CN110815196B - 一种机器人的腰部结构 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种机器人的腰部结构，包括：固定底座、上身壳体、旋转动力结构、旋转关节主体、俯仰动力结构和俯仰关节主体；旋转动力结构设置在固定底座上，旋转关节主体的一侧为曲面结构，曲面结构与旋转动力结构相连，旋转动力结构控制旋转关节主体进行水平旋转；俯仰关节主体设置在旋转关节主体的另一侧，与旋转主体通过轴承可活动连接，俯仰动力结构与俯仰关节主体相连，上身壳体套设并固定在俯仰动力结构上，俯仰动力结构控制俯仰关节主体带动上身壳体进行俯仰转动。这样，将腰部结构的旋转关节主体设置成曲面结构保证水平旋转时减小阻力，将旋转和俯仰结构解耦，使得旋转关结构与俯仰结构距离较远，不会相互干扰，安全美观。

Description

一种机器人的腰部结构

技术领域

本发明属于智能机器技术领域，特别是涉及一种机器人的腰部结构。

背景技术

对于桌面小型机器人产品，一般追求低成本、高性价比、稳定性、结构紧凑。基于这些要求，一般来说，腰部关节的自由度越多，系统越复杂，体积越大，成本越高，稳定性越差。因此一般腰部关节没有运动自由度或者只有水平自由度，这种机器人设计起来比较简单，成本低，但是机器人的表现能力有限。对于腰部有水平旋转和俯仰的二自由度的机器人，俯仰关节的旋转运动常常采用电机直连、行星减速器、齿轮副、同步带等方式实现。

缺陷：(1)电机直连，由于俯仰的惯性和负载比较大，所以对电机要求比较高。

(2)为解决(1)问题，市面常采用减速器、齿轮副等方式增加减速比，降低对电机的要求，但是增大机器人的腰部结构体积。

(3)因此针对(2)，也常采用同步带的方式让俯仰电机的安装位置更加灵活，使得机器人的腰部结构更紧凑，体积更小。

(4)但是腰部俯仰的负载和惯性较大，要实现运动平稳，能够对抗外力额外施加的负载，还是有点困难。一般市面上的腰部具有二自由度的机器人腰部都比较容易被外力驱动。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提出了一种机器人的腰部结构，能够解决如何在保证腰部结构轻便的同时，保证腰部结构的灵活性和平稳性的技术问题。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种机器人的腰部结构，包括：固定底座、上身壳体、旋转动力结构、旋转关节主体、俯仰动力结构和俯仰关节主体；

所述旋转动力结构设置在所述固定底座上，所述旋转关节主体的一侧为曲面结构，所述曲面结构与所述旋转动力结构相连，所述旋转动力结构控制所述旋转关节主体进行水平旋转；

所述俯仰关节主体设置在所述旋转关节主体的另一侧，与所述旋转主体通过轴承可活动连接，所述俯仰动力结构与所述俯仰关节主体相连，所述上身壳体套设并固定在所述俯仰动力结构上，所述俯仰动力结构控制所述俯仰关节主体带动所述上身壳体进行俯仰转动。

进一步地，所述旋转动力结构包括：旋转电机、旋转主动齿轮、旋转传动齿轮和旋转关节法兰；

所述旋转电机设置在所述固定底座内部，所述旋转主动齿轮设置在所述旋转电机上方，且与所述旋转电机的动力输出端相连，所述旋转传动轮设置在所述旋转电机的一侧与所述旋转主动齿轮咬合相接，所述旋转关节法兰一侧与所述旋转传动轮的中心轴相连，另一侧与所述旋转关节主体相连；

所述旋转电机带动所述旋转主动齿轮转动，所述旋转主动齿轮带动所述旋转传动轮转动，所述旋转传动轮通过旋转关节法兰带动所述旋转关节主体进行水平旋转。

进一步地，所述旋转关节主体包括第一旋转关节主体和第二旋转关节主体，所述俯仰关节主体上设有固定轴，所述第一旋转关节主体和所述第二旋转关节主体均设有轴承，所述轴承与所述固定轴可转动连接。

进一步地，在所述第一旋转关节主体和所述第二旋转关节主体上均设有旋转关节导向杆，所述旋转关节导向杆与所述旋转动力结构相连，所述旋转动力结构通过所述旋转关节导向杆带动所述所述第一旋转关节主体和所述第二旋转关节主体进行水平旋转。

进一步地，在所述第一旋转关节主体和/或所述第二旋转关节主体上与所述旋转关节导向杆对应的安装位置和运动范围内开设导向槽，用于对所述旋转关节导向杆进行限位。

进一步地，在所述第一旋转关节主体和所述第二旋转关节主体底部均设有旋转关节支撑轴承，通过所述旋转关节支撑轴承将所述第一旋转关节主体和所述第二旋转关节主体与所述固定底座固定连接。

进一步地，所述俯仰动力结构包括：俯仰电机、俯仰关节法兰、俯仰主动齿轮和俯仰传动齿轮；

所述俯仰关节法兰与所述俯仰关节主体相连，所述上身壳体与所述俯仰关节法兰固定连接，所述俯仰电机固定在所述俯仰关节法兰的一侧，所述俯仰主动齿轮和所述俯仰传动齿轮均固定在所述俯仰关节法兰的另一侧，且所述俯仰主动齿轮与所述俯仰传动齿轮之间咬合连接，所述俯仰传动齿轮与所述俯仰关节主体相连；

所述俯仰电机通过所述俯仰主动齿轮带动所述俯仰传动齿轮转动，所述俯仰传动齿轮带动所述俯仰关节主体进行俯仰转动。

进一步地，所述俯仰动力结构还包括：俯仰关节传动杆，所述俯仰关节传动杆设置在所述俯仰关节法兰的一侧，在所述俯仰关节法兰上开设洞口，所述俯仰关节传动杆一端穿过所述洞口与所述俯仰传动齿轮连接，所述俯仰关节传动杆的另一端与所述俯仰关节主体相连；

所述俯仰传动齿轮通过所述俯仰关节传动杆带动所述俯仰关节主体进行俯仰转动。

进一步地，所述俯仰关节传动杆为螺纹杆，通过俯仰关节传动螺母与所述俯仰关节主体相连。

进一步地，在所述俯仰关节法兰的另一侧设有俯仰关节导向杆，所述俯仰关节导向杆固定在所述俯仰主动齿轮的外沿，保证所述上身壳体在进行俯仰转动时的稳定性。

本发明实施例提供的机器人的腰部结构，具有如下有益效果：

通过本发明的技术方案，本申请的腰部结构的旋转关节主体设置成曲面结构能够保证腰部结构在进行水平旋转时摩擦阻力减小，使旋转和俯仰结构解耦，且旋转关结构与俯仰结构距离较远，不会相互干扰，在俯仰运动中，腰部始终保持曲面结构，该运动关节几乎不存在太大缝隙，安全美观。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同描述一起用于解释本发明的原理。

参照附图，根据下面的详细描述，可以更加清楚地理解本发明，其中：

图1为本发明实施例的机器人的腰部结构的主视图；

图2为本发明实施例的机器人的腰部结构的内部示意图。

附图标记说明：1固定底座，2上身壳体，

3旋转动力结构，31旋转电机，32旋转主动齿轮，33旋转传动齿轮，34旋转关节法兰，

4旋转关节主体，41第一旋转关节主体，42第二旋转关节主体，43旋转关节导向杆，44导向槽，45旋转关节支撑轴承，

5俯仰动力结构，51俯仰电机，52俯仰关节法兰，53俯仰主动齿轮，54俯仰传动齿轮，55俯仰关节传动杆，56俯仰关节传动螺母，57俯仰关节导向杆，

6俯仰关节主体。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，绝不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1是本发明实施例的机器人的腰部结构的结构示意图。

如图1所示，机器人的腰部结构包括：固定底座1、上身壳体2、旋转动力结构3、旋转关节主体4、俯仰动力结构5和俯仰关节主体6；

旋转动力结构3设置在固定底座1上，旋转关节主体4的一侧为曲面结构，曲面结构与旋转动力结构3相连，旋转动力结构3控制旋转关节主体4进行水平旋转；

俯仰关节主体6设置在旋转关节主体4的另一侧，与旋转主体通过轴承可活动连接，俯仰动力结构5与俯仰关节主体6相连，上身壳体2套设并固定在俯仰动力结构5上，俯仰动力结构5控制俯仰关节主体6带动上身壳体2进行俯仰转动。

在上述技术方案中，固定底座1相当于机器人的下肢结构，固定底座1内设有空腔，该旋转动力结构3设置在空腔内部，这样既美观又能够很好的对旋转动力结构3进行保护。上身壳体2内也设有空腔，俯仰动力结构5设置在上身壳体2的空腔内部，在保证美观的同时对俯仰动力结构5进行保护。该旋转关节主体4的曲面结构可以优选为半椭球形、椭球形、半球形或球形。

另外俯仰关节主体6与旋转关节主体4相接的一侧为球面结构，这样能够保证在腰部结构进行任意角度的旋转时，都能够顺利进行俯仰运动，有效增加要不结构的运动幅度和运动范围，提升机器人的运动能力。

通过上述方案，将俯仰结构和旋转结构通过解耦的方式进行分离，这样便于控制转动距离和方向，使得机器人能够在三维空间中进行运动，并且将旋转主体的底部设置成曲面结构，有助于机器人进行水平转动时减小摩擦阻力。旋转关结构与俯仰结构距离较远，不会相互干扰，在俯仰运动中，腰部始终保持曲面结构，该运动关节几乎不存在太大缝隙，安全美观。

在具体实施例中，旋转动力结构3包括：旋转电机31、旋转主动齿轮32、旋转传动齿轮33和旋转关节法兰34；

旋转电机31设置在固定底座1内部，旋转主动齿轮32设置在旋转电机31上方，且与旋转电机31的动力输出端相连，旋转传动轮设置在旋转电机31的一侧与旋转主动齿轮32咬合相接，旋转关节法兰34一侧与旋转传动轮的中心轴相连，另一侧与旋转关节主体4相连；

旋转电机31带动旋转主动齿轮32转动，旋转主动齿轮32带动旋转传动轮转动，旋转传动轮通过旋转关节法兰34带动旋转关节主体4进行水平旋转。

在上述技术方案中，旋转电机31位于固定底座1内部，固定在固定底座1的内壁上，由于旋转电机31重量较大，固定在固定底座1的内壁上，能够增加旋转电机31的稳定性，旋转电机31上设有动力输出杆，该动力输出杆与旋转主动齿轮32固定为一体，这样旋转电机31启动后，就可以通过该动力输出杆带动旋转主动齿轮32转动，然后再带动旋转传动齿轮33转动，从而控制旋转关节主体4进行水平旋转，这样就可以实现机器人通过腰部结构进行左侧身、右侧身甚至后侧身的动作。

通过上述方案，将旋转动力结构3的各个零件全部设置在固定底座1的空腔内部，这样能够增加固定底座1的重量，提升固定底座1稳定性的同时，减轻机器人上部的重量，使得机器人在行走、转身以及弯腰时能够更加稳定。

在具体实施例中，旋转关节主体4包括第一旋转关节主体41和第二旋转关节主体42，俯仰关节主体6上设有固定轴，第一旋转关节主体41和第二旋转关节主体42均设有轴承，轴承与固定轴可转动连接。

在上述技术方案中，将旋转关节主体4分成两部分，这样方便将俯仰关节主体6固定在第一旋转关节主体41和第二旋转关节主体42中间，使得俯仰结构部分以及上身壳体2不会偏离重心，避免机器人由于重心不稳出现倾斜或者摔倒的情况。

在具体实施例中，在第一旋转关节主体41和第二旋转关节主体42上均设有旋转关节导向杆43，旋转关节导向杆43与旋转动力结构3相连，旋转动力结构3通过旋转关节导向杆43带动第一旋转关节主体41和第二旋转关节主体42进行水平旋转。

在上述技术方案中，旋转关节导向杆43有两个，传输旋转动力结构3启动后利用两个旋转关节导向杆43将产生的动力进行分解后，传送给第一旋转关节主体41和第二旋转关节主体42，这样机器人的腰部结构在第一旋转关节主体41和第二旋转关节主体42的作用下进行水平旋转。

通过设置旋转关节导向杆43能够有效控制腰部结构旋转的角度，使得腰部结构旋转更加灵活。

在具体实施例中，在第一旋转关节主体41和/或第二旋转关节主体42上与旋转关节导向杆43对应的安装位置和运动范围内开设导向槽44，用于对旋转关节导向杆43进行限位。

通过上述方案，设置导向槽44用于对旋转关节导向杆43进行限位，能够使得腰部结构在进行旋转时不会由于惯性出现旋转角度过大的情况，保证机器人的腰部结构在旋转时能够更加稳定。

在具体实施例中，在第一旋转关节主体41和第二旋转关节主体42底部均设有旋转关节支撑轴承45，通过旋转关节支撑轴承45将第一旋转关节主体41和第二旋转关节主体42与固定底座1固定连接。

在上述技术方案中，第一旋转关节主体41和第二旋转关节主体42通过旋转关节支撑轴承45与固定底座1的顶部固定在一起，用来支撑第一旋转关节主体41和第二旋转关节主体42，并且该支撑轴承的顶部的形状设置成内凹的曲面结构，与旋转关节主体4的曲面结构相互配合，保证旋转关节主体4能够进行360°水平旋转。

通过上述方案，设置旋转关节支撑轴承45能够在保证旋转关节主体4进行水平旋转的同时，对两个旋转关节主体4进行支撑，避免两个旋转关节主体4出现下滑或者位移的情况。

在具体实施例中，俯仰动力结构5包括：俯仰电机51、俯仰关节法兰52、俯仰主动齿轮53和俯仰传动齿轮54；

俯仰关节法兰52与俯仰关节主体6相连，上身壳体2与俯仰关节法兰52固定连接，俯仰电机51固定在俯仰关节法兰52的一侧，俯仰主动齿轮53和俯仰传动齿轮54均固定在俯仰关节法兰52的另一侧，且俯仰主动齿轮53与俯仰传动齿轮54之间咬合连接，俯仰传动齿轮54与俯仰关节主体6相连；

俯仰电机51通过俯仰主动齿轮53带动俯仰传动齿轮54转动，俯仰传动齿轮54带动俯仰关节主体6进行俯仰转动。

在上述技术方案中，将俯仰关节法兰52固定在上身壳体2内部空腔的中间，然后将俯仰动力结构5的其他部件分别设置在俯仰关节法兰52两侧，进而保证整个上身壳体2的重心平衡。另外，俯仰电机51上设有动力输出杆，该动力输出杆与俯仰主动齿轮53固定为一体，这样俯仰电机51启动后，就可以通过该动力输出杆带动俯仰主动齿轮53转动，控制腰部结构进行180°的俯仰运动(即实现弯腰、直立的动作)。

通过上述方案，将俯仰动力结构5的各个零件全部设置在上身壳体2的空腔内部，增加美观效果，同时有效保证上身壳体2的重心不出现偏移的情况。

在具体实施例中，俯仰动力结构5还包括：俯仰关节传动杆55，俯仰关节传动杆55设置在俯仰关节法兰52的一侧，在俯仰关节法兰52上开设洞口，俯仰关节传动杆55一端穿过洞口与俯仰传动齿轮54连接，俯仰关节传动杆55的另一端与俯仰关节主体6相连；

俯仰传动齿轮54通过俯仰关节传动杆55带动俯仰关节主体6进行俯仰转动。

在上述技术方案中，通过根据俯仰传动齿轮54的力度，调节俯仰关节传动杆55的力矩，进而控制俯仰关节主体6的俯仰角度，保证俯仰关节主体6能够按照需要俯仰相应的角度，不会出现偏差。

在具体实施例中，俯仰关节传动杆55为螺纹杆，通过俯仰关节传动螺母56与俯仰关节主体6相连。

上述技术方案中，俯仰关节传动杆55将动力通过俯仰关节传动螺母56传送至俯仰关节主体6上，控制俯仰关节主体6的俯仰角度。俯仰关节传动杆55为螺纹杆，这样就可以实现反向自锁的功能，有效保证俯仰结构的稳定性，避免腰部结构进行俯仰动作时在外力作用下角度出现偏移情况。

在具体实施例中，在俯仰关节法兰52的另一侧设有俯仰关节导向杆57，俯仰关节导向杆57固定在俯仰主动齿轮53的外沿，保证上身壳体2在进行俯仰转动时的稳定性。

在上述技术方案中，俯仰关节导向杆57用于对俯仰关节的俯仰角度进行调整和控制，并且在上身壳体2向下俯身转动时，俯仰关节导向杆57、俯仰关节法兰52与上身壳体2构成稳定的三角形结构，进而有效提升在进行俯仰转动时上身壳体2的稳定性。另外俯仰关节导向杆57与俯仰主动齿轮53相接，这样当上身壳体2俯身转动至相应角度后，可以利用该俯仰关节导向杆57固定俯仰主动齿轮53，防止该俯仰主动齿轮53转动，出现角度偏差。

通过本发明的上述技术方案，本申请的机器人的腰部结构将俯仰结构和旋转结构通过解耦的方式进行分离，这样便于控制转动距离和方向，使得机器人能够在三维空间中进行运动，并且将旋转主体的底部设置成曲面结构，有助于机器人进行水平转动时减小摩擦阻力。旋转关结构与俯仰结构距离较远，不会相互干扰，在俯仰运动中，腰部始终保持曲面结构，该运动关节几乎不存在太大缝隙，安全美观。

本说明书中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它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似的部分相互参见即可。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (9)

1.一种机器人的腰部结构，其特征在于，包括：固定底座(1)、上身壳体(2)、旋转动力结构(3)、旋转关节主体(4)、俯仰动力结构(5)和俯仰关节主体(6)；所述旋转动力结构(3)包括旋转电机(31)；

所述旋转动力结构(3)设置在所述固定底座(1)上，所述旋转关节主体(4)的一侧为曲面结构，所述曲面结构与所述旋转动力结构(3)相连，所述旋转动力结构(3)控制所述旋转关节主体(4)进行水平旋转；

所述俯仰关节主体(6)设置在所述旋转关节主体(4)的另一侧，与所述旋转关节主体（4）通过轴承可活动连接，所述俯仰动力结构(5)与所述俯仰关节主体(6)相连，所述上身壳体(2)套设并固定在所述俯仰动力结构(5)上，所述俯仰动力结构(5)控制所述俯仰关节主体(6)带动所述上身壳体(2)进行俯仰转动；所述旋转电机(31)设置在所述固定底座(1)内部；

所述旋转关节主体(4)包括第一旋转关节主体(41)和第二旋转关节主体(42)，所述俯仰关节主体(6)上设有固定轴，所述第一旋转关节主体(41)和所述第二旋转关节主体(42)均设有轴承，所述轴承与所述固定轴可转动连接。

2.根据权利要求1所述的机器人的腰部结构，其特征在于，所述旋转动力结构(3)还包括旋转主动齿轮(32)、旋转传动齿轮(33)和旋转关旋转传动齿轮节法兰(34)；

所述旋转主动齿轮(32)设置在所述旋转电机(31)上方，且与所述旋转电机(31)的动力输出端相连，所述旋转传动齿轮（33）设置在所述旋转电机(31)的一侧与所述旋转主动齿轮(32)咬合相接，所述旋转关节法兰(34)一侧与所述旋转传动齿轮（33）的中心轴相连，另一侧与所述旋转关节主体(4)相连；

所述旋转电机(31)带动所述旋转主动齿轮(32)转动，所述旋转主动齿轮(32)带动所述旋转传动齿轮(33)转动，所述旋转传动齿轮（33）通过旋转关节法兰(34)带动所述旋转关节主体(4)进行水平旋转。

3.根据权利要求1所述的机器人的腰部结构，其特征在于，在所述第一旋转关节主体(41)和所述第二旋转关节主体(42)上均设有旋转关节导向杆(43)，所述旋转关节导向杆(43)与所述旋转动力结构(3)相连，所述旋转动力结构(3)通过所述旋转关节导向杆(43)带动所述第一旋转关节主体(41)和所述第二旋转关节主体(42)进行水平旋转。

4.根据权利要求3所述的机器人的腰部结构，其特征在于，在所述第一旋转关节主体(41)和/或所述第二旋转关节主体(42)上与所述旋转关节导向杆(43)对应的安装位置和运动范围内开设导向槽(44)，用于对所述旋转关节导向杆(43)进行限位。

5.根据权利要求1所述的机器人的腰部结构，其特征在于，在所述第一旋转关节主体(41)和所述第二旋转关节主体(42)底部均设有旋转关节支撑轴承(45)，通过所述旋转关节支撑轴承(45)将所述第一旋转关节主体(41)和所述第二旋转关节主体(42)与所述固定底座(1)固定连接。

6.根据权利要求1所述的机器人的腰部结构，其特征在于，所述俯仰动力结构(5)包括：俯仰电机(51)、俯仰关节法兰(52)、俯仰主动齿轮(53)和俯仰传动齿轮(54)；

所述俯仰关节法兰(52)与所述俯仰关节主体(6)相连，所述上身壳体(2)与所述俯仰关节法兰(52)固定连接，所述俯仰电机(51)固定在所述俯仰关节法兰(52)的一侧，所述俯仰主动齿轮(53)和所述俯仰传动齿轮(54)均固定在所述俯仰关节法兰(52)的另一侧，且所述俯仰主动齿轮(53)与所述俯仰传动齿轮(54)之间咬合连接，所述俯仰传动齿轮(54)与所述俯仰关节主体(6)相连；

所述俯仰电机(51)通过所述俯仰主动齿轮(53)带动所述俯仰传动齿轮(54)转动，所述俯仰传动齿轮(54)带动所述俯仰关节主体(6)进行俯仰转动。

7.根据权利要求6所述的机器人的腰部结构，其特征在于，所述俯仰动力结构(5)还包括：俯仰关节传动杆(55)，所述俯仰关节传动杆(55)设置在所述俯仰关节法兰(52)的一侧，在所述俯仰关节法兰(52)上开设洞口，所述俯仰关节传动杆(55)一端穿过所述洞口与所述俯仰传动齿轮(54)连接，所述俯仰关节传动杆(55)的另一端与所述俯仰关节主体(6)相连；

所述俯仰传动齿轮(54)通过所述俯仰关节传动杆(55)带动所述俯仰关节主体(6)进行俯仰转动。

8.根据权利要求7所述的机器人的腰部结构，其特征在于，所述俯仰关节传动杆(55)为螺纹杆，通过俯仰关节传动螺母(56)与所述俯仰关节主体(6)相连。

9.根据权利要求6所述的机器人的腰部结构，其特征在于，在所述俯仰关节法兰(52)的另一侧设有俯仰关节导向杆(57)，所述俯仰关节导向杆(57)固定在所述俯仰主动齿轮(53)的外沿，保证所述上身壳体(2)在进行俯仰转动时的稳定性。

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