CN107598896B - 一种刚-柔-软耦合的仿人机器人脊柱结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人领域，具体公开了一种刚‑柔‑软耦合的仿人机器人脊柱结构。该脊柱结构包括若干由刚性材料制成的椎体，所述的椎体依次层叠形成柱体，相邻两个椎体之间设有弹性软体；所述弹性软体上与椎体接触的表面向内凹陷形成凹腔，所述椎体上与弹性软体接触的表面设有与凹腔对应的凸起；所述的弹性软体包括中间体和环形套设在中间体外侧的环体，所述环体的流动性高于中间体的流动性。该脊柱结构弹性软体和椎体之间通过凹腔和凸起进行限位，降低在柱体弯曲时，弹性软体被挤出的风险。

Description

一种刚-柔-软耦合的仿人机器人脊柱结构

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种刚-柔-软耦合的仿人机器人脊柱结构。

背景技术

仿人机器人，即模仿人的形态和行为而设计制造的机器人，一般分别或同时具有仿人的四肢和头部。仿人机器人研究集机械，电子，计算机，材料，传感器，控制技术等多门科学于一体，代表着一个国家的高科技发展水平。结构柔顺化是仿人机器人的发展趋势。从仿生学角度，结构的柔顺化设计使机器人的姿态更为灵活，更能体现类人的特征；从工程学角度，结构的柔顺化设计使机器人具有更大的工作空间，能适应复杂的操作任务。从人机共融角度，结构的柔顺化设计使得人机交互更为安全、可靠。此外，在非结构化工作环境中，仿人机器人不可避免的与环境发生交互、碰撞，而结构的柔顺化设计能为机器人带来缓冲和保护作用。

国内外学者还较少关注仿人机器人躯干的柔顺化设计，常把机器人的躯干简化为具有三个自由度的刚性体，导致机器人协调性差，平衡能力弱。实际上，人体脊柱是由骨骼、肌肉、关节以及韧带所组成的刚-柔-软耦合柔顺结构，能够进行屈伸、侧屈以及旋转等运动，担负着人体减震、运动、平衡和保护等功能。

公开号为CN 106272531A的中国发明专利公开了一种仿真智能机器人的脊柱关节总成，包括尾椎、顶椎、中间椎，穿过中间椎的万向节链，万向节链将尾椎、顶椎和中间椎连成脊柱结构；所述尾椎、中间椎和顶椎上设有过线孔，过线孔内穿有绳索，并设置相应的电机控制绳索，通过电机控制绳索的生产量，以此来实现脊柱的偏转。该脊柱关节总成能实现多自由度的偏转，具有较好的结构柔顺性。但由于各椎体之间、各万向节之间的连接均为刚性连接，当机器人行走或跳跃时，相邻两节之间为刚性冲击，很容易造成脊柱结构的磨损；另外，机器人行走而产生的震动或环境震动均会降低各部件的工作稳定性，而刚性部件对震动的缓冲能力较弱，无法起到在一定程度上缓解震动，保护机器人各工作部件的作用。

另外公开号为CN 104875812B的中国发明专利公开了一种用于四足机器人的四叶草形状的刚度可调柔顺脊柱，包括弹性构件、刚性构件、俯仰方向拉紧绳索和偏转方向拉紧绳索。弹性构件和刚性构件交替排列并留有穿绳孔，绳索沿脊柱方向布置，其一端固定在脊柱末端，另一端通过穿绳孔延伸到脊柱的前端。在进行弯曲动作时，刚性构件从一侧挤压弹性构件，以实现整个主体的弯曲。该脊柱能在一定程度上缓解机器人因行走而产生的震动，提高各部件的工作稳定性。但由于在脊柱弯曲的过程中，弹性构件的受力是不均匀的，被挤压侧边缘处所受的压力远大于中间部位，弹性构件在被挤压的过程中有被向远离被挤压侧挤出的风险。另外，由于弹性构件除了满足弯曲时压缩的要求，还需要满足在正常使用时的承重要求。而两种使用状况下对弹性构件的弹性性能要求是不同的，弯曲时需要有较好的可压缩性，而在承重时需要有较高的弹性模量，因此很难使用一种材料同时满足两种状况下的性能要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种刚-柔-软耦合的仿人机器人脊柱结构，弹性软体和椎体之间通过凹腔和凸起进行限位，降低在柱体弯曲时，弹性软体被挤出的风险。

为了解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：一种刚-柔-软耦合的仿人机器人脊柱结构，包括若干由刚性材料制成的椎体，所述的椎体依次层叠形成柱体，相邻两个椎体之间设有弹性软体；所述弹性软体上与椎体接触的表面向内凹陷形成凹腔，所述椎体上与弹性软体接触的表面设有与凹腔对应的凸起；所述的弹性软体包括中间体和环形套设在中间体外侧的环体，所述环体的流动性高于中间体的流动性；

所述柱体上设有至少三个沿轴向贯穿柱体的绳索通道，所述的绳索通道围绕轴线环形均匀分布；还包括与柱体一端接触的控制基座，所述的控制基座内设有连接绳索和控制连接绳索伸缩的控制装置，所述连接绳索的一端伸出控制基座，穿过绳索通道，并与柱体远离控制基座的一端固定连接。

椎体类似于人体的椎骨，弹性软体类似于人体的椎间盘，连接绳索类似于韧带。椎体、弹性软体和连接绳索共同构成了类似于人体脊柱机构的刚-柔-软耦合的结构。与现有技术中的脊柱结构相比，不仅实现了柱体多自由度的弯曲，而且中间软体的使用，很好的解决了现有技术中对机器人行走所产生的震动或环境震动缓冲能力不足的问题，提高了脊柱结构的使用寿命和负载力，优化了机器人整体结构的合理性。

柱体在弯曲时，弹性软体的一侧被压缩，从而弹性软体有被向另一侧挤出的趋势。凸起与凹腔配合，有效的对弹性软体起到限位作用，防止弹性软体在柱体弯曲的过程中从柱体中被挤出。

中间体的流动性较差，弹性模量更大，主要用于承受机器人主体的自重和在运动过程中的冲击，在保证减震性能的前提下，防止因弹性软体的弹性过好导致机器人在行走时晃动，确保机器人整体的稳定性。当脊柱弯曲时，多根连接绳索根据柱体需要弯曲的方向，在控制装置的控制下，对柱体输出不同的作用力。中间体在受压力的情况下，发生变形；环体的流动性更好，弹性模量较小，在相同的作用力下，环体发生更大的变形，提高柱体弯曲量对伸缩拉力的灵敏度。

作为优选，所述的中间体呈球状，且中间体与环体之间存在间隙；所述凸起与中间体对应的位置设有与中间体对应的凹槽。柱体在进行弯曲和弯曲回复动作时，中间体在椎体的作用下发生滑动，中间体因连接绳索产生的弯矩作用而发生的形变量很小，降低绳索作用力在中间体上的损耗，进一步提高弯曲动作的灵敏度。

作为优选，所述凸起的表面为球面。

作为优选，所述椎体的外缘环形均匀分布有与绳索通道对应的连接块，所述的绳索通道穿过对应的连接块。连接块设置在椎体的外缘，绳索通道的可以很好的避开位于相邻两个椎体之间的弹性软体，为弹性软体的安装留出足够的空间。同时，相对于直接在椎体上设置绳索通道，将连接块设置椎体的外缘，在连接绳索控制柱体向一侧偏转时，相同的作用力所产生的弯矩更大，便于控制脊柱结构进行弯曲动作。

作为优选，每相邻两个椎体之间还设有与连接绳索一一对应并套设在相应连接绳索外的弹簧，所述弹簧的两端分别与对应的椎体连接。在正常状态下，弹簧力使得连接绳索张紧，使绳索牵引并联机构控制更为简单，增加脊柱稳定性。在柱体进行弯曲动作时，弹簧蓄能，弯曲回复时，弹簧放能辅助回复。

作为优选，所述的控制装置包括与连接绳索一一对应的电机，每一所述的连接绳索由相应的电机独立控制伸出量。电机独立控制相应绳索的伸出量，进而控制柱体的弯曲动作，控制精确可靠。

附图说明

图1为本实施例刚-柔-软耦合的仿人机器人脊柱结构的结构示意图；

图2为本实施例刚-柔-软耦合的仿人机器人脊柱结构中椎体的结构示意图；

图3为本实施例刚-柔-软耦合的仿人机器人脊柱结构中的B-B向剖视图；

图4为本实施例刚-柔-软耦合的仿人机器人脊柱结构中弹性软体的结构示意图；

图5为本实施例刚-柔-软耦合的仿人机器人脊柱结构中的A-A向剖视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例

如图1所示，一种刚-柔-软耦合的仿人机器人脊柱结构，包括若干由刚性材料制成的椎体21，所述的椎体21依次层叠形成柱体2，相邻两个椎体21之间设有弹性软体22。如图2所示，所述椎体21的外缘环形均匀分布有三个连接块214，所述的连接块214上设有绳索通道211。连接块214设置在椎体21的外缘，绳索通道211的可以很好的避开位于相邻两个椎体21之间的弹性软体22，为弹性软体22的安装留出足够的空间。同时，相对于直接在椎体21上设置绳索通道211，将连接块214设置椎体21的外缘，在连接绳索4控制柱体2向一侧偏转时，相同的作用力所产生的弯矩更大，便于控制脊柱结构进行弯曲动作。

如图1所示，所述的绳索通道211内穿有连接绳索4；还包括控制基座1，所述柱体2的一端与控制基座1接触，另一端与连接绳索4连接。所述的控制基座1内设有控制连接绳索4伸缩的控制装置11。所述的控制装置11包括与连接绳索4一一对应的电机，每一所述的连接绳索4由相应的电机独立控制伸出量。电机独立控制相应绳索的伸出量，进而控制柱体2的弯曲动作，控制精确可靠。

如图1所示，每相邻两个椎体21之间还设有与连接绳索4一一对应并套设在相应连接绳索4外的弹簧3，所述弹簧3的两端分别与对应的椎体21连接。在正常状态下，弹簧3力使得连接绳索4张紧，使绳索牵引并联机构控制更为简单，增加脊柱稳定性。在柱体2进行弯曲动作时，弹簧3蓄能，弯曲回复时，弹簧3放能辅助回复。

椎体21类似于人体的椎骨，弹性软体22类似于人体的椎间盘，连接绳索4类似于韧带。椎体21、弹性软体22和连接绳索4共同构成了类似于人体脊柱机构的刚-柔-软耦合的结构。与现有技术中的脊柱结构相比，不仅实现了柱体2多自由度的弯曲，而且中间软体的使用，很好的解决了现有技术中对机器人行走所产生的震动或环境震动缓冲能力不足的问题，提高了脊柱结构的使用寿命和负载力，优化了机器人整体结构的合理性。

进一步的，如图4和图5所示，所述弹性软体22与椎体21接触的表面向内凹陷形成凹腔222，所述椎体21与弹性软体22接触的表面设有与凹腔222对应的凸起213。柱体在弯曲时，弹性软体的一侧被压缩，从而弹性软体有被向另一侧挤出的趋势。凸起与凹腔配合，有效的对弹性软体起到限位作用，防止弹性软体在柱体弯曲的过程中从柱体中被挤出。

更进一步的，如图4和图5所示，所述的弹性软体22包括中间体221和环形套设在中间体221外侧的环体223，所述环体223的流动性低于中间体221的流动性。中间体优选采用弹性模量为1.2Gpa左右的橡胶，环体优选采用弹性模量为0.0078Gpa的硅胶。中间体的流动性较差，弹性模量更大，主要用于承受机器人主体的自重和在运动过程中的冲击，在保证减震性能的前提下，防止因弹性软体的弹性过好导致机器人在行走时晃动，确保机器人整体的稳定性。当脊柱弯曲时，多根连接绳索根据柱体需要弯曲的方向，在控制装置的控制下，对柱体输出不同的作用力。中间体在受压力的情况下，发生变形；环体的流动性更好，弹性模量较小，在相同的作用力下，环体发生更大的变形，提高柱体弯曲量对伸缩拉力的灵敏度。所述的中间体221呈球状，且中间体221与环体223之间存在间隙；所述凸起213与中间体221对应的位置设有与中间体221对应的凹槽212。柱体在进行弯曲和弯曲回复动作时，中间体在椎体的作用下发生滑动，中间体因连接绳索产生的弯矩作用而发生的形变量很小，降低绳索作用力在中间体上的损耗，进一步提高弯曲动作的灵敏度。

以上所述的刚-柔-软耦合的仿人机器人脊柱结构，弹性软体和椎体之间通过凹腔和凸起进行限位，降低在柱体弯曲时，弹性软体被挤出的风险。

总之，以上所述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 (6)

1.一种刚-柔-软耦合的仿人机器人脊柱结构，包括若干由刚性材料制成的椎体（21），所述的椎体（21）依次层叠形成柱体（2），相邻两个椎体（21）之间设有弹性软体（22）；其特征在于：所述弹性软体（22）上与椎体（21）接触的表面向内凹陷形成凹腔（222），所述椎体（21）上与弹性软体（22）接触的表面设有与凹腔（222）对应的凸起（213）；所述的弹性软体（22）包括中间体（221）和环形套设在中间体（221）外侧的环体（223），所述环体（223）的流动性高于中间体（221）的流动性；

所述柱体（2）上设有至少三个沿轴向贯穿柱体（2）的绳索通道（211），所述的绳索通道围绕轴线环形均匀分布；还包括与柱体一端接触的控制基座（1），所述的控制基座内设有连接绳索和控制连接绳索（4）伸缩的控制装置（11），所述连接绳索的一端伸出控制基座，穿过绳索通道，并与柱体远离控制基座的一端固定连接。

2.根据权利要求1所述的仿人机器人脊柱结构，其特征在于：所述的中间体（221）呈球状，且中间体（221）与环体（223）之间存在间隙；所述凸起（213）与中间体（221）对应的位置设有与中间体（221）对应的凹槽（212）。

3.根据权利要求2所述的仿人机器人脊柱结构，其特征在于：所述凸起（213）的表面为球面。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的仿人机器人脊柱结构，其特征在于：所述椎体（21）的外缘环形均匀分布有与绳索通道（211）对应的连接块（214），所述的绳索通道（211）穿过对应的连接块（214）。

5.根据权利要求4所述的仿人机器人脊柱结构，其特征在于：每相邻两个椎体（21）之间还设有与连接绳索（4）一一对应并套设在相应连接绳索（4）外的弹簧（3），所述弹簧（3）的两端分别与对应的椎体（21）连接。

6.根据权利要求1或2或3或5所述的仿人机器人脊柱结构，其特征在于：所述的控制装置（11）包括与连接绳索（4）一一对应的电机，每一所述的连接绳索（4）由相应的电机独立控制伸出量。

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