CN110253624B - 腰关节机构及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种腰关节机构及机器人，其涉及仿人机器人技术领域，包括：腰球座和腰球盖，两者共同形成容纳腔，容纳腔的内侧壁上具有相对称第一凹陷部和第二凹陷部；设置在容纳腔中的腰球，腰球的侧壁上具有相对称的第一限位凸起和第二限位凸起，第一限位凸起嵌入第一凹陷部，第二凹陷部嵌入第二凹陷部，第一限位凸起的上端面、第一限位凸起的下端面与第一凹陷部的壁面之间具有间隙，第二限位凸起的上端面、第二限位凸起的下端面与第二凹陷部的壁面之间具有间隙。本申请能够在机器人触地过程中具有较强的抗冲击性，在机器人运动过程中可以实现机器人腰部向多个方向的弯腰动作，且其制造和安装精度要求相对较低，便于生产，结构简单，重量较轻。

Description

腰关节机构及机器人

技术领域

本发明涉及仿人机器人技术领域，特别涉及一种腰关节机构及机器人。

背景技术

仿人机器人是先进机器人技术的高级发展阶段，它综合体现了高级机器人的机构学、运动和动力学等诸多方面的研究和发展水平，是一个复杂的综合系统。其中，仿人机器人腰关节是仿人机器人设计中的难点之一。在仿人机器人中加入腰关节,其目的在于提高机器人步行的稳定性及连续快速的步行，让仿人机器人能像人类一样实现整个身体(上肢、下肢及腰)的协调动作，同时还能完成各种不同的工作。仿人机器人腰部既要实现灵活的弯腰功能，又要在运动碰撞中具有抗冲击的特性，只有同时满足这上述两点才能最大程度的实现仿人机器人的运动性能。

仿人机器人腰关节通常采用串联结构，即串联轴承结构加回转支承结构。但是上述结构存在结构复杂、惯性大等不足之处，甚至一些仿人机器人完全不设置腰关节。为了克服上述不足之处，许多研究人员把注意力转向了三自由度转动并联机构，如Gosselin等人提出的对球面3-RRR并联机构，Karouia提出的3-UPU机构，Vischer提出的Argos机构，DiGregorio提出的3-RUU机构，方跃法提出的3-UPR机构，基于球面3-RRR并联机构等等。

发明内容

本申请中的发明人经过分析研究发现，上述三自由度转动并联机构也存在一些不足之处，如球面3-RRR机构和3-UPR机构的每个转动轴线均汇交于空间一点，对制造和安装精度要求很高，否则，就会发生卡死现象；而在3-RUU机构中，其每条运动支链中有两个转动副是不动的，即等效于3-RRR机构、Argos机构的每条支链中含有球面副，如此导致了制造成本的提高且难于保证精度，给安装与制造带来一些不便。另外，上述三种机构结构相对复杂，重量大，抗冲击性弱。综上所述，就目前而言的腰关节均存在很多不足之处，需要进行进一步改进，以满足设计与应用的需要。

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明实施例所要解决的技术问题是提供了一种腰关节机构及机器人，其能够在机器人触地过程中具有较强的抗冲击性，在机器人运动过程中可以实现机器人腰部向多个方向的弯腰动作，且其制造和安装精度要求相对较低，便于生产，结构简单，重量较轻。

本发明实施例的具体技术方案是：

一种腰关节机构，包括：

腰球座和腰球盖，所述腰球座和所述腰球盖共同形成容纳腔，所述容纳腔的至少部分呈圆球状，所述容纳腔的内侧壁在周向上具有相对称第一凹陷部和第二凹陷部；

至少部分设置在所述容纳腔中的至少部分呈球体的腰球，所述腰球的侧壁在周向上具有相对称的第一限位凸起和第二限位凸起，所述第一限位凸起嵌入所述第一凹陷部，所述第二限位凸起嵌入所述第二凹陷部，所述第一限位凸起的上端面、所述第一限位凸起的下端面与所述第一凹陷部的壁面之间具有间隙，所述第二限位凸起的上端面、所述第二限位凸起的下端面与所述第二凹陷部的壁面之间具有间隙。

优选地，所述容纳腔的内侧壁在周向上具有相对称第三凹陷部和第四凹陷部，所述腰球的侧壁在周向上具有相对称的第三限位凸起和第四限位凸起，所述第三限位凸起嵌入所述第三凹陷部，所述第四限位凸起嵌入所述第四凹陷部，所述第三限位凸起的上端面、所述第三限位凸起的下端面与所述第三凹陷部的壁面之间具有间隙，所述第四限位凸起的上端面、所述第四限位凸起的下端面与所述第四凹陷部的壁面之间具有间隙；所述第一限位凸起、所述第二限位凸起形成的直线与所述第三限位凸起和所述第四限位凸起形成的直线相垂直。

优选地，所述腰球盖的上表面具有开口，所述腰球的上端通过所述腰球盖的开口露出所述腰球盖。

优选地，所述腰球露出所述腰球盖的部分用于连接机器人身体部分；所述腰球座的下端用于连接机器人腿部。

优选地，所述腰球座的上端具有凹陷的第一腔体，所述腰球盖的下端具有凹陷的第二腔体，所述第一腔体与所述第二腔体形成所述容纳腔。

优选地，所述腰球由peek材料制成。

优选地，所述腰关节机构还包括：第一侧板和第二侧板，所述第一侧板和所述第二侧板分别设置在所述腰球座和所述腰球盖两侧；所述第一侧板分别与所述腰球座和所述腰球盖通过螺钉固定连接，所述第二侧板分别与所述腰球座和所述腰球盖通过螺钉固定连接。

优选地，所述第一侧板和所述第二侧板由碳纤维材料制成。

优选地，当所述腰球向所述第一限位凸起方向转动预设角度后，所述第一限位凸起的下端面与所述第一凹陷部的壁面相抵，所述第二限位凸起的上端面与所述第二凹陷部的壁面相抵，从而对所述腰球的转动幅度进行控制；当所述腰球向所述第二限位凸起方向转动预设角度后，所述第二限位凸起的下端面与所述第二凹陷部的壁面相抵，所述第一限位凸起的上端面与所述第一凹陷部的壁面相抵，从而对所述腰球的转动幅度进行控制。

一种机器人，所述机器人包括：如上述任一所述的腰关节机构；连接在所述腰球上端的身体；连接在所述腰球座下端的腿部。

本发明的技术方案具有以下显著有益效果：

本申请中的呈球体的腰球与至少部分呈圆球状的容纳腔相配合，腰球与腰球座、所述腰球盖具有很大的接触面，当腰球以及腰球上端连接的身体部分受力时，能够将冲击力均匀分散的传递给腰球座、所述腰球盖；当腰球座、所述腰球盖以及它们下端连接的腿部在触地过程中受力时，能够将冲击力均匀分散的传递给腰球，通过上述方式，可以有效提高机器人整体的抗冲击性能，避免单一部件某个位置受力过大而易造成损坏。其次，所述第一限位凸起的上端面、所述第一限位凸起的下端面与所述第一凹陷部的壁面之间具有间隙，所述第二限位凸起的上端面、所述第二限位凸起的下端面与所述第二凹陷部的壁面之间具有间隙，如此，腰球可以向第一限位凸起或第二限位凸起转动一定角度，进而实现机器人腰部的多个方向的弯腰运动。通过上述结构，有效提高了机器人的运动能力和环境适应能力。最后，该腰关节机构中的零件数量少，结构简单，制造和安装精度要求低，便于生产。

参照后文的说明和附图，详细公开了本发明的特定实施方式，指明了本发明的原理可以被采用的方式。应该理解，本发明的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本发明的实施方式包括许多改变、修改和等同。针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

附图说明

在此描述的附图仅用于解释目的，而不意图以任何方式来限制本发明公开的范围。另外，图中的各部件的形状和比例尺寸等仅为示意性的，用于帮助对本发明的理解，并不是具体限定本发明各部件的形状和比例尺寸。本领域的技术人员在本发明的教导下，可以根据具体情况选择各种可能的形状和比例尺寸来实施本发明。

图1为本发明实施例中腰关节机构在竖直方向切面下的剖面图。

以上附图的附图标记：

1、腰球座；2、腰球盖；21、开口；3、容纳腔；31、第一凹陷部；32、第二凹陷部；4、腰球；41、第一限位凸起；42、第二限位凸起；5、间隙；6、第一侧板；7、第二侧板；8、螺纹孔。

具体实施方式

结合附图和本发明具体实施方式的描述，能够更加清楚地了解本发明的细节。但是，在此描述的本发明的具体实施方式，仅用于解释本发明的目的，而不能以任何方式理解成是对本发明的限制。在本发明的教导下，技术人员可以构想基于本发明的任意可能的变形，这些都应被视为属于本发明的范围。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

为了能够在机器人触地过程中具有较强的抗冲击性，在机器人运动过程中可以实现机器人腰部向多个方向的弯腰动作，且其制造和安装精度要求相对较低，便于生产，结构简单，重量较轻，在本申请中提出了一种腰关节机构，图1为本发明实施例中腰关节机构在竖直方向切面下的剖面图，如图1所示，该腰关节机构包括：腰球座1和腰球盖2，腰球座1和腰球盖2共同形成容纳腔3，容纳腔3的至少部分呈圆球状，容纳腔3的内侧壁在周向上具有相对称第一凹陷部31和第二凹陷部32；至少部分设置在容纳腔3中的至少部分呈球体的腰球4，腰球4的侧壁在周向上具有相对称的第一限位凸起41和第二限位凸起42，第一限位凸起41嵌入第一凹陷部31，第二限位凸起42嵌入第二凹陷部32，第一限位凸起41的上端面、第一限位凸起41的下端面与第一凹陷部31的壁面之间具有间隙5，第二限位凸起42的上端面、第二限位凸起42的下端面与第二凹陷部32的壁面之间具有间隙5。

本申请中的呈球体的腰球4与至少部分呈圆球状的容纳腔3相配合，腰球4与腰球座1、腰球盖2具有很大的接触面，当腰球4以及腰球4上端连接的身体部分受力时，能够将冲击力均匀分散的传递给腰球座1、腰球盖2；当腰球座1、腰球盖2以及它们下端连接的腿部在触地过程中受力时，能够将冲击力均匀分散的传递给腰球4，通过上述方式，可以有效提高机器人整体的抗冲击性能，避免单一部件某个位置受力过大而易造成损坏。其次，第一限位凸起41的上端面、第一限位凸起41的下端面与第一凹陷部31的壁面之间具有间隙5，第二限位凸起42的上端面、第二限位凸起42的下端面与第二凹陷部32的壁面之间具有间隙5，如此，腰球4可以向第一限位凸起41或第二限位凸起42转动一定角度，进而实现机器人腰部的多个方向的弯腰运动。通过上述结构，有效提高了机器人的运动能力和环境适应能力。最后，该腰关节机构中的零件数量少，结构简单，制造和安装精度要求低，便于生产。

为了能够更好的理解本申请中的腰关节机构，下面将对其做进一步解释和说明。如图1所示，腰球座1和腰球盖2均沿水平方向延伸，两者均具有一定的厚度。腰球盖2设置在腰球座1上，两者相紧贴，从而使得腰球座1和腰球盖2共同形成容纳腔3，容纳腔3的至少部分呈圆球状。具体而言，腰球座1的上端具有凹陷的第一腔体，腰球盖2的下端具有凹陷的第二腔体，第一腔体与第二腔体形成容纳腔3。腰球盖2的上表面具有开口21，因此，导致容纳腔3的下半部分呈圆球状。

如图1所示，腰球座1的下端用于连接机器人腿部。例如，在腰球座1的下端沿竖直方向可以开设有螺纹孔8，机器人腿部可以拧入腰球座1的螺纹孔8，从而实现机器人腿部与腰球座1的可拆卸连接。

为了使得腰球座1和腰球盖2合并在一起不脱离，腰关节机构可以包括：第一侧板6和第二侧板7，第一侧板和第二侧板7分别设置在腰球座1和腰球盖2两侧；第一侧板6分别与腰球座1和腰球盖2通过螺钉固定连接，第二侧板7分别与腰球座1和腰球盖2通过螺钉固定连接。通过上述对腰球座1和腰球4进行固定，以使两者始终合并在一起，同时便于腰球4可以拆卸或安装至容纳腔3中。

如图1所示，至少部分呈球体的腰球4至少部分设置在容纳腔3中。腰球盖2的上表面具有开口21，腰球4的上端通过腰球盖2的开口21露出腰球盖2。因此，腰球4的下半部分呈球体。腰球4露出腰球盖2的部分用于连接机器人身体部分。例如，在腰球4上沿竖直方向开设有螺纹孔8或开孔，机器人身体部分可以拧入腰球4的螺纹孔8或插入腰球4的开孔中，从而实现机器人身体部分与腰球4的可拆卸连接。

其次，腰球4的下半部分、周向无限位凸起的位置以及腰球4上半部分中除去露出腰球盖2的部分均与腰球座1、腰球盖2、形成容纳腔3的侧壁相紧贴，因此，腰球4与腰球座1、腰球盖2具有很大的接触面积，能够将机器人受到的冲击力在腰球4与腰球座1、腰球盖2之间均匀分散的相互传递。通过上述方式，可以有效提高机器人整体的抗冲击性能，避免单一部件某个位置受力过大而易造成损坏。

在一种可行的实施方式中，第一侧板6和第二侧板7可以由碳纤维材料制成。这样可以大幅降低整个腰关节机构的重量，同时有效保证第一侧板6和第二侧板7足够的强度。

如图1所示，容纳腔3的内侧壁在周向上具有相对称第一凹陷部31和第二凹陷部32。腰球4的侧壁在周向上具有相对称的第一限位凸起41和第二限位凸起42，第一限位凸起41嵌入第一凹陷部31，第二凹陷部32嵌入第二凹陷部32。

如图1所示，当腰球4的第一限位凸起41和第二限位凸起42位于水平线上时，第一限位凸起41的上端面、第一限位凸起41的下端面与第一凹陷部31的壁面之间具有间隙5，第二限位凸起42的上端面、第二限位凸起42的下端面与第二凹陷部32的壁面之间具有间隙5。通过上述结构，可以使得腰球4向第一限位凸起41方向或第二相位凸起方向进行转动，进而实现机器人腰部及上半身的2个方向的前后弯腰运动或左右弯腰动作。

例如，当腰球4向第一限位凸起41方向转动预设角度后，第一限位凸起41的下端面与第一凹陷部31的壁面相抵，第二限位凸起42的上端面与第二凹陷部32的壁面相抵，从而对腰球4的转动幅度进行控制；当腰球4向第二限位凸起42方向转动预设角度后，第二限位凸起42的下端面与第二凹陷部32的壁面相抵，第一限位凸起41的上端面与第一凹陷部31的壁面相抵，从而对腰球4的转动幅度进行控制。

在一种可行的实施方式中，腰球4可以由peek(聚醚醚酮)材料制成。聚醚醚酮树脂是一种性能优异的特种工程塑料，与其他特种工程塑料相比具有更多显著优势，在本申请中充分利用了其机械性能优异、自润滑性好、耐剥离性、耐磨性这几个特殊性质。聚醚醚酮树脂的自润滑性好能够使得腰球4在腰球座1和腰球盖2形成的容纳腔3转动自如，不会出现卡死现象。优异的耐剥离性、耐磨性使得腰球4在高频率的转动中依然具有足够长的寿命，充分保证机器人的使用时间，减少因腰关节机构出现故障的可能性。优异的机械性能能够使得腰球4便于加工，且自身能够抵抗高压或高冲击力，避免其易出现碎裂等等。最后，由peek(聚醚醚酮)材料制成的腰球4重量小，可以最大程度的减轻腰关节机构的重量。

在一种优选的实施方式中，为了能够同时实现机器人腰部及上半身的2个方向的前后弯腰运动和2个方向的左右弯腰动作，容纳腔3的内侧壁在周向上具有相对称第三凹陷部和第四凹陷部，腰球4的侧壁在周向上具有相对称的第三限位凸起和第四限位凸起，第三限位凸起嵌入第三凹陷部，第四限位凸起嵌入第四凹陷部，第三限位凸起的上端面、第三限位凸起的下端面与第三凹陷部的壁面之间具有间隙5，第四限位凸起的上端面、第四限位凸起的下端面与第四凹陷部的壁面之间具有间隙5；第一限位凸起41、第二限位凸起42形成的直线与第三限位凸起和第四限位凸起形成的直线相垂直。在本实施方式中，腰球4可以向第一限位凸起41方向和第二限位凸起42方向转动，也可以向第三限位凸起方向和第四限位凸起方向转动，由于第一限位凸起41和第二限位凸起42处于相对方向，第三限位凸起和第四限位凸起处于相对方向，且相邻限位凸起之间的夹角为90度，因此，机器人可以完成向前向后的弯腰动作、向左向右的弯腰动作。

在本申请中还提出了一种机器人，该机器人特别针对于仿人机器人，其可以包括：如上述任一的腰关节机构；连接在腰球4上端的身体；连接在腰球座1下端的腿部。通过腰关节机构，该机器人的身体部分可以相对与腿部实现多个方向的转动，例如前后弯腰动作，左右转动动作。

披露的所有文章和参考资料，包括专利申请和出版物，出于各种目的通过援引结合于此。描述组合的术语“基本由…构成”应该包括所确定的元件、成分、部件或步骤以及实质上没有影响该组合的基本新颖特征的其他元件、成分、部件或步骤。使用术语“包含”或“包括”来描述这里的元件、成分、部件或步骤的组合也想到了基本由这些元件、成分、部件或步骤构成的实施方式。这里通过使用术语“可以”，旨在说明“可以”包括的所描述的任何属性都是可选的。多个元件、成分、部件或步骤能够由单个集成元件、成分、部件或步骤来提供。另选地，单个集成元件、成分、部件或步骤可以被分成分离的多个元件、成分、部件或步骤。用来描述元件、成分、部件或步骤的公开“一”或“一个”并不说为了排除其他的元件、成分、部件或步骤。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种腰关节机构，其特征在于，包括：

腰球座和腰球盖，所述腰球座和所述腰球盖共同形成容纳腔，所述容纳腔的至少部分呈圆球状，所述容纳腔的内侧壁在周向上具有相对称的第一凹陷部和第二凹陷部；

至少部分设置在所述容纳腔中的至少部分呈球体的腰球，所述腰球的侧壁在周向上具有相对称的第一限位凸起和第二限位凸起，所述第一限位凸起嵌入所述第一凹陷部，所述第二限位凸起嵌入所述第二凹陷部，所述第一限位凸起的上端面、所述第一限位凸起的下端面与所述第一凹陷部的壁面之间具有间隙，所述第二限位凸起的上端面、所述第二限位凸起的下端面与所述第二凹陷部的壁面之间具有间隙；所述容纳腔的内侧壁在周向上具有相对称第三凹陷部和第四凹陷部，所述腰球的侧壁在周向上具有相对称的第三限位凸起和第四限位凸起，所述第三限位凸起嵌入所述第三凹陷部，所述第四限位凸起嵌入所述第四凹陷部，所述第三限位凸起的上端面、所述第三限位凸起的下端面与所述第三凹陷部的壁面之间具有间隙，所述第四限位凸起的上端面、所述第四限位凸起的下端面与所述第四凹陷部的壁面之间具有间隙；所述第一限位凸起、所述第二限位凸起形成的直线与所述第三限位凸起和所述第四限位凸起形成的直线相垂直。

2.根据权利要求1所述的腰关节机构，其特征在于，所述腰球盖的上表面具有开口，所述腰球的上端通过所述腰球盖的开口露出所述腰球盖。

3.根据权利要求2所述的腰关节机构，其特征在于，所述腰球露出所述腰球盖的部分用于连接机器人身体部分；所述腰球座的下端用于连接机器人腿部。

4.根据权利要求1所述的腰关节机构，其特征在于，所述腰球座的上端具有凹陷的第一腔体，所述腰球盖的下端具有凹陷的第二腔体，所述第一腔体与所述第二腔体形成所述容纳腔。

5.根据权利要求1所述的腰关节机构，其特征在于，所述腰球由peek材料制成。

6.根据权利要求1所述的腰关节机构，其特征在于，所述腰关节机构还包括：第一侧板和第二侧板，所述第一侧板和所述第二侧板分别设置在所述腰球座和所述腰球盖两侧；所述第一侧板分别与所述腰球座和所述腰球盖通过螺钉固定连接，所述第二侧板分别与所述腰球座和所述腰球盖通过螺钉固定连接。

7.根据权利要求6所述的腰关节机构，其特征在于，所述第一侧板和所述第二侧板由碳纤维材料制成。

8.根据权利要求1所述的腰关节机构，其特征在于，当所述腰球向所述第一限位凸起方向转动预设角度后，所述第一限位凸起的下端面与所述第一凹陷部的壁面相抵，所述第二限位凸起的上端面与所述第二凹陷部的壁面相抵，从而对所述腰球的转动幅度进行控制；当所述腰球向所述第二限位凸起方向转动预设角度后，所述第二限位凸起的下端面与所述第二凹陷部的壁面相抵，所述第一限位凸起的上端面与所述第一凹陷部的壁面相抵，从而对所述腰球的转动幅度进行控制。

9.一种机器人，其特征在于，所述机器人包括：如权利要求1至8中任一所述的腰关节机构；连接在所述腰球上端的身体；连接在所述腰球座下端的腿部。

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