CN107243921B - 一种用于仿人机器人的腰关节 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种用于仿人机器人的腰关节。该发明用于仿人机器人的腰关节中，在动平台和静平台之间设置两个升降机构和一个回转机构，并且两个升降机构与动平台的连接位置和回转机构与动平台的连接位置呈三角形布置，三个机构的动力源均是独立的，使得三个机构整体形成并联结构，具有较好的负载能力；同时，动平台的俯仰和侧倾运动由两个升降机构协同完成，动平台的回转由两个升降机构和回转机构协同完成，实现了动平台相对于静平台的三个自由度的运动，在运动空间上与人体腰关节的运动空间相近，满足对运动范围的要求；并且，两个或三个机构协同完成动平台的俯仰、侧倾和回转，三个机构均承担负载，提高了整体负载能力。

Description

一种用于仿人机器人的腰关节

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种用于仿人机器人的腰关节。

背景技术

腰关节的设计是仿人机器人设计中的重要环节，它能够调节机器人重心和协调上身与下肢间的运动。腰关节能显著提高仿人机器人运动的灵活性、承载能力和运动精度。

目前为止，大多数的腰关节采用串联的机构，但因为空间上的限制，大多数都只具有两个自由度，例如现有技术中的一种仿人机器人双T型腰关节结构，采用双T型结构使得腰关节具有回转和俯仰两个自由度；因为是采用的串联机构，下方的电机要承担另一个电机的负载，对电机造成了较大的负荷。

目前存在仿人机器人腰关节腰部电机负荷较大、结构高度较高、承载能力较低、运动范围受限的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的一个目的在于提供一种满足人体腰关节运动范围、承载能力较好的用于仿人机器人的腰关节。

(二)技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的主要技术方案包括：

本发明提供一种用于仿人机器人的腰关节，包括动平台和静平台，还包括：连接在动平台和静平台之间的两个升降机构和一个回转机构，两个升降机构与动平台的连接位置和回转机构与动平台的连接位置呈三角形布置；其中，两个升降机构均包括升降动力源，两个升降动力源配合，驱动动平台相对于静平台俯仰和侧倾；其中，回转机构包括回转动力源，回转动力源和两个升降动力源配合，驱动动平台相对于静平台回转。

根据本发明，升降动力源和回转动力源均固定在静平台上。

根据本发明，升降机构还包括升降万向节、升降支撑杆、复合球铰、滑块、滑轨、升降传动装置；其中，升降万向节将动平台的底面与升降支撑杆的顶端连接在一起，复合球铰将升降支撑杆的底端与滑块连接在一起，滑块可滑动地设置在滑轨上，滑轨的延伸方向与静平台呈夹角，升降传动装置连接升降动力源和滑块，升降动力源通过升降传动装置驱动滑块沿滑轨上下直线运动。

根据本发明，滑轨的延伸方向与静平台的夹角为锐角。

根据本发明，两个升降机构的滑轨并排平行设置。

根据本发明，设置两个滑轨和两个滑块；复合球铰包括滑块连接件、轴承、连接轴和万向节，滑块连接件同时连接两个滑块并且与轴承的外圈连接，连接轴的两端分别与轴承的内圈和万向节的一连接端连接，万向节的另一连接端与升降支撑杆连接。

根据本发明，升降传动装置包括同步带传动组件，其中的同步带位于两个滑轨之间，滑块连接件与同步带连接，并且同步带与滑块连接件连接的带面平行于滑块的滑动方向。

根据本发明，回转机构还包括：回转万向节、回转支撑杆和回转传动装置；回转万向节将动平台的底面与回转支撑杆的顶端连接在一起，回转支撑杆的底端与回转传动装置连接，回转传动装置与回转动力源连接，回转传动装置将回转动力源的动力转化为回转支撑杆沿其自身轴线的转动。

根据本发明，回转支撑杆与静平台垂直。

根据本发明，回转机构还包括轴承座、支撑在轴承座中的轴承、连接在轴承座下方的套筒、连接在套筒下方且容纳回转传动装置的容纳箱，回转支撑杆穿过轴承、套筒和容纳箱与回转传动装置连接。

(三)有益效果

本发明的有益效果是：

本发明的用于仿人机器人的腰关节中，在动平台和静平台之间设置两个升降机构和一个回转机构，并且两个升降机构与动平台的连接位置和回转机构与动平台的连接位置呈三角形布置，三个机构的动力源均是独立的，使得三个机构整体形成并联结构，具有较好的负载能力；同时，动平台的俯仰和侧倾运动由两个升降机构协同完成，动平台的回转由两个升降机构和回转机构协同完成，实现了动平台相对于静平台的三个自由度的运动，在运动空间上与人体腰关节的运动空间相近，满足对运动范围的要求；并且，两个或三个机构协同完成动平台的俯仰、侧倾和回转，三个机构均承担负载，提高了整体负载能力。

附图说明

图1为如下具体实施方式提供的用于仿人机器人的腰关节的立体示意图；

图2为如下具体实施方式提供的用于仿人机器人的腰关节的结构原理简图；

图3为如下具体实施方式提供的用于仿人机器人的腰关节的主视示意图；

图4为如下具体实施方式提供的用于仿人机器人的腰关节的侧视示意图。

【附图标记】

1：动平台；2：静平台；3：升降机构；31：升降动力源；32：升降万向节；33：升降支撑杆；34：复合球铰；341：滑块连接件；342：万向节；35：滑块；36：滑轨；37：同步带；38：同步带机构 4：回转机构；41：回转动力源；42：回转万向节；43：回转支撑杆；44：轴承座；45：套筒；46：容纳箱；47：转动副。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。其中，本文所涉及的“上”、“下”等方位术语，以图1-4中示出的定向为参考。

参照图1至图4，本实施例提供一种用于仿人机器人的腰关节，该腰关节包括动平台1、静平台2、两个升降机构3和一个回转机构4。静平台2用于与仿人机器人的腿部机构连接，动平台1用于与仿人机器人的胸腔机构连接，升降机构3连接在动平台1与静平台2之间，用于驱动动平台1相对于静平台2俯仰(相当于人体上身相对于下身的前弯和后仰)和侧倾(相当于人体的上身相对于下身的向左和向右弯折)。回转机构4连接在动平台1与静平台2之间，用于与升降机构3配合驱动动平台1相对于静平台2回转(相当于人体上身相对于下身的向左扭转和向右扭转)，两个升降机构3与动平台1的连接位置和回转机构4与动平台1的连接位置呈三角形布置，即三个连接位置连接起来形成一个三角形。并且，两个升降机构3均包括升降动力源31，两个升降动力源31配合通过驱动升降机构3运动来完成驱动动平台1相对于静平台2俯仰和侧倾的工作；回转机构4包括回转动力源41，回转动力源41和两个升降动力源31配合通过驱动升降机构3和回转机构4运动来完成驱动动平台1相对于静平台2回转的工作。

具体地，当需要使动平台1做俯仰运动时，因回转机构4与动平台1的连接位置的高度不变，同时使两个升降机构3驱动动平台1向下运动，动平台1就会以回转机构4与动平台1的连接位置作为圆心或转轴做向下的转动，完成俯身运动；或者，使两个升降机构3驱动动平台1向上运动，动平台1就会以回转机构4与动平台1的连接位置作为圆心或转轴做向上的转动，完成后仰运动。当需要侧倾时，两个升降机构3分别向上和向下相反地驱动动平台1运动，或者一个升降机构3不动，另一个升降机构3向上和向下驱动动平台1运动，完成侧倾运动。当需要使动平台1回转运动时，回转机构4驱动动平台1回转，同时两个升降机构3相反地驱动动平台1向上和向下，在单纯做回转运动时，升降机构3虽然做驱动动平台1向上和向下相同的驱动，但实际上是加大或减小升降机构3与动平台1的连接点到升降机构3的另一端的距离，以适应因动平台1回转有可能造成该距离大幅度变动的情况。上述三种运动可分别实现，也可耦合到一起。

由此，第一，三个机构(两个升降机构3和一个回转机构4)的动力源均是独立的，三个机构整体形成并联结构，相比于现有技术中的串联结构，具有较好的负载能力；第二，动平台1的俯仰和侧倾运动由两个升降机构3协同完成，动平台1的回转由两个升降机构3和回转机构4协同完成，实现了动平台1相对于静平台2的三个自由度的运动，在运动空间上与人体腰关节的运动空间相近，满足对运动范围的要求；第三，两个或三个机构协同完成动平台1的俯仰、侧倾和转动，三个机构均承担负载，提高了整体负载能力，尤其升降机构3配合回转机构4完成回转，能够提高回转角度，更加贴近人体腰关节的实际运动情况。第四，多个动力源共同完成一个运动，相比单个动力源去完成一个运动，对动力源的动力性能(例如作为动力源的电机的功率)的要求是降低的。

进一步，在本实施例中，升降动力源31和回转动力源41均固定在静平台2上，结构高度低，有效减轻了运动构件的质量，使得本实施例的腰关节具有更好的动态特性。

具体地，升降机构3除包含升降动力源31之外，还包括升降万向节32、升降支撑杆33、复合球铰34、滑块35、滑轨36、升降传动装置。其中，升降万向节32将动平台1的底面与升降支撑杆33的顶端连接在一起(即升降万向节32的一个连接端与动平台1的底面连接，优选为垂直固定连接，另一个连接端与升降支撑杆33连接)，复合球铰34将升降支撑杆33的底端与滑块35连接在一起，滑块35可滑动地设置在滑轨36上，滑轨36的延伸方向与静平台2呈夹角，升降传动装置连接升降动力源31和滑块35，升降动力源31通过升降传动装置驱动滑块35沿滑轨36上下直线运动，进而通过复合球铰34带动升降支撑杆33上下运动(可能是竖直运动，也可能是倾斜运动)，最后通过升降万向节32带动动平台1上与该万向节连接的连接处上下运动。

更加具体地，滑轨36与静平台2的夹角为锐角，也就是说，滑轨36是倾斜设置的，如此设置能够使升降支撑杆33大致呈竖直定向，相对于滑轨36竖直设置，减小升降支撑杆33的倾斜角度，使得整体机构具有较好的力学特性。

更加具体地，两个升降机构3的滑轨36并排平行设置，并且两个升降机构3与动平台1的连接位置和回转机构4与动平台1的连接位置呈等腰三角形。此种设置整体更加稳定，且提高力学特性。

更加具体地，设置两个滑轨36和两个滑块35，两个滑轨36间隔开，两个滑块35分别可滑动地安装在两个滑轨36上。复合球铰34包括滑块连接件341、轴承、连接轴和万向节342，滑块连接件341同时与两个滑块35刚性连接，并且滑块连接件341与轴承的外圈连接，连接轴的两端分别与轴承的内圈和万向节342的一连接端连接，由此形成转动副与万向节342的组合，构成复合球铰34。万向节342的另一连接端与升降支撑杆33连接。采用复合球铰34，可实现三个转动自由度，运动范围更大，也提高了承载能力，并且由滑块连接件341、轴承、连接轴和万向节342形成的复合球铰，成本较低。

优选地，滑块连接件341为盒体，轴承和连接轴均位于盒体的内部。

更加具体地，升降传动装置包括同步带传动组件，该同步带传动组件为升降传动装置的末端，用于驱动滑块36运动。具体为，该同步带传动组件中的主动轮位于两个滑轨36的下端，从动轮位于两个滑轨36的上端，同步带37位于两个滑轨36之间且套设在主动轮和从动轮上，滑块连接件341与同步带37连接，并且同步带37与滑块连接件341连接的带面平行于滑块35的滑动方向，以保证滑块35顺利地沿滑轨36移动。

除此之外，升降传动装置还包括将升降动力源31的动力传递到同步带传动组件的主动轮的传动机构，该传动机构可视升降动力源31的类型而定。在本实施例中，升降动力源31为伺服电机，因此，传动机构在本实施例中包括同步带机构38和传动轴，同步带机构38的主动轮与升降动力源31的输出轴同轴连接，同步带机构38的从动轮通过传动轴与同步带传动组件的主动轮同轴连接。由此，升降动力源31的输出轴的转动通过同步带机构38传递给传动轴，传动轴带动同步带传动组件中的主动轮转动，进而带动其中的同步带37转动，最后滑块35跟随同步带37的转动沿滑轨36上下运动。

采用同步带的动力传递方式将升降动力源31的动力传递到滑块，可满足后续变刚度的要求。但是本发明不局限于此，在其他实施例中，升降动力源31不局限于伺服电机，还可以为液压驱动、气动驱动等，升降传动装置相应于升降动力源31的类型选择，只要能将升降动力源31的动力转化为滑块35沿滑轨36的上下滑动即可。

具体地，可在静平台2上垂直固定两个三角形支架5，两个三角形支架5平行并排放置，两个升降机构3全部或大部分部件(至少包括滑轨36和同步带传动组件)分别固定连接在两个三角形支架5的斜边上。

具体地，可设置箱体覆盖同步带传动组件中的主动轮以及将该主动轮与同步带机构38连接的传动轴。该箱体固定在三角形支架5上。同步带机构38的主动轮通过支座支撑在静平台2上。

具体地，回转机构4除包括回转动力源41以外，还包括回转万向节42、回转支撑杆43和回转传动装置。回转万向节42将动平台1的底面与回转支撑杆43的顶端连接在一起(即回转万向节42的一个连接端与动平台1的底面连接，优选为垂直固定连接，另一个连接端回转支撑杆43的顶端连接)，回转支撑杆43的底端与回转传动装置连接，回转传动装置与回转动力源41连接，回转传动装置将回转动力源41的动力转化为回转支撑杆43的转动，进而回转支撑杆43带动回转万向节42转动，回转万向节42带动动平台1横向转动。

优选地，回转支撑杆43与静平台2垂直，具有较好的力学特性。

更具体地，回转机构4还包括轴承座44、支撑在轴承座44中的轴承、连接在轴承座44下方的套筒45、连接在套筒45下方且容纳回转传动装置的容纳箱46，回转支撑杆43穿过轴承、套筒45和容纳箱46与回转传动装置连接。优选地，轴承座44中的轴承为滚针轴承，承受来自动平台1较大的压力。由此，回转支撑杆43和轴承、轴承座44组成转动副47。

回转动力源41可为伺服电机，相应地，回转传动装置可为同步带传动装置，伺服电机竖直放置，其输出轴竖直延伸，同步带传动装置中的主动轮与输出轴同轴连接，从动轮与回转支撑杆43的底端同轴连接，同步带套设在主动轮和从动轮上。当然，回转动力源41不局限于伺服电机，还可以为液压驱动、气动驱动等，回转传动装置相应于回转动力源41的类型选择，只要能将回转动力源41的动力转化为回转支撑杆43围绕其轴线的旋转即可。综上，整体描述本实施例的腰关节的运动过程：升降机构3的运动过程：升降动力源31的转动带动同步带机构38的主动轮，该主动轮经同步带带动同步带机构38的从动轮转动，该从动轮通过传动轴带动同步带传动组件的主动轮转动，该主动轮带动同步带37转动，同步带37转动带动连接在其带面上的滑动块35沿滑轨36上下移动，滑块35的移动带动复合球铰34上下移动，复合球铰34带动升降支撑杆33上下移动，升降支撑杆33带动升降万向节32上下移动，升降支撑杆33带动动平台与其的连接位置上下移动。

回转机构4的运动过程：回转动力源41的转动带动回转支撑杆43转动，回转支撑杆43的转动带动回转万向节42转动，回转万向节42带动动平台1的与其连接的位置转动。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种用于仿人机器人的腰关节，包括动平台(1)和静平台(2)，其特征在于，还包括：

连接在所述动平台(1)和所述静平台(2)之间的两个升降机构(3)和一个回转机构(4)，两个所述升降机构(3)与所述动平台(1)的连接位置和所述回转机构(4)与所述动平台(1)的连接位置呈三角形布置；

其中，两个所述升降机构(3)均包括升降动力源(31)，两个所述升降动力源(31)配合，驱动所述动平台(1)相对于所述静平台(2)俯仰和侧倾；

其中，所述回转机构(4)包括回转动力源(41)，所述回转动力源(41)和两个所述升降动力源(31)配合，驱动所述动平台(1)相对于所述静平台(2)回转；

所述回转机构(4)还包括：

回转万向节(42)、回转支撑杆(43)和回转传动装置；

所述回转万向节(42)将所述动平台(1)的底面与所述回转支撑杆(43)的顶端连接在一起，所述回转支撑杆(43)的底端与所述回转传动装置连接，所述回转传动装置与所述回转动力源(41)连接，所述回转传动装置将所述回转动力源(41)的动力转化为所述回转支撑杆(43)沿其自身轴线的转动；

所述回转机构(4)还包括轴承座(44)、支撑在所述轴承座(44)中的轴承、连接在所述轴承座(44)下方的套筒(45)、连接在所述套筒(45)下方且容纳所述回转传动装置的容纳箱，所述回转支撑杆(43)穿过所述轴承、所述套筒(45)和所述容纳箱(46)与所述回转传动装置连接；

所述升降机构(3)还包括升降万向节(32)、升降支撑杆(33)、复合球铰(34)、滑块(35)、滑轨(36)、升降传动装置；

其中，所述升降万向节(32)将所述动平台(1)的底面与所述升降支撑杆(33)的顶端连接在一起，所述复合球铰(34)将所述升降支撑杆(33)的底端与所述滑块(35)连接在一起，所述滑块(35)可滑动地设置在所述滑轨(36)上，所述滑轨(36)的延伸方向与所述静平台(2)呈夹角，所述升降传动装置连接所述升降动力源(31)和所述滑块(35)，所述升降动力源(31)通过所述升降传动装置驱动所述滑块(35)沿所述滑轨(36)上下直线运动；

所述滑轨(36)的延伸方向与所述静平台(2)的夹角为锐角；

两个所述升降机构(3)的滑轨(36)并排平行设置；

设置两个所述滑轨(36)和两个所述滑块(35)；

所述复合球铰(34)包括滑块连接件(341)、轴承、连接轴和万向节(342)，所述滑块连接件(341)同时连接两个所述滑块(35)并且与所述轴承的外圈连接，所述连接轴的两端分别与所述轴承的内圈和所述万向节(342)的一连接端连接，所述万向节(342)的另一连接端与所述升降支撑杆(33)连接。

2.根据权利要求1所述的用于仿人机器人的腰关节，其特征在于，

所述升降动力源(31)和所述回转动力源(41)均固定在所述静平台(2)上。

3.根据权利要求1所述的用于仿人机器人的腰关节，其特征在于，

所述升降传动装置包括同步带传动组件，其中的同步带(37)位于两个所述滑轨(36)之间，所述滑块连接件(341)与所述同步带(37)连接，并且所述同步带(37)与所述滑块连接件(341)连接的带面平行于所述滑块(35)的滑动方向。

4.根据权利要求1所述的用于仿人机器人的腰关节，其特征在于，

所述回转支撑杆(43)与所述静平台(2)垂直。

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