸轮，82第一凸轮轴，83第一电机，91第二凸轮，92第二凸轮轴，93第二电机。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

参见图1至图3，本实施例公开了一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构，包括基底1，基底1上由下往上依次层叠设置有用于模拟人体的脊椎结构的多个脊椎拟合单元，本实施例优选为三个脊椎拟合单元；

单个脊椎拟合单元包括上下设置的上圆盘2和下圆盘3，上圆盘2中心设有向下伸出的中心轴21，上圆盘2的中心轴21通过轴承4与下圆盘3中心转动连接，下圆盘3外围设有一个用于支撑下圆盘3的支撑圆环5。下圆盘3前后两端分别设有一个沿径向向外伸出的第一旋转轴31，且两个第一旋转轴31位于同一条直线上，下圆盘3前后两端分别通过第一旋转轴31与支撑圆环5转动连接。支撑圆环5左右两端分别设有一个沿径向向外伸出的第二旋转轴51，两个第二旋转轴51位于同一条直线上，且两个第一旋转轴31的连线与两个第二旋转轴51的连线相互垂直，支撑圆环5的左右两端分别通过第二旋转轴51与左右两侧的支撑架6转动连接，第一旋转轴31和第二旋转轴51相互垂直，其中位于最下方的脊椎拟合单元的支撑架6固定设置在基底1上，其余的脊椎拟合单元的支撑架6固定设置在其下方相邻的脊椎拟合单元的上圆盘2上；下圆盘3上设置有旋转机构，旋转机构用于带动上圆盘2相对于下圆盘3旋转的，支撑圆环5下方设置有前后摆动机构，前后摆动机构用于带动支撑圆环5绕着第二旋转轴51的轴心线前后摆动，支撑圆环5前后摆动进而带动下圆盘3和上圆盘2同步摆动，下圆盘3下方设置有左右摆动机构，左右摆动机构用于带动下圆盘3绕着第一旋转轴31的轴心线左右摆动，下圆盘3左右摆动进而带动上圆盘2同步摆动。

同时参见图4，在单个脊椎拟合单元中，该旋转机构包括丝杠71、螺母72、连杆，螺母72转动套装在丝杠71上，丝杠71转动设置在下圆盘3上，上圆盘2上开有与丝杠71位置相对应的避让槽22，连杆包括竖向杆73和水平杆74，竖向杆73下端与螺母72固定连接、上端向上穿出上圆盘2的避让槽22后连接水平杆74的一端，水平杆74的长度方向与丝杠71的长度方向相对应，水平杆74的另一端设有圆环75，上圆盘2上设有凸柱23，圆环75套装在凸柱23上，通过丝杠71转动带动螺母72和连杆沿着丝杠71做直线运动，使得水平杆74上的圆环75推动凸柱23运动，进而带动上圆盘2相对于下圆盘3旋转。其中，旋转机构还包括驱动丝杠71旋转的第三电机76，第三电机76的输出轴与丝杠71固定连接。该旋转机构通过第三电机76带动丝杠71转动，从而带动螺母72和与螺母72连接的连杆沿着丝杠71的长度方向做直线运动，使得连杆的水平杆74端部的圆环75推动上圆盘2上的凸柱23，由于上圆盘2与下圆盘3之间通过轴承4转动连接，因此会带动上圆盘2相对于下圆盘3旋转，从而模拟脊椎结构的旋转运动。

该前后摆动机构可采用第一凸轮81机构，该左右摆动机构可采用第二凸轮91机构，第一凸轮81机构包括第一凸轮81以及驱动第一凸轮81旋转的第一驱动机构，第二凸轮91机构包括第二凸轮91以及驱动第二凸轮91旋转的第二驱动机构，第一凸轮81绕着第一凸轮轴82转动，第二凸轮91绕着第二凸轮轴92转动，第一凸轮轴82与第一旋转轴31相平行，第一凸轮轴82与第二凸轮轴92相互垂直，且第一凸轮轴82和第二凸轮轴92均沿着下圆盘3的径向方向延伸，通过第一凸轮81转动来带动第一凸轮81上方的支撑圆环5绕着第二旋转轴51的轴心线前后摆动，通过第二凸轮91转动来带动下圆盘3绕着第一旋转轴31的轴心线左右摆动。支撑圆环5下端在第一凸轮81对应的位置设置有与第一凸轮81相接触的第一顶柱52，下圆盘3下端在第二凸轮91对应的位置设有与第二凸轮91相接触的第二顶柱32。第一驱动机构可以为第一电机83，第一电机83的输出轴与第一凸轮轴82固定连接，第二驱动机构可以为第二电机93，第二电机93的输出轴与第二凸轮轴92固定连接。

其中，在多个脊椎拟合单元中，位于最下方的脊椎拟合单元的第一凸轮81机构和第二凸轮91机构设置在基底1上，其余的脊椎拟合单元的第一凸轮81机构和第二凸轮91机构设置在其下方相邻的脊椎拟合单元的上圆盘2上。

下面以第一凸轮81位于支撑圆环5前端下方、以第二凸轮91位于下圆盘3右端下方为例来对第一凸轮81机构和第二凸轮91机构的工作过程进行说明：

同时参见图5，在第一凸轮81机构中，通过第一电机83带动第一凸轮81绕着第一凸轮轴82转动，由于第一凸轮81的外轮廓高低不均，在第一凸轮81转动过程中，当第一凸轮81的高点转动到与支撑圆环5下端的第一顶柱52接触时，第一凸轮81会将支撑圆环5的前端向上顶，支撑圆环5便会绕着第二旋转轴51转动，则支撑圆环5的前端向上摆动、后端向下摆动，当第一凸轮81的低点转动到与支撑圆环5下端的第一顶柱52接触时，支撑圆环5的前端会在自重的作用下向下摆动、后端便会向下摆动，与此同时，支撑圆环5前后摆动会带动下圆盘3和上圆盘2同步摆动，从而模拟脊椎结构的屈曲/伸展运动。

同时参见图6，在第二凸轮91机构中，通过第二电机93带动第二凸轮91绕着第二凸轮轴92转动，由于第二凸轮91的外轮廓高低不均，在第二凸轮91转动过程中，当第二凸轮91的高点转动到与下圆盘3下端的第二顶柱32接触时，第二凸轮91会将下圆盘3的右端向上顶，下圆盘3便会绕着第一旋转轴31转动，则下圆盘3的右端向上摆动、左端向下摆动，当第二凸轮91的低点转动到与下圆盘3下端的第二顶柱32接触时，下圆盘3的右端会在自重的作用下向下摆动、左端便会向下摆动，与此同时，下圆盘3左右摆动会带动上圆盘2同步摆动，从而模拟脊椎结构的的左/右侧弯运动。

本实施例将第一凸轮轴82与第二凸轮轴92相互垂直设置，且第一凸轮轴82和第二凸轮轴92均沿着圆盘径向，可避免第一凸轮81机构和第二凸轮91机构出现耦合，保证两个凸轮机构独立工作相互不影响。

本实施例分别通过旋转机构实现脊椎结构的旋转运动、通过前后摆动机构实现脊椎结构的屈曲/伸展运动、通过左右摆动机构实现脊椎结构的左/右侧弯运动，总体实现了脊椎结构三种典型运动姿态，且通过多个脊椎拟合单元的配合，能增大各种运动的运动范围，例如：当每个脊椎拟合单元中三个机构分别转动角度为10°，如果本脊椎结构一共有三个脊椎拟合单元，则每个机构转动角度就可达到30°；达到了人体脊椎结构所具有的运动姿态和运动范围，为仿人机器人实现人类躯干的典型运动姿态提供了一个新的仿生结构，且三种运动姿态的实现是相互独立的，所以整体结构的控制也很简单明了。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构，包括基底，其特征在于：所述基底上由下往上依次层叠设置有用于模拟人体的脊椎结构的多个脊椎拟合单元；

单个脊椎拟合单元包括上下设置的上圆盘和下圆盘，所述上圆盘中心设有向下伸出的中心轴，所述上圆盘的中心轴与所述下圆盘中心转动连接，所述下圆盘外围设有一个用于支撑所述下圆盘的支撑圆环，所述下圆盘前后两端分别通过第一旋转轴与所述支撑圆环转动连接，所述支撑圆环的左右两端分别通过第二旋转轴与左右两侧的支撑架转动连接，所述第一旋转轴和第二旋转轴相互垂直，其中位于最下方的脊椎拟合单元的支撑架固定设置在基底上，其余的脊椎拟合单元的支撑架固定设置在其下方相邻的脊椎拟合单元的上圆盘上；所述下圆盘上设置有旋转机构，所述旋转机构用于带动所述上圆盘相对于下圆盘旋转的，所述支撑圆环下方设置有前后摆动机构，所述前后摆动机构用于带动所述支撑圆环绕着所述第二旋转轴的轴心线前后摆动，所述支撑圆环前后摆动进而带动所述下圆盘和上圆盘同步摆动，所述下圆盘下方设置有左右摆动机构，所述左右摆动机构用于带动所述下圆盘绕着所述第一旋转轴的轴心线左右摆动，所述下圆盘左右摆动进而带动所述上圆盘同步摆动。

2.如权利要求1所述的一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构，其特征在于：在单个脊椎拟合单元中，所述旋转机构包括丝杠、螺母、连杆，所述螺母转动套装在所述丝杠上，所述丝杠转动设置在所述下圆盘上，所述上圆盘上开有与所述丝杠位置相对应的避让槽，所述连杆包括竖向杆和水平杆，所述竖向杆下端与所述螺母固定连接、上端向上穿出所述上圆盘的避让槽后连接所述水平杆的一端，所述水平杆的长度方向与所述丝杠的长度方向相对应，所述水平杆的另一端设有圆环，所述上圆盘上设有凸柱，所述圆环套装在所述凸柱上，通过丝杠转动带动所述螺母和竖向杆沿着丝杠做直线运动，使得水平杆上的圆环推动凸柱运动，进而带动所述上圆盘相对于所述下圆盘旋转。

3.如权利要求1所述的一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构，其特征在于：所述前后摆动机构为第一凸轮机构，所述左右摆动机构为第二凸轮机构，所述第一凸轮机构包括第一凸轮以及驱动所述第一凸轮旋转的第一驱动机构，所述第二凸轮机构包括第二凸轮以及驱动所述第二凸轮旋转的第二驱动机构，所述第一凸轮绕着第一凸轮轴转动，所述第二凸轮绕着第二凸轮轴转动，所述第一凸轮轴与所述第一旋转轴相平行，所述第一凸轮轴与第二凸轮轴相互垂直，且所述第一凸轮轴和所述第二凸轮轴均沿着所述下圆盘的径向方向延伸，通过所述第一凸轮转动来带动所述第一凸轮上方的支撑圆环绕着所述第二旋转轴的轴心线前后摆动，通过所述第二凸轮转动来带动所述下圆盘绕着所述第一旋转轴的轴心线左右摆动。

4.如权利要求3所述的一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构，其特征在于：所述多个脊椎拟合单元中，位于最下方的脊椎拟合单元的第一凸轮机构和第二凸轮机构设置在基底上，其余的脊椎拟合单元的第一凸轮机构和第二凸轮机构设置在其下方相邻的脊椎拟合单元的上圆盘上。

5.如权利要求3所述的一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构，其特征在于：所述第一驱动机构为第一电机，所述第一电机的输出轴与所述第一凸轮轴固定连接，所述第二驱动机构为第二电机，所述第二电机的输出轴与所述第二凸轮轴固定连接。

6.如权利要求2所述的一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构，其特征在于：所述旋转机构还包括驱动所述丝杠旋转的第三电机，所述第三电机的输出轴与所述丝杠固定连接。

7.如权利要求1所述的一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构，其特征在于：所述下圆盘前后两端分别设有一个沿径向向外伸出的所述第一旋转轴，且两个第一旋转轴位于同一条直线上，所述下圆盘通过两个第一旋转轴与所述支撑圆环转动连接，所述支撑圆环左右两端分别设有一个沿径向向外伸出的所述第二旋转轴，两个第二旋转轴位于同一条直线上，且所述两个第一旋转轴的连线与所述两个第二旋转轴的连线相互垂直，所述支撑圆环通过两个第二旋转轴分别与左右两侧的支撑架转动连接。

8.如权利要求1所述的一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构，其特征在于：所述基底上由下往上依次层叠设置有用于模拟人体的脊椎结构的三个脊椎拟合单元。

9.如权利要求3所述的一种仿人机器人多节段仿生多自由度脊椎结构，其特征在于：所述支撑圆环下端在所述第一凸轮对应的位置设置有与所述第一凸轮相接触的第一顶柱，所述下圆盘下端在所述第二凸轮对应的位置设有与所述第二凸轮相接触的第二顶柱。