CN107073724B - 用于类人机器人的减振装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于类人机器人的减振装置，其包括连接到类人机器人的刚性结构、能够改变形状的外壳(21；23)以及减振器(22；24)；减振器(22；24)包括具有在主方向(X)上向外延伸的一组孔穴的柔性孔穴式结构，且减振器在主方向(X)上的第一端处被牢固地连接到刚性结构(20)且在主方向(X)上的与第一端相反的第二端处连接到可变形外壳(21；23)。有利地，外壳(21)也通过至少一个消音垫块类型的减振附接件直接连接到刚性结构上。本发明还涉及一种类人机器人，且特别涉及包括这样的减振装置的类人机器人的头部。

Description

用于类人机器人的减振装置

技术领域

本发明一般地涉及减振装置，更特别地用于固定和保护电子设备免于振动，例如与包含这样的电子设备(板、部件、等等)的装置的摔倒相关的振动。本发明特别地用于保护嵌在类人机器人内的电子设备防止所述机器人的摔倒，机器人的摔倒是特别不利于这些机器人应用的开发的事件。

背景技术

从机器人拥有人类外貌和功能的某些特征那一刻起，机器人可标定为类人型：头、躯干、双臂、双手、双腿或双脚。类人机器人能够行走、做姿势，利用四肢或利用头。它们能够执行的姿势的复杂性稳定增加。虽然有这些发展，类人机器人仍然容易摔倒。由于必然的障碍或外部的干涉，这些摔倒可在机器人调试过程中发生，但也可能在机器人后续的使用阶段中发生。为了允许消费者应用，类人机器人需要能够再三经受这样的摔倒。

特别的困难源自类人机器人相对高位置的重心。例如，当具有70cm尺寸的机器人摔倒时，撞击地面的头部的部件经历的减速度值可达到70G级别的值。这些不想要的但必然的摔倒在当前的机器人中很可能损坏脆弱的部件，例如电子设备或传感器或致动器。

在已知的方案中，已经试图通过降低重心回避这个难题。例如，已知机器人，在其中裙状下部容纳最重的设备项。然而，这个方案具有限制特别是手臂和头的机器人上部的移动和功能的缺点。为了提高机器人的抗摔倒性，也考虑了保护机构，其构造为当检测到机器人摔倒时被触发。这个方案也具有局限性，特别是在机器人移动过程中，保护机构的不合时触发。

因此，其仍然需要有解决方案，这些方案可用于提高类人机器人的机械强度并允许它们再三经受振动并抵抗振动。显然，这样的方案需要能够适合机器人的功能和结构环境。

发明内容

为了这个目的，本发明的主题为用于移动机器人的减振装置，该装置包括：

-用于连接到类人机器人的刚性结构，

-可变形外壳，以及

-减振器；

该减振器包括具有在主方向上形成的一组孔穴的柔性孔穴式结构，且减振器在该主方向上的第一端处固定到刚性结构，且在该主方向上的与第一端相反的第二端处连接到可变形外壳。

有利地，该外壳也通过至少一个消音垫块类型的吸附固定件直接连接到刚性结构上。

有利地，该减振器包括基本上垂直于主方向的密封平面；该减振器的孔穴式结构被构成成各孔穴在主方向上以远离密封平面一定距离地靠拢。

有利地，该减振器由选自下列的材料制成，包括：天然橡胶、4-聚异戊二烯、合成聚异戊二烯、聚丁二烯、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚异丁烯、异丁烯-异戊二烯、氯丁二烯、氯丁(二烯)橡胶、丁二烯-丙烯腈共聚物、乙烯-丙烯共聚物、三元共聚物、聚醚嵌段酰胺、弹性体热塑性塑料、热塑性聚氨酯、热塑性烯烃、多硫化物、弹性蛋白、硅氧烷弹性体、氟弹性体、全氟弹性体、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚丙烯酸弹性体、乙烯-丙烯酸共聚物、氯磺化聚乙烯、表氯醇弹性体。

有利地，该装置包括固定到刚性结构上的电子模块，且其中该减振器包括在主方向上的两端处出现的通道，使能够将电子模块散发的热量排出机器人。

有利地，该装置包括固定到减振器的风扇，且风扇能够产生接近电子模块并穿过通道的气流。

有利地，该装置包括连接到刚性结构的至少一个光源；该减振器包括出射管，出射管构造成将光源散发的光引导出机器人。

有利地，该装置包括连接到刚性结构的至少一个声源；该减振器包括出射管，出射管将声源散发的声波引导出机器人。

有利地，该装置包括固定到外壳内壁的至少一个麦克风；该减振器允许语音隔离。

本发明还涉及类人机器人，其包括具有上述特征的减振器。

本发明还涉及包括减振装置的类人机器人的头部，且其中该刚性结构连接到机器人躯干。有利地，该头部包括布置在头部前部中的第一减振装置，以及布置在头部后部中的第二减振装置；该两个减振装置设置成在主方向上彼此面对并处于同属这两个减振装置的刚性结构的两侧。

本发明最后涉及类人机器人的身躯，包括布置在类人机器人前部中的第一减振装置，以及布置在机器人后部中的第二减振装置；该两个减振装置设置成在主方向上彼此面对且位于两个减振装置共同的刚性结构的两侧。

阅读了在下面附图中通过举例提供的实施例的详细说明后，将更好地理解本发明且其他优点也将明显。

附图说明

图1a和1b示出本申请人研制的类人机器人的两个例子，

图2a和2b分别以立体图和平面图，示出类人机器人头部的例子，其包括根据本发明的减振装置，

图3示出连接到支撑类人机器人头部的柱的前减振装置和后减振装置的分解图，

图4示出，在三个视图中，前装置的减振器和后装置的减振器，

图5a和5b分别示出，在三个视图中，前装置和后装置的减振器。

为了清晰，在不同的附图中同样的元件具有同样的附图标记。

具体实施方式

图1a和1b示出由ALDEBARAN ROBOTIC^TM公司研制的类人机器人的两个例子。图1a中示出的类人机器人1包括头部10、躯干2、双臂3、双手4、双腿5和双脚6。图1b中示出的机器人1’包括头部10、躯干2、双臂3、双手4和裙7。根据本发明的减振装置用于防止类人机器人这样的例子振动，特别在机器人摔倒的情况下。

根据本发明的减振装置特别适于保护容纳在类人机器人头部中的脆弱部件。下面将描述的实施例涉及设置有两个减振装置的类人机器人头部。这个实施例有效地使能够防止例如约70cm或更大的大尺寸的机器人的头部摔倒。不过，显然，本发明不限于设置有两个减振装置的类人机器人头部的这个特定实施例。相反，应当理解，本发明一般地涉及一种减振装置，其可单独或组合执行，以确保类人机器人头部的，或类人机器人任意其他部件的保护。更一般地，该装置可应用于移动机器人，其包括至少一个与地面接触的铰接下肢，导致机器人摔倒的风险。在本文件中，名称“移动机器人”指包括至少一个下肢的机器人，相对于机器人的躯干围绕至少一个旋转方面的自由度铰接。

图2a和2b分别以立体图和平面图示出类人机器人头部的例子，头部包括根据本发明的减振装置。在该例子中，类人机器人的头部10包括前减振装置11、后减振装置12以及顶盖13。在前减振装置11中，形成两个侧孔14和15，表示机器人的眼睛，并形成中心孔16，表示机器人的嘴巴。前减振装置11和后减振装置12包括分隔在机器人前部和后部之间的两个公共侧边缘。右公共边缘，附图标记为17，在图2a和2b中示出。在每一前减振装置11和后减振装置12中，沿着该两个侧边缘的每一个形成基本半圆形式的孔。前减振装置的半圆孔面对后减振装置的半圆孔，因此，沿着两个公共侧边缘，形成表示机器人耳朵的基本上圆形的孔18。

在图2b中，顶盖13未示出，使得机器人的头部10内的部件可见。机器人的头部10通过刚性支撑柱20连接到机器人的躯干2。该支撑柱包括一组多个结构部件，固定在一起，如图3中所示。这些部件可为硬质塑料材料。设备的多个项目，诸如电子模块、传感器和/或致动器，可固定到支撑柱。

每一减振装置包括可变形外壳以及减振器。前减振装置11包括外壳21和减振器22。后减振装置12包括外壳23和减振器24。这些元件在下面详细描述。

图3示出前减振装置、后减振装置以及支撑柱的分解图。支撑柱20包括结构部件20a、20b、以及20c的组件，这里以分解图示出。组装之后，这些部件形成连接到机器人躯干的支撑柱20。在示出的例子中，机器人的头部设置有两个减振装置，其设置成彼此面对，且位于支撑柱的两侧。一般地，根据本发明的减振装置包括可变形外壳、减振器以及刚性结构。减振装置的目的在于吸收和消除由振动产生的能量，由此保护可能固定到刚性结构上的脆弱部件。在示出的例子中，支撑柱20构成两个减振装置11和12共同的刚性结构。或者，换句话说，每一减振装置的刚性结构固定到支撑柱，确保机器人的头部相对于其躯干被保持。

图4示出以三个视图示出前减振装置11和后减振装置12的减振器22和24。分别为前减振器22和后减振器24的这两个减振器，也分别在图5a和5b中根据三个视图示出。

在示出的实施例中，类人机器人头部包括两个减振装置。根据本发明的减振装置特征在于，其包括连接到类人机器人的刚性结构20、可变形外壳以及包括柔性孔穴式结构的减振器，该柔性孔穴式结构包括在主方向X上形成的一组孔穴。此外，该减振器在主方向X上的第一端处保持固定到刚性结构上，且在主方向X上的与第一端相反的第二端处连接到可变形外壳上。

多种材料可考虑用于可变形外壳的生产。例如，可使用聚苯乙烯。也可想象，对可变形外壳的外壁施加涂敷层或表面处理以改进其外观或对其进行润色。

该减振器包括柔性孔穴式结构，该柔性孔穴式结构包括在主方向X上形成的一组孔穴。特别地，前减振器22的孔穴式结构在图5a中示出。该孔穴式结构包括基本上平行于主方向的多个壁30。这些壁限定在主方向上形成的该组孔穴31。可想象能够弹性变形的多种材料用于减振器的生产。特别想象硅氧烷、聚亚安酯或海绵类的植物材料。优选，该减振器包括选自下列的材料：天然橡胶、4-聚异戊二烯、合成聚异戊二烯、聚丁二烯、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚异丁烯、异丁烯-异戊二烯、氯丁二烯、氯丁(二烯)橡胶、丁二烯-丙烯腈共聚物、乙烯-丙烯共聚物、三元共聚物、聚醚嵌段酰胺、弹性体热塑性塑料、热塑性聚氨酯、热塑性烯烃、多硫化物、弹性蛋白、硅氧烷弹性体、氟弹性体、全氟弹性体、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚丙烯酸弹性体、乙烯-丙烯酸共聚物、氯磺化聚乙烯、表氯醇弹性体。

该减振器在主方向上的第一端处固定到支撑柱20，并在主方向上的与第一端相反的第二端处连接到可变形外壳。图4示出，对于前减振装置11，固定到支撑柱的第一端40和连接到可变形外壳21的第二端41。第一端可通过多种固定装置固定到支撑柱，且特别地通过粘结。相似地，第二端可通过多种连接方式连接到可变形外壳。特别地其通过粘结固定到外壳。

在特别实施例中，减振器通过简单的接头配件保持在支撑柱上，并也通过简单的接头配件确保外壳的保持。在这个实施例中，前和后减振装置的外壳可在它们公共的侧边缘17处连接在一起。在外壳简单地安装在减振器的情况下，前和后减振装置自身安装到支撑柱上，外壳相对于支撑柱漂浮。

减振装置包括可变形外壳和减振器的这个结构对于保护固定到刚性结构上的敏感部件特别有利。例如，在机器人向前或向后摔倒时，头部在接近主方向的方向上撞击地面。外壳部分通过变形部分地吸收振动，并将振动部分地传递到减振器。然后这些振动由减振器在两个阶段中吸收。首先，振动引起孔穴式结构的壁的弯曲变形。根据壁垂直于主方向的这个变形，阻止相对弱的压力。然后，在第二阶段中，如果壁的弯曲不足以吸收所有的振动，振动由形成减振器的弹性材料的弹性变形吸收。更特别地，多个壁在弯曲之后彼此挤压，而减振器然后通过基本一致的弹性变形作用。

因此，容纳在机器人的头部内以及固定到支撑柱上的敏感部件经受更缓和的减速度。从外壳传递到支撑柱的振动波基本上通过壳和减振器的连续变形消弱。

在本发明的有利实施例中，减振装置的外壳也可通过至少一个消音垫块类型的吸附固定件直接连接到支撑柱。如图3中所示，描绘了通过消音垫块类型的多个吸附固定件43固定前减振装置11的外壳21。吸附固定件43通过多个能够吸收这两个部件之间的振动和摆动的多块弹性材料将支撑柱连接到外壳。在振动的情况下，这些吸附固定件因此与减振器同时变形并帮助吸收撞击外壳的振动。因此，这个结构允许从机器人的外壳突出的元件、例如机器人的脸的线条通过外壳的变形和减振器壁的弯曲而变形，而不会导致振动波传播到支撑柱。通过吸附固定件和通过减振器的弹性变形，振动可在这个第一变形后被吸收和消除。

减振器的孔穴式结构提供了很大的设计灵活性，并使能够有利地将减振装置安装到机器人的结构和功能环境中。例如，机器人的头部可包括一个或多个连接到支撑柱以代表机器人眼睛的光源。然后，前减振装置的减振器包括一个或多个出射管，在图5a中附图标记为50和51，使能够将一个或多个由光源散发的光引出机器人头部，例如通过图2a和2b中示出的孔14和15。出射管50和51通过一端固定到支撑柱，并通过第二端固定到外壳内壁。出射管确保光引导功能。有利地，出射管使能够既集中由光源散发的光又在振动的情况下保护这个光源。

机器人的头部也可包括连接到支撑柱的一个或多个声源58。那么，根据同样的原理，减振装置的减振器包括一个或多个出射管52，出射管使能够将由一个或多个声源发出的声波引出机器人的头部。如前所述，这些出射管52可通过一端固定到支撑柱并通过第二端固定到外壳内壁，使能够既将声波引出头部又在振动的情况下保护声源。

本发明也可设计将麦克风53固定到减振装置的外壳的内壁上。该壳通过减振器且可能通过吸附固定件连接到支撑柱，吸附固定件能够吸收振动和震颤。麦克风固定到可变形外壳上有利地使能够限制震颤产生的噪音，例如与机器人的移动相关的。

如图中示出，孔穴式结构也可构造成确保机器人的头部的冷却。为了排出机器人的头部的电子部件散发的热量，或更一般地为了排出由固定到减振装置的刚性结构的电子模块54散发的热量，减振器的孔穴式结构构造成限定在主方向上的两端处均出现的通道60，使能够将由电子模块散发的热量排出机器人。换句话，孔穴式结构的一个孔穴形成通道60。在正常操作中，孔穴式结构使能够排出热量。在振动的情况下，由于孔穴式结构的弯曲，热量的传递可被妨碍。这个妨碍保持暂时的。实际上，在振动时在其弹性域起作用的孔穴式结构一旦振动结束就恢复其原始形态，且也恢复其经过通道60传递热量的功能。

图5b示出在后减振装置12的减振器24内形成的通道60。减振装置可包括固定到减振器的风扇，使能够产生接近电子模块且穿过通道60的气流。为了这个目的，减振器24包括构造成接收风扇的压痕61以及在风扇的基部的四个角处的固定装置。风扇固定到减振器也非常有利，这是因为减振器使能够免除与风扇叶片旋转相关的噪音和摆动可能被传递到固定在支撑柱上的部件。

在附图示出的实施例中，通道和风扇形成在同一减振装置上、后减振装置上。也可想象在两个不同的减振装置上形成通道和风扇。

通道60构成了减振器的一组出射孔穴中的一个孔穴。通道在主方向上的长度远大于其他孔穴的长度。基本为圆柱形的通道穿过支撑柱的圆形截面。通道通过其在主方向上的端部中的一个端部与前减振装置的减振器接触，如图4中所示。穿过支撑柱安装的该通道使能够通过重力将减振器支撑在支撑柱上。这个通过重力的支撑补充了减振器通过粘结至支撑柱上的固定。

减振装置的减振器有利地为单件。该减振器可通过无模具滑动的铸造方法生产。为了这个目的，减振器有利地包括基本上垂直于主方向的密封平面；该孔穴式结构以这样的方式构造，这样，各孔穴在主方向上远离密封平面一定距离地靠拢。应当注意，包括柔性和可极大地变形的材料的减振器，可能在脱模步骤中使减振器变形。因此可忍受小尺寸壁的存在，该壁在主方向上对抗脱模。

在附图示出的实施例中，头部包括两个减振装置。在本发明的这个优选实施例中，可设计包括头部和身体的类人机器人，且类人机器人的头部包括：

-连接到机器人身体的支撑柱20，

-前减振装置11和后减振装置12；每一个减振装置包括分别为21和23的可变形外壳，分别为22和24的减振器，以及固定到支撑柱20的刚性结构。

该两个减振装置在主方向上设置成彼此面对并位于支撑柱20的两侧。两个减振装置11和12的减振器包括具有在主方向上形成的一组孔穴的柔性孔穴式结构，且减振器在主方向上的第一端处固定到支撑柱20，并在主方向上的与第一端相反的第二端处连接到分别为21和23的可变形外壳。前减振装置11的外壳21也通过至少一个消音垫块类型的吸附固定件直接连接到支撑柱20。

后减振装置12的减振器24包括在主方向上的两端出现的通道60，使能够将由固定到支撑柱20的电子模块散发的热量排出头部。后减振装置12也包括固定到减振器24上的风扇，且所述风扇能够产生接近电子模块并穿过后减振装置12的通道60的气流。

前减振装置11的减振器22包括两个出射管50和51，使能够将分别由固定到支撑柱20上的两个光源56和57散发的光引导出头部。减振器22也包括至少一个出射管，使能够引导由固定到支撑柱20上的声源58散发的声波。最后，前减振装置11也包括至少一个固定到外壳21的内壁的麦克风。

本发明一般地涉及一种减振装置。该减振装置特别适于移动机器人，例如类人机器人。本发明因此还涉及设置有减振器的类人机器人，该减振器具有前述特征。可想象一种机器人，其中头部包括布置在头部前部的第一减振装置和布置在头部后部的第二减振装置；该两个减振装置设置成在主方向上彼此面对并位于同属这两个减振装置的刚性结构的两侧。

也可想象具有人类特征的机器人，其中身躯包括布置在类人机器人前部的第一减振装置，以及布置在机器人后部的第二减振装置；该两个减振装置设置成在主方向上彼此面对并位于同属这两个减振装置的刚性结构的两侧。

Claims (13)

1.一种用于移动机器人(1)的减振装置，其特征在于，所述减振装置包括：

连接到移动机器人(1)的刚性结构(20)，

可变形外壳(21；23)，以及

减振器(22；24)，

固定到刚性结构(20)的电子模块(54)，

减振器(22；24)包括具有在主方向(X)上形成的一组孔穴的柔性孔穴式结构，且所述减振器在主方向(X)上的第一端处固定到刚性结构(20)且在主方向(X)上的与第一端相反的第二端处连接到可变形外壳(21；23)，

减振器(24)包括在主方向(X)上的两端均出现的通道(60)，能够将由电子模块(54)散发的热量排出机器人(1)。

2.根据权利要求1的减振装置，其中所述可变形外壳(21)也通过至少一个消音垫块类型的吸附固定件(43)直接连接到刚性结构(20)上。

3.根据前述权利要求中一项的减振装置，其中减振器(22；24)包括基本上垂直于主方向(X)的密封平面；减振器(22；24)的孔穴式结构被构造成各孔穴在主方向(X)上远离密封平面一定距离地靠拢。

4.根据权利要求1或2所述的减振装置，其中减振器(22；24)由从下列材料中选择的一种材料组成，包括：天然橡胶、4-聚异戊二烯、合成聚异戊二烯、聚丁二烯、苯乙烯-丁二烯共聚物、聚异丁烯、异丁烯-异戊二烯、氯丁二烯、氯丁(二烯)橡胶、丁二烯-丙烯腈共聚物、乙烯-丙烯共聚物、三元共聚物、聚醚嵌段酰胺、弹性体热塑性塑料、热塑性聚氨酯、热塑性烯烃、多硫化物、弹性蛋白、硅氧烷弹性体、氟弹性体、乙烯-乙酸乙烯酯共聚物、聚丙烯酸弹性体、乙烯-丙烯酸共聚物、氯磺化聚乙烯、表氯醇弹性体。

5.根据权利要求4所述的减振装置，其中所述氟弹性体是全氟弹性体。

6.根据权利要求1或2所述的减振装置，包括固定到减振器(24)的风扇(55)，且所述风扇能够产生接近电子模块(54)并穿过通道(60)的气流。

7.根据权利要求1或2所述的减振装置，包括至少一个连接到刚性结构(20)的光源(56；57)，且减振器(22)包括出射管(50；51)，所述出射管构造成将由光源(56；57)散发的光引导出机器人(1)。

8.根据权利要求1或2所述的减振装置，包括至少一个连接到刚性结构(20)的声源(58)，且减振器(22)包括出射管(52)，所述出射管构造成将由声源(58)散发的声波引导出机器人(1)。

9.根据权利要求1或2所述的减振装置，包括至少一个固定到可变形外壳(21)内壁上的麦克风(53)，且减振器(22)允许语音隔离。

10.一种类人机器人，包括如权利要求1到9中一项的减振装置。

11.一种类人机器人(1)的头部，所述头部包括如权利要求1到9中一项的减振装置(11；12)，且刚性结构(20)连接到类人机器人(1)的躯干(2)。

12.根据权利要求11的类人机器人的头部，包括布置在头部(10)前部中的第一减振装置(11)和布置在头部(10)后部中的第二减振装置(12)；所述两个减振装置(11；12)设置成在主方向(X)上彼此面对并位于同属这两个减振装置(11；12)的刚性结构(20)的两侧。

13.根据权利要求10所述的类人机器人，所述类人机器人的身躯包括布置在类人机器人前部中的第一减振装置，以及布置在类人机器人后部中的第二减振装置；所述两个减振装置设置成在主方向(X)上彼此面对并位于同属这两个减振装置的刚性结构的两侧。