CN106272531A - 一种仿真智能机器人的脊柱关节总成 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及到一种仿真智能机器人的脊柱关节总成。其特征在于整个脊柱关节总成包括尾椎、顶椎、数块中间椎、定位在髋关节总成基架中间隔板上的左右侧弯腰电机、前后弯腰电机、设置定位在尾椎内的左右转腰电机、一端定位在尾椎内转腰电机输出轴上并穿过数块中间椎内中心另一端定位在顶椎上的万向节链，所述尾椎内设置有转腰电机，上部设有内凹球面，下部设有槽型卡板，尾椎外上部设有左右翼和前翼，左右前三翼上均设有过线孔，所有椎节之间的左右前三翼上过线孔的中间均设有压缩弹簧。本发明具有弯转腰动作与真人无差异，结构也与真人接近，因而仿真度高，灵活自如。其主要材质采用铝合金或镁铝合金或碳酸纤维材料等，重量轻。
Description
技术领域
本发明涉及到机器人领域，特别涉及到一种仿真智能机器人的脊柱关节总成。
背景技术
在现有技术的机器人领域中，有关脊柱关节的结构很多，但存在共同问题：无法像真人脊柱关节那样左右侧弯腰前后弯腰转腰灵活自如，其结构与真人脊柱关节相差甚远，笨拙体积大。这就使得无法做到与真人脊柱关节的大小相对应，更谈不上仿真人脊柱关节了。如何克服以现有技术存在的不足，使机器人脊柱关节与真人脊柱关节的大小相对应，同时，又要灵活自如，提供一种仿真智能机器人的脊柱关节总成，这就成了本发明的主要研究课题。
发明内容
本发明的目的就是要克服现有机器人脊柱关节无法像真人脊柱关节那样左右侧弯腰前后弯腰转腰灵活自如，其结构与真人脊柱关节相差甚远，笨拙体积大，仿真度低的问题，提供一种脊柱关节与真人脊柱关节的大小相对应，灵活自如且仿真度高的一种仿真智能机器人的脊柱关节总成。
为实现以上的目的，本发明是通过以下技术方案来实现的。一种仿真智能机器人的脊柱关节总成，其特征在于整个脊柱关节总成包括尾椎、顶椎、数块中间椎、定位在髋关节总成（另案申请）基架中间隔板上的左右侧弯腰电机、前后弯腰电机、设置定位在尾椎内的左右转腰电机、一端定位在尾椎内转腰电机输出轴上并穿过数块中间椎内中心另一端定位在顶椎上的万向节链，所述尾椎为中空桶状结构转腰电机设置定位在其内，上部设有上下为通透的内凹球面，转腰电机输出轴向上穿过内凹球面下面的孔，下部设有槽型卡板，槽型卡板上开有与髋关节总成（另案申请）基架中间隔板上相对应的螺钉孔以便于通过紧固件将脊柱关节总成定位在髋关节总成（另案申请）基架中间隔板上，尾椎外上部设有左右翼和前翼，左右前三翼上均设有过线孔，其中前翼过线孔的左右两侧设有回位簧片；所述中间椎每一节的结构相同为中空结构，其上部设有上下为通透的内凹球面下部设有上下为通透的球头，中间椎节体外设有左右翼和前翼，左右前三翼上中部也设有过线孔，其中前翼过线孔的左右两侧也设有回位簧片，两片回位簧片的相对侧和过线孔之间均设有下一节脊椎回位簧片的插入孔，各中间椎左右前三翼面与自身内凹球面的球心和球头的球心连线的角度与其所处的位置的不同有所不同，这样是为了各个脊椎组装成脊柱时更符合真人脊柱的弯曲形状达到仿真的目的；所述顶椎为中空结构其下部设有球头上部设有一平台，球头和上部平台的中间为通透设置，平台的中部设有一沉孔平台，沉孔平台上开有通透设置的万向节过轴孔和万向节轴固定盘安装螺钉孔用于通过紧固件将万向节链的上端定位在顶椎上，平台的两旁设有数个螺钉孔用于安装劲椎关节总成（另案申请）和肩关节总成（另案申请）；所述尾椎、数块中间椎的内凹球面上端的开口直径均小于自身内凹球面的直径，这样各脊椎节相互装配在一起时各脊椎间不会分离脱落且能连成一个整体，各脊椎节间又能任意方向弯曲自如，所述顶椎、尾椎、数块中间椎的装配关系为上一节脊椎的球头与下一节脊椎的内凹球面相互间隙配合；所述万向节链是由数个万向节通过中间轴连接而成，整个万向节链穿过脊柱中心，上端通过最上一节万向节轴上的固定盘定位在顶椎平台中部的沉孔平台上，下端最下一节万向节直接定位在转腰电机输出轴上，每一节万向节的中心与其所在的球头球心相重合，每两节脊椎左右前三翼面之间的过线孔中间均设置有一根压缩弹簧；所述左右侧弯腰电机、前后弯腰电机定位在髋关节总成（另案申请）基架中间隔板上，左右侧弯腰电机输出轴上定位有卷扬轮，卷扬轮上绕有柔性的拉线，拉线分别穿过所有脊椎左右两翼的过线孔和压缩弹簧其末端定位在顶椎上部平台的左右拉线定位孔中；前后弯腰电机输出轴上也定位有卷扬轮，卷扬轮上也绕有柔性的拉线，拉线绕过定位在髋关节总成（另案申请）基架前托板上的过渡轮并穿过所有脊椎前翼的过线孔和压缩弹簧其末端定位在顶椎上部平台的前拉线定位孔中。整个脊柱是这样工作的：左侧弯腰时，左侧弯腰电机旋转收紧拉线同时右侧弯腰电机旋转放松拉线，反之相反；脊柱要正位时，弯腰一侧电机放线到正位，另一侧电机收线到正位；前弯腰时前后弯腰电机收线，后弯腰时前后弯腰电机放线，这时在压缩弹簧的作用下脊柱往后弯腰，要正位时或放线或收线到正位；要转腰时左右转腰电机或左转或右转，在万向节链传递力的作用下从顶椎开始通过回位簧片逐节往下传递力使每一节中间椎发生一定的转角从而实现整根脊柱仿真人转腰的动作，左右侧弯腰、前后弯腰、左右转腰等三个自由度可同时动作，弯转腰动作与真人无差异，灵活自如。
进一步的，为了增大输出扭矩和为了便于控制以上所述左右侧弯腰、前后弯腰、左右转腰的三种电机均为带内置编码器带大减速比减速器的永磁交流伺服电机，均为一端中心输出轴。
进一步的，为了实现大减速比以上所述的减速器可以是多级行星齿轮减速器或是摆线齿轮减速器。
进一步的，为了减轻重量以上所述的各脊椎节、各电机壳均采用铝合金或镁铝合金或碳酸纤维材料。
进一步的，为了防止各种弯腰动作时压缩弹簧滑离各节脊椎体上左右前三个翼上的过线孔，导致拉线卡死影响动作，每一节脊椎体上左右前三个翼的两个面上的过线孔外围设有圆形凸台。
从以上的技术方案中可知，本发明具有弯转腰动作与真人无差异，结构也与真人接近，因而仿真度高，灵活自如。其主要材质采用铝合金或镁铝合金或碳酸纤维材料等，从而使得本发明具有重量轻。
为了更好地说明本发明，下面结合具体的实施方式及其附图作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明一实施例的主视图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是图1的A向视图。
图4是图1的B-B剖视图。
图5是图1的B向视图。
图6是图3的C-C剖视展开图。
图7是一个中间椎的主视图。
图8是图7的左视图。
图9是图7的俯视图。
图10是图7的A-A剖视图。
图11是另一个中间椎节的主视图。
图12是图11的A向视图。
图13是12的A-A剖视图。
图14是尾椎结构的主视图。
图15是图14的左视图。
图16是图14的俯视图。
图17是图14的A-A剖视图。
图18是图6的A局部放大图。
图19是图2的A局部放大图。
图20是图2的B局部放大图。
图21是图3的A局部放大图。
图中：1-顶椎；2-压缩弹簧；3-中间椎；4-右翼；5-左翼；6-前翼；7-回位簧片；8-尾椎前翼；9-尾椎左翼；10-尾椎右翼； 11-左弯拉线；12-右弯拉线；13-前后弯拉线；14-尾椎；15-在髋关节总成基架；16-顶椎平台；17-前后弯腰卷扬轮；18-过渡轮；19-过渡轮轴安装架；20-中间椎球头；21-固定盘；22-沉孔平台；23-万向节；24-顶椎球头；25-中间椎内凹球面；26-中间轴；27-转腰电机；28-尾椎内凹球面；29-转腰电机输出轴；30-右侧弯腰电机；31-前后弯腰电机；32-槽型卡板；33-脊椎总成；34-左侧弯腰卷扬轮；35-左侧弯腰电机；36-右侧弯腰卷扬轮；37-中间隔板；38-垫柱；39-左右前后拉线定位孔；40-簧片插入孔；41-肩关节总成安装螺钉孔；42-颈椎总成安装螺钉孔；43-圆形凸台；44-过线孔；45-槽型卡板螺钉孔；46-过轴孔；47-加强筋。
具体实施方式
从具体实施例的各图中可以清楚可看出，本发明包括尾椎14、顶椎1、十五块中间椎3、定位在髋关节总成（另案申请）基架15中间隔板37上的左右侧弯腰电机35、30、前后弯腰电机31、设置定位在尾椎14内的左右转腰电机27、一端定位在尾椎14内转腰电机输出轴29上并穿过十五中间椎3内中心另一端定位在顶椎1上的万向节链，所述尾椎14为中空桶状结构转腰电机27设置定位在其内，上部设有上下为通透的内凹球面28，转腰电机输出轴29向上穿过内凹球面28下面的孔，下部设有槽型卡板32，槽型卡板32上开有与髋关节总成（另案申请）基架15中间隔板37上相对应的螺钉孔45以便于通过紧固件将脊柱关节总成定位在髋关节总成（另案申请）基架15中间隔板37上，尾椎14外上部设有左右翼9、10和前翼8，左右前三翼9、10、8上均设有过线孔44，其中前翼8过线孔44的左右两侧设有回位簧片7；所述中间椎3每一节的结构相同为中空结构，其上部设有上下为通透的内凹球面25下部设有上下为通透的球头20，中间椎3节体外设有左右翼5、4和前翼6，左右前5、4、6三翼上中部也设有过线孔44，其中前翼6过线孔44的左右两侧也设有回位簧片7，两片回位簧片7的相对侧和过线孔44之间均设有下一节脊椎回位簧片7的插入孔40，各中间椎3左右前5、4、6三翼面与自身内凹球面25的球心和球头20的球心连线的角度与其所处的位置的不同有所不同，这样是为了各个脊椎组装成脊柱时更符合真人脊柱的弯曲形状达到仿真的目的；所述顶椎1为中空结构其下部设有球头24上部设有一平台16，球头24和上部平台16的中间为通透设置，平台16的中部设有一沉孔平台22，沉孔平台22上开有通透设置的万向节23过轴孔和万向节轴固定盘21安装螺钉孔，以用于通过紧固件将万向节链的上端定位在顶椎1上，平台16的两旁各设有四个肩关节总成安装螺钉孔41和四个颈椎总成安装螺钉孔42，用于安装劲椎关节总成（另案申请）和肩关节总成（另案申请）；所述尾椎14、十五节中间椎3的内凹球面25上端的开口直径均小于自身内凹球面25的直径（详见脊椎结构图7~图17），这样各脊椎节相互装配在一起时各脊椎间不会分离脱落且能连成一个整体，各脊椎节间又能任意方向弯曲自如，所述顶椎1、尾椎14、十五中间椎3的装配关系为上一节脊椎的球头20与下一节脊椎的内凹球面25相互间隙配合；所述万向节链是由十六个万向节通过中间轴26连接而成，每根中间轴26的长短略有不同，整个万向节链穿过脊柱中心，上端通过最上一节万向节轴上的固定盘21定位在顶椎平台16中部的沉孔平台22上，下端最下一节万向节23直接定位在转腰电机输出轴29上，每一节万向节23的中心与其所在的球头20球心相重合，每两节脊椎3左右前三翼5、4、6面之间的过线孔44中间均设置有一根压缩弹簧2；所述左右侧弯腰电机35、30、前后弯腰电机31定位在髋关节总成（另案申请）基架15中间隔板37上，左右侧弯腰电机输出轴上分别定位有左侧弯腰卷扬轮34和右侧弯腰卷扬轮36，卷扬轮上分别绕有柔性的左弯拉线11和右弯拉线12，两根拉线分别穿过所有脊椎3左右两翼5、4的过线孔44和压缩弹簧2其末端定位在顶椎1上部平台16的左右拉线定位孔39中；前后弯腰电机输出轴上也定位有前后弯腰卷扬轮17，卷扬轮上也绕有柔性的前后弯拉线13，拉线绕过定位在髋关节总成（另案申请）基架15前托板上的过渡轮18并穿过所有脊椎前翼的过线孔44和压缩弹簧2其末端定位在顶椎1上部平台16的前拉线定位孔39中。整个脊柱是这样工作的：左侧弯腰时，左侧弯腰电机35旋转收紧拉线同时右侧弯腰电机30旋转放松拉线，反之相反；脊柱要正位时，弯腰一侧电机放线到正位，另一侧电机收线到正位；前弯腰时前后弯腰电机31收线，后弯腰时前后弯腰电机31放线，这时在压缩弹簧的作用下脊柱往后弯腰，要正位时或放线或收线到正位；要转腰时左右转腰电机27或左转或右转，在万向节链传递力的作用下从顶椎1开始通过回位簧片7逐节往下传递力使每一节中间椎发生一定的转角从而实现整根脊柱仿真人转腰的动作，左右侧弯腰、前后弯腰、左右转腰等三个自由度可同时动作，弯转腰动作与真人无差异，灵活自如。以上所述左右侧弯腰电机35、30、前后弯腰电机31、左右转腰电机27的三种电机均为带内置编码器带大减速比减速器的永磁交流伺服电机，均为一端中心输出轴。所述的减速器为多级行星齿轮减速器。以上所述的各脊椎节、各电机壳均采用碳酸纤维材料。以上所述的每一节脊椎体上左右前三个翼的两个面上的过线孔44外围设有圆形凸台43。从以上的具体实施例中可知，本发明具有弯转腰动作与真人无差异，结构也与真人接近，因而仿真度高，灵活自如。其主要材质采用碳酸纤维材料，因而重量轻。
以上所列举的具体实施例仅仅是众多实施例的一种，无法一一列举。凡依本发明的保护范围所做的改进修改和修饰均属于本发明的保护范围，理应受到保护。
Claims (5)
1.一种仿真智能机器人的脊柱关节总成，其特征在于整个脊柱关节总成包括尾椎、顶椎、数块中间椎、定位在髋关节总成基架中间隔板上的左右侧弯腰电机、前后弯腰电机、设置定位在尾椎内的左右转腰电机、一端定位在尾椎内转腰电机输出轴上并穿过数块中间椎内中心另一端定位在顶椎上的万向节链，所述尾椎为中空桶状结构转腰电机设置定位在其内，上部设有上下为通透的内凹球面，转腰电机输出轴向上穿过内凹球面下面的孔，下部设有槽型卡板，槽型卡板上开有与髋关节总成基架中间隔板上相对应的螺钉孔，尾椎外上部设有左右翼和前翼，左右前三翼上均设有过线孔，其中前翼过线孔的左右两侧设有回位簧片；所述中间椎每一节的结构相同为中空结构，其上部设有上下为通透的内凹球面下部设有上下为通透的球头，中间椎节体外设有左右翼和前翼，左右前三翼上中部也设有过线孔，其中前翼过线孔的左右两侧也设有回位簧片，两片回位簧片的相对侧和过线孔之间均设有下一节脊椎回位簧片的插入孔，各中间椎左右前三翼面与自身内凹球面的球心和球头的球心连线的角度与其所处的位置的不同有所不同；所述顶椎为中空结构其下部设有球头上部设有一平台，球头和上部平台的中间为通透设置，平台的中部设有一沉孔平台，沉孔平台上开有通透设置的万向节过轴孔和万向节轴固定盘安装螺钉孔，平台的两旁设有数个螺钉孔；所述尾椎、数块中间椎的内凹球面上端的开口直径均小于自身内凹球面的直径，所述顶椎、尾椎、数块中间椎的装配关系为上一节脊椎的球头与下一节脊椎的内凹球面相互间隙配合；所述万向节链是由数个万向节通过中间轴连接而成，整个万向节链穿过脊柱中心，上端通过最上一节万向节轴上的固定盘定位在顶椎平台中部的沉孔平台上，下端最下一节万向节直接定位在转腰电机输出轴上，每一节万向节的中心与其所在的球头球心相重合，每两节脊椎左右前三翼面之间的过线孔之间均设置有一根压缩弹簧；所述左右侧弯腰电机、前后弯腰电机定位在髋关节总成基架中间隔板上，左右侧弯腰电机输出轴上定位有卷扬轮，卷扬轮上绕有柔性的拉线，拉线分别穿过所有脊椎左右两翼的过线孔和压缩弹簧其末端定位在顶椎上部平台的左右拉线定位孔中；前后弯腰电机输出轴上也定位有卷扬轮，卷扬轮上也绕有柔性的拉线，拉线绕过定位在髋关节总成基架前托板上的过渡轮并穿过所有脊椎前翼的过线孔和压缩弹簧其末端定位在顶椎上部平台的前拉线定位孔中。
2.根据权利要求1所述的一种仿真智能机器人的脊柱关节总成，其特征在于左右侧弯腰、前后弯腰、左右转腰的三种电机均为带内置编码器带大减速比减速器的永磁交流伺服电机，均为一端中心输出轴。
3.根据权利要求1所述的一种仿真智能机器人的脊柱关节总成，其特征在于减速器可以是多级行星齿轮减速器或是摆线齿轮减速器。
4.根据权利要求1所述的一种仿真智能机器人的脊柱关节总成，其特征在于各脊椎节、各电机壳均采用铝合金或镁铝合金或碳酸纤维材料。
5.根据权利要求1所述的一种仿真智能机器人的脊柱关节总成，其特征在于每一节脊椎体上左右前三个翼的两个面上的过线孔外围设有圆形凸台。
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